技术创新中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC )2008年第24卷第12-2期360元/年邮局订阅号：82-946《现场总线技术应用200例》电子设计微带贴片背射天线的设计与分析The Design of the Backfire Antenna Fed by a Microstrip Patch（1．兰州大学；2．上海大学）曹维萍1杨雪霞2张金生1李明1CAO Wei-ping YANG Xue-xia ZHANG Jin-sheng LI Ming摘要:介绍一种采用微带贴片天线作为馈源的新式天线。
从理论上阐述了微带贴片天线、背射天线的工作原理并且详细介绍了天线的具体设计过程。
通过实验,测试了天线的性能参数。
使用微波信号发生器、HP8593频谱分析仪以及天馈仪实测了天线的输入阻抗、方向图、方向性系数和输入驻波比。
用比较法获得天线增益。
结果表明该天线增益高、频带宽、方向性好、主瓣对称、抗干扰性能强。
关键词:微带贴片天线;背射天线;反射器;方向图中图分类号:TN820文献标识码:A Abstract:A new kind of antenna is proposed,which used the microstrip patch antenna as the feeding source.In the article,princi -ple and the concrete design of the microstrip patch and the backfire antenna are introduced elaborately.The performance parameters were tested in the experiment by microwave signal analyzer 、HP8593spectral analyzer and Anritsu S331C ,The analysis results show that the Backfire Antenna fed by a Microstrip Patch not only achieves ideal gain and bandwidth,but also has good characteristics such as good directivity pattern,symmetry main petal and high interference resistance.The new kind of antenna has very high ap -plied value.Key words:Microstrip patch antenna;Backfire antenna;Directivity pattern;Reflector文章编号:1008-0570(2008)12-2-0272-03引言本天线为解决普通微带天线固有的缺陷，如频带窄、增益不高的问题而设计。
采用微带贴片天线作为辐射馈源,又在后面加些反射器作为调整。
一般来说，若天线的馈源有较宽的带宽，则天线也会实现较宽的带宽。
本文采用附加阻抗匹配网络来提高圆形微带贴片天线的带宽。
而背射天线具有副瓣电平低、增益高、波束轴对称、结构和馈电方式简单等优点，它是集谐振腔、反射面、镜像等多种原理于一体的天线型式。
在空间技术领域也受到重视和应用，但普通的背射天线带宽较窄。
本设计中，我们即保留了背射天线的特点，又对微带贴片天线进行了改进，并将两种型式有效结合起来设计出了这种微带贴片背射天线。
实验结果表明，本文设计的天线具有很好的性能。
1天线的基本结构微带贴片背射天线结构如图1所示。
M 是圆盘形表面波反射器，称反射背腔或主反射器。
F 0、F 1、F 2、F 3、F 4、F 5是六个圆形金属片，C 是薄圆形铜片。
为了扩展带宽，反射背腔M 、同轴探针P 、电容片C 和圆形金属片F 0组成宽带微带贴片天线，作为整个天线的馈源。
为保证辐射的定向性，采用反射背腔M 和副反射片F 0、F 1、F 2、F 3、F 4、F 5。
反射背腔的直径D 为波长的整数倍，边环高度W 在0.25λ～0.5λ之间,本文取0.25λ。
与传统的微带贴片天线有所不同,天线通过在同轴探针的顶部附加小的电容片C 对微带天线进行馈电,电容片与上层贴片间的距离为h 2,并假设h 2小于探针高度h 1,F 0半径为D 0，相对介电常数为εr 。
2天线的工作原理2.1背射天线辐射原理背射天线又称为反射天线。
当电波沿引向天线的行波结构传播到反射圆盘时产生反射,逆转反向再沿行波结构回传并越过副反射器射出去。
因其辐射方向与普通端射天线的辐射方向相背,故称其为背射天线。
电波在这样的天线上往返一次,相当于将原来的引向天线长度增加一倍,使其在此长度中多获得3dB 增益。
同时,由于反射背腔的镜像作用,还可使增益再增加3dB 。
总的来说,背射天线具有较高的增益。
设计中，根据对背射天线的增益与近场区及相位等的测量，说明为了获得最大增益,反射片与反射圆盘的距离L 应满足表面波结构上形成驻波的条件，即L=n ,这样反射片与反射腔的空间作用相当于谐振腔的腔体。
适当调节各个反射器之间的距离,使得每个反射器与主反射器M 之间形成谐振腔,天线能量会不断积蓄。
主反射器M 再将电磁波能量反射到副反射器所在的前端方向,在微带贴片天线的辐射及副反射器的多次反射作用下,使副反射器所在位置及其前端的场增强,对其形成有利的激励条件。
