第3章線天線3.1對稱振子天線3.2單極子天線3.3八木天線3.4環(huán)形天線3.5螺旋天線3.6

角反射器天線及背射天線

天線的分類方法很多，按天線的主體結(jié)構(gòu)形式可分為線天線和面天線。通常，當(dāng)天線輻射體的截面半徑遠(yuǎn)小于波長時，可將該天線歸類于線天線。相對而言，線天線是較為簡

單的天線形式，因此很多教材對天線輻射機(jī)理和主要參數(shù)的講述都會以最原始的線天線——電基本振子作為出發(fā)點(diǎn)。常用的作為基礎(chǔ)類型的線天線包括對稱振子天線、單極子

天線、環(huán)形天線、螺旋天線、行波線天線(V形、菱形)等。

為適應(yīng)不同的需求，由上述基礎(chǔ)類型發(fā)展出各種線天線:以增大帶寬為目標(biāo)的領(lǐng)結(jié)形對稱振子天線、籠形天線、套筒天線

等；以提高增益為目標(biāo)的八木天線、對數(shù)周期天線、線天線陣列等；以易于集成為目標(biāo)的平面印刷天線，如印刷對稱振子、印刷八木天線、印刷對數(shù)周期天線等。上述這些天線從機(jī)理

上來講都可以歸入線天線的類別。另外，根據(jù)巴俾涅等效原理，有時縫隙天線也可以被等效為線天線來進(jìn)行分析。

本章基于實際的設(shè)計需求，重點(diǎn)介紹對稱振子天線(包括籠形對稱振子天線)、單極子天線(包括套筒單極子天線)、八木天線、環(huán)形天線和螺旋天線。而對數(shù)周期天線等其他線

天線將在后續(xù)的章節(jié)中結(jié)合寬頻帶設(shè)計技術(shù)進(jìn)行介紹。

3.1對稱振子天線圖3.1對稱振子天線

圖3.1所示的對稱振子天線是較為常見的最基本的天線形式之一。它由等長的兩臂構(gòu)成，在兩臂中間進(jìn)行饋電。其單臂長度可記為L。對稱振子的振子截面通常為圓形，半徑可記為a。

對稱振子產(chǎn)生的輻射場是兩個臂上由饋源激勵的電流疊加構(gòu)成的，其表達(dá)式為

其中:Im

表示饋電電流對應(yīng)的峰值(并不一定對應(yīng)于饋電電流)；l表示天線長度；

r為對稱振子距觀察點(diǎn)的距離；β0為衰減常數(shù)，其對應(yīng)的方向函數(shù)為

輸入阻抗為

其中：

Im

、l、β0的意義同式(31)；

α表示對稱振子的相移常數(shù)；

ZCA為對稱振子的特性阻抗。

當(dāng)對稱振子的長度約為半個工作波長時，稱其為半波振子，此時天線的輸入阻抗為73Ω，可以產(chǎn)生具有良好對稱性的輻射方向圖。半波振子是應(yīng)用最為廣泛的基本天線形式。

利用電磁軟件對對稱振子進(jìn)行仿真時，其基本結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。由圖3.2可以看出，天線由矩形片構(gòu)成的饋電端口和兩個圓柱形輻射臂構(gòu)成。由于振子末端的縮短效應(yīng)，天線的長度會略小于半波波長。圖3.3給出對稱振子產(chǎn)生的三維輻射方向圖，圖3.4給出對稱振子的E面和H面方向圖，圖3.5給出對稱振子的輸入阻抗和S11

參數(shù)。圖3.2對稱振子仿真模型結(jié)構(gòu)圖3.3對稱振子的三維輻射方向圖圖3.4對稱振子的E面和H面方向圖圖3.5對稱振子的輸入阻抗和S11參數(shù)

