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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。rf电路设计讲座射频、微波天线技术探微-RF电路设计讲座（1）射频、微波天线技术探微天线在无线电系统里的功能是什么呢？答案是，它是一个门、一个接口，透过它，射频能量可以从发射机辐射到外面世界；或从外面世界到达接收机。底下将讨论各种天线系统的技术。天线特性天线具有以下的特性和参数：1.辐射极场图型（radiationpolarpattern）：天线会向四周辐射电磁波，以天线为中心，电磁场在各方向的强度可以用图形描绘出来。2.指向性（directivity）3.效率4.增益5.等效面积6.相互性（recip
2、rocity）：也叫作Rayleigh-Carson定理。当电压E作用在A天线上，促使B天线产生电流I。此时，使用相同的电压E作用在B天线上，会在A天线上产生振幅和相位都相同的电流I。7.接收的噪声功率8.终端阻抗，包括辐射电阻。9.接收系统的效益指数（G/T）：G是天线的增益，T是噪声温度（noisetemperature）。天线的接收灵敏度和G/T值大小有关，若G/T愈高，表示天线对微弱讯号愈敏感，接收效果也愈好。噪声温度是很抽象的观念，它的定义应该用数学公式表示。但若要以纯文本描述的话，可以这么说：在一个通讯系统或被测组件里，当频率不变时，被动组件系统的温度会使每单位带宽的噪声功率（no
3、isepower）增加，当被动组件系统的值等于此通讯系统的值时，所得到的温度就是噪声温度。请注意，被动组件是包含在此通讯系统或被测组件里面，有时此被测组件也被称作网络的真正终端装置（actualterminalsofanetwork）。例如：一个单纯电阻的噪声温度就是此电阻的真正温度；但是，一颗二极管的噪声温度可能是此二极管（真正的终端装置）的真正温度（接脚测量到的温度）之数倍之多。噪声温度是以绝对温度（-273oC）为零度，单位是K（Kelvin）。天线类型辨别下列数种分类法有助于为天线分类：*辐射元素*反射器天线*辐射元素数组辐射元素包括：*产生外场的电流天线*拥有特定场分布的孔径天线（a
4、pertureantenna）电流天线电流天线的形式包含了：*线形双极（wiredipoles）*线形单极（wiremonopoles）*线形环路（wireloops）*螺旋辐射器（helicalradiators）*槽型天线（slotantenna，双线形天线）*微带补片天线（microstrippatchantenna）共振半波双极线形双极具有普遍的外型与大小，如下图所示：双极是双极数组的基本元素，一个圆柱状双极（cylindricaldipole）是大约在l=0。95(/2)处共振。一个双极近共振的馈点电抗，大约与缩短过的四分之一波长的Z0=1000奥姆之电线相同。等效传输的阻抗是天线大
5、小的函数，如下图所示：取得共振（X=0），从正确的半波长缩短之百分比，显示如下。逐步缩减半径（step-tapered）之双极天线的自我阻抗，是和双极元素直接相关，这是由套迭式管（telescopingtubing）构成，如下图。套迭式管是一种使用在较大型天线中的物理设计，能在不产生过度风阻和增加额外重量的情况下，提供机械强度。一般来说，圆柱状双极的全长具有相同的共振频率，而且一个渐缩的双极（tapereddipole）之电抗的斜率曲线，实质上是比较短的。亦即，一个逐步缩小的双极天线之全长必须要比较长一点，以达到相同的共振。为这个计算所导出的算法是一些参考书籍的主题，不在本文中谈论。可以利用这
