第12章 射頻微波天線-魏峰

主講人：魏峰射頻/微波電路導(dǎo)論

第12章射頻/微波天線

12.1天線基礎(chǔ)知識

12.2常見的天線結(jié)構(gòu)

12.3單極天線和對稱陣子天線

12.4喇叭天線

12.5拋物面天線

12.6微帶天線為什么需要天線？天線基本特性whatisantenna?傳輸線中的電磁能轉(zhuǎn)化成自由空間的電磁波

有效的接收或發(fā)射電磁波能量轉(zhuǎn)換；有效定向輻射（或接收）;12.1天線基礎(chǔ)知識12.1.1天線基本指標(biāo) 天線的基本指標(biāo)介紹如下： (1)天線增益G定義為 （12-1a）

式中，Pr為被測天線距離R處所接收到的功率密度，單位為W/m2;Pi為全向性天線距離R處所接收到的功率密度，單位為W/m2。天線是無源的，本身并沒有增加所輻射信號的能量，它只是起著在空間重新分配能量的作用，即把能量集中在所要的方向，在不需要的方向抑制－－天線的方向性。2.15dB 增益為G的天線距離R處的功率密度應(yīng)為接收功率密度，即 (2)天線輸入阻抗Zin定義為

式中，U為在饋入點上的射頻電壓；I為在饋入點上的射頻電流。（12–1b）（12–2a） 天線是個單口網(wǎng)絡(luò)，輸入駐波比或反射系數(shù)是一個基本指標(biāo)，為了使天線輻射盡可能多的功率，必須使天線與空氣匹配，輸入駐波比盡可能小。阻抗、駐波比與反射系數(shù)的關(guān)系為（12–2b） (3)輻射效率ηr定義為

式中，Pr為天線輻射出的功率，單位為W；Pi為饋入天線的功率，單位為W。

（12-3）(4)輻射方向圖：用一極坐標(biāo)圖來表示天線的輻射場強度與輻射功率的分布，如圖12-1所示。(5)半功率角的定義如圖12-2所示。

圖12-2半功率波束寬度(a)按電場定義；(b)按功率定義60°

(eg)峰值

-3dB點

-3dB點3dB波束寬度水平面方向圖峰值-3dB點-3dB點15°(eg)垂直面方向圖立體方向圖 (6)旁瓣:在主輻射波瓣旁，還有許多副瓣，沿角度方向展開如圖12-3所示。其中，HPBW為半功率波束寬度，輻射最大功率下降3dB時的角度;FNBW為第一零點波束寬度;SLL為旁瓣高度，輻射最大功率與最大旁瓣的差。

圖12-3主瓣與旁瓣 (7)方向系數(shù)D定義為

式中，Pmax為最大功率密度，單位為W/m2;Pav為平均輻射功率密度，單位為W/m2。 常見的天線方向系數(shù)如下：偶極天線D=1.5或1.76dB單極天線D=1.5或1.76dB拋物面天線喇叭天線 式中，d為拋物面半徑，λ為信號波長，A為喇叭口面面積。（12-4）增益的單位通常寫為dBi或dBddBi當(dāng)用理想的點源天線來比，從而得到增益數(shù)值時則用此單位.dBd當(dāng)增益是和一個半波對稱陣子比較時用此單位.增益的單位天線的極化天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向垂直極化水平極化+45度傾斜的極化-45度傾斜的極化 12.1.2遠(yuǎn)區(qū)場概念 通常，天線看作是輻射點源，近區(qū)是球面波，遠(yuǎn)區(qū)為平面波，如圖12-4所示。輻射方向圖是在遠(yuǎn)區(qū)測量。下面給出遠(yuǎn)、

近場的分界點。

圖12-4遠(yuǎn)區(qū)場概念12.2常見的天線結(jié)構(gòu) 在射頻/微波應(yīng)用上，天線的類型與結(jié)構(gòu)有許多種類。就波長特性分，有八分之一波長、四分之一波長、半波天線；就結(jié)構(gòu)分，有單極子型、對稱振子型、喇叭型、拋物面型、角型、螺旋型、介質(zhì)平板型及陣列型天線等，如圖12-6所示；就使用頻寬分，有窄頻帶型（10%以下）和寬頻帶型（10%以上）。表12-1歸納了天線類型。圖12-7給出了三種天線的增益比較。

