2023年射频实验五实验报告.docx

实验五 微带天线设计、仿真、制作与测试一、实验目的1.了解描述天线性能的重要参数及天线类型2.了解微带天线的辐射机理和设计方法3.掌握用ADS进行微带天线优化仿真的方法与环节二、天线的基本原理1.天线的辐射原理（1）将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波；（2）将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能2.电磁波辐射与场区的划分 (a) 感应近场： (b) 辐射近场 (c) 辐射远场： 3.天线的分类（1）从方向性分：有强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等2）从极化特性分：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线3）从频带特性分：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线4）按天线上电流分布分: 有行波天线、驻波天线5）按使用波段分类: 有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线6）按天线外形分类 : 有鞭状天线、T形天线、Γ形天线、V形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等尚有八木天线，对数周期天线、阵列天线阵列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。

4.天线的技术指标（1）天线的方向性因子方向性因子：，归一化方向性因子：2）E面和H面方向图 工程上常采用通过最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图来描述天线的方向图这两个互相正交的平面称之为主面，对于线极化天线来说通常取为E面和H面 E面：指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面 H面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面3）主瓣宽度方向图主瓣上两个半功率点之间的夹角，记为2θ0.5又称为半功率波束宽度或3dB波束宽度一般情况下，天线的E面和H面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为2θ0.5E和2θ0.5H可以描述天线波束在空间的覆盖范围，主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强4）天线方向性系数Pr：被测天线距离R处所接受到的功率密度,单位为W/m2;Pi：为全向性天线距离R处所接受到的功率密度, 单位为W/m2（5）天线增益（6）辐射效率（7）天线输入阻抗（8）天线的极化无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化无线电波的电场方向称为电波的极化方向假如电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波假如电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。

9）天线带宽有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比ρ≤1.4时，天线的工作带宽4.微波天线的优点（1）体积小，重量轻，能与载体共形，用于便携式无线电设备上（2）制导致本低，易于批量生产（3）天线的散射截面较小（4）能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向（5）易于和微带线路集成，便与馈电（6）易于实现线极化和圆极化（7）容易实现双频段、双极化等多功能工作5.微带天线尺寸参数设计（1）惠勒（H.A.Wheeler）给出微带线的特性阻抗Zc的计算公式如下w/h>1：w/h<1：(2)施奈德（M.V.Schneider）等效相对介电常数的一个简朴经验公式：6.矩形微带天线设计基本公式 三、实验内容1. 设计3GHz微带天线，基板参数为er=2.2，h=0.762mm，cond=4.1e7，T=0.03mm，并用λ/4阻抗变换器实现与50Ω馈线的匹配版图：优化仿真结果：原理图仿真结果：2.单极天线驻波和输入阻抗的测量--AV36580A矢量网络分析仪（1）粗天线的对数幅度和驻波比： （2）细天线的对数幅度和驻波比 （3）史密斯图：（4）数据记录粗天线：细天线：（5）图形绘制粗天线中心频率为1.16GHz，3dB带宽为1.1-1.188GHz；细天线中心频率为1.15GHz，3dB带宽为1.068-1.19GHz。

四、作业1.实验规定设计、制作一中心频率为2.45GHz的微带天线，天线采用50Ohm微带线馈电，扫频范围：2.2GHz-2.7GHz分组、设计结果、现场制作测试）板材参数：H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相对介电常数(2.65)Mur:磁导率(1)， Cond:金属电导率(5.88E+7)Hu:封装高度(1.0e+33 mm)， T:金属层厚度(0.035 mm)TanD:损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm)2.简朴叙述微带天线工作原理；3.实验环节（1）计算各项参数：W=45.32mm, L=37.03mm, Rin=328Ω（2）阻抗变换器的特性阻抗（3）计算、和：=0.5453mm，=17.8432mm，=4.0533mm（4）用ADS仿真天线特性4.ADS仿真（1）贴片模型及仿真结果 观测仿真结果，中心频率偏，2.45GHz匹配不好2）优化贴片及仿真结果 观测仿真结果，中心频率在2.45GHz，但其性能较差，需要进行匹配电路设计3）原理图（4）优化后仿真结果（5）优化后版图 观测仿真结果，发现中心频率发生了偏移，可以通过减少匹配线长度，减少贴片长度来改善。