6、个算法来设计八木（Yagi）天线，在数值分析软件中，就含有这个算法。线形单极双极的一半，一个四分之一波长单极天线具有辐射电阻R=36奥姆，可在半无限导电接地面（semi-infiniteconductinggroundplane）上运作，如下图所示。如果接地面积远小于一个波长（例如：一支单极天线安装在一辆车上），则其天线场型与自完整的接地面积所计算出的场型相比，是大不相同的。螺旋天线螺旋天线是由克拉斯（Kraus）所创造，他曾说过一个有趣的故事，关于他如何在听到史丹佛大学教授谈到螺旋传递的波管（wavetube）时，领悟到相同的慢波结构可能具有和天线一样的收集讯号（signal-gatheri
7、ng或gain）的能力。他当天便在他的地下室（实验室）里测试了此种螺旋天线，并测量出它的增益与圆形极化（circularpolarization）。螺旋天线很简单但非常有效，它以简易的辐射体结构来提供增益。下图是其尺寸的实例：为了完整的运作，周长必须是0.75C=D1.33。俯仰角是=tan-1(S/C)。增益值大约是GdBi=11.8+10log(C2nS)，而HPBW=52/C度。中央馈线的馈点电阻是R=140C，周围馈线是R=150/。周围馈线可被匹配至Z0=50奥姆，这是利用第一螺旋的四分之一波段，它可以是介电质负载型（dielectric-loaded）或平坦型，并推挤靠近接地面，以
8、形成一个匹配段，为四分之一波段得到必需且平均的Z0值。螺旋天线固定电路板上的实例如下图：槽型天线槽型天线是藉由中止射频电流流进一个导电表面（例如：波导墙）所制成的。槽型天线是两个双极天线，且有相似的阻抗与场型。微带补片天线微波补片天线是平面天线（planarantenna）的一个实用种类，它是在微带结构中制成，如下图所示。正方形面板区域（上图白色部分）是从一介电质结构的顶层面板（上图黑色部分）蚀刻而来的，此介电质结构的另一面（底部）有一接地平面。补片天线本质上是一矩形双极。使用高介电质常数的材料来减少天线的大小。此天线在任何环境下，都很容易安装，它能轻易地安装在车辆或飞机的表面上。补片天线是一
9、种相当窄频的天线。在正方形结构里，一个线性的极化波向外辐射。有许多方法可以达到馈线与阻抗匹配。补片可与一个四分之一波长的高阻抗线匹配，或一条50奥姆线可延伸到补片的内部，如下图所示。阻抗在中心点是最小的，且阻抗值是跟着轴长的增加而增加，所以尺寸的选择是以能得到支持50奥姆的点来决定的。另一种馈线匹配法是将一同轴线的中心导体透过介电质，在适当的阻抗点接触到补片的底部。补片的中心是经过此结构中的一个过孔（via）接地的，如下方的左图与中图所示。当两边尺寸不同，形成长方形时，补片会产生圆形极化波，如上方的右图所示。这是交叉式双极数组的模拟，而馈线是延着中心点到角落的对角线与补片连结着，为了达到阻抗匹
10、配，必须为补片选择适当的尺寸。孔径天线孔径天线包括：*开放式波导辐射器*喇叭形（horn）与其他形状的波导辐射器*喇叭形反射器天线孔径天线的响应场型与孔径所产生的远场绕射（farfielddiffraction）场型相同。远场场型的近似角宽度是=/D。一个孔径天线的模型是：在一个无限导电或吸收平面上有一直径D的孔径，且有一平面波由一侧射入。绕射场型越过很大的距离投射在平行面上，将会有一个中央点，其直径是由场型的角宽度公式决定。此模型如下图所示。这是假设孔径的照射度是平均分布的（uniform）。更精确地说，远场场型是分布在孔径各处的电场之傅立叶变换，并且考虑到孔径平面各处之振幅及相位的变动。一
11、个波导管的开口端变成了一个非常高效率的辐射器，如下图。增加孔径的大小（改变喇叭形状）可以增加波导天线的增益。圆形喇叭也被使用。参见下图。利用圆形极化器可制作一个圆形的喇叭天线，它可以辐射圆形的极化场型。这个装置使用一个传输型极化器，把在长方形波导管中的线性极化，在正方形波导管输出端转换成圆形极化。极化器结合了一种转换功能，从输入的长方形波导管（线性极化）转换成在45位置的正方形波导管。两个相等且互相垂直的线性极化波，在正方形波导管内发射；经由设定波导来使其中一个波有不同的相位速度，一个90相位关系在极化器全长四周被建立起来。现在它就具有圆形极化场型，且从圆形喇叭中辐射出去。如下图所示是一个有趣