圖12-6常見天線拉桿天線引向天線喇叭天線微帶天線衛(wèi)星接收天線寬帶全向天線3m微波接力通信天線吸頂天線

gsm專用于小區(qū)域室內(nèi)天線分...板狀天線

六十年代，美國在波多黎各阿雷西博鎮(zhèn)建造了直徑達(dá)305米的拋物面射電望遠(yuǎn)鏡，它是順著山坡固定在地表面上的，不能轉(zhuǎn)動，這是世界上最大的單孔徑射電望遠(yuǎn)鏡它的無線電球面反射鏡直徑可達(dá)305米，是用將近4萬個鉆孔的鋁質(zhì)篩板制成的。它能將入射的無線電波聚焦于安裝在反射鏡面上空的可移動天線上。這根天線可以向任何方向移動，這樣可以跟蹤某個天體。射電望遠(yuǎn)鏡十分靈敏，它能夠探測到距離達(dá)1300萬光年處的天體。中國探月工程昆明地面站40米天線建成驗收

中新網(wǎng)7月18日電據(jù)中國科學(xué)院消息，7月16日，由中國科學(xué)院云南天文臺承擔(dān)建設(shè)的國家重大航天工程“嫦娥工程”地面應(yīng)用系統(tǒng)昆明地面站40米天線建成驗收。

據(jù)了解，昆明地面站作為國家探月工程的組成部分，主要任務(wù)是完成探月衛(wèi)星下傳的月球觀測數(shù)據(jù)的接收和記錄存儲；與北京密云地面站、烏魯木齊南山站、上海佘山站共同組成VLBI網(wǎng)，對繞月探測衛(wèi)星進(jìn)行精密定位。中國遠(yuǎn)程相控陣?yán)走_(dá)艦載對空搜索雷達(dá)天線相控陣?yán)走_(dá)天線螺旋天線俄羅斯新型有源相控陣?yán)走_(dá)天線俄軍巨型雷達(dá)天線陣列圖12-7三種常用天線增益比較表12-1天線分類12.3單極天線和對稱陣子天線 單極天線和對稱陣子是全向天線，廣泛應(yīng)用于廣播、移動通信和專用無線系統(tǒng)中。對稱陣子是基本天線，單極天線是對稱陣子的簡化形式，長度是對稱陣子的一半，與地面的鏡像可以等效為對稱陣子，如圖12-8所示。對稱陣子長度小于一個波長，輻射方向圖是個油餅形或南瓜形。在θ=90°時電場輻射最強，θ＝0°時沒有輻射。磁場輻射是個圓環(huán)，沿方向相同。單極天線是個全向天線，可以接收任何方向的磁場信號，增益為1。圖12-8單極天線和對稱陣子及其方向圖 一般地，對稱陣子天線的長度等于半波長，單極天線的長度等于四分之一波長，阻抗為73Ω，增益為1.64（2.15dB）。如果天線長度遠(yuǎn)小于波長，稱為短陣子，輸入阻抗非常小，難于實現(xiàn)匹配，輻射效率低，短陣子的增益近似為1.5(1.7dB)。實際中把單極陣子稱作鞭狀天線，長度為四分之一波長，與同軸線內(nèi)導(dǎo)體相連，接地板與外導(dǎo)體相接，接地板通常是車頂或機箱，如圖12-9所示，輻射方向圖是對稱陣子方向圖的一半(上半部分)，阻抗也是對稱陣子的一半（37Ω）。

