rf电路设计讲座射频微波天线技术探微.pdf

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1、 r f 电 路 设 计 讲 座 射 频、微 波 天 线 技 术 探 微 精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7 RF电路设计讲座（1）射频、微波天线技术探微 天线在无线电系统里的功能是什么呢？答案是，它是一个门、一个接口，透过它，射频能量可以从发射机辐射到外面世界；或从外面世界到达接收机。底下将讨论各种天线系统的技术。天线特性 天线具有以下的特性和参数：1.辐射极场图型（radiation polar pattern）：天线会向四周辐射电磁波，以天线为中心，电磁场在各方向的强度可以用图形描绘出来。2.指向性（directivity）3.效率 4.增益 5.等

2、效面积 6.相互性（reciprocity）：也叫作 Rayleigh-Carson 定理。当电压 E 作用在 A 天线上，促使 B 天线产生电流 I。此时，使用相同的电压 E 作用在 B 天线上，会在 A天线上产生振幅和相位都相同的电流 I。7.接收的噪声功率 8.终端阻抗，包括辐射电阻。9.接收系统的效益指数（G/T）：G 是天线的增益，T 是噪声温度（noise temperature）。天线的接收灵敏度和 G/T 值大小有关，若 G/T 愈高，表示天线对微弱讯号愈敏感，接收效果也愈好。噪声温度是很抽象的观念，它的定义应该用数学公式表示。但若要以纯文本描述的话，可以这么说：在一个通讯系统

3、或被测组件里，当频率不变时，被动组件系统的温度会使每单位带宽的噪声功率（noise power）增加，当被动组件系统的值等于此通讯系统的值时，所得到的温度就是噪声温度。请注意，被动组件是包含在此通讯系统或被测组件里面，有时此被测组件也被称作网络的真正终端装置（actual terminals of a network）。例如：一个单纯电阻的噪声温度就是此电阻的真正温度；但是，一颗二极管的噪声温度可能是此二极管（真正的终端装置）的真正温度（接脚测量到的温度）之数倍之多。噪声温度是以绝对温度（-273oC）为零度，单位是 K（Kelvin）。天线类型 辨别下列数种分类法有助于为天线分类：*辐射元素

4、*反射器天线*辐射元素数组 辐射元素包括：*产生外场的电流天线*拥有特定场分布的孔径天线（aperture antenna）电流天线 电流天线的形式包含了：*线形双极（wire dipoles）*线形单极（wire monopoles）*线形环路（wire loops）*螺旋辐射器（helical radiators）精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7*槽型天线（slot antenna，双线形天线）*微带补片天线（microstrip patch antenna）共振半波双极 线形双极具有普遍的外型与大小，如下图所示：双极是双极数组的基本元素，一个圆柱状

5、双极（cylindrical dipole）是大约在 l=0。95(/2)处共振。一个双极近共振的馈点电抗，大约与缩短过的四分之一波长的 Z0=1000 奥姆之电线相同。等效传输的阻抗是天线大小的函数，如下图所示：取得共振（X=0），从正确的半波长缩短之百分比，显示如下。逐步缩减半径（step-tapered）之双极天线的自我阻抗，是和双极元素直接相关，这是由套迭式管（telescoping tubing）构成，如下图。套迭式管是一种使用在较大型天线中的物理设计，能在不产生过度风阻和增加额外重量的情况下，提供机械强度。一般来说，圆柱状双极的全长具有相同的共振频率，而且一个渐缩的双极（taper

6、ed dipole）之电抗的斜率曲线，实质上是比较短的。亦即，一个逐步缩小的双极天线之全长必须要比较长一点，以达到相同的共振。为这个计算所导出的算法是一些参考书籍的主题，不在本文中谈论。可以利用这个算法来设计八木（Yagi）天线，在数值分析软件中，就含有这个算法。线形单极 双极的一半，一个四分之一波长单极天线具有辐射电阻 R=36 奥姆，可在半无限导电接地面（semi-infinite conducting ground plane）上运作，如下图所示。如果接地面积远小于一个波长（例如：一支单极天线安装在一辆车上），则其天线场型与自完整的接地面积所计算出的场型相比，是大不相同的。螺旋天线 螺旋

