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单频圆形微带贴片天线设计方案解析
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2017-11-09
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微带天线是在一块背面敷以金属薄层作接地板的介质基片上，贴一金属辐射片而形成的天线。它有微带线和同轴线这两种主要的馈电方式。微带天线在金属贴片与金属接地板之间激发辐射场，通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射，因此也称作缝隙天线。频带窄、功率容量小、损耗大和基片对性能影响较大等是微带天线的缺点，其优点是体积小，质量轻，低剖面，制造简单，成本低，易集成，容易实现双频、多频段工作等，也正是这些优点，使得工作在100 MHz~50 GHz频率范围内的微带天线常用于卫星通信、指挥和控制系统、导弹遥测、武器引信、环境检测等。
无线电引信在军事上可用于控制武器弹丸的引炸，来达到最大的杀伤效果。而天线属于引信察觉装置的一部分，用于发射和接收信号。所以，天线的性能对引信的工作状态以及武器弹丸的杀伤力有非常大的影响。由于天线要附着在弹头上，而一般的弹体头部大都是圆锥形，为了便于将微带天线安装在弹头部位，本文将设计一个中心频率为7.2 GHz的圆形微带贴片天线，其相对介电常数为εr = 4.4，损耗正切tan δ = 0.164 6。
1 圆形微带天线设计
1.1 介质设计
在天线设计中，介质基片的材料及厚度，对天线的性能有很大影响，所以首先需要考虑介质的材料及其厚度。而材料选择主要考虑的电特性参数是其相对介电常数εr和损耗角正切tan δ。介电常数的稳定性非常重要，变化的介电常数将导致贴片频率漂移。介电常数大能减小贴片尺寸，但通常也会减小贴片单元带宽；介电常数小又会增加贴片周围的边缘场，降低辐射效率。大损耗基片常常会降低天线效率，增加反馈损耗，所以在选择介质材料时，需要综合考虑。本设计综合考虑后，确定以FR4环氧树脂板为介质材料，其相对介电常数为εr = 4.4，损耗正切tan δ = 0.164 6，这也是微带天线设计中常用的一种材料。
对基片的厚度而言，厚介质基片，可提高天线机械强度、增加辐射功率、减小导体损耗，展宽频带；但同时也会增加介质损耗，引起表面波的明显激励。对于一个最大工作频率fm，根据微带威廉希尔官方网站 理论，厚度应该满足：
式中：c为光速；fm 为最大工作频率，εr 为相对介电常数。通常在h/fm《 0.1 即可保证不会引起表面波的明显激励。
本设计以FR4板为介质基片，根据设计要求，考虑到扩宽频带，和减小天线的体积要求，再结合式（1），给出介质厚度的初始值为2 mm。
1.2 辐射贴片设计
对于已知的介质基片，在给定的工作频率fr=7.20 GHz时，圆形微带天线的贴片半径为：
1.3 天线的馈电及输入阻抗
本设计采用同轴馈电的方式，是通过在辐射贴片上的馈电点位置不同来改变输入阻抗，使天线获得阻抗匹配。一般的微波器件通用的是50 Ω系统，所以需要通过改变馈电点的位置来使天线达到50 Ω的输入阻抗。计算天线的输入阻抗，需要从介质损耗、辐射损耗、导体损耗、表面波损耗几个方面考虑，不能单方面考虑某一因素，否则会引起很大的误差。Qr，Qc，Qd，Qs分别是辐射损耗、导体损耗、介质损耗和表面波损耗所引起的相应Q 值。
无线电引信在军事上可用于控制武器弹丸的引炸，来达到最大的杀伤效果。而天线属于引信察觉装置的一部分，用于发射和接收信号。所以，天线的性能对引信的工作状态以及武器弹丸的杀伤力有非常大的影响。由于天线要附着在弹头上，而一般的弹体头部大都是圆锥形，为了便于将微带天线安装在弹头部位，本文将设计一个中心频率为7.2 GHz的圆形微带贴片天线，其相对介电常数为εr = 4.4，损耗正切tan δ = 0.164 6。
1 圆形微带天线设计
1.1 介质设计
在天线设计中，介质基片的材料及厚度，对天线的性能有很大影响，所以首先需要考虑介质的材料及其厚度。而材料选择主要考虑的电特性参数是其相对介电常数εr和损耗角正切tan δ。介电常数的稳定性非常重要，变化的介电常数将导致贴片频率漂移。介电常数大能减小贴片尺寸，但通常也会减小贴片单元带宽；介电常数小又会增加贴片周围的边缘场，降低辐射效率。大损耗基片常常会降低天线效率，增加反馈损耗，所以在选择介质材料时，需要综合考虑。本设计综合考虑后，确定以FR4环氧树脂板为介质材料，其相对介电常数为εr = 4.4，损耗正切tan δ = 0.164 6，这也是微带天线设计中常用的一种材料。
对基片的厚度而言，厚介质基片，可提高天线机械强度、增加辐射功率、减小导体损耗，展宽频带；但同时也会增加介质损耗，引起表面波的明显激励。对于一个最大工作频率fm，根据微带威廉希尔官方网站 理论，厚度应该满足：
式中：c为光速；fm 为最大工作频率，εr 为相对介电常数。通常在h/fm《 0.1 即可保证不会引起表面波的明显激励。
本设计以FR4板为介质基片，根据设计要求，考虑到扩宽频带，和减小天线的体积要求，再结合式（1），给出介质厚度的初始值为2 mm。
1.2 辐射贴片设计
对于已知的介质基片，在给定的工作频率fr=7.20 GHz时，圆形微带天线的贴片半径为：
1.3 天线的馈电及输入阻抗
本设计采用同轴馈电的方式，是通过在辐射贴片上的馈电点位置不同来改变输入阻抗，使天线获得阻抗匹配。一般的微波器件通用的是50 Ω系统，所以需要通过改变馈电点的位置来使天线达到50 Ω的输入阻抗。计算天线的输入阻抗，需要从介质损耗、辐射损耗、导体损耗、表面波损耗几个方面考虑，不能单方面考虑某一因素，否则会引起很大的误差。Qr，Qc，Qd，Qs分别是辐射损耗、导体损耗、介质损耗和表面波损耗所引起的相应Q 值。
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