12、的天线之横切面，是将一个喇叭天线当成一个抛物面反射器（parabolicreflector）的一部份。反射器的每一面被包在喇叭天线的延伸面里（在上图中，开口大的部位），变成类似盘子（dish）的形状，导致天线的旁波（sidelobe）变得很小。Penzias与Wilson就是利用这种天线在贝尔实验室里，观察宇宙的背景微波（并赢得诺贝尔奖）。下面列出了各式天线的近似指向性（增益）和远场边界以供参考：反射器天线反射器天线包括：*平面反射器*抛物面反射器*球形反射器（例如：Arecibo）*多波束（multibeam）反射器天线*使用电流天线做为反射器可将一个电流天线（例如：一个双极天线）放在一个导
13、电平面前，来产生一个定向天线。当间距为0.1-0.3时，一个/2双极天线的增益大约是6dB（这是6dBd的意思，也就是8dBi，因为一个双极天线的增益是2dBi）。一个角落反射器（cornerreflector）增加了增益值。当双极天线的间距为0.5时的增益是10dBd；而当间距是1.5时，增益是13dBd。利用抛物面圆柱状的反射器可以得到额外的增益，这种抛物面圆柱状的天线经常在移动电话基地台见到。抛物面反射器天线曲面的反射器，特别是抛物面反射器可提供更大的增益。抛物面反射器天线的增益，本质上是与同直径之孔径天线相同的。上图显示了在设计抛物面天线时，所需面对的取舍问题：弧面对应的夹角和馈线的指
14、向性。如果给定一个直径与焦距长度，对弧面直径所对应的夹角而言，此馈线场型太宽了，将造成能量大量溢出，导致增益减少且天线温度增高。反之，如果所对应的夹角大于馈线的半功率波束宽度（HalfPowerBeamWidth；HPBW），将会导致照射度不一致，且在边缘部位会逐渐减弱，并伴随着辐射效益与增益的损失。理想的做法是，将馈线的指向性和抛物面天线所对应的夹角相互匹配，这就是抛物面反射器的比率公式f/D。因为减少能量的溢出量，故它可能会降低T多过于降低G，因而增加了G/T值，常见的选择是在抛物面天线的边缘，降低照射度10dB。反射器馈线的结构反射器必须在天线的焦点处提供讯号，其方法是利用任何的电流式或
15、孔径式的辐射器。馈给的位置可以在主焦点处，或者在那儿可以有一个副反射器，用来减少屏蔽（blockage）之所需以及免除要在焦距处支持馈线的复杂度。实际的馈给位置是位在抛物面的中央，最大的优点是减少馈线的损失，并支撑重量。有两种可行的副反射器结构：Cassegrain结构是在焦距前使用一个凸面副反射器；而Gregorian结构是在离焦距很远的地方使用一个凹面副反射器。提供无线望远（radiotelescope）用途的天线则常使用Newtonian结构，它在焦距处放置一个小反射器，并将馈线置于主反射器的侧边。反射器天线的馈给位置可能会偏移到抛物面区段的侧边，它的优点是减少屏蔽，并降低因能量溢出而产
16、生的噪声。拋物线增益在表面粗糙处降低代表因表面粗操而使增益损失的方程式，是Ruze公式。一个完美的抛物面天线之效能可以下式表示：，这里的是表面粗操度的均方根值（rms），而是波长。Kraus使用不同的方法，获得相似的结果：kg=cos2(4/)当你希望抛物面天线达到其最大可能效能的90%时，可利用这些方程式。反射器的表面须要有一个大约/40或更小的均方根误差。/10的均方根误差将会降低增益至大约21%（-6.9dB），这是以理论最大值来计算。多波束反射器在没有失去大量的指向性之下，抛物面天线的馈给位置是不能偏移的。然而，若馈给位置是用来去除球形像差（aberration），以恢复增益时，球形反