圖12-9單極天線的饋電 對稱陣子和單極天線有許多變形，折合陣子是兩個對稱陣子的對接，如圖12-10所示，折合后的長度為半波長，阻抗為4×73≈300Ω。折合陣子可以看成對稱模和非對稱模的疊加。圖12-10折合陣子天線 單極天線的另一種變形是倒L型和倒F型天線，如圖12-11所示。四分之一波長的變形天線尺寸降低，便于安裝。圖12-11(c)是一種寬帶變形，用金屬板代替了導(dǎo)線。 單極天線的另一種變形是倒L型和倒F型天線，如圖12-11所示。四分之一波長的變形天線尺寸降低，便于安裝。圖12-11(c)是一種寬帶變形，用金屬板代替了導(dǎo)線。圖12-11倒L型和倒F型天線12.4喇叭天線 喇叭天線是波導(dǎo)與空氣的過渡段，有圓喇叭和方喇叭兩種，分別與圓波導(dǎo)和方波導(dǎo)相連接。 喇叭天線可以單獨用于微波系統(tǒng)，也可作為面天線的饋源。喇叭天線增益可以嚴(yán)格計算，通常使用喇叭天線做測量標(biāo)準(zhǔn)。 對于圖12-12所示矩形波導(dǎo)喇叭，獲得最佳增益的天線尺寸和增益為

（12-8）

（12-9）

圖12-12矩形喇叭及其方向圖

對于圖12-13所示圓錐喇叭，獲得最佳增益的天線尺寸和增益為

如a×b=22.86mm×10.16mm，A×B=22.86cm×10.16cm的10GHz矩形喇叭，增益為22dB。

（12-10）

（12-11）

圖12-13圓錐喇叭12.5拋物面天線 拋物面天線是一種高增益天線，是衛(wèi)星或無線接力通信等點對點系統(tǒng)中使用最多的反射面天線。如圖12-14所示，金屬拋物面反射器將焦點上的饋源發(fā)射的球面波變成平面波發(fā)射出去。如果照度效率為100％，則有效面積等于實際面積，即（12-12）圖12-14拋物面天線

實際中，由于溢出、阻塞和損耗，照度效率只有55％～75％，取最壞情況55％： 半功率波束寬度為增益為（12-13）

（12-14）

（12-15）

若有拋物面口徑為1m，工作頻率為10GHz，照度效率為55％的拋物面天線，可以計算出增益為37dB，HPBW為2.3°，在55m處形成遠(yuǎn)場（平面波）。 拋物面的增益很高，波束很窄。拋物面的對焦非常重要。喇叭饋源與同軸電纜連接。拋物面天線通常有四種饋源方式，如圖12-15所示。 圖12-15拋物面天線的四種饋源方式(a)前饋;(b)卡賽格倫;(c)格利高里;(d)偏饋 前饋最簡單，照度效率為55%～60％，饋源及其支架會產(chǎn)生遮擋，增加旁瓣和交叉極化。卡賽格倫的優(yōu)點是饋源靠近接收機前端，連接線短。格利高里與卡賽格倫相似，只是用了橢圓副反射面，效率為76％。偏饋的方法避免了饋源或副反射面的遮擋，旁瓣類似，同樣增益下尺寸較小。 在微波低端或射頻波段，拋物面的尺寸太大，可以用部分拋物面，這種天線常用在船上。為了減輕重量、

承受風(fēng)壓，拋物面可以做成網(wǎng)狀的。

12.6微帶天線 微帶天線結(jié)構(gòu)緊湊，一致性好，成本低，效率高，近年來得到了長足的發(fā)展。常用的微帶天線是矩形或圓形。矩形貼片天線如圖12-16所示。

圖12-16矩形貼片天線 12.6.1微帶天線基本知識和矩形微帶天線 常用的微帶天線的分析設(shè)計方法有傳輸模法和諧振模法。傳輸模法的思路是把矩形塊等效為輻射阻抗加載的一段很寬的微帶線，由于設(shè)計公式近似且有實驗調(diào)整，這種方法是不準(zhǔn)確的。諧振模法是把微帶天線看成是具有磁壁的封閉腔體，這種方法精度好，但計算成本太高。 工程上，微帶天線用傳輸模式近似設(shè)計，很寬的微帶線沿橫向是諧振的，在貼片下面電場沿諧振長度正弦變化，假定電場沿寬帶W方向不變化，并且天線的輻射是寬邊的邊沿。 輻射邊沿可以看作用微帶傳輸線連接起來的輻射槽，如圖12-17所示，單個輻射槽的輻射電導(dǎo)為