于是，只要适当调整,便使所有副反射器逐个受到最佳激励,从而将馈源辐射的电磁波能量导引于天线前端主辐射方向。
2.2宽带微带贴片天线原理宽带微带贴片天线的结构如图2所示,与传统的微带贴片天线不同,本文设计的天线通过在同轴探针的顶部附加小的电容片对微带贴片天线进行馈电,贴片单元是圆形的。
采用背馈,探针穿过底板,馈在电容片上。
圆形微带天线TMnm 模的谐振频率由公式计算,式中Knm 是n 阶贝塞尔函数导数的曹维萍:硕士研究生基金项目:甘肃省科技攻关计划项目(定向多波束智能天线研究)(2GS047-A52-003-03)颁发部门:甘肃省科技厅272--邮局订阅号：82-946360元/年技术创新电子设计《PLC 技术应用200例》您的论文得到两院院士关注第m 个零点，本天线谐振在基模，即TM11，所以Knm=1.841,C 0是自由空间的光速,是圆形微带天线的等效半径,可由公式计算。
由上两式,运用matlab 软件计算得到微带贴片半径a=23.77mm,D0=2a=47.54mm ，经过反复测试得出最佳直径D 0=53mm 。
图2宽带微带贴片天线示意图3设计过程与测量分析由Anritsu S331C 天馈仪测得天线驻波比推出：若要求驻波比VSWR<2,则=(2744.2-2116.3)/2.445=25.68%若要求驻波比VSWR<1.5则=(2697.7-2186.0)/2.445=20.93%由此可见,该宽带微带贴片天线可以实现很大的带宽。
3.1反射器之间距离的设计通过测量得出:F1与M 间以66.5mm 为基准,当反射器F1与反射背腔M 间距增大时,驻波比向低频移动，反之向高频移动。
向高频和向低频移动均使驻波比在M1～M4频段有大于1.5的情况,故不符合要求。
调试各个反射片间距及与反射背腔间距数据如下表所示:3.2反射器大小的设计根据我们所做的大量实验来看，D 一般约在0.3λ～0.4λ(45mm ～60mm)之间。
实验中尝试了直径大小不同的贴片。
以第一个反射器F1为例。
在距反射盘M 为66.5mm 时，直径大小不同的反射器对驻波比的影响也不同。
由天馈仪测量的驻波比图看出随F1增大其驻波比向低频移动。
为了兼顾驻波比和增益这两个参数，不断的微调圆形反射器的间距，得出当F1直径为50mm 时，驻波比最优。
3.3天线整体测量结果图3、图4、图5给出了本文所设计天线的特性曲线。
图4中，M 1和M 2，M 3和M 4几乎是重合的。
图3微带贴片背射天线E 面方向图图4微带贴片背射天线阻抗圆图4结论本文作者创新点：当前的3G 通信要求天线要具有更宽的工作频带，更高的增益和接收灵敏度。
本设计的背射天线具有满足上述要求的特点，首次采用微带贴片天线作为辐射馈源。
从测试结果可以看出，该天线解决了背射天线带宽比较窄和匹配相对复杂的问题，与口径类天线相比，实现了配接比较简单，带宽比较宽，口径利用率和增益比较高的优点。
尤其是其频带宽度实现了背射天线的宽频带化，为网络间天线兼容提供了可能。
本设计从理论上阐述了宽带微带贴片天线原理、背射天线的辐射原理，详细介绍了调试的全过程。
最后成功制作了天线样品并进行了测试分析。
从实验结果来看，实测方向图基本上达到了要求，增益可达到15.6dB ，驻波比VSWR<1.5时，带宽可达到170.6MHz ，H 面的半功率波束宽度为，从而验证了微带贴片背射天线具有增益高、方向性好、主瓣对称、抗干扰能力强等优良特性，具有很大的使用价值和应用前景。
273--技术创新中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2008年第24卷第12-2期360元/年邮局订阅号：82-946《现场总线技术应用200例》电子设计参考文献[1]刘涛，微带贴片天线组阵的研究[D],[硕士论文],兰州大学,2006.[2]约翰·克劳斯，章文勋，《天线》[M].第三版，北京：电子工业出版社，2004.51-52.[3]谢处方，邱文杰，《天线原理与设计》[M].第一版，陕西：西北电讯工程学院出版社，1985：365-368.[4]李斌颖，《天线原理与应用》[M].第一版，兰州：兰州大学出版社，1993：122-134，404－416.[5]班永灵,周乐柱，背腔式微带贴片天线的近场分布和交叉极化方向图的数值计算[J].微波学报,2004,20(1):2-5.BanYongLing,Zhou LeZhu,Numerical Computations of Near-fieldDistribution and Cross-polarization Radiation Pattern of Cavity-backed Microstrip Patch Antenna[J].JOURNAL OF MI－CROWAVES,2004,20(1):2-5.[6]王艳丽，宽带微带天线设计与仿真技术研究[D],[硕士论文],2004.[7]伍刚.基于传输线法对矩形微带天线场的研究［J］．微计算机信息，2007,(9).[8]林昌禄，《天线测量技术》[M].第一版，成都：成都电信工程学院出版社，1987,3、4.[9]韩贵杰,一种背射天线[P],中华人民共和国,200510096258.7,2005.[10]伍刚，张小兵.基于平面对圆极化微带天线馈源的确定［J］．微计算机信息，2007,(1).作者简介：曹维萍（1978－）,女,汉族,甘肃兰州,硕士研究生,兰州大学无线电物理专业,研究方向为无线通信与天线技术。