單頻圓形微帶貼片天線設(shè)計(jì)

微帶天線是在一塊背面敷以金屬薄層作接地板的介質(zhì)基片上，貼一金屬輻射片而形成的天線。它有微帶線和同軸線這兩種主要的饋電方式。微帶天線在金屬貼片與金屬接地板之間激發(fā)輻射場(chǎng)，通過貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射，因此也稱作縫隙天線。頻帶窄、功率容量小、損耗大和基片對(duì)性能影響較大等是微帶天線的缺點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是體積小，質(zhì)量輕，低剖面，制造簡(jiǎn)單，成本低，易集成，容易實(shí)現(xiàn)雙頻、多頻段工作等，也正是這些優(yōu)點(diǎn)，使得工作在100 MHz~50 GHz頻率范圍內(nèi)的微帶天線常用于衛(wèi)星通信、指揮和控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈遙測(cè)、武器引信、環(huán)境檢測(cè)等。

無線電引信在軍事上可用于控制武器彈丸的引炸，來達(dá)到最大的殺傷效果。而天線屬于引信察覺裝置的一部分，用于發(fā)射和接收信號(hào)。所以，天線的性能對(duì)引信的工作狀態(tài)以及武器彈丸的殺傷力有非常大的影響。由于天線要附著在彈頭上，而一般的彈體頭部大都是圓錐形，為了便于將微帶天線安裝在彈頭部位，本文將設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為7.2 GHz的圓形微帶貼片天線，其相對(duì)介電常數(shù)為εr = 4.4，損耗正切tan δ = 0.164 6。

1 圓形微帶天線設(shè)計(jì)

1.1 介質(zhì)設(shè)計(jì)

在天線設(shè)計(jì)中，介質(zhì)基片的材料及厚度，對(duì)天線的性能有很大影響，所以首先需要考慮介質(zhì)的材料及其厚度。而材料選擇主要考慮的電特性參數(shù)是其相對(duì)介電常數(shù)εr和損耗角正切tan δ。介電常數(shù)的穩(wěn)定性非常重要，變化的介電常數(shù)將導(dǎo)致貼片頻率漂移。介電常數(shù)大能減小貼片尺寸，但通常也會(huì)減小貼片單元帶寬;介電常數(shù)小又會(huì)增加貼片周圍的邊緣場(chǎng)，降低輻射效率。大損耗基片常常會(huì)降低天線效率，增加反饋損耗，所以在選擇介質(zhì)材料時(shí)，需要綜合考慮。本設(shè)計(jì)綜合考慮后，確定以FR4環(huán)氧樹脂板為介質(zhì)材料，其相對(duì)介電常數(shù)為εr = 4.4，損耗正切tan δ = 0.164 6，這也是微帶天線設(shè)計(jì)中常用的一種材料。

對(duì)基片的厚度而言，厚介質(zhì)基片，可提高天線機(jī)械強(qiáng)度、增加輻射功率、減小導(dǎo)體損耗，展寬頻帶;但同時(shí)也會(huì)增加介質(zhì)損耗，引起表面波的明顯激勵(lì)。對(duì)于一個(gè)最大工作頻率fm，根據(jù)微帶電路理論，厚度應(yīng)該滿足：

式中：c為光速;fm 為最大工作頻率，εr 為相對(duì)介電常數(shù)。通常在h/fm< 0.1 即可保證不會(huì)引起表面波的明顯激勵(lì)。

本設(shè)計(jì)以FR4板為介質(zhì)基片，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，考慮到擴(kuò)寬頻帶，和減小天線的體積要求，再結(jié)合式(1)，給出介質(zhì)厚度的初始值為2 mm。

1.2 輻射貼片設(shè)計(jì)

對(duì)于已知的介質(zhì)基片，在給定的工作頻率fr=7.20 GHz時(shí)，圓形微帶天線的貼片半徑為：

式中：

fr為工作頻率;εr 為相對(duì)介電常數(shù);h為介質(zhì)基片的厚度。

1.3 天線的饋電及輸入阻抗

本設(shè)計(jì)采用同軸饋電的方式，是通過在輻射貼片上的饋電點(diǎn)位置不同來改變輸入阻抗，使天線獲得阻抗匹配。一般的微波器件通用的是50 Ω系統(tǒng)，所以需要通過改變饋電點(diǎn)的位置來使天線達(dá)到50 Ω的輸入阻抗。計(jì)算天線的輸入阻抗，需要從介質(zhì)損耗、輻射損耗、導(dǎo)體損耗、表面波損耗幾個(gè)方面考慮，不能單方面考慮某一因素，否則會(huì)引起很大的誤差。Qr，Qc，Qd，Qs分別是輻射損耗、導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和表面波損耗所引起的相應(yīng)Q 值。

