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1、第12章 射频/微波天线,12.1 天线基础知识 12.2 常见的天线结构 12.3 单极天线和对称阵子天线 12.4 喇叭天线 12.5 抛物面天线 12.6 微带天线,12.1 天线基础知识,12.1.1 天线基本指标 天线的基本指标介绍如下： (1) 天线增益G定义为 （12 - 1a） 式中,Pr为被测天线距离R处所接收到的功率密度,单位为W/m2; Pi为全向性天线距离R处所接收到的功率密度, 单位为W /m2。,增益为G的天线距离R处的功率密度应为接收功率密度,即 (2) 天线输入阻抗Zin定义为 式中,U为在馈入点上的射频电压； I为在馈入点上的射频电流。,（12 1b）,（12
2、 2a）,天线是个单口网络,输入驻波比或反射系数是一个基本指标,为了使天线辐射尽可能多的功率,必须使天线与空气匹配,输入驻波比尽可能小。阻抗、驻波比与反射系数的关系为,（12 2b）,(3) 辐射效率r定义为 （12 - 3） 式中,Pr为天线辐射出的功率,单位为W；Pi为馈入天线的功率，单位为W。 (4) 辐射方向图：用一极坐标图来表示天线的辐射场强度与辐射功率的分布,如图12-1所示。 (5) 半功率角的定义如图 12 - 2 所示。,图 12-1 辐射方向图,图 12-2 半功率波束宽度 (a) 按电场定义； (b) 按功率定义,(6) 旁瓣: 在主辐射波瓣旁,还有许多副瓣,沿角度方向展
3、开如图12 - 3 所示。其中,HPBW为半功率波束宽度,辐射最大功率下降3dB时的角度; FNBW为第一零点波束宽度; SLL为旁瓣高度,辐射最大功率与最大旁瓣的差。,图 12-3 主瓣与旁瓣,(7) 方向系数D定义为 （12 - 4） 式中,Pmax为最大功率密度,单位为W/m2; Pav为平均辐射功率密度,单位为W/m2。 常见的天线方向系数如下： 偶极天线 D=1.5 或 1.76dB 单极天线 D=1.5 或 1.76 dB 抛物面天线 喇叭天线 式中,d为抛物面半径,为信号波长,A为喇叭口面面积。,12.1.2 远区场概念 通常,天线看作是辐射点源,近区是球面波,远区为平面波, 如
4、图12 - 4 所示。辐射方向图是在远区测量。下面给出远、 近场的分界点。,图 12-4 远区场概念,在图12 -4 中,有以下几何关系： 通常,Rl时,有 如果 ,相位误差为22.5,远区场为,（12 - 5）,（12 6b）,（12 6a）,如果 , 相位误差为11.25,远区场为 （12 - 6c） 12.1.3 天线的分析 一般地,天线的分析是解球坐标内的Helmholtz方程,得到矢量位函数。如图12 - 5 所示,天线体积为V,电流为J, 在观测点的矢量位函数为,（12 -7）,为自由空间的格林函数。矢量位函数为天线上的电流与观测点格林函数乘积在天线体积上的积分。有了A(r),即可
5、得到H(r),然后再求出E(r)。实际天线工程中,由于天线电流的分布很难确定,由积分计算矢量位函数也十分困难,常用的数值解法过程也很麻烦。,图 12-5 求解矢量位函数,12.2 常见的天线结构,在射频/微波应用上,天线的类型与结构有许多种类。就波长特性分,有八分之一波长、四分之一波长、 半波天线； 就结构分,有单极子型、 对称振子型、 喇叭型、 抛物面型、 角型、 螺旋型、介质平板型及阵列型天线等,如图12 - 6 所示； 就使用频宽分,有窄频带型（10%以下）和宽频带型（10%以上）。表12 - 1归纳了天线类型。图12 - 7 给出了三种天线的增益比较。,图 12-6 常见天线,图 12
6、-7 三种常用天线增益比较,表12 - 1 天线分类,12.3 单极天线和对称阵子天线,单极天线和对称阵子是全向天线,广泛应用于广播、 移动通信和专用无线系统中。对称阵子是基本天线,单极天线是对称阵子的简化形式,长度是对称阵子的一半,与地面的镜像可以等效为对称阵子,如图12 - 8所示。对称阵子长度小于一个波长,辐射方向图是个油饼形或南瓜形。在=90时电场辐射最强, 0时没有辐射。磁场辐射是个圆环,沿方向相同。单极天线是个全向天线,可以接收任何方向的磁场信号,增益为1。,图 12-8 单极天线和对称阵子及其方向图,一般地,对称阵子天线的长度等于半波长,单极天线的长度等于四分之一波长,阻抗为73
