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1、天线基本理论第1 页，本讲稿共38 页v 天线是无线电技术设备中用来辐射或接受电磁波的装置，是任何无线电通信系统都离不开的重要前端器件，它广泛地应用于无线电通讯、雷达、导航、遥感、电子对抗和射电天文等领域中，担负着换能器的任务，即把高频电流或导波形式的能量转换成空间电磁波能量，并定向地辐射（这过程称为发射）或相反的转换过程（称为接收）。由于天线在无线电通信系统的重要作用，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。v 1.天线的分类v 天线的种类繁多，可以从不同角度对天线进行分类。v 如按照用途不同，可将它们分为通讯天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线和测向天线等。v 按工作波长的不同
2、可分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等；v 按天线的特色不同可分为圆极化天线、线极化天线、超宽频带天线和波束控制天线等。第2 页，本讲稿共38 页v 从便于分析和讨论天线的性能出发，比较合理的分类方法是把大部分天线按其结构分成两大类：一类是导线或金属棒构成的线状天线，主要用于长波、短波、超短波；另一类是金属面或介质面构成的面状天线，主要用于微波波段。v 2 天线的特性参数v 天线的特性参数是评价一副天线性能好坏的指标。根据电磁场中提到的“收发互易原理”，同一副天线在用作发射或接收时，其基本特性是相同的，只是含义有所不同。本节主要介绍发射天线电参数，然后再介绍反映天线接收性能
3、的两个参数。第3 页，本讲稿共38 页v 1）发射天线的电参数v(1)方向性函数和方向图v 天线的方向性函数是描写天线的辐射作用在空间的相对分布的数学表示式，方向图则是相应的图解表示。场强振幅的归一化方向性函数定义为v(1)v 式中 为天线在任意方向上的场强；为在最大辐射方向上的场强。v 例如：由电磁场理论，电基本振子的电磁场表示式简化为v(1.1a)v(1.1b)v 第4 页，本讲稿共38 页(1.1c)v 由式（1）可知，电基本振子的方向性函数为v(2)v 按方向性函数画得的几何图形即为方向图。一般说来，天线的方向图是一个立体图形，画起来较复杂，在大多数情况下也没有必要。通常只需画出两个相
4、互垂直的主平面上的平面方向图。例如对于电基本振子，所取的两个主平面，一个是包含振子的面，该面与电场矢量相平行故称为E 平面;另一个是与振子正交的面，它与磁场矢量相平行，故称为H 平面。第5 页，本讲稿共38 页v 电基本振子在E 面的方向图成“”字形，具有明显的方向性，在 的方向上场强为零，而在 方向上场强值为最大，如图7-4(a)所示；电基本振子在H 面的方向图是一个圆，这是因为方向性函数与 无关，如图7-4(b)所示；电基本振子的立体方向图如图1 所示。第6 页，本讲稿共38 页v 对于定向天线,其方向图一般呈花瓣状,且包含有多个波瓣,最大辐射方向上的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣或旁瓣。常
5、用主瓣宽度和旁瓣电平来描写天线辐射能量的集中程度。主瓣宽度指主瓣最大值两侧功率密度等于最大方向上功率密度一半的两个方向间的夹角。在E 面和H 面上对应的主瓣半功率宽度常以 表示，相应的场强降至最大值的0.707 倍。旁瓣电平指旁瓣最大值和主瓣最大值之比，记为,常以分贝数表示之v 式中下标“1”和“0”分别表示副瓣和主瓣对应的值。v 若主瓣宽度愈小，旁瓣电平愈低，则说明该天线的方向性或定向性能愈好。第7 页，本讲稿共38 页v(2)方向系数v 方向图形象地表示出了天线的方向性，为了更精确地比较不同天线的方向性，有必要再规定一个表示方向性的电参数方向系数。它的定义是:在辐射功率相同的条件下，被研究
