準(zhǔn)光天線與天線雜談

1、2021-7-16 東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 毫米波準(zhǔn)光理論與技術(shù) 準(zhǔn)光天線之天線雜談 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2 什么是天線什么是天線 把導(dǎo)線上的電信號(hào)變成無線電波發(fā)射到空間把導(dǎo)線上的電信號(hào)變成無線電波發(fā)射到空間 收集無線電波并產(chǎn)生電信號(hào)收集無線電波并產(chǎn)生電信號(hào) 射頻工程師眼中的天線射頻工程師眼中的天線 B B l la a h h b la h b l a hb la h 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3 天線輻射電磁波的基本原理 導(dǎo)線載有交變電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)導(dǎo)線載有交變電流

2、時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo) 線的長(zhǎng)短和形狀有關(guān)線的長(zhǎng)短和形狀有關(guān). 當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流就大大增加，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流就大大增加， 因而就能形成較強(qiáng)的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱因而就能形成較強(qiáng)的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱 為振子。為振子。 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4 在一個(gè)正弦時(shí)間周期內(nèi)： 第一個(gè)T/4時(shí)間周期內(nèi)，正電荷達(dá)到最大 值，電力線如最上面的圖 第二個(gè)T/4時(shí)間周期內(nèi)，原始的3條電力線 向前運(yùn)動(dòng)，負(fù)電荷產(chǎn)生新的電力線（虛線） 負(fù)電荷遇到正電荷，中和，電力線

3、閉合。 剩下的半個(gè)周期是相同，但電力線方向相 反的過程。 天線輻射電磁波的基本原理 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 5 天線輻射電磁波的基本原理 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6 天線的指標(biāo) 輸入阻抗、頻帶寬度 增益、極化、方向圖、波瓣寬度 電性能 機(jī)械性能 口面大小 天線高度 平面型（低剖面）、立體型等等 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 7 各向同性天線與全向天線 各向同性天線 全向天線 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 8 天線與饋線的匹配 饋線特性阻抗與天線輸入阻抗匹配，好天線？ 天天 線線 毫米波國

4、家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 9 天線是換能器 天線是變換器 天線是輻射器 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 10 換能器（電磁能量） 電磁能量存于何處？ 觀點(diǎn)1：存在于帶電體、磁鐵（石）及導(dǎo)體線路中 觀點(diǎn)2：存在于電體、磁體及其周圍 加（減）速的電荷才能產(chǎn)生電磁波，（亦可稱變化的電流產(chǎn)生電磁波） 輻射的電磁波帶走能量，能量守恒，電荷不是“永動(dòng)機(jī)”，能量來源？ 天線的作用是將饋源輸送的能量轉(zhuǎn)換為不受束縛的電磁波能量 饋源輸入能量 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 11 天線周圍的儲(chǔ)能 從時(shí)域的角度觀察： 信號(hào)上升沿，傳輸線上的導(dǎo)行波傳到天線上，一部分

5、直接輻 射出去，部分反射回去，另一部分則存儲(chǔ)在天線周圍的電抗 性場(chǎng)中。 信號(hào)下降沿，沒有能量傳到天線，存儲(chǔ)在天線周圍的電抗性 場(chǎng)耦合到天線，成為反射波，一部分輻射出去成為自由電磁 波。 天線電抗的存在，導(dǎo)致天線周圍束縛了能量 Q值、諧振頻率，諧振時(shí)的輸入阻抗 寬帶天線的要求減少電抗分量 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 12 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 13 阻抗變換器 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 14 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 15 天線阻抗控制 電阻加載可以獲得很好的阻抗匹配，但輻射性能受到

6、極大影響 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 16 寬帶結(jié)構(gòu)的阻抗變換 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 17 超寬帶天線的色散 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 18 色散效應(yīng)小的超寬帶天線 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 19 窄帶天線的阻抗匹配 窄帶天線的阻抗具有電抗分量 諧振時(shí)才能達(dá)到完全匹配 諧振時(shí)且電阻分量等于饋線特性 阻抗，則匹配，難度？ 天線諧振的說法針對(duì)哪類天線？ 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 20 輻射器 （1） 射頻電流在哪些地方集中 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫

7、米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 21 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 22 輻射器 （2） 天線的輻射方向估計(jì) 天線的輻射方向與電流的變化方向正交 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 23 輻射器 （3） 天線上的電流滿足正弦分布（天線電尺寸不大） 面積較大的物體，需要計(jì)及電流的路徑差 （饋電點(diǎn)到源點(diǎn)）來估計(jì)其輻射特性 偶極子天線，波導(dǎo)縫隙天線 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 24 天線增益與波瓣寬度天線增益與波瓣寬度 反射面天線的波瓣與增益？ 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 25 三種觀點(diǎn)的啟發(fā) 換能器：近場(chǎng)與源耦合，從

8、等效電路的觀點(diǎn)看，意味著存在電 抗元件；對(duì)帶寬的影響，消除近場(chǎng)與源的耦合 寬帶、超寬帶 天線 雙導(dǎo)體型：細(xì)線偶極子天線，漸變縫隙天線 單導(dǎo)體型：波導(dǎo)縫隙天線，喇叭天線 變換器：天線結(jié)構(gòu)上的光滑連續(xù)漸變，有利于獲得寬帶、超寬 帶特性。 輻射器：分析天線上的電流分布、電場(chǎng)屬性，有助于判斷天線 的輻射方向、極化及確定工程上安裝方式。 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 26 微帶貼片天線分析 極化方向 帶寬分析 方向圖 輸入阻抗 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 27 貼片天線結(jié)構(gòu) 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 28 貼片的電場(chǎng)分布 天天

9、 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 29 貼片表面電流 兩側(cè)邊緣電流 產(chǎn)生輻射嗎？ 偶極子天線 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 30 貼片天線的輸入阻抗 貼片尺寸 饋電點(diǎn) W=46mm, dfeed=9 W=46mm, dfeed=15 W=40mm, dfeed=9 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 31 影響帶寬的基本因素 基板厚度 降低基板介電常數(shù) 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 32 增加貼片拓展帶寬 1.92.02.12.22.32.42.5 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 |S11| / dB Frequency / GHz 并聯(lián)多個(gè) 諧振電路 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 33 增加貼片拓展帶寬 （2） 天天 線線 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室毫米波國家重