7、天线是由克拉斯（Kraus）所创造，他曾说过一个有趣的故事，关于他如何在听到史丹佛大学教授谈到螺旋传递的波管（wave tube）时，领悟到相同的慢波结构可能具有和天线一样的收集讯号（signal-gathering 或 gain）的能力。他当天便在他的地下室（实验室）里测试了此种螺旋天线，并测量出它的增益与圆形极化（circular polarization）。螺旋天线很简单但非常有效，它以简易的辐射体结构来提供增益。下图是其尺寸的实例：为了完整的运作，周长必须是 精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7 0.75 C=D 1.33。俯仰角是=tan-1(S/

8、C)。增益值大约是 G dBi=11.8+10log(C 2nS)，而 HPBW=52/C 度。中央馈线的馈点电阻是 R=140C，周围馈线是 R=150/。周围馈线可被匹配至 Z0=50 奥姆，这是利用第一螺旋的四分之一波段，它可以是介电质负载型（dielectric-loaded）或平坦型，并推挤靠近接地面，以形成一个匹配段，为四分之一波段得到必需且平均的 Z0 值。螺旋天线固定电路板上的实例如下图：槽型天线 槽型天线是藉由中止射频电流流进一个导电表面（例如：波导墙）所制成的。槽型天线是两个双极天线，且有相似的阻抗与场型。微带补片天线 微波补片天线是平面天线（planar antenna）

9、的一个实用种类，它是在微带结构中制成，如下图所示。正方形面板区域（上图白色部分）是从一介电质结构的顶层面板（上图黑色部分）蚀刻而来的，此介电质结构的另一面（底部）有一接地平面。补片天线本质上是一矩形双极。使用高介电质常数的材料来减少天线的大小。此天线在任何环境下，都很容易安装，它能轻易地安装在车辆或飞机的表面上。补片天线是一种相当窄频的天线。在正方形结构里，一个线性的极化波向外辐射。有许多方法可以达到馈线与阻抗匹配。补片可与一个四分之一波长的高阻抗线匹配，或一条 50 奥姆线可延伸到补片的内部，如下图所示。阻抗在中心点是最小的，且阻抗值是跟着轴长的增加而增加，所以尺寸的选择是以能得到支持 50

10、 奥姆的点来决定的。另一种馈线匹配法是将一同轴线的中心导体透过介电质，在适当的阻抗点接触到补片的底部。补片的中心是经过此结构中的一个过孔（via）接地的，如下方的左图与中图所示。当两边尺寸不同，形成长方形时，补片会产生圆形极化波，如上方的右图所示。这是交叉式双极数组的模拟，而馈线是延着中心点到角落的对角线与补片连结着，为了达到阻抗匹配，必须为补片选择适当的尺寸。孔径天线 孔径天线包括：*开放式波导辐射器*喇叭形（horn）与其他形状的波导辐射器*喇叭形反射器天线 孔径天线的响应场型与孔径所产生的远场绕射（far field diffraction）场型相同。远场场型的近似角宽度是=精品好文档，

11、推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7/D。一个孔径天线的模型是：在一个无限导电或吸收平面上有一直径 D 的孔径，且有一平面波由一侧射入。绕射场型越过很大的距离投射在平行面上，将会有一个中央点，其直径是由场型的角宽度公式决定。此模型如下图所示。这是假设孔径的照射度是平均分布的（uniform）。更精确地说，远场场型是分布在孔径各处的电场之傅立叶变换，并且考虑到孔径平面各处之振幅及相位的变动。一个波导管的开口端变成了一个非常高效率的辐射器，如下图。增加孔径的大小（改变喇叭形状）可以增加波导天线的增益。圆形喇叭也被使用。参见下图。利用圆形极化器可制作一个圆形的喇叭天线，它可以