由圖3.3和圖3.4可以看出，對稱振子產(chǎn)生對稱的“面包圈”形式的輻射方向圖，其H面輻射方向圖呈對稱圓形，

E面輻射方向圖呈“8”字形。

當(dāng)振子長度變大時，天線在E面的方向圖波瓣會逐步變窄，并最終產(chǎn)生裂瓣，如圖3.6所示。

上面的仿真過程未考慮饋電中的平衡問題，實際的加工過程中，由同軸線饋電的對稱振子需要加入巴倫以實現(xiàn)平衡饋電。圖3.7給出一個U型巴倫。圖3.62l=0.25λ，

0.5λ，

0.625λ，

0.75λ時的E面方向圖圖3.7對稱振子與U型巴倫的連接

為了進(jìn)一步增強(qiáng)輻射，單極子天線演化為折合偶極天線(也稱折合振子)，如圖3.8所示。它是由兩根平行的非?？拷陌氩ㄕ褡釉谀┒讼噙B構(gòu)成的，其中一根振子導(dǎo)體在中央斷開，并與傳輸線相連。由于兩根靠得很近的導(dǎo)體之間存在很強(qiáng)的互耦合，在近似為半波長的諧振長度上，兩根導(dǎo)體上的電流相同，又由于兩根導(dǎo)體的間距相對波長很小，所以兩根導(dǎo)體輻射場的相位差可以忽略。因此，折合偶極天線的輻射場是單根導(dǎo)體的兩倍，而輻射功率是單根導(dǎo)體的四倍。

由傳輸線提供的輸入電流與單根導(dǎo)體一樣，所以折合偶極天線歸于輸入電流的輻射電阻是一般半波偶極天線的四倍，即近似為73.1×4=292≈300Ω，因此它適合于與標(biāo)稱特性阻抗為300Ω的傳輸線連用。折合偶極天線具有等效調(diào)諧短截傳輸線的特性，在一定程度上能夠補(bǔ)償天線輸入阻抗隨頻率的變化，因此，折合偶極天線的有效工作頻帶比相等粗細(xì)的普

通半波偶極天線要寬。這種折合振子被廣泛用于八木天線的有源振子。圖3.8折合振子

由對稱振子演化而來的天線包括借助地面鏡像而減小一半尺寸的單極子天線和借助引向振子與反射振子形成的八木天線。下面介紹這兩種天線。

3.2單極子天線

單極子天線也是常見的一種結(jié)構(gòu)簡單的線天線，在各個領(lǐng)域尤其是短波、超短波等低頻段通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

垂直接地的單極子天線結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。假設(shè)地為理想導(dǎo)體，地的影響可以用其鏡像代替，此時僅在地面上半空間存在電磁場。單極子天線可以等效為直立對稱振子。由于鏡像效應(yīng)，其本身的物理尺寸比對稱振子縮小了1/2，但具有與對稱振子相似的輻射特性，因此采用單極子天線也是天線小型化的一種重要措施。圖3.9單極子天線結(jié)構(gòu)示意圖

垂直接地的單極子天線的激勵電壓是等效的對稱振子天線激勵電壓的一半時，它們存在于上半空間的輻射場與對稱振子天線的輻射場相等，所以單極子天線和等效的偶極天線的上半空間方向函數(shù)和方向圖、主瓣寬度、極化特性、頻帶特性等都相同，并且單極子天線的輸入阻抗是對應(yīng)的對稱振子天線的一半，這是因為激勵電壓減半而激勵電流不變。單極子天線的方向系數(shù)是雙極天線的兩倍，這是因為場強(qiáng)不變而輻射功率減半，只在半空間輻射。但由于在低頻段地面損耗增大，因此實際應(yīng)用環(huán)境下，單極子天線比對稱振子天線損耗電阻大，輻射效率低。

單極子天線的仿真模型中最重要的是如何考慮地面的影響。在HFSS軟件仿真中，仿真模型如圖3.10所示。該模型由豎直放置的金屬單極子和根部的饋電端口以及用于模擬無限大地面的底面構(gòu)成(在算法處理中將該地面等效為無限大理想導(dǎo)電平面)。

