第六章天線(電信)

第六章

天線杜國宏電子工程系2007-102023/2/21MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong內(nèi)容天線概述天線基本理論（重點）線天線（重點）面天線一些常用天線設(shè)備基本元的輻射天線的基本參量對稱振子天線天線陣方向性分析2023/2/22MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.1天線概述天線是下列工程中輻射或接收無線電波的部件應(yīng)用作用能量轉(zhuǎn)換器件振蕩能量輻射能量高頻電流（導(dǎo)波）輻射的電磁波無線通信廣播電視遙感遙測導(dǎo)航電子對抗射電天文2023/2/23MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong天線是個開放的系統(tǒng)2023/2/24MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong天線的種類按用途劃分通信天線電視天線雷達天線等按工作頻段劃分超長波、長波、中波天線短波、超短波和微波天線按方向劃分全向天線定向天線2023/2/25MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong天線的種類按形狀劃分線狀天線面狀天線等2023/2/26MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong2023/2/27MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong天線工程最關(guān)心的問題方向性：即對空間不同方向的輻射或接收效果不同。饋線的阻抗匹配問題天線極化天線頻寬求解方法求解滿足邊界條件的Maxwell方程近似解法內(nèi)場天線上的電流分布包圍場源體積表面上的場分布外場利用線性疊加原理2023/2/28MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong2023/2/29MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong2023/2/210MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.2天線基本理論

（1）基本元的輻射電流元：電基本振子磁流元：磁基本振子面元電磁場對偶原理惠更斯-菲涅爾原理2023/2/211MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong2023/2/212MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong電基本振子的輻射元電輻射體（圖）假設(shè)

l<<λ;d<<l;電流振幅、相位相同的。設(shè)元電輻射體上電流：Iejωt，則P點的場強2023/2/213MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong電基本振子的輻射近區(qū)（kr<<1）r-1可以忽略，e-jkr≈1近場區(qū)稱為準(zhǔn)靜態(tài)場電場與磁場相位相差900，感應(yīng)場，沒有能量向外輻射2023/2/214MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong電基本振子的輻射遠區(qū)（kr>>1）（λ/r<<1）當(dāng)λ/r<<1時，r-1起主要作用，

r-2，r-3可以忽略不計2023/2/215MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong電基本振子的輻射遠場區(qū)的特點1、Eθ⊥,時間相位同相，2、近似為TEM波，輻射場的強度與距離成反比3、球面波，r↑，相位不斷滯后，等相位面為球面4、自由空間的波阻抗2023/2/216MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong電基本振子的輻射遠場區(qū)的特點5、輻射功率和輻射電阻輻射功率與有關(guān)輻射電阻與激勵電流無關(guān)，表示電磁波的輻射能力。天線的結(jié)構(gòu)電尺寸激勵電流2023/2/217MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong電基本振子的輻射遠場區(qū)的特點6、方向性：輻射體向空間不同方向上的輻射能力。方向函數(shù)（圖）2023/2/218MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong電基本振子的輻射

輻射最強，軸線方向無輻射

與無關(guān)，其方向圖是以天線軸為中心的回旋體。2023/2/219MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong磁基本振子的輻射磁基本振子是一個半徑為b的細線小環(huán),且小環(huán)的周長滿足條件：2πb<<λ假設(shè)其上有電流i(t)=Icosωt,由電磁場理論,其磁偶極矩矢量為2023/2/220MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong磁基本振子的輻射電與磁的對偶性原理電基本振子的輻射場磁基本振子的輻射場2023/2/221MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong磁基本振子的輻射沿z軸放置的磁基本振子的場2023/2/222MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong磁基本振子的輻射與電基本振子做相同的近似得磁基本振子的遠區(qū)場為:2023/2/223MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong磁基本振子的輻射結(jié)論：比較電基本振子的遠區(qū)場Eθ與磁基本振子的遠區(qū)場Eφ,可以發(fā)現(xiàn)它們具有相同的方向函數(shù)|sinθ|,而且在空間相互正交,相位相差90°。所以將電基本振子與磁基本振子組合后,可構(gòu)成一個橢圓（或圓）極化波天線,螺旋天線為該情況。2023/2/224MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.2天線基本理論

（2）天線的特性參量天線方向圖及其有關(guān)參數(shù)天線效率增益系數(shù)極化特性頻帶寬度輸入阻抗有效長度

定量表征其能量轉(zhuǎn)換和定向輻射能力的量。2023/2/225MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong一、天線方向圖及其有關(guān)參量方向圖：

