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：

　　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)：

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