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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 2a）,天线是个单口网络,输入驻波
2、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
3、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
4、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。
5、,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 12-7 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
6、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,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
7、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
8、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。,对于图12-12 所示矩形波导喇叭,获得最佳增益的天线尺寸和增益为,（12-8）,（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
9、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
10、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
11、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,微带天线结构紧凑,一致性好,成本低,效率高,近年来得到了长足的发展。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
12、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）,（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
13、。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ZT
14、0=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。,图 12-19 微带天线的典型方向图,在许多场合下要利用合适的馈线点实现微带天线的圆极化。如图12-20 所示,90耦合器激励两个方向的线极化构成圆极化,或者扰动微带天线的辐射场实现圆极化。,图 12-20 圆极化微带天线,12.6.2 微带天线的其他形式导体贴片一般是规则形状的面积单元,如矩形、圆形或圆环形薄片等,也可以是窄长条形的薄片振子(对称阵子)。由这两种单元形成的微带天线
15、分别称为微带贴片天线和微带振子天线,如图12-21（a）、（b）所示。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变(如弯曲、直角弯头等)来形成辐射,称为微带线型天线,如图12-21(c)所示。因为这种天线沿线传输行波,故又称为微带行波天线。微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙,由介质基片另一侧的微带线或其他馈线(如稽线)对其馈电,称之为微带缝隙天线,如图12-21(d)所示。由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线,如微带贴片阵天线、微带振子阵天线,等等。,图 12-21 微带天线的四种形式,图12-22 为两种馈电形式的矩形微带天线示意图,图（a）是背馈,同轴线的外导体与接地板连接,
16、内导体穿过介质与贴片天线焊接；图（b）为侧馈,通过阻抗变换与微带线连接。,图 12-22 微带天线的两种馈电方式,矩形微带天线作为独立天线应用时采用背馈方式,而作为单板微带天线的阵元时必须采用侧馈方式。在制作侧馈的矩形微带天线时,可按下述方法实现匹配：将中心馈电天线的贴片同50 馈线一起光刻制作,实测其输入阻抗并设计出匹配器,然后在天线辐射元与微带馈线间接入该变换器。任何形式的平面几何结构都可以用作微带天线,图12-23是部分微带天线形式。,图 12-23 微带天线的其他结构（a）常用形式;（b）可能结构,12.6.3 圆盘微带天线的设计实例圆盘形微带天线是另一种基本形式。参数包括圆盘半径、馈
17、电位置、输入阻抗、天线Q值、辐射效率、总效率、输入VSWR及频带、辐射方向图。计算过程复杂,已有图表和软件可使用。下面给出圆盘半径计算公式,并以900 MHz天线为例,利用计算程序Mathcad描述设计过程。圆盘半径为,（12-23）,式中设计实例：设计900 MHz圆盘微带天线,介质参数为4.5/1.6。(1)确定参数。天线的拓扑结构为：设计频率f0=0.9 GHz,最大输入驻波比VSWR=2.01,基板参数为高度h=0.16 cm,介电常数r=4.5，损耗正切 tan=0.015,导体铜的=1.0。,(2)利用设计软件（cpatch.exe）求出圆盘圆形天线的半径、接头馈入位置、频率与输入
18、阻抗的关系。半径=4.580 cm 馈电点=1.800 cm频率与阻抗对应关系如表 12-1 所示。,表 12-1 频率与阻抗对应关系,频带内阻抗在圆图上的位置如图 12-24(a)所示。(3)利用设计软件（patch.exe）求出天线的总Q值、辐射效率、总效率、天线频带宽度。输入数据：SUBSTRATE HEIGHT=0.1600 cm SUBSTRATE RELATIVE DIELECTRIC CONSTANT=4.50 SUBSTRATE LOSS TANGENT=0.0150,CONDUCTOR RELATIVE CONDUCTIVITY=1.000 PATCH RADIUS=4.58
19、0 cm FEED LOCATION=1.800 cm FREQUENCY=0.9000 GHz 计算结果:INPUT RESISTANCE=50.90 ohms PATCH TOTAL Q=47.639 RADIATION EFFICIENCY=95.97%OVERALL EFFICIENCY=21.10%PATCH BANDWIDTH=1.48%2.001 VSWR,(4)利用设计软件（cirpat.exe）求得天线的辐射方向图,如图 12-24(b)、(c)所示。(5)圆盘天线的实际结构如图12-24(d)所示。,图 12-24 圆盘形微带天线结构图,12.7 天线阵和相控阵,单个天线的
20、波束宽度与增益的矛盾限制了它的使用。在有些场合,要用更高的增益和更窄的波束。由于天线的尺寸与工作波长有关,必须用多个天线形成极窄波束。天线阵把能量聚焦于同一个方向,增加了系统的作用距离。,12.7.1 天线阵考虑图12-25 所示的沿z方向分布的一维天线阵,总辐射场为每个单元的叠加。,图 12-25 沿z方向分布的一维n元相控阵,远区场幅度相等,即r1=r2=r3=rN=r（12-24）每个天线单元的家间距为d,引起的相移为,由距离引起的相移分别是r1=rr2=r+dcosrN=r+(N-1)dcos（12-25）故总场强为,（12-26）,式(12-26)称为方向图乘积原理。阵因子AF与单元
21、的分布有关。12.7.2 相控阵 考虑波束扫描情况,假定每个天线单元都相同,相位从左到右步进增加,如图12-26 所示。,图 12-26 N元天线阵的辐射方向,阵因子为相邻单元的步进相移决定了辐射方向0。由式（12-15）知,辐射最大方向发生在=0的条件下。此时,有=k0dcos=k0dsin0,式中,（12-27）,（12-28）,扫描角度为 的变化必须满足式（12-29）所限定的扫描角（波束方向）,或者说，改变可以调整天线的辐射方向。这就是相控阵的原理。在相控阵中,天线的总波束宽度和增益与天线单元的数量有关。通常,为了避免旁瓣,间距为半波长,笔形波束的半功率宽度与单元数的关系为HPWB10
22、0-1/2,（12-29）,（12-30）,总增益为GN 在相控阵中,可以电子控制每个单元的相位,保证辐射方向上的波前面相位相同,实现波束的调整。与机械旋转天线的方式比较,相控阵速度快,天线机构简单,系统稳定。阵因子是个周期函数,在不同方向都会出现最大值,称为栅瓣。=2的整数倍为栅瓣的发生条件。在图12-26 中,=2,栅瓣发生在主瓣的反方向,180。由式（12-29）可得,（12-31）,为了避免栅瓣的出现,相邻单元的距离必须小于式（12-31）的计算值。在两个方向上调整单元的相位和间距,就是两维相控阵,可在两个相互垂直的方向上实现扫描。阵因子AF为,（12-32）,式中,dx 和dy分别是x和y方向的单元间距,x和y分别是x和y方向的单元相移量。天线阵的馈电有两种基本形式：并联形式和串联形式,如图12-27所示。图（a）中用的3dB功率分配器,每个支路都有一定的损耗,但分配均匀对称,图（b）中每个天线在一定的位置与传输线耦合。,图 12-27 天线阵的两种馈电形式（a）并联形式;（b）串联形式,图12-28 是个1616相控阵天线,256个天线单元采用并联馈电的方式,总的输入信号在阵列中央,用功分器把功率送到每个单元。,图 12-28 1616 相控阵天线,