在離天線一定距離處，輻射場的相對場強隨方向變化的曲線。用最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面表示。E面H面2023/2/226MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong一、天線方向圖及其有關(guān)參量方向函數(shù)：

2023/2/227MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong例1

畫出沿Z軸放置的電基本振子的E平面和H平面的方向圖。E面在給定r處，與無關(guān)；的歸一化場值為2023/2/228MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@DuguohongH面2023/2/229MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong電基本振子立體方向圖2023/2/230MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong一、天線方向圖及其有關(guān)參量主瓣寬度：

通常取方向圖主瓣兩個半功率點之間的寬度（即），在場強方向圖中，等于最大場強的兩點之間的寬度，稱為半功率波瓣寬度。零功率波瓣寬度2023/2/231MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong一、天線方向圖及其有關(guān)參量旁瓣電平：

指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平（dB）。不需要輻射的區(qū)域，電平應(yīng)盡可能低。前后比：

最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（后向）電平之比。（dB）2023/2/232MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong一、天線方向圖及其有關(guān)參量方向系數(shù)：

在離天線某距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度之比（dB）.2023/2/233MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong一、天線方向圖及其有關(guān)參量方向系數(shù)：

在離天線某距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度之比（dB）.2023/2/234MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong2023/2/235MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong一、天線方向圖及其有關(guān)參量方向系數(shù)的表示方法：

2023/2/236MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong一、天線方向圖及其有關(guān)參量例2

確定沿Z軸放置的電基本振子的方向系數(shù)解：電基本振子的方向性系數(shù)是很低的。2023/2/237MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong二、天線效率發(fā)生器當(dāng)天線與傳輸線完全匹配時，Γ=0，Pin=P02023/2/238MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong二、天線效率損耗功率損耗功率銅耗介質(zhì)損耗加在元件的損耗接地損耗2023/2/239MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong二、天線效率中長波和電尺寸很小的天線中，R∑小，R1大，ηA小，僅百分之幾；超短波、微波，電尺寸可以做的很大，ηA→１。2023/2/240MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong三、增益系數(shù)增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)假設(shè)天線為理想的無方向性天線物理意義：描述了天線與理想的無方向性天線相比在最大輻射方向上將輸入功率放大的倍數(shù)。2023/2/241MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong四、極化特性極化特性是指天線在最大輻射方向上電場矢量的方向隨時間變化的規(guī)律。具體地說,就是在空間某一固定位置上,電場矢量的末端隨時間變化所描繪的圖形。該圖形如果是直線,就稱為線極化;如果是圓，就稱為圓極化;

如果是橢圓，就稱為橢圓極化。2023/2/242MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong四、極化特性如此按天線所輻射的電場的極化形式,可將天線分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線極化又可分為水平極化和垂直極化;圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。右極化天線只能輻射和接收右極化波。當(dāng)圓極化波入射到一個對稱目標(biāo)上時,反射波是反旋向的。2023/2/243MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong四、極化特性2023/2/244MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong四、極化特性2023/2/245MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong四、極化特性右旋左旋2023/2/246MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong四、極化特性在通信和雷達中,通常是采用線極化天線;如果通信的一方是劇烈擺動或高速運動著的,為了提高通信的可靠性,發(fā)射和接收都應(yīng)采用圓極化天線;2023/2/247MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong四、極化特性如果雷達是為了干擾和偵察對方目標(biāo),也要使用圓極化天線。另外,在人造衛(wèi)星、宇宙飛船和彈道導(dǎo)彈等空間遙測技術(shù)中,由于信號通過電離層后會產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng),因此其發(fā)射和接收也采用圓極化天線。2023/2/248MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong五、輸入阻抗天線饋電點呈現(xiàn)的阻抗值天線本身的結(jié)構(gòu)和尺寸工作頻率臨近天線周圍物體的影響一般由近似數(shù)值計算和工程實驗確定阻抗網(wǎng)絡(luò)分析儀測試（*）2023/2/249MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong六、有效長度在保持實際天線最大輻射方向上的場強值不變的條件下,假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時天線的等效長度。是衡量天線輻射能力的又一個重要指標(biāo)把天線在最大輻射方向上的場強和電流聯(lián)系起來的一個參數(shù)2023/2/250MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong六、有效長度在通常將歸于輸入電流I0的有效長度記為hein,把歸于波腹電流Im的有效長度記為hem。顯然,有效長度愈長,表明天線的輻射能力愈強。2023/2/251MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.3線天線和面天線