當(dāng)?shù)孛鏋闊o限大理想地面時，其產(chǎn)生的輻射方向圖如圖3.11所示。圖3.10單極子天線仿真設(shè)計示意圖3.11單極子天線方向圖

從計算結(jié)果可以看出，天線的方向系數(shù)和增益相對相同長度的對稱陣子天線提高了3dB。在諧振點(diǎn)，天線的輸入阻抗實部減小近一半。天線輸入阻抗如圖3.12所示。圖3.12天線輸入阻抗

實際的應(yīng)用中，單極子天線的底面可能由載體的某一部分來構(gòu)成。此時需要提供必要的連接結(jié)構(gòu)來使天線豎直安裝。圖3.13所示給出了一個車載單極子天線使用說明圖。可以

看出，天線包含底部的鼓形簧，中間的是用于拆卸的連接結(jié)構(gòu)。圖3.13車載單極子天線

3.3八木天線

對稱振子天線和單極子天線在垂直于天線的平面上時，其方向圖呈現(xiàn)對稱特性；當(dāng)實用中需要全向覆蓋時，該類天線具有良好的全向覆蓋能力。但實際中需要定向輻射時，就需要具有高方向系數(shù)的定向天線。在各類線天線當(dāng)中，如圖3.14所示的八木天線因具有良好的方向性而被廣泛應(yīng)用，如用于測向、遠(yuǎn)距離通信等。該類天線在20世紀(jì)20年代由日本東北大學(xué)的八木秀次和宇田太郞兩人發(fā)明，被稱為“八木宇田天線”，簡稱“八木天線”。

八木天線主要由有源振子、引向器和反射器構(gòu)成。有源振子是接饋電結(jié)構(gòu)的單元，有兩種常見形態(tài)：折合振子與直振子。直振子其實就是1/2波長對稱振子。折合振子如圖3.8所示，是對稱振子的變形。

這里以四單元天線接收為例來說明八木天線的工作原理。引向器略短于1/2波長，主振子約等于1/2波長，反射器略長于1/2波長，兩振子間距為1/4波長。此時，引向器對感應(yīng)信號呈“容性”，相位超前主輻射單元90°;主輻射單元輻射的電磁波經(jīng)1/4波長傳播后與引向器的輻射場同相疊加，于是信號得到加強(qiáng)。反射器對感應(yīng)信號呈“感性”，相位滯后主輻射單元90°;反射器產(chǎn)生的輻射與主振子產(chǎn)生的輻射相位相差180°，起到了抵消作用。一個方向加強(qiáng)，一個方向削弱，便有了強(qiáng)方向性。發(fā)射狀態(tài)作用過程亦然。該類天線的仿真過程只需要將天線結(jié)構(gòu)直接在仿真軟件中再現(xiàn)即可，這里不再贅述，其場結(jié)構(gòu)如圖3.15所示。圖3.14八木天線圖3.15八木天線場結(jié)構(gòu)圖

基于傳統(tǒng)的八木天線演化而來的平面印刷準(zhǔn)八木天線由于采用平面印刷結(jié)構(gòu)、微帶線饋電，因此易于集成，從而成為目前應(yīng)用越來越廣泛的一種強(qiáng)方向天線，該類天線已經(jīng)被

用于機(jī)載大型相控陣列。下面重點(diǎn)對其進(jìn)行說明。

如圖3.16所示天線的饋電端口采用集總端口，該集總端口與特性阻抗為50Ω的微帶傳輸線連接，該傳輸線與1/4波長的一段傳輸線連接，來實現(xiàn)阻抗變換。阻抗變換器與一個巴倫相連接，該巴倫的兩個分支長度相差半波長，從而實現(xiàn)一路信號和另一路信號的80°相位差。這兩路反相平衡信號經(jīng)過平行雙線饋送到輻射半波振子上。輻射半波振子輻射出的電磁波經(jīng)過引向器和反射器的作用形成定向輻射。該天線的反射器同時作為微帶電路的接地板來使用。圖3.16準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)示意圖