12、辐射圆形的极化场型。这个装置使用一个传输型极化器，把在长方形波导管中的线性极化，在正方形波导管输出端转换成圆形极化。极化器结合了一种转换功能，从输入的长方形波导管（线性极化）转换成在 45 位置的正方形波导管。两个相等且互相垂直的线性极化波，在正方形波导管内发射；经由设定波导来使其中一个波有不同的相位速度，一个 90 相位关系在极化器全长四周被建立起来。现在它就具有圆形极化场型，且从圆形喇叭中辐射出去。如下图所示是一个有趣的天线之横切面，是将一个喇叭天线当成一个抛物面反射器（parabolic reflector）的一部份。反射器的每一面被包在喇叭天线的延伸面里（在上图中，开口大的部位），变成

13、类似盘子（dish）的形状，导致天线的旁波（side lobe）变得很小。Penzias 与 Wilson 就是利用这种天线在贝尔实验室里，观察宇宙的背景微波（并赢得诺贝尔奖）。下面列出了各式天线的近似指向性（增益）和远场边界以供参考：反射器天线 反射器天线包括：*平面反射器*抛物面反射器*球形反射器（例如：Arecibo）*多波束（multibeam）反射器天线*使用电流天线做为反射器 可将一个电流天线（例如：一个双极天线）放在一个导电平面前，来产生一个定向天线。当间距为 0.1-0.3 时，一个/2 双极天线的增益大约是 6 dB（这是 6 dBd 的意思，也就是 8 dBi，因为一个双极

14、天线的增益是 2 dBi）。精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7 一个角落反射器（corner reflector）增加了增益值。当双极天线的间距为 0.5 时的增益是 10 dBd；而当间距是 1.5 时，增益是 13 dBd。利用抛物面圆柱状的反射器可以得到额外的增益，这种抛物面圆柱状的天线经常在移动电话基地台见到。抛物面反射器天线 曲面的反射器，特别是抛物面反射器可提供更大的增益。抛物面反射器天线的增益，本质上是与同直径之孔径天线相同的。上图显示了在设计抛物面天线时，所需面对的取舍问题：弧面对应的夹角和馈线的指向性。如果给定一个直径与焦距长度，对弧面直

15、径所对应的夹角而言，此馈线场型太宽了，将造成能量大量溢出，导致增益减少且天线温度增高。反之，如果所对应的夹角大于馈线的半功率波束宽度（Half Power Beam Width；HPBW），将会导致照射度不一致，且在边缘部位会逐渐减弱，并伴随着辐射效益与增益的损失。理想的做法是，将馈线的指向性和抛物面天线所对应的夹角相互匹配，这就是抛物面反射器的比率公式 f/D。因为减少能量的溢出量，故它可能会降低 T 多过于降低 G，因而增加了 G/T 值，常见的选择是在抛物面天线的边缘，降低照射度 10 dB。反射器馈线的结构 反射器必须在天线的焦点处提供讯号，其方法是利用任何的电流式或孔径式的辐射器。馈

16、给的位置可以在主焦点处，或者在那儿可以有一个副反射器，用来减少屏蔽（blockage）之所需以及免除要在焦距处支持馈线的复杂度。实际的馈给位置是位在抛物面的中央，最大的优点是减少馈线的损失，并支撑重量。有两种可行的副反射器结构：Cassegrain 结构是在焦距前使用一个凸面副反射器；而 Gregorian 结构是在离焦距很远的地方使用一个凹面副反射器。提供无线望远（radio telescope）用途的天线则常使用 Newtonian 结构，它在焦距处放置一个小反射器，并将馈线置于主反射器的侧边。反射器天线的馈给位置可能会偏移到抛物面区段的侧边，它的优点是减少屏蔽，并降低因能量溢出而产生的噪

17、声。拋物线增益在表面粗糙处降低 代表因表面粗操而使增益损失的方程式，是 Ruze 公式。一个完美的抛物面天线之效能可以下式表示：精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7，这里的是表面粗操度的均方根值（rms），而是波长。Kraus 使用不同的方法，获得相似的结果：kg=cos2(4/)当你希望抛物面天线达到其最大可能效能的 90%时，可利用这些方程式。反射器的表面须要有一个大约/40 或更小的均方根误差。/10 的均方根误差将会降低增益至大约 21%（-6.9 dB），这是以理论最大值来计算。多波束反射器 在没有失去大量的指向性之下，抛物面天线的馈给位置是不能偏

