《rf电路设计讲座》word版

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1、RF電路設計講座（1）射頻、微波天線技術探微　司馬余　天線在無線電系統裡的功能是什麼呢？答案是，它是一個「門」、一個介面，透過它，射頻能量可以從發射機輻射到外面世界；或從外面世界到達接收機。底下將討論各種天線系統的技術。天線特性天線具有以下的特性和參數：1.輻射極場圖型（radiationpolarpattern）：天線會向四周輻射電磁波，以天線為中心，電磁場在各方向的強度可以用圖形描繪出來。2.指向性（directivity）3.效率4.增益5.等效面積6.相互性（reciprocity）：也叫作Rayleigh-Carson定理。當電壓E作用在A天線上，促

2、使B天線產生電流I。此時，使用相同的電壓E作用在B天線上，會在A天線上產生振幅和相位都相同的電流I。7.接收的雜訊功率8.終端阻抗，包括輻射電阻。9.接收系統的效益指數（G/T）：G是天線的增益，T是雜訊溫度（noisetemperature）。天線的接收靈敏度和G/T值大小有關，若G/T愈高，表示天線對微弱訊號愈敏感，接收效果也愈好。「雜訊溫度」是很抽象的觀念，它的定義應該用數學公式表示。但若要以純文字描述的話，可以這麼說：在一個通訊系統或被測元件裡，當頻率不變時，被動元件系統的溫度會使每單位頻寬的雜訊功率（noisepower）ρ增加，當被動元件系統的ρ值

3、等於此通訊系統的ρ值時，所得到的溫度就是「雜訊溫度」。請注意，被動元件是包含在此通訊系統或被測元件裡面，有時此被測元件也被稱作「網路的真正終端裝置（actualterminalsofanetwork）」。例如：一個單純電阻的「雜訊溫度」就是此電阻的真正溫度；但是，一顆二極體的「雜訊溫度」可能是此二極體（真正的終端裝置）的真正溫度（接腳測量到的溫度）之數倍之多。雜訊溫度是以絕對溫度（-273oC）為零度，單位是K（Kelvin）。天線類型辨別下列數種分類法有助於爲天線分類：•輻射元素•反射器天線•輻射元素陣列輻射元素包括：•產生外場的電流天線•擁有特定場分佈的孔

4、徑天線（apertureantenna）電流天線電流天線的形式包含了：•線形雙極（wiredipoles）•線形單極（wiremonopoles）•線形環路（wireloops）•螺旋輻射器（helicalradiators）•槽型天線（slotantenna，雙線形天線）•微帶補片天線（microstrippatchantenna）共振半波雙極線形雙極具有普遍的外型與大小，如下圖所示：　　雙極是雙極陣列的基本元素，一個圓柱狀雙極（cylindricaldipole）是大約在l=0。95(λ/2)處共振。一個雙極近共振的饋點電抗，大約與縮短過的四分之一波長的Z

5、0=1000歐姆之電線相同。等效傳輸的阻抗是天線大小的函數，如下圖所示：　　取得共振（X=0），從正確的半波長縮短之百分比，顯示如下。　　逐步縮減半徑（step-tapered）之雙極天線的自我阻抗，是和雙極元素直接相關，這是由「套疊式管（telescopingtubing）」構成，如下圖。套疊式管是一種使用在較大型天線中的物理設計，能在不產生過度風阻和增加額外重量的情況下，提供機械強度。　　一般來說，圓柱狀雙極的全長具有相同的共振頻率，而且一個漸縮的雙極（tapereddipole）之電抗的斜率曲線，實質上是比較短的。亦即，一個逐步縮小的雙極天線之全長必須要

6、比較長一點，以達到相同的共振。為這個計算所導出的演算法是一些參考書籍的主題，不在本文中談論。可以利用這個演算法來設計八木（Yagi）天線，在數值分析軟體中，就含有這個演算法。線形單極雙極的一半，一個四分之一波長單極天線具有輻射電阻R=36歐姆，可在「半無限導電接地面（semi-infiniteconductinggroundplane）」上運作，如下圖所示。　　如果接地面積遠小於一個波長（例如：一支單極天線安裝在一輛車上），則其天線場型與自完整的接地面積所計算出的場型相比，是大不相同的。螺旋天線螺旋天線是由克拉斯（Kraus）所創造，他曾說過一個有趣的故事，關

7、於他如何在聽到史丹佛大學教授談到螺旋傳遞的波管（wavetube）時，領悟到相同的慢波結構可能具有和天線一樣的收集訊號（signal-gathering或gain）的能力。他當天便在他的地下室（實驗室）裡測試了此種螺旋天線，並測量出它的增益與「圓形極化（circularpolarization）」。螺旋天線很簡單但非常有效，它以簡易的輻射體結構來提供增益。下圖是其尺寸的實例：　　為了完整的運作，周長必須是0.75

8、中央饋線的饋點電阻是R=140Cλ，周