需要強(qiáng)調(diào)的是，天線單元在自由空間和陣列中的特性有很大的差異。為了在仿真計算中把這一特性差異考慮進(jìn)去，可以借助周期性邊界條件的設(shè)置來模擬天線位于陣列中的特

性。具體的周期性邊界條件的設(shè)置可參看軟件使用說明。由于本節(jié)所討論的八木天線正好常被用于大型陣列，所以將其設(shè)計為周期性邊界條件。圖3.17(a)給出設(shè)計工作于10GHz

的八木天線的回波損耗仿真結(jié)果，由圖可以看出該天線具有較寬的工作帶寬。

作為對比圖3.17(b)給出同一天線位于自由空間的回波損耗。由圖3.17(a)和(b)可以看出兩者差別明顯，這也說明在進(jìn)行陣列天線的單元設(shè)計中，必須考慮陣列環(huán)境的影響。圖3.18給出該天線的E面和H面方向圖。由圖可以看出該天線具有良好的交叉極化特性，方向性也有所提高。圖3.17天線回波損耗圖3.17天線回波損耗圖3.18天線E面和H面方向圖

3.4環(huán)形天線

從純粹的電磁等效的角度來看，載有電流的一段導(dǎo)電線可以產(chǎn)生電磁輻射，載有磁流的一段“導(dǎo)磁線”也可以產(chǎn)生輻射。但在自然界目前尚未發(fā)現(xiàn)磁單極子和磁流，因此磁流僅在等效的意義上有效。載有電流的環(huán)形天線產(chǎn)生的輻射場可以等效為一個磁偶極子，其產(chǎn)生的輻射場和電偶極子產(chǎn)生的場呈對偶關(guān)系。因此，環(huán)形金屬圈也可以構(gòu)成天線，形成環(huán)形天線。環(huán)形天線通常被用于電磁場強(qiáng)測量，如雷擊放電的磁場測量。在低頻通信領(lǐng)域，環(huán)形天線也有廣泛的應(yīng)用。

圖3.19為環(huán)形天線的結(jié)構(gòu)示意圖?？梢钥闯?，天線主要由饋電結(jié)構(gòu)、金屬環(huán)和可變調(diào)諧電容構(gòu)成。調(diào)諧電容通過加載可變電容來實現(xiàn)天線諧振頻率的變化，從而使天線的工作頻率可在一定范圍內(nèi)調(diào)整。需要指出的是，環(huán)形天線不一定做成圓環(huán)，有時為裝卸方便或者其他原因也可以做成不規(guī)則的閉合環(huán)形。但從周長和面積比來看，圓環(huán)是最佳的選擇。圖3.19環(huán)形天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖3.20所示是兩種用于短波頻段近垂入射天波通信的車載環(huán)形天線，前者呈現(xiàn)矩形環(huán)，后者為不規(guī)則雙環(huán)。后者是由Harris公司提供的2009FullLoop型天線，該天線的使

用說明如圖3.21所示，仿真模型如圖3.22所示。可以看出，該天線為雙環(huán)天線，仿真中加入了地面的影響，并在天線中加入了加載電容，同時天線底部的饋電結(jié)構(gòu)加入了環(huán)形彈簧。圖3.20車載環(huán)形天線圖3.212009Full-Loop天線使用說明示意圖圖3.222009Full-Loop天線仿真模型

若進(jìn)一步考慮天線受載體的影響，還可以進(jìn)一步加入載體模型，如圖3.23所示。

需要指出的是，由于環(huán)形天線在短波頻段時其電尺寸較小，因此可裝載的環(huán)形天線尺寸，例如半徑為1~2m的單純的環(huán)形天線無法諧振于預(yù)期的頻段內(nèi)，需要借助加載的電容