6、天线在它的最大辐射方向上某一距离处的辐射功率密度与无方向性天线（参考天线）在同一距离处辐射功率密度之比值，并记为D。由这个定义出发，可导出方向系数的基本计算公式。设被研究天线的辐射功率为，它在最大辐射方向上距离r 处产生的辐射功率密度和场强分别为和；又设有一辐射功率相同的无方向性天线，它在相同距离上产生的辐射功率密度和场强分别为和。则按方向系数的定义，有第8 页，本讲稿共38 页v(3)v 对于无方向性天线，它产生的辐射功率密v 度可表示为v 功率密度和场强间的关系式为v 因而有 v(4)v 将式（4）代入式（3）得 第9 页，本讲稿共38 页v(5)v 式中的也是所讨论的天线的辐射功率，设其
7、归一化方向函数为，则其任意方向的场强与功率密度分别为v 在半径为r 的球面上对功率密度进行面积分，就得到辐射功率为第10 页，本讲稿共38 页v 将上式代入（5），即得v v(6)v 式（6）是计算方向系数的一个重要公式。由公式可以看出，如果天线的辐射散布在较大的角度范围内，也就是天线的主瓣较宽，上式的分母积分值就较大，天线的方向系数就较小。v 对于理想无方向性天线，其归一化方向函数为v 于是按式（6）得其方向系数为 第11 页，本讲稿共38 页v 这是一个理所当然的结果。v 对于基本振子，其归一化方向函数为v 则其方向系数为v 下面讨论方向系数的物理意义。由式（5）得(7)对于无方向性天线，
8、D=1,式（7）写为(8)第12 页，本讲稿共38 页v 比较式（7）与（8），可以看出：某天线的方向系数，表征该天线在其最大辐射方向上比起无方向性天线来说把辐射功率增大的倍数。譬如，为了在一定距离的点M 处产生一定的场强，在使用无方向时，需馈给天线100（w）的辐射功率，但若使用方向系数D=100 的强方向天线，并将天线最大辐射方向对准点M，只需馈给1（w）的辐射功率。v(3)效率v 天线的效率指天线的辐射功率与输入功率之比值，记为，即v(9)v 或者v(10)v 式中 为损耗功率。第13 页，本讲稿共38 页v 仿照引入辐射电阻的办法，由损耗功率引入损耗电阻，且这个也归于天线电流,即有,则
9、式(10）变成 v（11）v 可见，为提高天线效率，应尽可能提高辐射电阻和降低损耗电阻。v(4)增益系数v 增益系数定义是在同样的输入功率条件下，被研究天线在最大辐射方向上某处辐射的功率密度与无方向性天线在同一处辐射功率密度之比值，记为G 即v（12）v 设外加输入功率为，被研究天线的效率为，则辐射功率,则第14 页，本讲稿共38 页v 将上式代入式（12），则v 利用，并考虑式（7），则v（13）v 因此天线的增益系数等于其效率和方向系数的乘积。v 不难证明，某天线的增益系数它表征该天线在最大辐射方向上比起理想的无方向性天线把输入功率增大的倍数。v(5)等效高度v 由式，电基本振子远区的绝对
10、值可表示为 v(14)第15 页，本讲稿共38 页v 式中 为天线馈电点的输入电流值；为等效高度（或有效长度）。v 等效高度 其物理意义是：在保持此天线在最大辐射方向上场强值不变的条件下，假设天线上电流分布为均匀分布时天线的高度。v(6)极化v 发射天线所辐射的电磁波都具有一定的极化特性。所谓极化就是电场矢量在空间的取向，天线的极化通常是指在最大辐射方向上的电场矢量的取向。众所周知，极化一般可分为线极化、圆极化与椭圆极化三类。由于不同极化的电波在传播过程中有着不同的特性，人们根据设备的性质和任务，常常对天线所辐射的电波的极化特性提出要求。一般情况下，接收天线与发射天线的极化方式相同，称为“极化
11、匹配”，否则将引起“极化损耗”。为此引入极化损耗因子PLF。第16 页，本讲稿共38 页v(15)v 式中 为入射波电场的单位矢量；为接收天线所在方向的单位矢量；是两单位矢量之间的夹角，“”号表示共轭。当极化匹配时，PLF=1，否则PLF1。v 2）接收天线的电参数v 下面简要地叙述接收天线电参数的含义v(1)方向图v 描述接收天线对来自不同方向的电磁波的相对接受能力。对于同一副天线，v 在接收时的方向图和在发射时的方向图相同。v(2)方向系数v 假定从各个方向传来的波的场强相同，天线在最大接收方向上接收时向匹配负载输出的功率 与在各个方向上接收向负载输出的功率的平均值 之比值，第17 页，本