7、 ,增益为1.64（2.15 dB）。如果天线长度远小于波长,称为短阵子,输入阻抗非常小,难于实现匹配,辐射效率低,短阵子的增益近似为1.5(1.7 dB)。实际中把单极阵子称作鞭状天线,长度为四分之一波长,与同轴线内导体相连,接地板与外导体相接,接地板通常是车顶或机箱,如图12 - 9 所示,辐射方向图是对称阵子方向图的一半(上半部分),阻抗也是对称阵子的一半（37 ）。,图 12-9 单极天线的馈电,对称阵子和单极天线有许多变形,折合阵子是两个对称阵子的对接,如图12-10 所示,折合后的长度为半波长,阻抗为473300 。折合阵子可以看成对称模和非对称模的叠加。,图 12-10 折合阵子
8、天线,单极天线的另一种变形是倒L型和倒F型天线,如图12-11 所示。四分之一波长的变形天线尺寸降低,便于安装。图12-11(c)是一种宽带变形,用金属板代替了导线。 单极天线的另一种变形是倒L型和倒F型天线,如图12-11 所示。四分之一波长的变形天线尺寸降低,便于安装。图12-11 (c) 是一种宽带变形,用金属板代替了导线。,图 12-11 倒L型和倒F型天线,12.4 喇叭天线,喇叭天线是波导与空气的过渡段,有圆喇叭和方喇叭两种,分别与圆波导和方波导相连接。 喇叭天线可以单独用于微波系统,也可作为面天线的馈源。喇叭天线增益可以严格计算，通常使用喇叭天线做测量标准。,（12 - 8）,（
9、12 - 9）,图 12-12 矩形喇叭及其方向图,对于图12 - 13 所示圆锥喇叭,获得最佳增益的天线尺寸和增益为 如ab=22.86 mm10.16 mm, AB=22.86 cm10.16 cm的10 GHz矩形喇叭,增益为22 dB。,（12 - 10）,（12 - 11）,图 12-13 圆锥喇叭,12.5 抛物面天线,抛物面天线是一种高增益天线,是卫星或无线接力通信等点对点系统中使用最多的反射面天线。如图12 - 14 所示,金属抛物面反射器将焦点上的馈源发射的球面波变成平面波发射出去。如果照度效率为100,则有效面积等于实际面积,即 （12 - 12）,图 12-14 抛物面天
10、线,实际中,由于溢出、 阻塞和损耗,照度效率只有5575,取最坏情况55： 半功率波束宽度为,增益为,（12 - 13）,（12 - 14）,（12 - 15）,若有抛物面口径为1 m,工作频率为10 GHz,照度效率为55的抛物面天线,可以计算出增益为37 dB,HPBW为2.3,在55 m处形成远场（平面波）。 抛物面的增益很高,波束很窄。抛物面的对焦非常重要。喇叭馈源与同轴电缆连接。抛物面天线通常有四种馈源方式,如图12 - 15 所示。,图 12-15 抛物面天线的四种馈源方式 (a) 前馈; (b) 卡赛格伦; (c) 格利高里; (d) 偏馈,前馈最简单,照度效率为55%60,馈源
11、及其支架会产生遮挡,增加旁瓣和交叉极化。卡赛格伦的优点是馈源靠近接收机前端,连接线短。格利高里与卡赛格伦相似,只是用了椭圆副反射面,效率为76。偏馈的方法避免了馈源或副反射面的遮挡,旁瓣类似,同样增益下尺寸较小。 在微波低端或射频波段,抛物面的尺寸太大,可以用部分抛物面,这种天线常用在船上。为了减轻重量、 承受风压,抛物面可以做成网状的。,12.6 微带天线,微带天线的优缺点及应用 同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。因而，在大约从100MH到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。与通常的微波天线相比，微带天线的一些主要优点是： 重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线； 制
