單頻圓形微帶貼片天線設(shè)計-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯單頻圓形微帶貼片天線設(shè)計-技術(shù)方案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(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是體積小，質(zhì)量輕，低剖面，制造簡單，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100MHz~50GHz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、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(dá)到的殺傷效果。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7.2GHz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tanδ=0.1646。

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tanδ。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tanδ=0.1646，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(jī)械強(qiáng)度、增加輻射功率、減小導(dǎo)體損耗，展寬頻帶；但同時也會增加介質(zhì)損耗，引起表面波的明顯激勵。對于一個工作頻率fm，根據(jù)微帶電路理論，厚度應(yīng)該滿足：

式中：c為光速；fm為工作頻率，εr為相對介電常數(shù)。通常在h/fm0.1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(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2mm。

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=7.20GHz時，圓形微帶天線的貼片半徑為：

式中：fr為工作頻率；εr為相對介電常數(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50Ω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50Ω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(dǎo)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(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：

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

由于設(shè)計中采用理想導(dǎo)體饋電，故Qc=0。所以：

天線的諧振電阻：

式中：J1是一階類貝塞耳函數(shù)。令R=50Ω，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50Ω的輸入阻抗。

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

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=5.39mm；介質(zhì)基片厚度：h=2.00mm；介質(zhì)基片半徑2*a；饋電點(diǎn)位置：L=1.96mm；內(nèi)芯半徑：n=0.6mm；外芯半徑：m=1.5mm。

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)計要求，創(chuàng)建天線初始模型如圖2所示。

通過HFSS對初始值的仿真可知，當(dāng)前的初始值并沒有完全使天線達(dá)到7.2GHz，且此時天線的各項性能指標(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)計功能來優(yōu)化天線的各項參數(shù)，使引信天線的性能達(dá)到。

2.1天線的優(yōu)化設(shè)計

（1）通過HSFF軟件在諧振頻率附近做掃頻分析，對圓形貼片的半徑進(jìn)行修正?？梢缘玫?.2GHz時對應(yīng)的貼片半徑a的值為5.216mm。

（2）分析介質(zhì)基片厚度對天線性能的影響。借助于HFSS，得到對于不同的介質(zhì)基片厚度對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S11,Smith圓圖的影響，可以分析出介質(zhì)基片厚度的值h=2.021mm。

（3）分析饋電點(diǎn)位置對天線性能的影響。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。并通過對饋電點(diǎn)位置L的掃描，選擇出條件的饋電點(diǎn)L=1.863mm。

（4）用HFSS軟件設(shè)計好天線的標(biāo)準(zhǔn)，然后對天線的各個參量進(jìn)行系統(tǒng)自動優(yōu)化，計算出符合條件的各參數(shù)的值。得到的結(jié)果如下：

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

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)計天線的諧振頻率是7.2GHz，且此時的回波損耗為-33.0379dB，達(dá)到了天線的設(shè)計要求。

圖4顯示，在頻率為7.2GHz時，天線的歸一化阻抗為（0.9775+0.0379i）Ω，這個結(jié)果顯示出此時天線達(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，輻射方向為φ=0°,θ=0°，且增益為5.486dB。

圖6是天線的三維增益方向圖。

3結(jié)