W>λ0

W≤λ0

（12-16）

圖12–17邊沿輻射槽 微帶天線的工作頻率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為 W不是很關(guān)鍵，通常按照下式確定:

(12-21)(12-22)圖12-18矩形天線實例微帶天線缺點：頻帶窄；有損耗，因而增益較低；大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射；最大增益實際上受限制（約為20dB）；饋線與輻射元之間的隔離差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量較低。設(shè)計實例： 設(shè)計3GHz微帶天線，基板參數(shù)為2.2/0.762，并用四分之一線段實現(xiàn)與50Ω饋線的匹配。 天線拓?fù)淙鐖D12-18所示。步驟一：確定各項參數(shù): W=3.95cm，εe=2.14，ΔL=0.04cm L=3.34cm，Rin=288Ω步驟二：阻抗變換器的特性阻抗為

ZT0==120Ω步驟三：由微帶原理計算得變換器的長度和寬度為

l1=1.9cm，w1=0.0442cm 微帶天線的輻射方向圖可以用電磁場理論嚴(yán)格計算。圖12-19是典型的方向圖，典型HPBW=50°～60°，G=5～8dB。圖12-19微帶天線的典型方向圖 在許多場合下要利用合適的饋線點實現(xiàn)微帶天線的圓極化。如圖12-20所示，90°耦合器激勵兩個方向的線極化構(gòu)成圓極化，或者擾動微帶天線的輻射場實現(xiàn)圓極化。圖12-20圓極化微帶天線 12.6.2微帶天線的其他形式 導(dǎo)體貼片一般是規(guī)則形狀的面積單元，如矩形、圓形或圓環(huán)形薄片等，也可以是窄長條形的薄片振子(對稱陣子)。由這兩種單元形成的微帶天線分別稱為微帶貼片天線和微帶振子天線，如圖12-21（a）、（b）所示。微帶天線的另一種形式是利用微帶線的某種形變(如彎曲、直角彎頭等)來形成輻射，稱為微帶線型天線，如圖12-21(c)所示。因為這種天線沿線傳輸行波，故又稱為微帶行波天線。微帶天線的第四種形式是利用開在接地板上的縫隙，由介質(zhì)基片另一側(cè)的微帶線或其他饋線(如稽線)對其饋電，稱之為微帶縫隙天線，如圖12-21(d)所示。由各種微帶輻射單元可構(gòu)成多種多樣的陣列天線，如微帶貼片陣天線、

微帶振子陣天線，等等。

圖12-21微帶天線的四種形式微帶縫隙天線微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組成。縫隙可以是矩形（寬的或窄的），圓形或環(huán)形。窄縫圓環(huán)縫寬縫圓貼片縫 圖12-22為兩種饋電形式的矩形微帶天線示意圖，圖（a）是背饋，同軸線的外導(dǎo)體與接地板連接，內(nèi)導(dǎo)體穿過介質(zhì)與貼片天線焊接；圖（b）為側(cè)饋，通過阻抗變換與微帶線連接。圖12-22微帶天線的兩種饋電方式微帶天線饋電大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此，可以用微帶天線或同軸線饋電。因為天線輸入阻抗不等于通常的50傳輸線阻抗，所以需要匹配。匹配可由適當(dāng)選擇饋電的位置來做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。中心微帶饋電和偏心微帶饋電。饋電點的位置也決定激勵那種模式。同軸插座安裝在印制電路板的背面，而同軸線內(nèi)導(dǎo)體接在天線導(dǎo)體上。對指定的模，同軸插座的位置可由經(jīng)驗去找，以便產(chǎn)生最好的匹配。 矩形微帶天線作為獨立天線應(yīng)用時采用背饋方式，而作為單板微帶天線的陣元時必須采用側(cè)饋方式。在制作側(cè)饋的矩形微帶天線時，可按下述方法實現(xiàn)匹配：將中心饋電天線的貼片同50Ω饋線一起光刻制作，實測其輸入阻抗并設(shè)計出匹配器，然后在天線輻射元與微帶饋線間接入該變換器。 任何形式的平面幾何結(jié)構(gòu)都可以用作微帶天線，圖12-23是部分微帶天線形式。 12.6.3圓盤微帶天線的設(shè)計實例 圓盤形微帶天線是另一種基本形式。參數(shù)包括圓盤半徑、饋電位置、輸入阻抗、天線Q值、輻射效率、總效率、輸入VSWR及頻帶、輻射方向圖。計算過程復(fù)雜，已有圖表和軟件可使用。下面給出圓盤半徑計算公式，并以900MHz天線為例，利用計算程序Mathcad描述設(shè)計過程。圓盤半徑為（12-23）