（1）對稱振子天線對稱振子天線結(jié)構(gòu)電流程駐波分布對稱振子天線2023/2/252MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.3線天線和面天線

（1）對稱振子天線對稱振子上的電流分布電流程駐波分布2023/2/253MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.3線天線和面天線

（1）對稱振子天線對稱振子的輻射場2023/2/254MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.3線天線和面天線

（1）對稱振子天線對稱振子的輻射場2023/2/255MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.3線天線和面天線

（1）對稱振子天線對稱振子的輻射場特征電場為方向的線極化波輻射場的大小與離遠點距離r成反比輻射場為球面波方向性僅與有關(guān)，而和無關(guān)2023/2/256MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong2023/2/257MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.3線天線和面天線

（1）對稱振子天線對稱振子的輻射電阻2023/2/258MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.3線天線和面天線

（1）對稱振子天線對稱振子的輸入阻抗特性阻抗結(jié)論：對稱振子天線的輸入阻抗是特性阻抗的函數(shù)，天線導(dǎo)線的直徑越粗，特性阻抗越低，則天線的輸入阻抗越小。2023/2/259MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.3線天線

（1）對稱振子天線對稱振子的輸入阻抗對稱振子天線的特性阻抗越低，則天線的諧振長度越短。2023/2/260MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong例3

已知某天線在E平面上的方向函數(shù)為畫出其E面方向圖計算其半功率波瓣寬度。2023/2/261MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong解：半功率波瓣寬度就是場強下降到最大值得0.707倍的兩點之間的角度2023/2/262MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong例4

有一無向性天線，輻射功率為Pr=100W，計算r=10km遠處M點的輻射場強值。若改為方向系數(shù)為D=100的強方向性天線，其最大輻射方向?qū)?zhǔn)點M，再求M點的場強值。2023/2/263MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong解：輻射功率為Pr=100W，計算r=10km遠處M點的球面上的功率流密度為對于無方向性天線，功率流密度為2023/2/264MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong上述兩式相等，可求得r=10km遠處M點的輻射場強值2023/2/265MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong例5

已知天線在某一主平面上的方向函數(shù)為F(θ)=sin2θ+0.414.畫出天線在此方向的方向圖若天線的方向系數(shù)為D=1.6，輻射功率為Pr=10W，試計算在θ=30°方向上，r=2km處的場強值。2023/2/266MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong根據(jù)方向函數(shù)的定義，可求得最大輻射方向上，r=2km處的場值2023/2/267MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析什么是天線陣兩個以上單元天線，按一定方式排列起來構(gòu)成的輻射系統(tǒng)稱為天線陣。排列要求結(jié)構(gòu)相同尺寸相同取向相同（具有相同的方向函數(shù)）同波源分布規(guī)律排列方式直線陣平面陣曲面陣立體空間陣2023/2/268MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析2023/2/269MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析二元陣天線元2的電流相位超前天線元1的角度為ζ,它們的遠區(qū)電場沿θ方向2023/2/270MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析2023/2/271MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析

式中,|F(θ,φ)|稱為元因子稱為陣因子。2023/2/272MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析元因子表示組成天線陣的單個輻射元的方向圖函數(shù)

其值僅取決于天線元本身的類型和尺寸它體現(xiàn)了天線元的方向性對天線陣方向性的影響2023/2/273MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析天線陣方向圖相乘原理在各天線元為相似元的條件下,天線陣的方向圖函數(shù)是單元因子與陣因子之積例6

兩個沿x方向排列且平行于Z軸放置的半波振子天線陣方向函數(shù)2023/2/274MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析令=0,即得二元陣的E面方向圖函數(shù):

令θ=π/2，得到二元陣的H面方向圖函數(shù):2023/2/275MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析例7

兩個沿x方向排列間距為且平行于Z軸放置的半波振子天線在等幅同相激勵時的H面方向圖。邊射式直線陣天線陣的H面方向圖2023/2/276MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析例7兩個沿x方向排列間距為且平行于Z軸放置的半波振子天線在等幅同相激勵時的H面方向圖。天線陣的H面方向圖2023/2/277MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析例8

兩個沿x方向排列間距為且平行于Z軸放置的半波振子天線在等幅反相激勵時的H面方向圖。端射式直線陣天線陣的H面方向圖2023/2/278MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析例8

兩個沿x方向排列間距為且平行于Z軸放置的半波振子天線在等幅反相激勵時的H面方向圖。天線陣的H面方向圖2023/2/279MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析例9

