第十一章

微波天線2微波天線的定義與分類微波天線的功能與性能微波天線周圍的場區(qū)分布和互易性微波天線的設(shè)計與制備3微波是指頻率范圍在300MHz-300GHz之間的電磁波，所對應(yīng)的波長為1米至1毫米之間，是分米波、厘米波、毫米波、亞毫米波的統(tǒng)稱。IEEE標(biāo)準(zhǔn)將天線定義為“輻射或接收無線電波的裝置”（Atransitionalstructurebetweenfree-spaceandaguidingdevice）。因此微波天線指的是工作在微波波段的發(fā)射或接收天線。微波天線Whatisthis-微波天線的定義4按工作性質(zhì)分類;按用途分類;按天線特性分類;按極化特性分;按頻帶特性分;按天線上電流分布分類;按使用波段分類;按載體分類;按天線外形分類;按天線結(jié)構(gòu)和分析方法分類。按天線輻射方式進(jìn)行，適當(dāng)考慮天線結(jié)構(gòu)、工作頻段和應(yīng)用等因素，可分為四組基本類型：線元天線、行波天線、陣列大線和孔徑大線。線元天線行波天線陣列天線孔徑天線單極子天線長線天線側(cè)射陣天線角錐喇叭天線偶極子天線菱形天線端射陣天線扇形喇叭天線環(huán)天線螺旋天線直線陣天線圓錐喇叭天線縫隙天線八木天線平面陣天線多模喇叭天線載體天線對數(shù)周期天線圓形陣天線混合模喇叭天線微帶天線慢波天線共形陣天線波紋喇叭天線加載天線快波天線信號處理陣天線拋物面喇叭天線有源天線漏波天線自適應(yīng)陣天線脊形喇叭天線雙錐天線表面波天線多波束陣天線單反射面天線鞭狀天線長介質(zhì)棒天線相控陣天線雙反射面天線

極低副瓣陣天線球形反射面天線

偏置反射面天線

環(huán)焦反射面天線

切割反射面天線

孔徑掃描天線

透鏡天線

角形反射面天線

背射天線

微帶反射陣微波天線Whatisthis-微波天線的分類5天線的作用就是把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成無界媒介中傳播的電磁波。它的功能有以下兩個方面：能量轉(zhuǎn)換、定向輻射或接收電磁波。1、能量轉(zhuǎn)換。對于發(fā)射天線，天線應(yīng)將電路中的高頻電流能量或傳輸線上的導(dǎo)行波能量盡可能多地轉(zhuǎn)換為空間的電磁波能量輻射出去；對于接收天線，天線應(yīng)將接收的電磁波能量最大限度地轉(zhuǎn)換為電路中的高頻電流能量輸送到接收機(jī)。2、定向輻射或接收電磁波。即天線具有對能量進(jìn)行空間分配的功能。對于發(fā)射天線，輻射的電磁波能量應(yīng)盡可能集中在指定的方向上，而在其它方向不輻射或輻射很弱；對于接收天線，只接收來自指定方向上的電磁波，在其它方向接收能力很弱或不接收。因此，一副好的天線應(yīng)該具有完成某種任務(wù)而要求的方向性。微波天線的功能與性能Whyneedit-微波天線的功能6發(fā)射端：發(fā)將射機(jī)的高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波（產(chǎn)生電磁波的振蕩源）。接收端：將空間傳播的電磁波傳來的電磁能量轉(zhuǎn)換為接收機(jī)的高頻電流。無線電通信系統(tǒng)中發(fā)射天線和接收天線的基本工作原理