式中

設(shè)計實例： 設(shè)計900MHz圓盤微帶天線，介質(zhì)參數(shù)為4.5/1.6。(1)確定參數(shù)。天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：設(shè)計頻率f0=0.9GHz，最大輸入駐波比VSWR=2.0∶1，基板參數(shù)為高度h=0.16cm，介電常數(shù)εr=4.5，損耗正切tanδ=0.015，導(dǎo)體銅的ρ=1.0。 (2)利用設(shè)計軟件（cpatch.exe）求出圓盤圓形天線的半徑、接頭饋入位置、頻率與輸入阻抗的關(guān)系。 半徑=4.580cm 饋電點=1.800cm 頻率與阻抗對應(yīng)關(guān)系如表12-1所示。表12-1頻率與阻抗對應(yīng)關(guān)系

圖12-24圓盤形微帶天線結(jié)構(gòu)圖展寬微帶天線的幾種方法幾種主要方法展寬微帶天線的帶寬選取合適的介質(zhì)和貼片附加寄生元

采用特殊的貼片形式采用合適的饋電方法其他方法天線加載M1：選取合適的介質(zhì)基片和貼片幾何結(jié)構(gòu)厚介質(zhì)基片由輻射引起的Ｑ值Qr幾乎與電厚度成反比，因此增加基片的厚度能夠有效地展寬帶寬。但電厚度過大會引起表面波的明顯激勵，使得輻射效率降低，一般微帶天線的設(shè)計中其電厚度不超過0.2。選取合適的a/b增大a/b對增加帶寬有一定的意義，但潛力有限．當(dāng)a/b過大時會激發(fā)其他模，從而引起方向圖的惡化，介質(zhì)電參數(shù)低介電常數(shù)降低增加帶寬的方法其潛力也是有限的．低將減小表面波的影響，但饋線要變寬一些，需要抑制輻射損耗．的最小值為１，為獲得低的介電常數(shù)，現(xiàn)在采用蜂窩結(jié)構(gòu)或泡沫材料介質(zhì)，也有用在介質(zhì)板上打孔的方法降低介電常數(shù)．高損耗角正切采用大損耗的介質(zhì)可降低Ｑd，在展寬帶寬的同時也可減小貼片的尺寸，實現(xiàn)小型化．由于損耗大，使得天線的效率降低．介質(zhì)厚度h對帶寬的影響：h=2mm,freq(3.16G-3.23G),0.07Gh=3mm,freq(3.14G-3.25G),0.11Gh=4mm,freq(3.12G-3.27G),0.15G基本成線性變化小結(jié)：通過選取適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)和貼片主要是減小微帶天線的Q值以達(dá)到增大帶寬的目的。這幾種方式都受一定的限制，作用不是太顯著，要獲得更大的帶寬還需采取其他方法。這種方法總是和其他展寬帶寬的方法相結(jié)合使用的，是最基本的方法。M2：附加寄生元根據(jù)寄生元放置位置的不同可分為兩種結(jié)構(gòu)，即多層結(jié)構(gòu)和共面寄生結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)分別如下圖：多層結(jié)構(gòu)共面寄生結(jié)構(gòu)基本原理饋電元與寄生元上下放置，介質(zhì)層間可以有空氣層。選定介質(zhì)基片，主要調(diào)節(jié)參數(shù)為饋電元尺寸，寄生元尺寸以及空氣層厚度。能有效展寬帶寬，方向圖波瓣變窄，增益變大。由于用多層結(jié)構(gòu)，天線的厚度很大，在限制天線厚度的情況下，應(yīng)用受到限制多層結(jié)構(gòu)饋電元與寄生元共面放置，可通過縫隙耦合，也可附加直接耦合貼片。主要調(diào)節(jié)參數(shù)為饋電元尺寸，寄生元尺寸，縫隙寬度以及直接耦合時微帶線寬。能有效展寬帶寬，并保持了微帶的低剖面特性。附加了共面寄生元，使得天線面積加大，同時破壞了結(jié)構(gòu)的對稱，帶內(nèi)方向圖特性較差。共面寄生結(jié)構(gòu)通過饋電元對寄生元耦合饋電，將微帶天線的等效諧振電路由單諧振回路改為多諧振回路，調(diào)節(jié)天線參數(shù)使兩個諧振頻率適當(dāng)接近，形成頻帶展寬的雙峰諧振回路。M3:特殊的貼片形式基本結(jié)構(gòu):