12、讲稿共38 页v 即 v 对于同一副天线，在接收和发射两种状态下，其方向系数值是相同的。v(3)效率v 天线实际上向匹配负载输出的最大功率和假定天线无耗时向匹配负载输出的最大功率之比值。对于同一副天线，在接收和发射两种状态下，其效率值是相同的。v(4)增益系数v 假定从各个方向传来的波的场强相同，天线在最大接收方向上接收时向匹配负载输出的功率和天线在各个方向上接收且假定天线无耗时向匹配负载输出功率的平均值之比值。既然接收天线的方向系数与效率和它用作发射天线时的方向系数与效率相等，接收天线的增益系数自然也就等于它用作发射天线时的增益系数。v 此外，对于接收天线还有特殊的两个参数。它们是有效面积和
13、噪声温度，分别叙述如下：第18 页，本讲稿共38 页v(5)有效接收面积v 当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收，且负载与天线完全匹配时，天线向负载输出的功率为；另一方面可以假定功率 是由与来波方向相垂直的一块面积所截获的，则这个面积就称为接收天线的有效接收面积（或简称为有效面积），记为，可证明天线的有效面积为v(16)v 式中 为工作波长；D 为接收天线的方向系数。v 例如，基本振子其方向系数为D=1.5，则由上式可得基本振子的有效面积为v(6)等效噪声温度v 接收天线的等效噪声温度是天线工作于接收微弱信号状态时的一个重要参数，它表征天线接收噪声功率大小的一个参数。第19 页，本讲稿共3
14、8 页v 设天线的等效噪声温度为，它可表示为v(17)v 式中D 为天线的方向系数；为天线的归一化方向系数；为噪声源在空间的分布，简称为亮度温度。v 天线的噪声温度 愈高，送至接收机的噪声就愈大，反之就愈小。它一方面取决于周围空间噪声源的强度和分布，另一方面亦取决于天线的方向性。为此欲要减小进入接收机的噪声，不应使天线最大辐射方向对准较强的噪声源，并应尽量压低天线的旁瓣。v 实际的接收设备中，天线往往要经过一段馈线与接收机相接。当考虑馈线中的损耗和衰减后，天线和馈线所组成的天馈系统在接收机输入端产生的总噪声温度为v(18)第20 页，本讲稿共38 页v 式中 为天馈系统的衰减，它等于天馈系统的
15、输入功率和辐射功率之比；为天线的等效噪声温度；为天馈系统的物理温度。v 3.微带天线v 在20 世纪50 年代人们就已经提出了微带天线，最初作为火箭和导弹上的共形全向天线。但是，微带天线的真正应用和发展还是在20 世纪70 年代以后，随着微波集成电路技术的发展和新型介质材料的出现，各种形状、不同功能的微带天线应运而生，它广泛用于卫星通信、移动通信以及多普勒雷达、飞行器等大量无线电设备中。在空间通信技术中，如在海洋卫星、航天飞船成像雷达等系统中都使用了平面结构的微带天线阵列。微带天线的特点是设计尺寸灵活，体积小、重量轻、适于内置式。对于便携式无线通信设备，如无绳电话、个人通信业务、蜂窝电话、寻呼
16、机、无线调制解调器以及对于通信天线有特殊要求的场合，微带天线的独特技术性能就成为其最好的选择。随着相关科学技术的发展，将会进一步拓展微带天线的应用领域。第21 页，本讲稿共38 页v 1）微带天线的结构与特点v（1）微带天线的结构v 微带天线是利用微波集成工艺技术在双面敷金属板上制成的辐射体和馈线系统。与通常的微波天线相比，微带天线的设计可根据需求有较为任意的几何形状和尺寸，具有更多的物理参数。根据微带天线的制作方式分类，微带天线分为三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。v a)微带贴片天线是在带有金属薄层接地板的介质基片上，用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线