兩個沿x方向排列且平行于Z軸放置的半波振子天線陣方向函數(shù)，在d=λ/4、ζ=-π/2時的H面和E面方向圖。天線陣的H面方向圖2023/2/280MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（2）二元天線陣方向性分析2023/2/281MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（3）均勻直線陣方向性分析均勻直線陣是等間距、各陣元電流的幅度相等（等幅分布）而相位依次等量遞增或遞減的直線陣。分析：應(yīng)用方向圖相乘原理2023/2/282MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（3）均勻直線陣方向性分析討論陣因子N個天線元沿x軸排成一行,且各陣元間距相等、相鄰陣元之間相位差為ζ2023/2/283MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（3）均勻直線陣方向性分析在上式中令θ=π/2,得到H平面方向圖函數(shù)即陣因子方向函數(shù)為多項式是一等比級數(shù),其和為均勻直線陣的歸一化陣因子的一般表示式2023/2/284MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（3）均勻直線陣方向性分析五元陣的歸一化陣因子圖2023/2/285MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（3）均勻直線陣方向性分析幾個重要結(jié)論主瓣方向

均勻直線陣的最大值發(fā)生在ψ=0或kdcosφm+ζ=0時,由此得出2023/2/286MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（3）均勻直線陣方向性分析邊射陣最大輻射方向在垂直于陣軸方向上,即φm=±π/2,得ζ=0,；也就是說,在垂直于陣軸方向上,各元到觀察點沒有波程差,所以各元電流不需要有相位差2023/2/287MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong（3）均勻直線陣方向性分析端射陣最大輻射方向在陣軸方向上,即φm=0或π,得ζ=kd(φm=0)或ζ=kd(φm=π),

也就是說,陣的各元電流沿陣軸方向依次滯后kd2023/2/288MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong十二元均勻直線陣歸一化陣方向圖2023/2/289MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong2023/2/290MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.4面天線元口徑輻射體（惠更斯元）的輻射場是指均勻電磁場激勵的，尺寸遠小于波長的小面積元2023/2/291MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong面天線元口徑輻射體（惠更斯元）的方向函數(shù)與方向圖2023/2/292MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong面天線面狀天線的輻射場例如矩形口徑設(shè)矩形口徑的尺寸為D1×D2，口徑場沿y軸線極化且均勻分布2023/2/293MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong2023/2/294MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong矩形口徑場均勻分布時的方向圖(D1=3λ,D2=2λ)2023/2/295MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong6.5一些常用的天線設(shè)備直立振子天線與水平振子天線引向天線與電視天線移動通信基站天線螺旋天線微帶天線旋轉(zhuǎn)拋物面天線卡塞格倫天線2023/2/296MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong直立振子天線與水平振子天線垂直于地面或?qū)щ娖矫婕茉O(shè)的天線稱為直立振子天線,它廣泛地應(yīng)用于長、中、短波及超短波波段。直立天線及其等效分析（鏡像）2023/2/297MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong直立振子天線與水平振子天線單極天線鉛垂平面方向圖2023/2/298MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong結(jié)論：當(dāng)逐漸增大時,波瓣變尖;當(dāng)>0.5時,出現(xiàn)旁瓣;當(dāng)繼續(xù)增大時,由于天線上反相電流的作用,沿Δ=0°方向上的輻射減弱。因此實際中一般取為0.53左右。2023/2/299MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong直立振子天線與水平振子天線水平振子天線經(jīng)常應(yīng)用于短波通信、電視或其它無線電系統(tǒng)中,這主要是因為:水平振子天線架設(shè)和饋電方便;地面電導(dǎo)率的變化對水平振子天線的影響較直立天線小;工業(yè)干擾大多是垂直極化波,因此用水平振子天線可減小干擾對接收的影響。2023/2/2100MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong直立振子天線與水平振子天線水平振子天線結(jié)構(gòu)2023/2/2101MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong引向天線與電視天線引向天線又稱八木天線,它由一個有源振子及若干個無源振子組成在無源振子中較長的一個為反射器,其余均為引向器它廣泛地應(yīng)用于米波、分米波波段的通信、雷達、電視及其它無線電系統(tǒng)中2023/2/2102MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong引向天線

