实验10：微带天线(MicrostripAntenna)

实验十： 微带天线（Microstrip Antenna ） **
一、实验目的：
1.了解天线之基原理与微带天线的设计方法。

2.利用实验模组的实际测量得以了解微带天线的特性。

二、预习内容：
1．熟悉天线的理论知识。

2．熟悉天线设计的理论知识。

三、实验设备：
四、理论分析：
天线基本原理：
天线的主要功能是将电磁波发射至空气中或从空气中接收电磁波。

所以天线亦可视为射频发收电路与空气的信号耦合器。

在射频应用上，天线的类型与结构有许多种类。

就波长特性分有八分之一波长、四分之一波长、半波天线；就结构分，常见有单极型（Monopole ）、双极型（Dipole ）、喇叭型（Horn ）、抛物型（Parabolic Disc ）、角型（Corrner ）、螺旋型（Helix ）、介电质平面型（Dielectric Patch ）及阵列型（Array ）天线，如图9-1所示。

就使用频宽来分别有窄频带型（Narrow-band,10%以下）及宽频带型（Broad-band,10%以上）。

(a)单极型
(b)偶极型 (c)喇叭型
λ/ 2
图9-1 常见天线
（一）天线特性参数
1. 天线增益（Antenna Gain ’G ）：
isotropic
P P G =
其中 G ——天线增益
P ——与测量天线距离R 处所接收到的功率密度，Watt / m 2
Pisotropic —— 与全向性天线距离R 处所接收到的功率密度,Watt / m 2
由此可推导出，与增益为G 的天线距离R 处的功率密度应为接收功率密度：
2
4R P G P tx rec ⋅⋅=
π
其中 G ——天线增益
P tx ——发射功率，Watt / m 2 R ——与天线的距离，m
2. 天线输入阻抗（Antenna Input Impedance ’Zin ）：
I
V Z in =
其中 Z in ——天线输入阻抗
V ——在馈入点上的射频电压 I ——在馈入点上的射频电流
以偶极天线为例，其阻抗由中心处73Ω变化到末端为2500Ω。

3. 辐射阻抗（Radiation Resistance ’Rrad ）： 2i
P R av
rad
= 其中Pav ——天线平均辐射功率，W
i ——馈入天线的有效电流，A
(d)抛物面
(e)螺旋型 (f)阵列型
I ——在馈入点上的射频电流
对一半波长天线而言，其辐射阻抗为73Ω。

4. 辐射效率（Radiation Efficiency ’ ηr ）：
input radiated
r P P =
η
其中P radiated ——由天线幅射出的功率，W
P input ——由馈入天线的功率，W
5. 辐射场型（Radiation Pattern ）
天线的电场强度与辐射功率的分布可利用一极坐标图来表示。

以偶极天线为例。

6.
(a)功率增益的幅射场型
（b ）辐射场型的立体图
偶极天线
6.半功率角（Radiation Beam Width ） （1） 由电场辐射场型定义
（2） 由功率辐射场型定义
7. 方向系数（Directivity ’D ）：
av
P P D max
=
其中P max ——最大功率密度，W/m 2 P input ——平均幅射功率密度，W/m 2
常见天线的方向系数如下列： 1.偶极天线（Dipole ）：D = 1.5 or 1.76 dB 2.单极天线（Monopole over ground plane ）：D = 1.5 or 1.76 dB 3.抛物形的碟型天线（Parabolic Dish ）：
()2
2
λπd D ≈
4.喇叭型天线（Horn Antenna ）： 2
10λA
D ≈
其中 d ——抛物面半径，
m
λ——信号波长，m2
A——喇叭口面面积
微带天线设计步骤（以900MHz圆形微条天线（Circular Patch）为例）：步骤一、确定参数
⑴设计频率，fo(GHz)=0.9
⑵最大输入驻波比，SWR=2.0:1
⑶基板参数：高度，h（cm）=0.16
介电常数，Er=4.5（forFR4）
损耗正切（Loss Tangent），TAND=0.015（forFR4）
对铜相对导电系数，RHO（一般设为1.0）=1.0 步骤二、利用设计软件（cpatch.exe）求出（1）圆形天线的半径和输入阻抗约为50ohm时，（2）接头馈入位置及设计频率的（3）输入阻抗。

（1）PATCH RADIUS=4.580cm
（2）FEED LOCATION=1.800cm
步骤三、利用设计软件（patchd.exe）求出（1）天线的总Q值、（2）辐射效率（Radiation Efficency）、（3）总效率（Overall Efficiency）、（4）天线
频带宽度（Patch Bandwidth ）。

SUBSTRATE HEIGHT = 0.1600cm
SUBSTRATE RELATIVE DIELECTRIC CONSTANT = 4.50 SUBSTRATE LOSS TANGENT = 0.0150
CONDUCTOR RELATIVE CONDUCTIVITY = 1.000 PATCH RADIUS = 4.580cm PEED LOCATION = 1.800cm FREQUENCY = 0.9000GHz
RESULT INPUT RESISTANCE = 50.90 ohms
(1) PATCH TLTAL Q = 47.639
(2) RADIATION EFFICIENCY = 95.97% (3) OVERALL EFFICIENCY = 21.10% (4) PATCH BANDWIDTH = 1.48% FOR A 2.00:1 SWR
步骤四、利用设计软件（cirpat,exe ）求得天线的辐射方向图（Radiation Pattern ）
H-plane E-plane 180 O 0 O
90 O 270 O
H-plan E-plan PATTERN
ANGLE(deg)
图10-5为圆形微带天线的结构图
五、硬件测量：
1．对MOD-10A,MOD-10B ，天线的测量以了解天线的特性。

2．准备电脑，测量软件，RF-2000相关模组，若干小器件等。

3．测量步骤：
⑴ 设定频段。

⑵对模组P1端子做S11测量，并将测量结果记录于表（*-*）中。

4．实验记录：实验记录所记的表格*-*为下面此表：
5．硬件测量的结果建议如下为合格:
0.16 cm
RF2KM10-1A MOD-10A(908-920MHZ) S11≤-10dB Typical
RF2KM10-2A MOD-10B(908-920MHZ) S11≤-10dB Typical
6、待测模组方框图：
微带天线1
微带天线2
六、参考资料：
1．Robert ,Sainati,CAD of Microstrip Antenna for Wireless Applications,Artech House,Inc.,1996,Chap 1~3
2．H.F.Lee & Wei Chen , Advanced in Microstrip and Printed Antennas,John Wiley & Sons,Inc.,1997,Chap 1,5
3．Pozar & Schaubert,Microstrip Antennas,IEEE PRESS1995,pp.3-15 4．Edgar Hund , Microwave Communications,McGraw-Hill,Inc.1989,pp.286-300
5．Peter Vizmuller , RF Design Guide , Aretech House,Inc.1995,pp.207-209
NEC-Win Pro User’s Manual,Nittany Scientific , Inc.1997,pp.2-12~2-25。