微波天線的功能與性能Howaboutit-微波天線的工作原理7天線的指標(biāo)參數(shù)分為兩部分：1.電路參數(shù)，天線高效率輻射的保證，天線應(yīng)用的必要條件；2.輻射參數(shù)，天線應(yīng)用的本質(zhì)，天線應(yīng)用的充分條件。天線的電路參數(shù)包括輸入阻抗、反射系數(shù)、駐波比、回波損耗、阻抗帶寬等。天線的輻射參數(shù)包括方向圖、主瓣寬度、副瓣電平、零點、方向性系數(shù)、增益、極化方式、交叉極化比等。（1）輸入阻抗。天線輸入端的阻抗。在電路中，天線就是負(fù)載的阻抗（頻率的函數(shù)）。輸入阻抗與天線輸入端電壓Vin、電流Iin和輸入功率Pin之間的關(guān)系為

微波天線的功能與性能Howaboutit-微波天線的性能8天線的輸入阻抗一般為復(fù)數(shù)，包含電阻Rin和電抗Xin兩部分，Rin又包含輻射電阻Rr和損耗電阻Rl兩個分量，即如果不計熱損耗，則天線的輸入電阻就是其輻射電阻。（2）反射系數(shù)和駐波比。反射系數(shù)：一般指電壓反射系數(shù)，反射波電壓和入射波電壓之比。駐波比：電壓的最大振幅與最小振幅之比。

天線的理想電路模型V+表示入射波電壓，V-表示反射波電壓，V0為饋線的阻抗,

ZL為等效的天線的阻抗。一般系統(tǒng)的饋線阻抗為50歐姆。微波天線的功能與性能Howaboutit-微波天線的性能9其中I(z)和V(z)的關(guān)系如下所示

由以及得（3）阻抗帶寬。天線的阻抗帶寬，其定義為：偏離中心頻率時，天線的某些電特性將下降，在天線某個性能參數(shù)下降到容許值的頻率范圍。也稱為天線的工作頻帶，或絕對帶寬。工程上一般以天線的輸入端口VSWR≤2(S11≤-10dB)為基準(zhǔn)定義工作帶寬，也有部分系統(tǒng)以VSWR≤3(S11≤-6dB)為基準(zhǔn)定義工作帶寬。即（絕對）帶寬BW為：fL為工作頻帶內(nèi)最大頻率，fH為工作頻帶內(nèi)最大頻率。相對帶寬RBW是工作頻帶內(nèi)絕對帶寬與中心頻率fo的比值：窄帶（NarrowBand）的相對帶寬小于1%,寬帶（BroadBand）的相對帶寬在1%~25%，超寬帶（Ultra-WideBand，UWB）的相對帶寬大于25%。二倍頻BW2定義為系統(tǒng)絕對帶寬與高低端頻率之和的比值，即絕對帶寬與二倍中頻之比。BW2取值范圍為0≤BW2≤1，這個定義常用在超帶寬領(lǐng)域。三倍頻BW3定義為最高和最低頻率之比，其定義式為：

這個定義的帶寬范圍為1~∞，這個定義也常用在超寬帶領(lǐng)域。1011（4）方向圖。

天線方向圖是指天線輻射特性與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)圖形，分析天線的方向圖就可分析天線的輻射特性。

輻射特性包括輻射場強(qiáng)、輻射功率、相位和極化，因此天線的方向圖又分為場強(qiáng)方向圖、功率方向圖、相位方向圖和極化方向圖。在天線分析中常采用如下歸一化方向性函數(shù)表示：

式中

為天線最大輻射方向，

為方向性函數(shù)，描述天線輻射場的相對值與空間方向的函數(shù)關(guān)系，

為方向性函數(shù)的最大值。微波天線的功能與性能Howaboutit-微波天線的性能12

天線的輻射特性可采用二維和三維方向圖來描述。三維方向圖又可分為球坐標(biāo)三維方向圖和直角坐標(biāo)三維方向圖，這兩種三維方向圖又可采用場強(qiáng)的幅度和分貝表示；二維方向圖又分為極坐標(biāo)方向圖和直角坐標(biāo)方向圖，這兩種二維方向圖也可采用場強(qiáng)的幅度和分貝表示。天線在球坐標(biāo)下的三維方向圖極坐標(biāo)下二維場強(qiáng)幅度幅度方向圖直角坐標(biāo)下二維場強(qiáng)幅度方向圖13