近年來各種形狀的微帶貼片都被用來拓展頻帶和實現(xiàn)天線的小型化，圖2.5給出了兩種種典型的結(jié)構(gòu)開U型槽開E型槽還有蝶形，倒F形，H形槽雙L形槽等多種結(jié)構(gòu)M4：采用合適的饋電技術(shù)饋電會影響天線的輸入阻抗，引起阻抗帶寬變化，是寬帶微帶天線設(shè)計需考慮的因素。微帶天線兩種主要饋電方式：探針饋電：可以改變饋電點位置，便于匹配；厚介質(zhì)時引入較大的電感，影響匹配，限制了帶寬。邊緣微帶線饋電：饋線和貼片共面，便于加工；饋線本身會引起輻射，厚介質(zhì)時，寬度會變大，干擾天線方向圖。針對探針饋電的缺點提出了一種在探針頂部加容性貼片的方法：此結(jié)構(gòu)采用厚介質(zhì)基片，容性探針饋電，通過容性貼片補償探針引起的感抗，實現(xiàn)較寬的頻帶。采用反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，將容性貼片放在介質(zhì)上層，探針對上層容性貼片饋電，容性貼片對下層輻射元電磁耦合饋電，可將容性貼片和輻射元在一層介質(zhì)上加工?？芍貥?gòu)天線ReconfigurableAntenna(RA)FrequencyRAPolarizationRAPatternRACombinedRAContinuousTuningDiscreteTuningHorizontal&VerticalRHCP&LHCPLinear&CPBeamScanningMainBeamShapeChangingTwoCharacteristicsThreeCharacteristicsFrequency

ReconfigurableAntennasAmicrostripdipoleantennausingtwosiliconswitchescanoperateateither2.26GHzor3.15GHz.Aplanarreconfigurablereflectarraycanachieveabeam-scanningrangeof50?by50?.PatternReconfigurableAntennasforBeamScanning12.7天線陣和相控陣 單個天線的波束寬度與增益的矛盾限制了它的使用。在有些場合，要用更高的增益和更窄的波束。由于天線的尺寸與工作波長有關(guān)，必須用多個天線形成極窄波束。天線陣把能量聚焦于同一個方向，增加了系統(tǒng)的作用距離。

12.7.1天線陣 考慮圖12-25所示的沿z方向分布的一維天線陣，總輻射場為每個單元的疊加。圖12-25沿z方向分布的一維n元相控陣

遠(yuǎn)區(qū)場幅度相等，即

r1=r2=r3=…=rN=r（12-24）每個天線單元的家間距為d，引起的相移為，由距離引起的相移分別是

r1=r

r2=r+dcosθ

rN=r+(N-1)dcosθ（12-25） 故總場強為

（12-26）式(12-26)稱為方向圖乘積原理。陣因子AF與單元的分布有關(guān)。12.7.2相控陣考慮波束掃描情況，假定每個天線單元都相同，相位從左到