天線工作在主模，即TM11 時(shí)：

式中：tan δ 為介質(zhì)的損耗正切，tan δ = 0.1646;Gr = 1.54 × 104。

由于設(shè)計(jì)中采用理想導(dǎo)體饋電，故Qc = 0。所以：

天線的諧振電阻：

式中：J1 是一階第一類貝塞耳函數(shù)。令R = 50 Ω ，代入式(8)，就可以估算出饋電點(diǎn)的位置L，即在離圓形貼片中心L 處饋電，即是天線達(dá)到50 Ω 的輸入阻抗。

同軸線內(nèi)芯半徑暫時(shí)設(shè)為0.6 mm，同時(shí)在接地板上挖出一個(gè)圓孔作為信號(hào)輸入端口，將內(nèi)芯包圍起來構(gòu)成同軸線，半徑約為1.5 mm，端口的阻抗為50 Ω。

通過上面分析，得出天線參數(shù)的初始值：圓形輻射貼片半徑：a = 5.39 mm;介質(zhì)基片厚度：h = 2.00 mm;介質(zhì)基片半徑2*a;饋電點(diǎn)位置：L = 1.96 mm;內(nèi)芯半徑：n = 0.6 mm;外芯半徑：m = 1.5 mm。

2 運(yùn)用HFSS 軟件進(jìn)行天線仿真

基于ANSOFT 公司HFSS 三維仿真軟件，對(duì)天線進(jìn)行建模分析。仿真流程見圖1。

根據(jù)初始尺寸及HFSS天線設(shè)計(jì)要求，創(chuàng)建天線初始模型如圖2所示。[!--empirenews.page--]

通過HFSS對(duì)初始值的仿真可知，當(dāng)前的初始值并沒有完全使天線達(dá)到7.2 GHz，且此時(shí)天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)也達(dá)不到要求。那么，需要用到HFSS的掃頻分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能來優(yōu)化天線的各項(xiàng)參數(shù)，使引信天線的性能達(dá)到最佳。

2.1 天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)通過HSFF 軟件在諧振頻率附近做掃頻分析，對(duì)圓形貼片的半徑進(jìn)行修正?？梢缘玫?.2 GHz 時(shí)對(duì)應(yīng)的貼片半徑a 的最佳值為5.216 mm。

(2)分析介質(zhì)基片厚度對(duì)天線性能的影響。借助于HFSS，得到對(duì)于不同的介質(zhì)基片厚度對(duì)天線回波損耗的影響。根據(jù)回波損耗隨介質(zhì)基片厚度的變化圖和不同介質(zhì)基片厚度對(duì)S11, Smith 圓圖的影響，可以分析出介質(zhì)基片厚度的最佳值h = 2.021 mm。

(3)分析饋電點(diǎn)位置對(duì)天線性能的影響。這部分主要是分析不同的饋電位置與回波損耗及輸入阻抗之間的關(guān)系。并通過對(duì)饋電點(diǎn)位置L 的掃描，選擇出最符合條件的饋電點(diǎn)L = 1.863 mm。

(4)用HFSS 軟件設(shè)計(jì)好天線的標(biāo)準(zhǔn)，然后對(duì)天線的各個(gè)參量進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化，計(jì)算出符合條件的各參數(shù)的最佳值。得到的結(jié)果如下：

圓形輻射貼片半徑：a=5.216 mm;介質(zhì)基片厚度：h=2.021 mm;介質(zhì)基片半徑2*a;饋電點(diǎn)位置：L=1.863 mm;內(nèi)芯半徑：n=0.516 mm;外芯半徑：m=1.854 mm。

2.2 結(jié)果分析

由HFSS軟件給出在優(yōu)化尺寸下的S11，Simth圓圖、增益的方向圖，如圖3~圖5所示。

從圖3 結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)天線的諧振頻率是7.2 GHz，且此時(shí)的回波損耗為-33.037 9 dB，達(dá)到了天線的設(shè)計(jì)要求。

圖4顯示，在頻率為7.2 GHz時(shí)，天線的歸一化阻抗為(0.977 5 + 0.037 9i)Ω ，這個(gè)結(jié)果顯示出此時(shí)天線達(dá)到了很好的阻抗匹配狀態(tài)。

圖5是天線在xz 和yz 截面上的增益方向圖。圖示結(jié)果顯示，最大輻射方向?yàn)?phi; = 0°, θ = 0°，且增益為5.486 dB。

圖6是天線的三維增益方向圖。

3 結(jié)語

本文對(duì)于微帶貼片天線的設(shè)計(jì)，是基于其在無線引信中的應(yīng)用而進(jìn)行的。該設(shè)計(jì)為了便于引信的使用，將常規(guī)微帶天線的矩形介質(zhì)改為圓形。從文中天線的幾個(gè)仿真結(jié)果圖可以看出，天線的中心頻率為7.2 GHz，且此時(shí)的天線回波損耗、輸入阻抗、增益方向圖等技術(shù)參數(shù)都達(dá)到了要求。結(jié)果表明該天線的性能良好。