18、移的。然而，若馈给位置是用来去除球形像差（aberration），以恢复增益时，球形反射器可以被使用。在波多黎各 Arecibo 天文观测站（参见 http:/www.coseti.org/arecibo.htm）的 300 公尺巨型碟形天线就是使用这种方法聚焦的。它是一个有趣的反射器天线，它的一面是抛物面、另一面是球形，所以它有许多个馈给位置，对应到许多卫星形成多波束（multiple beam）。阵列天线 辐射元素的数组包括：*驱动式双极数组（对数周期双极数组与相位数组）*寄生式双极数组（八木宇田数组）*多极（multipole）槽型数组 辐射器的数组利用其个别元素，可以产生大量的增益。数

19、组的增益是数组因素与元素增益的乘积。很多数组是在一个假设下设计的，此假设是：馈给系统导致每一个元素都有一个规定的电流与相位。这通常忽略了邻近双极元素之间的相互阻抗之影响。前面已谈过可用四分之一波长的电线来馈给每一个元素，以致它们的电流都相等。然而，使用一般的馈给法，想要得到极大的相位差是很困难的。下图是两个半波双极的相互阻抗实例：双极的垂直共线性数组 共线性双极数组（collinear dipole array）广泛地应用在单点对多点通讯上，双极的数组沿着垂直轴排列，提供集中于水平轴的场型，同时覆盖 360的区域时。下图表示半波双极数组在不同相角馈给，所产生的辐射场型。为了避免失去亲密的服务对

20、象（地面的发射机和接收机），天线馈给的相角通常是向外逐渐变尖的，并形成向下倾斜角，如下图所示的辐射场型。这提供了零充填（null filling）的功能，且避免能量辐射到水平线以上，浪费了发射机的功率。零充填是在辐射场型中填入空值（nulls）的过程，以避免在辐射覆盖区内，产生盲点（blind spots）。对数周期双极数组天线 长度渐增的双极天线组可被普通的馈线馈给，产生一种数组天线，称为对数周期双极数组（log periodic dipole 精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7 array；LPDA），它具有宽带的特性。典型的电视天线是对数周期的，它利

21、用每一双极天线之基本的和第三共振谐波来涵盖 VHF电视频道的全部范围。一个典型的对数周期双极数组天线如下图所示：八木宇田寄生式数组天线 另一个有趣的数组型态是使用寄生（非驱动的）双极元素，来产生一个高指向性的天线，称为八木（Yagi）天线，这是以其中一个创始者（八木和宇田都是日本人）的名字来命名。这种天线普遍应用于 HF、VHF和 UHF通讯中，而且已经被广大地研究。以下是一个 2400 MHz 八木天线的例子：线性与圆形极化 除了电波干扰和辐射能会以 1/r2 的公式减少以外，另一个电磁波特性是极化。在一个辐射的电磁波上，电场的方向和传播的方向垂直，电场可能在任何一个方向，但必垂直于 z 轴

22、上的传播向量（propagation vector）。如果我们选择了一个 x 方向，并决定了必需的 y 方向，且 y 是垂直于 x 与 z，我们可以将任意的电场极化，视为两个波在 x 和 y 方向上线性极化的线性合成。如果这两个成份波的相位同步，其合量（resultant）是一个在 x 轴上任何角度的线性极化波。如果两个成份波的相位不同步，则合量有极化现象，当两个成份波前进时，极化是环绕着 z 轴。如果两个合成波的振幅相同，且相位差 90，其合量是圆形极化。然而，通常它们的相位和振幅都不同，其合量是椭圆极化。圆形极化可能是右手或左手的圆形极化（右旋极化 RHCP（right-hand circularly polarized）或左旋极化 LHCP（left-hand circularly polarized）；拇指指向传播方向，其余四指垂直于拇指的方向旋转）。这是在物理课程中，我们都学过的。天线通常以它们相对于地面（它们安装的位置）的极化角度来分析。由于导体或介电质表面的不同反射特性，所以，垂直极化与水平极化的传播特性是不同的。结语 射频/微波技术和电磁学是博大精深的，其中，天线技术更可以成为工程师一辈子研究的主题。专研精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7 此领域时，除了可以欣赏理论的优美以外，还不时令人赞叹发明家的巧思和造物主的神妙。