來將其調(diào)整到預(yù)期的頻段內(nèi)。這里的仿真，重點(diǎn)驗證加載電容的作用。圖3.24給出天線在加載和不加載時的輸入阻抗，可以看出通過加載，天線在6MHz形成了諧振。但該天線無法借助固定的電容形成寬帶，因此電容值需根據(jù)工作頻點(diǎn)進(jìn)行變化，其不同電容值對應(yīng)的諧振頻率如圖3.25所示。圖3.23環(huán)形天線、地面和車輛模型圖3.24天線輸入阻抗圖3.25不同電容值對應(yīng)的諧振頻率

3.5螺旋天線

螺旋天線是另一類非常重要的寬頻帶線天線。螺旋天線結(jié)構(gòu)如圖3.26所示，其由同軸饋線、接地板和螺旋線構(gòu)成。圖3.26螺旋天線結(jié)構(gòu)

螺旋天線的特性取決于螺旋直徑與波長的比值d/λ0

。d/λ0<0.18時，天線的最大輻射方向在與螺旋垂直的平面內(nèi)，這種輻射模式稱為法向模式，相應(yīng)的天線稱為法向模螺旋天線。當(dāng)0.25<d/λ0<0.45時，螺旋一圈的長度約為一個波長，天線的最大輻射方向沿螺旋的軸向，這種模式稱為軸向模式，相應(yīng)的天線稱為軸向模螺旋天線。當(dāng)d/λ0

進(jìn)一步加大時，方向圖變?yōu)殄F形，最大輻射方向形成一圓錐面，圓錐軸與螺旋軸重合。

實驗證明，當(dāng)螺旋天線一圈的周長約為一個波長時，螺旋導(dǎo)線上的電流主要是沿導(dǎo)線傳播的行波，因此作為行波天線的螺旋天線應(yīng)指粗螺旋天線。螺旋天線由同軸線饋電，同

軸線的內(nèi)導(dǎo)體與由金屬桿或金屬管繞制的螺旋線相連，外導(dǎo)體和一個金屬圓盤相連。金屬盤的作用是減小同軸線外導(dǎo)體外表面的電流，從而減小輸入阻抗在工作頻段內(nèi)的變化以及

抑制后向輻射。由于軸向模螺旋天線上的電流接近行波，天線末端的反射很小，故接地板的影響可以忽略，其尺寸要求也不嚴(yán)格，一般直徑大于半個波長即可。盤不一定用實心金

屬板，也可以用徑向或環(huán)向的導(dǎo)線網(wǎng)。

這里我們介紹HFSS軟件的一個輔助模塊，稱為nsoftHFSSDesignKit。其軟件設(shè)計界面如圖3.27所示。

該軟件提供了常用天線的自動建模功能。這里首先選擇螺旋天線Helix中的軸向模，并將增益設(shè)置為12dB，頻率設(shè)定為1GHz。點(diǎn)擊“CreatModel”按鈕，便生成圖3.28所示的螺旋天線模型。圖3.27AnsoftHFSSDesignKit軟件設(shè)計界面

圖3.28所示的軸向模螺旋天線的設(shè)計參數(shù)見圖3.27。圖3.29給出了該天線主極化和交叉極化的E面方向圖。由圖可以看出，天線主極化增益達(dá)到12.15dB，已達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；天線的交叉極化隔離度達(dá)到16dB。圖3.30給出的回波損耗顯示天線具有很寬的阻抗帶寬。因此，螺旋天線可作為寬帶高增益圓極化天線來使用。圖3.28軸向模螺旋天線圖3.29天線主極化和交叉極化的E面方向圖圖3.30天線回波損耗仿真結(jié)果

