資料介紹
微帶天線是在一塊背面敷以金屬薄層作接地板的介質基片上,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,其優點是體積小,質量輕,低剖面,制造簡單,成本低,易集成,容易實現雙頻、多頻段工作等,也正是這些優點,使得工作在100 MHz~50 GHz頻率范圍內的微帶天線常用于衛星通信、指揮和控制系統、導彈遙測、武器引信、環境檢測等。
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,用于發射和接收信號。所以,天線的性能對引信的工作狀態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,其相對介電常數為εr = 4.4,損耗正切tan δ = 0.164 6。
1 圓形微帶天線設計
1.1 介質設計
在天線設計中,介質基片的材料及厚度,對天線的性能有很大影響,所以首先需要考慮介質的材料及其厚度。而材料選擇主要考慮的電特性參數是其相對介電常數εr和損耗角正切tan δ。介電常數的穩定性非常重要,變化的介電常數將導致貼片頻率漂移。介電常數大能減小貼片尺寸,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,所以在選擇介質材料時,需要綜合考慮。本設計綜合考慮后,確定以FR4環氧樹脂板為介質材料,其相對介電常數為εr = 4.4,損耗正切tan δ = 0.164 6,這也是微帶天線設計中常用的一種材料。
對基片的厚度而言,厚介質基片,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,根據微帶電路理論,厚度應該滿足:

式中:c為光速;fm 為最大工作頻率,εr 為相對介電常數。通常在h/fm《 0.1 即可保證不會引起表面波的明顯激勵。
本設計以FR4板為介質基片,根據設計要求,考慮到擴寬頻帶,和減小天線的體積要求,再結合式(1),給出介質厚度的初始值為2 mm。
1.2 輻射貼片設計
對于已知的介質基片,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,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、介質損耗和表面波損耗所引起的相應Q 值。
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,用于發射和接收信號。所以,天線的性能對引信的工作狀態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,其相對介電常數為εr = 4.4,損耗正切tan δ = 0.164 6。
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在天線設計中,介質基片的材料及厚度,對天線的性能有很大影響,所以首先需要考慮介質的材料及其厚度。而材料選擇主要考慮的電特性參數是其相對介電常數εr和損耗角正切tan δ。介電常數的穩定性非常重要,變化的介電常數將導致貼片頻率漂移。介電常數大能減小貼片尺寸,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,所以在選擇介質材料時,需要綜合考慮。本設計綜合考慮后,確定以FR4環氧樹脂板為介質材料,其相對介電常數為εr = 4.4,損耗正切tan δ = 0.164 6,這也是微帶天線設計中常用的一種材料。
對基片的厚度而言,厚介質基片,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,根據微帶電路理論,厚度應該滿足:

式中:c為光速;fm 為最大工作頻率,εr 為相對介電常數。通常在h/fm《 0.1 即可保證不會引起表面波的明顯激勵。
本設計以FR4板為介質基片,根據設計要求,考慮到擴寬頻帶,和減小天線的體積要求,再結合式(1),給出介質厚度的初始值為2 mm。
1.2 輻射貼片設計
對于已知的介質基片,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,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、介質損耗和表面波損耗所引起的相應Q 值。
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