17、射器可以被使用。在波多黎各Arecibo天文观测站（参见http:/www.coseti.org/arecibo.htm）的300公尺巨型碟形天线就是使用这种方法聚焦的。它是一个有趣的反射器天线，它的一面是抛物面、另一面是球形，所以它有许多个馈给位置，对应到许多卫星形成多波束（multiplebeam）。阵列天线辐射元素的数组包括：*驱动式双极数组（对数周期双极数组与相位数组）*寄生式双极数组（八木宇田数组）*多极（multipole）槽型数组辐射器的数组利用其个别元素，可以产生大量的增益。数组的增益是数组因素与元素增益的乘积。很多数组是在一个假设下设计的，此假设是：馈给系统导致每一个元素都有
18、一个规定的电流与相位。这通常忽略了邻近双极元素之间的相互阻抗之影响。前面已谈过可用四分之一波长的电线来馈给每一个元素，以致它们的电流都相等。然而，使用一般的馈给法，想要得到极大的相位差是很困难的。下图是两个半波双极的相互阻抗实例：双极的垂直共线性数组共线性双极数组（collineardipolearray）广泛地应用在单点对多点通讯上，双极的数组沿着垂直轴排列，提供集中于水平轴的场型，同时覆盖360的区域时。下图表示半波双极数组在不同相角馈给，所产生的辐射场型。为了避免失去亲密的服务对象（地面的发射机和接收机），天线馈给的相角通常是向外逐渐变尖的，并形成向下倾斜角，如下图所示的辐射场型。这提供
19、了零充填（nullfilling）的功能，且避免能量辐射到水平线以上，浪费了发射机的功率。零充填是在辐射场型中填入空值（nulls）的过程，以避免在辐射覆盖区内，产生盲点（blindspots）。对数周期双极数组天线长度渐增的双极天线组可被普通的馈线馈给，产生一种数组天线，称为对数周期双极数组（logperiodicdipolearray；LPDA），它具有宽带的特性。典型的电视天线是对数周期的，它利用每一双极天线之基本的和第三共振谐波来涵盖VHF电视频道的全部范围。一个典型的对数周期双极数组天线如下图所示：八木宇田寄生式数组天线另一个有趣的数组型态是使用寄生（非驱动的）双极元素，来产生一个高
20、指向性的天线，称为八木（Yagi）天线，这是以其中一个创始者（八木和宇田都是日本人）的名字来命名。这种天线普遍应用于HF、VHF和UHF通讯中，而且已经被广大地研究。以下是一个2400MHz八木天线的例子：线性与圆形极化除了电波干扰和辐射能会以1/r2的公式减少以外，另一个电磁波特性是极化。在一个辐射的电磁波上，电场的方向和传播的方向垂直，电场可能在任何一个方向，但必垂直于z轴上的传播向量（propagationvector）。如果我们选择了一个x方向，并决定了必需的y方向，且y是垂直于x与z，我们可以将任意的电场极化，视为两个波在x和y方向上线性极化的线性合成。如果这两个成份波的相位同步，其
21、合量（resultant）是一个在x轴上任何角度的线性极化波。如果两个成份波的相位不同步，则合量有极化现象，当两个成份波前进时，极化是环绕着z轴。如果两个合成波的振幅相同，且相位差90，其合量是圆形极化。然而，通常它们的相位和振幅都不同，其合量是椭圆极化。圆形极化可能是右手或左手的圆形极化（右旋极化RHCP（right-handcircularlypolarized）或左旋极化LHCP（left-handcircularlypolarized）；拇指指向传播方向，其余四指垂直于拇指的方向旋转）。这是在物理课程中，我们都学过的。天线通常以它们相对于地面（它们安装的位置）的极化角度来分析。由于导体或介电质表面的不同反射特性，所以，垂直极化与水平极化的传播特性是不同的。结语射频/微波技术和电磁学是博大精深的，其中，天线技术更可以成为工程师一辈子研究的主题。专研此领域时，除了可以欣赏理论的优美以外，还不时令人赞叹发明家的巧思和造物主的神妙。-