3.6角反射器天線及背射天線

1.角反射器另一個能用線性振子產(chǎn)生10~12dB增益的實用天線為角反射器天線。角反射器天線結(jié)構(gòu)原理圖如圖3.31所示。從圖中可以看出，角反射器天線由具有一定夾角的兩個平面反射板和受激勵的振子構(gòu)成。通常將前者稱為夾角反射器，后者稱為饋源或受激天線(受激單元)。圖3.31角反射器天線結(jié)構(gòu)原理圖

利用鏡像原理很容易看出角反射器天線的受激勵單元會在兩個反射面上形成鏡像，所以角反射器天線可以被等效為三個鏡像再加上受激天線所構(gòu)成的四個線性振子所形成的

“陣列”天線。從這個角度上來說，角反射器天線被歸入線天線。

角反射的激勵振子可以采用碟形振子或者直接采用線性對稱振子?？梢詤⒄請D3.32來觀察天線其他相關(guān)尺寸的選擇，主要包括夾角的選擇、振子到角反射器棱邊的距離S、角反射器的高度H和反射板寬度L。

常用的夾角有90°和60°，

90°夾角反射器在天線頂點(diǎn)間距S=λ/2時，其相對于參考的λ/2天線的增益接近于10dB。當(dāng)間距超過某個值后，波束將分裂成多瓣，當(dāng)S=1.

0λ時，方向圖波瓣分成兩瓣。間距再增大到1.2λ時，主瓣仍回到?=0方向，但出現(xiàn)了副瓣，此時它相對于λ/2天線的增益為12.9dB。當(dāng)導(dǎo)體板無限延伸，S=2.0λ時的方向性最大，但振子饋點(diǎn)的輸入阻抗較高(達(dá)122Ω左右)。將間距調(diào)小至0.32λ，在理論上會產(chǎn)生70Ω輸入阻抗，而增益的增加值則可略去不計。碟形天線經(jīng)常用作饋源，因為與普通直線振子相比，它具有出色的阻抗帶寬特性。

當(dāng)然，制作無限延伸的導(dǎo)電板是不可能和沒必要的。通過射線跟蹤法可看出，長度值L=2S是比較合理的最小長度，它可使有限尺寸的導(dǎo)電板不會削弱主瓣。高度H通常選擇為饋源長度的1~1.2倍，以減小振子饋源向背后區(qū)域的直接輻射。有限延伸的板會導(dǎo)致方向圖寬于無限板對應(yīng)的方向圖。

有限尺寸板對饋源激勵點(diǎn)阻抗的影響可以忽略。圖3.32天線結(jié)構(gòu)及其相關(guān)尺寸

這里設(shè)計一副夾直角反射器天線，受激天線選用簡單的0.46λ偶極子天線，反射器邊長取為2倍的天線頂點(diǎn)的間距，間距S=0.2λ。仿真結(jié)果如圖3.33和圖3.34所示。圖3.33夾角反射器天線駐波曲線圖3.34夾角反射器天線增益方向圖

圖3.35給出了一個實際的角反射器天線實物圖。圖3.35角反射器天線實物圖

2.背射天線

與角反射器天線相比，圖3.36所示的背射天線結(jié)構(gòu)變化較大。首先，反射器改用一個直徑較大的反射圓盤M;其次，圖3.32所示的角反射器天線中的有源對稱振子由引向天線代替，引向天線的輻射方向背離主反射面;最后，引向天線的最末一個引向器的后面被加上了一個略小的反射圓盤R。M、R之間的軸向距離L為半波長的整數(shù)倍，這樣就構(gòu)成了背射天線。

這種天線的基本特點(diǎn)是:由有源振子激勵的電磁波在M、R兩反射面的作用下，沿軸向的電磁場基本上是駐波分布的。類似于漏腔諧振器的作用，電磁能量將沿軸向從圓盤R周圍的環(huán)形空隙(系指由M、R面積差構(gòu)成的環(huán)帶)輻射出去，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)各振子長度及間距、反射面M和R的大小及位置，在最佳條件下可