天線方向圖一般是一個三維空間的曲面圖形，但工程上一般采用兩個相互正交的主平面上的方向圖來表示天線的方向性，這兩個主平面稱為E面和H面。E面是通過天線最大輻射方向并平行于電場矢量的平面；H面是通過天線最大輻射方向并垂直于E面的平面。角錐喇叭天線的E面和H面極坐標(biāo)下二維場強(qiáng)分貝方向圖直角坐標(biāo)下二維場強(qiáng)分貝方向圖14（5）主瓣寬度。指方向圖主瓣上兩個半功率點（即場強(qiáng)下降到最大值的0.707倍處或分貝值從最大值下降3dB處對應(yīng)的兩點）之間的夾角，記為

。主瓣寬度有時又稱為半功率波束寬度或3dB波束寬度。一般情況下，天線的E面和H面方向圖的主瓣寬度不等，可分別記為

和

。（6）副瓣電平。副瓣也稱旁瓣，指副瓣最大值模值與主瓣最大值模值之比，通常用分貝表示。即

式中，

為第i個副瓣的場強(qiáng)最大值，

為主瓣最大值。這樣，對于各個副瓣均可求得其副瓣電平值。在工程應(yīng)用中，副瓣電平是指所有副瓣中最大的那個副瓣電平，記為SLL。一般情況下，緊靠主瓣的第一副瓣的電平值最高。（7）零點。零點：又稱零深，指主瓣與副瓣、副瓣與副瓣之間的凹點。主瓣與第一副瓣之間的凹點稱為第一零深。微波天線的功能與性能Howaboutit-微波天線的性能15（8）方向性系數(shù)。方向性系數(shù)是基于天線的輻射功率來考慮的，沒有考慮天線材料損耗和因阻抗失配引起的反射功率

等因素。方向性系數(shù)描述天線輻射集中的程度，一般有兩種定義方法。定義方法一：在相同輻射功率Pr情況下，某天線在給定方向的輻射強(qiáng)度U(θ,φ)與理想點源天線在同一方向的輻射強(qiáng)度D0(θ,φ)之比。即輻射強(qiáng)度與電場強(qiáng)度的平方成正比，因此上式也可以寫為定義方法二：在給定方向產(chǎn)生相同電場強(qiáng)度下，理想點源天線的輸入功率Pin0與某天線輸入功率Pin之比。即一般情況下，均指最大輻射方向的方向性系數(shù)，因此上式也可寫為相同輻射功率條件相同電場強(qiáng)度條件16（9）效率與增益。天線增益是基于天線的輸入功率來考慮的，更能反映實際輻射的性能。天線的增益與天線的方向性系數(shù)密切相關(guān)，同樣也有兩種定義方法。定義方法一：在相同輸入功率Pin條件下，某天線在給定方向上的輻射強(qiáng)度U(θ0,φ0)與理想點源天線在同一方向的輻射強(qiáng)度U0(θ0,φ0)的比值。即

定義方法二：在某方向產(chǎn)生相同電場強(qiáng)度的條件下，理想點源的輸入功率Pin0與某天線輸入功率Pin的比值。即

天線的效率是用來計及損耗的，天線的損耗包括其結(jié)構(gòu)內(nèi)的歐姆損耗和天線與傳輸線失配產(chǎn)生反射而引起的損耗。而天線結(jié)構(gòu)內(nèi)的損耗又包括導(dǎo)體和介質(zhì)的損耗。天線的總效率ηa定義為：天線輻射到外部空間的實功率與天線饋電端輸入的實功率之比。即

17（10）極化。

天線的極化定義為：在最大增益方向上，作發(fā)射時其輻射電磁波的極化，或作接收時能使天線終端得到最大可用功率的方向入射電磁波的極化。最大增益方向就是天線方向圖最大值方向，或最大指向方向。

