單頻圓形微帶貼片天線設(shè)計方案解析

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，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、損耗大和基片對性能影響較大等是微帶天線的缺點，其優(yōu)點是體積小，質(zhì)量輕，低剖面，制造簡單，成本低，易集成，容易實現(xiàn)雙頻、多頻段工作等，也正是這些優(yōu)點，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)、導彈遙測、武器引信、環(huán)境檢測等。
　　無線電引信在軍事上可用于控制武器彈丸的引炸，來達到最大的殺傷效果。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。所以，天線的性能對引信的工作狀態(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)計一個中心頻率為7.2 GHz的圓形微帶貼片天線，其相對介電常數(shù)為εr = 4.4，損耗正切tan δ = 0.164 6。
　　1 圓形微帶天線設(shè)計
　　1.1 介質(zhì)設(shè)計
　　在天線設(shè)計中，介質(zhì)基片的材料及厚度，對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，但通常也會減小貼片單元帶寬；介電常數(shù)小又會增加貼片周圍的邊緣場，降低輻射效率。大損耗基片常常會降低天線效率，增加反饋損耗，所以在選擇介質(zhì)材料時，需要綜合考慮。本設(shè)計綜合考慮后，確定以FR4環(huán)氧樹脂板為介質(zhì)材料，其相對介電常數(shù)為εr = 4.4，損耗正切tan δ = 0.164 6，這也是微帶天線設(shè)計中常用的一種材料。
　　對基片的厚度而言，厚介質(zhì)基片，可提高天線機械強度、增加輻射功率、減小導體損耗，展寬頻帶；但同時也會增加介質(zhì)損耗，引起表面波的明顯激勵。對于一個最大工作頻率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 為相對介電常數(shù)。通常在h/fm《 0.1 即可保證不會引起表面波的明顯激勵。
　　本設(shè)計以FR4板為介質(zhì)基片，根據(jù)設(shè)計要求，考慮到擴寬頻帶，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
　　對于已知的介質(zhì)基片，在給定的工作頻率fr=7.20 GHz時，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)計采用同軸饋電的方式，是通過在輻射貼片上的饋電點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的位置來使天線達到50 Ω的輸入阻抗。計算天線的輸入阻抗，需要從介質(zhì)損耗、輻射損耗、導體損耗、表面波損耗幾個方面考慮，不能單方面考慮某一因素，否則會引起很大的誤差。Qr，Qc，Qd，Qs分別是輻射損耗、導體損耗、介質(zhì)損耗和表面波損耗所引起的相應(yīng)Q 值。