17、或同轴探针对贴片馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。贴片制成各种形状，如矩形、圆形、圆环形、窄条形等，如图2 是矩形微带贴片天线结构图。第22 页，本讲稿共38 页v b）微带行波天线具有馈电简单、频带宽、波束窄、方向图随频率可变化等优点。微带行波天线是一种一边传输电磁波一边不断向空中辐射的天线。图9-23 表示微带行波天线的结构。由于均匀微带线没有辐射，因此，微带行波天线一般具有周期不连续性结构并传输特殊模式。常用的微带行波天线有壁垒线结构和链型结构。图3 为链形行波天线结构，由矩形微带环（图（a）或回型微带环（图（b）相隔一定距离级联而成
18、，矩形微带环宽度2T 约为一个导波波长，环长与环间距S 略小于半个导波波长，环间微带线的特性阻抗为50，矩形环微带线的特性阻抗为100。环垂直于天线轴线的部分由于电流大小相等、方向相反，辐射相互抵消，平行于天线轴线的部分产生辐射场。这种天线可等效为相距2T 的两个线天线阵，阵元为相距S 的等效行波电流(电振子)或等效行波磁流（拐角磁流的轴向分量）。微带传输线上行波电流的相位与天线周期结构的比值为S+T/S，因此链型微带行波天线的波束指向近似为第23 页，本讲稿共38 页v 式中 为波束方向与阵轴的夹角。适当选择S 和T，波束指向可以从端射到边射之间任意变化。v v 图3v c）微带缝隙天线是一
19、种能产生双向辐射的天线。它是在微带线或带状线的接地板上开缝而构成，缝隙由微带线或带状线激励。微带线和缝的相对位置有三种形式：中馈、偏馈和侧馈，如图4（a）、（b）、（c）所示。第24 页，本讲稿共38 页v 由于缝隙天线对制作公差要求较低，加工较为容易，而成为比较常用的微带天线。微带缝隙天线可以分成窄缝天线和宽缝天线两种，窄缝天线的缝宽远小于波长；而宽缝天线的缝宽可与波长相比。窄缝微带天线可以看成是线状阵子天线的对偶形式，只要基片的厚度远小于工作波长，基片对远区场的影响可以忽略不计。微带缝隙天线的辐射是双向的，如果要得到单向辐射，可以在微带导线一边安放一块平行于基片的平板反射器，缝与反射器的距
20、离为四分之一波长时，可以获得最佳匹配和最小副瓣。v v 图4第25 页，本讲稿共38 页v（2）微带天线的特点v 微带天线一般适用于150GHz 的频率范围，而在现代通信中又扩大至100MHz50GHz 的频率范围，其主要特点有：v 1）微带天线和常用的微波天线相比其优点为：v a)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形，除馈电点外，基本不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器非常有利。v b)电性能多样化。不同设计的微带元，其最大幅射方向可以从边射到端射的范围内调整，易于得到各种极化，特殊设计的微带元还可以在双频或多频工作。v c)能和电路、有源器件集成为统一器件，简化了整体的制作和
21、调试工艺，适合大规模生产，大大降低了成本。第26 页，本讲稿共38 页v 2）微带天线和其他天线相比，也有一些局限性：v a)频带较窄，主要是谐振式微带天线。现在已经有了许多改进措施。v b)损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。特别是行波微带天线，在匹配负载上有较大的损耗。v c)单个微带天线的功率容量较小。v d)介质基片对天线性能影响大，设计和制作过程中应注意对介质基片的选择。v 不过，已发展了不少技术来克服或减小上述缺点。例如，已有多种途径来展宽微带天线的频带。常规设计的相对带宽约为中心频率的1%-6%，新一代设计的典型值为15%-20%，也已制成超宽带微带天线。第27 页，本讲稿
