微带天线理论与设计.doc

微带天线理论与设计一、 实验目的1 了解微带天线的基本工作原理；2 实际设计制作微带天线。二、 实验原理（一）微带天线简介微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场。并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因此它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或圆环形薄片等；也可以是窄长条形的薄片振子（偶极子）。由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和微带振子天线。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变（如弯曲、直角弯头等）来形成辐射，称之为微带型天线，这种天线因为沿线传输行波，又称为微带行波天线。微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线对其馈电，称之为微带缝隙天线。（二）圆形微带天线如图19-1所示，基本的圆形天线是在介质基片上贴一层薄导电圆形贴片，基片的背面是地板。图19-1 圆形微带天线把微带天线看作是微带线腔体的模型。这个模型的提出是基于观察到：在以微带和地板为边界的区域内，电场只有z分量，而磁场只有x和y分量；在此区域中，对于所有有意义的频率，场都和z坐标无关；在边缘的任何点上，微带中的电流都没有正交于边缘的分量，这意味着沿边缘的切向分量可以忽略。因此，微带和地板之间的区域可以看作沿周围边缘的磁壁和上、下两面的电壁围成的腔体。天线中的场可以假定为腔体的场，从而可求出辐射方向图、辐射功率和馈电点在任何位置的输入导纳。关键参数指标及其含义：输入、输出反射损耗及电压驻波比（VSWR）反射损耗（）是在输入信号保持不变的情况下，从短路器反射的电压与从被测负载反射的电压值比，并用dB表示。式中，为被测负载的反射系数。 三、 设计实例圆形微带天线的设计。有馈源的腔体模型如图19-2所示：图19-2有馈源的腔体模型假定激励腔体的源是： 式（19-1）其中当有电源J时，波动方程为 式（19-2）同矩形微带天线一样，仍然假定和只有z分量，且不随z变化，即 式（19-3）因此，方程（19-2）变为 式（19-4）场必须满足波动方程和磁壁的边界条件 式（19-5）由于只有z分量，所以磁场为 式（19-6）由式子（19-5）和（19-6）可得 式（19-7）方程（19-4）的解具有如下形式： 式（19-8）式中，积分是在腔的横截面积上（周围是磁壁）进行的，满足波动方程和边界条件 式（19-9） 式（19-10）方程（19-9）的解对应本征值的本征函数。对应不同本征值的本征函数彼此正交，解的形式如下 式（19-11）由式子（19-1）、（19-8）、（19-11）可得电场的表示式 式（19-12）当 式（19-13）时出现谐振。式（19-13）中，是函数的第m个零点。圆形天线的远区场可以用位函数进行计算，其辐射可由圆片与地板之间在出的孔径上的得出（用电矢量位）,或由圆形导体中的电流得出（用磁矢量位）。间隙两端的的精确数量值是未知的，但在时，对于一阶近似可认为是常数。上半空间的辐射场可用镜像理论得到，将地板代替等效磁流 式 (19-14） 式 (19-15)将等效磁流对孔径积分即可得出电矢量位。将式 (19-12) 代入 (19-6) 式可得磁场分量。在的磁壁中，磁流可由式 (19-15) 求出 (式19-16) (式19-17)已知，所以以上二式可以写成 式（19-18） 式（19-19）由此，我们可以得到电矢量位为 式(19-20)则磁流产生的场可以写成 式(19-21) 式(19-22)在远场中，有意义的场分量只是相对于传播方向的横向分量，现在只考虑磁流，则远场的场分量可以写成 式(19-23) 式(19-24)将上面求出的等效磁流代入 式(19-20) 得 式(19-25)式中，（是球坐标，（是柱坐标。又根据矢量从圆柱坐标到球坐标的转换可以下面矩阵得到= 式(19-26)结合 式19-(23)、(24)、(25)、(26) 可得 式(19-27) 式(19-28)根据所求的远区场的可以得到所要求的方向图、波瓣宽度、辐射功率、阻抗特性等参数或性质。辐射功率可用坡印亭定理计算，即 式(19-29)因子是由于功率只向上半空间辐射的原因，S取的是总的球面积。所以 式(19-30)式中， 是自由空间波阻抗，其值为，由式 (27)、(28)得 式(19-31)该式可简化为 式(19-32)式中 式(19-33)导体损耗与介质损耗由一下两式求得，具体推导过程略 式(19-34) 式(19-35)式中是金属导电率，是基片材料的损耗角的正切谐振时，腔中电场和磁场储能的时间平均值相等，总储能是电能和磁能之和，经化简得 式(19-36)求输入阻抗的近似值可用简单的并联电路来确定 式(19-37)式中 其中是谐振电阻，是总损耗功率包括：辐射功率；由于圆形导体导电率有限和非理想的介质基片而在圆形谐振器中引起的功率损耗，是谐振器的总品质因素，是理论谐振频率。由求得。假设 算得微带天下的主模是波，对应的理论谐振频率为804.6075593543173MHz，采用等效半径后谐振频率为791.1977058402267MHz。面的方向图如下图19-3所示：图19-3E面的方向图面的方向图如下图19-4所示：图19-4H面的方向图可得面波瓣宽度为，面波瓣宽度为，谐振电阻为184.9299067144261，谐振功率为33.53311174174毫瓦，阻抗图如下图19-5所示图19-5阻抗图四、 实验内容实验设备:项次设备名称数量备注1微带天线模块1块无源实验箱2频谱分析仪1台3反射电桥1块4射频连接线3条实验步骤: 1将频谱分析仪频率设置为2010-2025 MHZ，并校准频谱分析仪。2. 测量步骤： 设定微波信号源工作中心频率2017.5MHZ，将其输出端口连接到反射电桥输入端，反射电桥输出端接待测的微带天线模块，将反射电桥反射输出端接到频谱分析仪。测试框