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技術(shù)分享:?jiǎn)晤l圓形微帶貼片天線設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2015-03-28 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】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。
 
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:
1.2 輻射貼片設(shè)計(jì)
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:
1.2 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):
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由于設(shè)計(jì)中采用理想導(dǎo)體饋電,故Qc = 0。所以:
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。
 仿真流程圖
圖1 仿真流程圖
 
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。
 天線結(jié)構(gòu)圖
圖2 天線結(jié)構(gòu)圖
 
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。
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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。
圖5 截面增益方向圖
 
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。
三維增益方向圖
圖6 三維增益方向圖
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