22、共38 页v 2）微带天线的分析方法v 微带天线已有了稳固的理论基础。其主要理论有三类：v(1)传输线模型（TLM）v 这是最早出现的最简单的分析模型，他将一矩形贴片天线等效为一段微带传输线，两端由辐射隙缝的等效导纳加载，但本法基本上只能用于薄的巨型贴片天线。v(2)空腔模型（CM）v 罗远祉教授等提出将薄微带天线的贴片下空间看成是由上下为电壁、四周为磁壁围成的谐振空腔（漏波空腔）。这一模型使对微带天线的工作特性有了更为深入的理解，并已成功地用于精确计算厚0.005 至0.02（为介质中波长）的微带天线输入阻抗。这个方法可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小于波长的情况。v(3)全波分析
23、法(FM)或积分方程法(IEM)第28 页，本讲稿共38 页v 3）微带天线的应用 v 微带天线现已应用于大约 的宽频域上的大量无线电设备中，特别是在飞行器上和地面便携式设备中。在要求低剖面辐射器的场合，即使微带天线某些性能不如常规天线，也往往被优先选用。现有的应用简表如下所示。随着微带天线材料、设计和加工工艺的不断发展，其应用正在与日俱增。微带天线将能代替不少常规天线，而成为一些民用和军事设备，特别是便携式设备的更新换代产品。第29 页，本讲稿共38 页v 4）微带天线贴片设计步骤：v 首先利用空腔理论模型对天线进行初步设计。在空腔理论模型中，一个贴片尺寸为的天线的其它特性参数由下面公式求得
24、：v 等效介电常数：（19.1）v 贴片尺寸延伸：（19.2）v 贴片等效尺寸：（19.3）v（19.4）v 天线谐振频率：（19.5）第30 页，本讲稿共38 页v 品质因数：（其中Qr 由相关图表查得）v 天线谐振阻抗：第31 页，本讲稿共38 页v 其中，为介质的相对介电常数，h 为介质板厚度，为贴片所采用导体的电导率，为介质的损耗角正切，Qr、Qc、Qd、Qsw分别为辐射损耗、导体损耗、介质损耗和表面波损耗所引起的相应的Q 值。v 选用合适的介质板材料，接地面与天线及馈线采用镀金的方式得到，其电导率。根据欲得到的谐振频率，由式19.5 计算出初始的 值（在此计算中用相对介电常数代替等效
25、介电常数），首先令,v,然后执行下面的循环体：v 第32 页，本讲稿共38 页v v 直到两次相邻循环所求得的贴片尺寸之差小于设定的精度为止。至此天线的初步设计完成。v 设计举例 v 例1 设计一矩形贴片天线，要求带宽不小于，中心频率为，采用聚四氟乙烯玻璃纤维基片，v（国产材料）。试确定基片厚度，贴片尺寸，及用 微带线边馈时的馈点位置，并计算其增益G。第33 页，本讲稿共38 页v 解（1）根据带宽要求选定。由表查得，令，得 v v 为便于满足带宽要求，拟取，因此带宽值将大于表中给出的值；并考虑到现有国产资料规格，取v。v（2）根据式 v 确定贴片尺寸。按工作于 模设计，初始值取 v，则v 取
26、。v 为简便起见，最后选第34 页，本讲稿共38 页v（3）求Q 值，确定馈点位置。由图查得，即。第35 页，本讲稿共38 页v 谐振电阻为v 令，v 得 即沿b 边从中线算起 处为馈点。（4）求增益。可由 反演得出，从而得第36 页，本讲稿共38 页v 或直接利用前面已得出的 值求v（5）校验带宽。v 可见满足带宽要求。已按所给参数作了实验模型,根据实验值与计算值的比较表明带宽计算值与实验值很吻合。v 5）展宽微带天线的途径v 微带天线的一个主要缺点是频带窄。其限制因素主要是阻抗特性，因为，它的方向图带宽通常是阻抗带宽的好几倍，所以这里讨论的带宽都是指阻抗带宽。第37 页，本讲稿共38 页v 微带天线阻抗频带窄的根本原因在于，它基本是一个漏波空腔，它的谐振特性犹如RLC 并联谐振回路。其驻波比不大于S 的相对带宽近于v 为展宽微带天线的频带，20 世纪80 年代以来作了最广泛地研究。其主要途径可归纳为v（1）降低等效电路Q 值：增大h，降低，增大 等；v（2）修改等效电路为多协调回路：附加寄生贴片，采用电磁耦合等；v（3）附加阻抗匹配网络；v（4）利用阵列技术：采用行波阵或对数周期阵结构等。第38 页，本讲稿共38 页