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1、第12章射频/微波天线12.1天线基础知识12.2常见的天线结构12.3单极天线和对称阵子天线12.4喇叭天线12.5抛物面天线12.6微带天线12.1天线基础知识12.1.1天线基本指标天线的基本指标介绍如下：(1)天线增益G定义为（12-1a）式中,Pr为被测天线距离R处所接收到的功率密度,单位为W/m2;Pi为全向性天线距离R处所接收到的功率密度,单位为W/m2。增益为G的天线距离R处的功率密度应为接收功率密度,即(2)天线输入阻抗Zin定义为式中,U为在馈入点上的射频电压；I为在馈入点上的射频电流。（12–1b）（12–2a）天线是个单口网络
2、,输入驻波比或反射系数是一个基本指标,为了使天线辐射尽可能多的功率,必须使天线与空气匹配,输入驻波比尽可能小。阻抗、驻波比与反射系数的关系为（12–2b）(3)辐射效率ηr定义为（12-3）式中,Pr为天线辐射出的功率,单位为W；Pi为馈入天线的功率，单位为W。(4)辐射方向图：用一极坐标图来表示天线的辐射场强度与辐射功率的分布,如图12-1所示。(5)半功率角的定义如图12-2所示。图12-1辐射方向图图12-2半功率波束宽度(a)按电场定义；(b)按功率定义(6)旁瓣:在主辐射波瓣旁,还有许多副瓣,沿角度方向展开如图12-3所示。其中,HPBW为半功率波束
3、宽度,辐射最大功率下降3dB时的角度;FNBW为第一零点波束宽度;SLL为旁瓣高度,辐射最大功率与最大旁瓣的差。图12-3主瓣与旁瓣(7)方向系数D定义为（12-4）式中,Pmax为最大功率密度,单位为W/m2;Pav为平均辐射功率密度,单位为W/m2。常见的天线方向系数如下：偶极天线D=1.5或1.76dB单极天线D=1.5或1.76dB抛物面天线喇叭天线式中,d为抛物面半径,λ为信号波长,A为喇叭口面面积。12.1.2远区场概念通常,天线看作是辐射点源,近区是球面波,远区为平面波,如图12-4所示。辐射方向图是在远区测量。下面给出远、近场
4、的分界点。图12-4远区场概念在图12-4中,有以下几何关系：通常,R<<Δl时,有如果,相位误差为22.5°,远区场为（12-5）（12–6b）（12–6a）如果,相位误差为11.25°,远区场为（12-6c）12.1.3天线的分析一般地,天线的分析是解球坐标内的Helmholtz方程,得到矢量位函数。如图12-5所示,天线体积为V,电流为J,在观测点的矢量位函数为（12-7）为自由空间的格林函数。矢量位函数为天线上的电流与观测点格林函数乘积在天线体积上的积分。有了A(r),即可得到H(r),然后再求出E(r)。实际天线工程中,由于天线电流的分布很难确定,由积分
5、计算矢量位函数也十分困难,常用的数值解法过程也很麻烦。图12-5求解矢量位函数12.2常见的天线结构在射频/微波应用上,天线的类型与结构有许多种类。就波长特性分,有八分之一波长、四分之一波长、半波天线；就结构分,有单极子型、对称振子型、喇叭型、抛物面型、角型、螺旋型、介质平板型及阵列型天线等,如图12-6所示；就使用频宽分,有窄频带型（10%以下）和宽频带型（10%以上）。表12-1归纳了天线类型。图12-7给出了三种天线的增益比较。图12-6常见天线图12-7三种常用天线增益比较表12-1天线分类12.3单极天线和对称阵子天线单极天线和对称阵子是全向天线,广泛应用于
6、广播、移动通信和专用无线系统中。对称阵子是基本天线,单极天线是对称阵子的简化形式,长度是对称阵子的一半,与地面的镜像可以等效为对称阵子,如图12-8所示。对称阵子长度小于一个波长,辐射方向图是个油饼形或南瓜形。在θ=90°时电场辐射最强,θ＝0°时没有辐射。磁场辐射是个圆环,沿方向相同。单极天线是个全向天线,可以接收任何方向的磁场信号,增益为1。图12-8单极天线和对称阵子及其方向图一般地,对称阵子天线的长度等于半波长,单极天线的长度等于四分之一波长,阻抗为73Ω,增益为1.64（2.15dB）。如果天线长度远小于波长,称为短阵子,输入阻抗非常小,难于实现匹配,辐射效率低,
7、短阵子的增益近似为1.5(1.7dB)。实际中把单极阵子称作鞭状天线,长度为四分之一波长,与同轴线内导体相连,接地板与外导体相接,接地板通常是车顶或机箱,如图12-9所示,辐射方向图是对称阵子方向图的一半(上半部分),阻抗也是对称阵子的一半（37Ω）。图12-9单极天线的馈电对称阵子和单极天线有许多变形,折合阵子是两个对称阵子的对接,如图12-10所示,折合后的长度为半波长,阻抗为4×73≈300Ω。折合阵子可以看成对称模和非对称模的叠加。图12-10折合阵子天线单极天线的另一种变形是倒L型和倒F型