（a）線極化（b）圓極化（c）橢圓極化空間某點處平面電磁波電場矢量取向隨時間變化及極化軌跡在無線電通訊中，只有在收、發(fā)天線的極化匹配時，才能獲得最大的功率傳輸，否則會出現(xiàn)極化損失。 18下表給出了就線極化天線和圓極化天線在最大指向方向?qū)?zhǔn)時，討論收、發(fā)天線極化不一致產(chǎn)生的極化損失系數(shù)的幾種典型情況。極化損失系數(shù)是指接收天線的極化與來波極化不完全匹配時，接收功率損失的多少，用K來表示，它可定義為：接收到的功率Pre與入射到接收天線上的功率Pi之比。即:發(fā)射天線接收天線極化損失系數(shù)K垂直極化/水平極化垂直極化/水平極化1水平極化/垂直極化水平極化/垂直極化0垂直極化或水平極化圓極化1/2左/右旋圓極化左/右旋圓極化1右/左旋圓極化右/左旋圓極化019（11）有效面積。發(fā)射天線的有效面積定義為在保持該天線輻射場強(qiáng)不變的條件下,設(shè)天線孔徑場為均勻分布時的孔徑等效面積。接收天線的有效面積則定義為接收天線所截獲的電磁波總功率與電磁波通甘密度之比值。天線的有效面積Ae與大線增益及工作波長的關(guān)系如下：

孔徑天線的有效面積Ae一般小于天線的幾何孔徑面積A,它們的比值稱為孔徑利用系數(shù)或孔徑效率，即

（12）其他指標(biāo)。天線某個性能參數(shù)符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍，包括增益帶寬、軸比帶寬等。微波天線的功能與性能Howaboutit-微波天線的性能20一副發(fā)射天線可以視為輻射電磁波的波源，其周圍的場強(qiáng)分布一般都是離開天線距離的角坐標(biāo)的函數(shù)。通常，根據(jù)離開天線距離的不同，將天線周圍的場區(qū)劃分為感應(yīng)場區(qū)，輻射近場區(qū)和輻射遠(yuǎn)場區(qū)。感應(yīng)場區(qū)又稱為電抗近場區(qū)，是指非?？拷炀€的區(qū)域。在這個場區(qū)里，占優(yōu)勢的是感應(yīng)場，其電場和磁場的時間相位相差90度，坡印亭矢量為純虛數(shù)，因此不輻射功率，電場能量和磁場能量相互交替地貯存于天線附近的空間內(nèi)。從物理概念上講，感應(yīng)近場區(qū)是一個儲能場，其中的電場與磁場的轉(zhuǎn)換類似于變壓器中的電場、磁場之間的轉(zhuǎn)換，是一種感應(yīng)場。Howaboutit-微波天線周圍的場區(qū)分布21在輻射近場區(qū)中，輻射場占優(yōu)勢，其特點是：電場相對角分布(即方向圖)與離開天線的距離有關(guān)，即在不同距離處的天線方向圖是不同的。這是因為：(1)由天線各輻射元所建立的場相對相位關(guān)系是隨距離而變的。(2)這些場的相對振幅也隨距離而改變。在輻射近場區(qū)的內(nèi)邊界處(即感應(yīng)場區(qū)的外邊界處)，天線方向圖是一個主瓣和副瓣難以區(qū)分的起伏包絡(luò)。隨著離開天線距離的增加，直到靠近遠(yuǎn)場輻射區(qū)時，天線方向圖的主瓣和分瓣才明顯形成，但零點電平和副瓣電平均較高。輻射近場區(qū)的外邊界按通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：式中，r為觀察點到天線的距離，D是天線孔徑的尺寸。Howaboutit-微波天線周圍的場區(qū)分布22輻射遠(yuǎn)場區(qū)（又稱為夫朗荷費區(qū)）。這個區(qū)域里的特點是：(1)場的大小與離開天線的距離成反比。(2)場的相對角分布與離開天線的距離無關(guān)。(3)方向圖主瓣、副瓣和零點已全部形成。輻射遠(yuǎn)場區(qū)是進(jìn)行天線測試的重要場區(qū)，天線輻射特性所包括的各特性參數(shù)的測量-般均需在輻射遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi)進(jìn)行。輻射近場區(qū)方向圖的變化Howaboutit-微波天線周圍的場區(qū)分布23天線通常都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。Whatisthis-微波天線的互易性24

