單頻圓形微帶貼片天線設(shè)計(jì)

陳健　張輝　陳磊　周麗潔　李靜

摘 要： 基于微帶貼片天線在無(wú)線引信中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種中心頻率為7.2 GHz的同軸饋電圓形微帶天線，該天線介質(zhì)基片相對(duì)介電常數(shù)為[εr=4.4]，回波損耗小于-20 dB，天線增益大于5 dB。根據(jù)微帶天線原理，通過(guò)HFSS軟件設(shè)計(jì)的天線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：天線諧振頻率、回波損耗等性能參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 微帶貼片天線； 同軸饋電； HFSS軟件； 回波損耗

中圖分類(lèi)號(hào)： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）01?0048?03

Abstract： A coaxial feed circular microstrip antenna with central frequency of 7.2 GHz was designed based on the application of microstrip patch antenna in the wireless fuze. The antenna dielectric substrate′s relative dielectric constant is [εr=4.4，] its return loss is less than 20 dB and the antenna gain is greater than 5 dB. According to the principle of microstrip antenna， the antenna designed with HFSS software was tested. The results show that the antenna resonant frequency， return loss and other performance parameters can meet the design requirements.

Keyword： microstrip patch antenna； coaxial feed； HFSS software； return loss

0 引 言

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(guò)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[1]。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[2]。

無(wú)線電引信在軍事上可用于控制武器彈丸的引炸，來(lái)達(dá)到最大的殺傷效果[3]。而天線屬于引信察覺(jué)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[4]。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[tanδ=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[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(huì)減小貼片單元帶寬；介電常數(shù)小又會(huì)增加貼片周?chē)倪吘増?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(shù)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[tanδ=]0.164 6，這也是微帶天線設(shè)計(jì)中常用的一種材料。

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[hfm<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)

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(guò)在輻射貼片上的饋電點(diǎn)位置不同來(lái)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(guò)改變饋電點(diǎn)的位置來(lái)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[5?6]。

通過(guò)HFSS對(duì)初始值的仿真可知，當(dāng)前的初始值并沒(méi)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(lái)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(guò)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。可以得到7.2 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(guò)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)閇φ=0°，][θ=0°，]且增益為5.486 dB。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)于微帶貼片天線的設(shè)計(jì)，是基于其在無(wú)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。

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