工作原理

由天線陣?yán)碚摽芍?排陣可以增強天線的方向性,而改變各單元天線的電流分配比可以改變方向圖的形狀,以獲得所要的方向性。2023/2/2103MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong電視發(fā)射天線特點頻率范圍寬。我國電視廣播所用的頻率范圍:1～12頻道（VHF頻段）為48.5～223MHz;13～68頻道（UHF頻段）為470～956MHz。覆蓋面大多采用水平極化承受一定的風(fēng)荷、防雷2023/2/2104MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong蝙蝠翼天線(a)結(jié)構(gòu)；(b)饋電2023/2/2105MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong移動通信基站天線特點架設(shè)高，足夠的機械強度和穩(wěn)定性垂直極化頂點激勵，扇形天線；中心激勵，全向性天線增益高效率，帶寬目前,陸地移動通信使用的頻段為150MHz(VHF)和450MHz、900MHz（UHF）、1800MHz。2023/2/2106MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong角形反射器2023/2/2107MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong并饋共軸陣列2023/2/2108MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong串饋共軸陣列2023/2/2109MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong螺旋天線

參數(shù)

螺旋直徑螺距圈數(shù)每圈的長度螺距角軸向長度2023/2/2110MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong微帶天線

特點

體積小、重量輕、低剖面,因此容易做到與高速飛行器共形

且電性能多樣化（如雙頻微帶天線、圓極化天線等）尤其是容易和有源器件、微波電路集成為統(tǒng)一組件,因而適合大規(guī)模生產(chǎn)。在現(xiàn)代通信中,微帶天線廣泛地應(yīng)用于100MHz到50GHz的頻率范圍。2023/2/2111MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong微帶天線的饋電2023/2/2112MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong常用的微帶天線的分析設(shè)計方法有傳輸模法和諧振模法。工程上,微帶天線用傳輸模式近似設(shè)計。2023/2/2113MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong輻射邊沿可以看作用微帶傳輸線連接起來的輻射槽,如圖所示,單個輻射槽的輻射電導(dǎo)為單個輻射槽的輻射電納為

W>λ0

W≤λ0

2023/2/2114MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong 式中

2023/2/2115MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohongk0=2π/λ0是自由空間的波數(shù),Z0是寬度W的微帶特性阻抗,εe是有效介電常數(shù),ΔL是邊沿電容引起的邊沿延伸。由圖可看出,邊沿電場蓋住了微帶邊沿,等效為貼片的電長度增加。2023/2/2116MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong圖邊沿輻射槽2023/2/2117MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong為了計算天線的輻射阻抗,天線可以等效為槽阻抗和傳輸線級聯(lián)。輸入導(dǎo)納為式中Ys為式給出的輻射槽導(dǎo)納微帶線內(nèi)傳播常數(shù)。諧振時,L+ΔL=λp/2,僅剩兩個電導(dǎo),即

Yin=2G2023/2/2118MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong微帶天線的工作頻率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為W不是很關(guān)鍵,通常按照下式確定:

2023/2/2119MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong圖矩形天線實例2023/2/2120MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong設(shè)計實例：設(shè)計3GHz微帶天線,基板參數(shù)為2.2/0.762,并用四分之一線段實現(xiàn)與50Ω饋線的匹配。天線拓撲如圖所示。步驟一：確定各項參數(shù):W=3.95cm,εe=2.14,ΔL=0.04cmL=3.34cm,Rin=288Ω步驟二：阻抗變換器的特性阻抗為ZT0==120Ω2023/2/2121MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong步驟三：由微帶原理計算得變換器的長度和寬度為l1=1.9cm,w1=0.0442cm

微帶天線的輻射方向圖可以用電磁場理論嚴(yán)格計算。圖是典型的方向圖,典型HPBW=50～60,G=5～8dB。2023/2/2122MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong微帶天線的典型方向圖2023/2/2123MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong在許多場合下要利用合適的饋線點實現(xiàn)微帶天線的圓極化。如圖所示,90°耦合器激勵兩個方向的線極化構(gòu)成圓極化,或者擾動微帶天線的輻射場實現(xiàn)圓極化。2023/2/2124MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong圖圓極化微帶天線2023/2/2125MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong圖12-21微帶天線的四種形式2023/2/2126MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@Duguohong圖為兩種饋電形式的矩形微帶天線示意圖,圖（a）是背饋,同軸線的外導(dǎo)體與接地板連接,內(nèi)導(dǎo)體穿過介質(zhì)與貼片天線焊接；圖（b）為側(cè)饋,通過阻抗變換與微帶線連接。2023/2/2127MicrowaveTechnologyandAntennacopyright@