偶極天線是由一對對稱放置的直導(dǎo)線或者金屬管（也稱臂長）構(gòu)成，導(dǎo)體相互靠近的兩端分別與饋電線相連。一般說偶極大線是指天線兩臂的幾何尺寸或結(jié)構(gòu)形式完全對稱，即中心饋電的對稱振子，亦稱“振子天線”。若兩臂的結(jié)構(gòu)或尺寸不完全相對應(yīng),則稱為不對稱偶極天線。若偶極天線的一臂長度為零并將饋點直接接地，另一臂垂直于地離架設(shè)則構(gòu)成單極天線。

在中點饋電，兩臂對稱的直線、曲線和貼片天線等均可叫做對稱振子天線。如高斯曲線對稱振子，單面敷銅的貼片對稱振子等。偶極天線Howaboutit-偶極天線25要計算天線的輻射場需要知道天線的電流分布，這是一個較為復(fù)雜的問題。理論和實踐都已證明，對干細(xì)導(dǎo)線構(gòu)成的對稱天線，可將其看成是末端張開的平行雙線傳輸線形成的，并用末端開路傳輸線上的電流分布來近似對稱天線上的電流分布，即其E面方向性函數(shù)為工程中常采用半波振子和全波振子兩種對稱振子天線。半波振子的全長為：2l=λ/2，其方向性函數(shù)為全波振子的全長為：2l=λ，其方向性函數(shù)為其H面方向性函數(shù)為Howaboutit-偶極天線26微帶天線一般由介質(zhì)基板、輻射體及接地板等構(gòu)成。微帶天線有許多種形式，其中主要包括微帶貼片天線、微帶振子天線、微帶線型天線和微帶縫隙天線等。其中微帶貼片天線是最常見的微帶天線，由介質(zhì)基板、接地板、導(dǎo)體貼片或微帶線組成，也稱為貼片天線。導(dǎo)體貼片可以是矩形、圓形、圓環(huán)形、窄條形等各種規(guī)則形狀。微帶貼片天線利用微帶線或同軸線等饋電。