12、造成本低，易于大量生产； 可以做得很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上； 天线的散射截面较小； 稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）； 比较容易制成双频率工作的天线； 不需要背腔； 微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）； 馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。,但是，与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点： 频带窄；有损耗，因而增益较低；大多数微带天线只向半空间辐射；最大增益实际上受限制（约为20dB）；馈线与辐射元之间的
13、隔离差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量较低。 但是有一些办法可以减小某些缺点。例如，只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波。,微带天线的应用 在许多实际设计中，微带天线的优点远远超过它的缺点。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有： 移动通信；卫星通讯；多普勒及其它雷达；无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收机；生物医学辐射器。 这些绝没有列全，随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。 常用的微带天线是矩形或圆形。矩形贴片天线如图12 - 16 所示。,图 12-16 矩形贴
14、片天线,12.6.1 微带天线基本知识和矩形微带天线 常用的微带天线的分析设计方法有传输模法和谐振模法。传输模法的思路是把矩形块等效为辐射阻抗加载的一段很宽的微带线,由于设计公式近似且有实验调整,这种方法是不准确的。谐振模法是把微带天线看成是具有磁壁的封闭腔体,这种方法精度好,但计算成本太高。 工程上,微带天线用传输模式近似设计,很宽的微带线沿横向是谐振的,在贴片下面电场沿谐振长度正弦变化,假定电场沿宽带W方向不变化,并且天线的辐射是宽边的边沿。,辐射边沿可以看作用微带传输线连接起来的辐射槽,如图12 - 17 所示,单个辐射槽的辐射电导为 单个辐射槽的辐射电纳为,W0,W0,（12 - 16
15、）,（12 - 17）,式中 k0=2/0是自由空间的波数,Z0是宽度W的微带特性阻抗,e是有效介电常数, L是边沿电容引起的边沿延伸。由图12 - 17 可看出,边沿电场盖住了微带边沿,等效为贴片的电长度增加。,（12 - 18）,图12 17 边沿辐射槽,为了计算天线的辐射阻抗,天线可以等效为槽阻抗和传输线级联。输入导纳为 式中Ys为式（12 - 17）给出的辐射槽导纳,=2e/0微带线内传播常数。谐振时, L+L=g/2=0/2e, 式(12 - 19)仅剩两个电导,即 Yin=2G (12 - 20),（12 - 19）,微带天线的工作频率与结构参数的关系为 W不是很关键,通常按照下式
16、确定:,(12 - 21),(12 - 22),图 12-18 矩形天线实例,设计实例： 设计3 GHz微带天线,基板参数为2.2/0.762,并用四分之一线段实现与50 馈线的匹配。 天线拓扑如图12 - 18 所示。 步骤一： 确定各项参数: W=3.95cm, e=2.14, L=0.04cm L=3.34cm, Rin=288 步骤二： 阻抗变换器的特性阻抗为 ZT0= =120 ,步骤三： 由微带原理计算得变换器的长度和宽度为 l1=1.9 cm, w1=0.0442cm 微带天线的辐射方向图可以用电磁场理论严格计算。图12 - 19是典型的方向图,典型HPBW=5060,G=58 dB。,