優(yōu)點：尺寸小、剖面低、重量輕；具有平面結(jié)構(gòu)，可與各種載體共形；制造工藝簡單，成本低；饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線印制在一起，適合于用印刷電路技術(shù)批量生產(chǎn)；能與有源器件或電路集成為單一模塊；能得到單方向的寬方向圖，最大輻射基本上在平面的法線方向；易于實現(xiàn)線極化或圓極化和雙頻工作。主要缺點：功率容量小、損耗(介質(zhì)損耗和表面波損耗等)大，因此頻帶窄，效率低。常見微帶天線Howaboutit-微帶天線27微帶天線的分析有許多方法，大致可分為三類：傳輸線模型理論，主要用于矩形貼片；腔模理論，可用于各種規(guī)則貼片，但基本上限于天線厚度遠(yuǎn)小于波長的情況；全波理論，從原理上講積分方程法可用于各種結(jié)構(gòu)、任意厚度的貼片天線，然而要受到計算模型的精度和機(jī)時的限制。以微帶貼片天線的傳輸線模型為例，其結(jié)構(gòu)如圖所示。（a）微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)圖（b）輻射場的側(cè)射圖（c）輻射場的俯視圖Howaboutit-微帶天線28設(shè)貼片與接地板間的介質(zhì)基片中的電場沿貼片寬度a方向和厚度h方向無變化。僅沿長度b方向有變化，其結(jié)構(gòu)見圖(a)。則輻射場可認(rèn)為是由貼片沿長度方向的兩個開路端上的邊緣場產(chǎn)生的，如圖(b)(c)所示。將邊緣場分解為水平和垂直分量，由于貼片長度，所以兩開路端的垂直電場分量反相，該分量在空間產(chǎn)生的場互相抵消（或很弱）。而水平分量的電場是同相的，遠(yuǎn)區(qū)輻射場主要由該分量場產(chǎn)生，最大輻射方向在垂直于貼片的方向。其H面方向圖可表示為：E面方向圖可表示為：式中(θ,φ)為場點球坐標(biāo)，θ是從z軸算起的極軸角，φ是從x軸算起的方位角。Howaboutit-微帶貼片天線29（a）微帶傳輸線饋電（b）同軸傳輸線饋電貼片天線有許多種饋電裝置形式，但主要分為三類，一是微帶傳輸線饋電，二是同軸線探針饋電，三是耦合饋電，如圖所示。（c）耦合孔饋電（d）耦合饋電Howaboutit-微帶貼片天線30縫隙天線由在同軸線、圓柱金屬桶、金屬板、波導(dǎo)或空腔諧振器上開一條或幾條縫隙（槽），電磁波就會通過縫隙向外輻射構(gòu)成的天線，也叫開槽天線。當(dāng)所開的縫隙能有效地切斷波導(dǎo)壁的表面電流線時,表面電流的中斷將部分由縫隙處新形成的位移電流來承接,此位移電流即相當(dāng)于縫隙表面的(切向)激勵電場,從而產(chǎn)生輻射。可產(chǎn)生輻射的幾種波導(dǎo)縫隙有：寬邊中間橫縫；寬邊邊緣縱縫；寬邊斜縫；窄邊縱縫；窄邊斜縫。波導(dǎo)開縫后的電流分布及所開的縫隙Howaboutit-縫隙天線31波導(dǎo)口天線是一種將射頻能量從空氣介質(zhì)引導(dǎo)到波導(dǎo)中的天線。喇叭天線是由波導(dǎo)管終端漸變張開的圓形或矩形截面的波導(dǎo)天線，是定向天線，本質(zhì)上可以是矩形（標(biāo)準(zhǔn)或角錐形喇叭）天線或圓形（圓錐形）天線。它的輻射場是由喇叭的口面尺寸與傳播型所決定的。常見的喇叭天線可以分為四類：①圓波導(dǎo)饋電的喇叭一般是圓錐喇叭；②

矩形波導(dǎo)饋電的喇叭根據(jù)擴(kuò)展的形式不同分為三種喇叭，即E面扇形喇叭(由擴(kuò)展其窄邊形成)；

H面扇形喇叭(擴(kuò)展其寬邊形成)；和角錐喇叭(其寬邊、窄邊均擴(kuò)展而形成)；③TEM喇叭；④脊波導(dǎo)喇叭等。喇叭天線的輻射場可利用惠更斯原理由口面場來計算。口面場則由喇叭的口面尺寸與傳播波型所決定。有一個其增益為最大值的口面尺寸，具有這樣尺寸的喇叭就稱為最佳喇叭。E面喇叭H面喇叭角錐喇叭圓錐喇叭Howaboutit-波導(dǎo)口和喇叭天線32反射面天線（又稱“面天線”）是帶有一個或多個金屬反射面結(jié)構(gòu)以形成高增益波束的一種強(qiáng)定向天線。反射面天線通常由饋源和反射面組成。饋源可以是振子、喇叭、縫隙等弱方向性天線，反射面可以是旋轉(zhuǎn)拋物面、切割拋物面、柱形拋物面、球面、平面等。反射面可一個，也可兩個或者多個。為口徑焦距比，稱為口徑張角。