准光天线与天线杂谈

1、2021-7-16 东南大学毫米波国家重点实验室东南大学毫米波国家重点实验室 毫米波准光理论与技术 准光天线之天线杂谈 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 2 什么是天线什么是天线 把导线上的电信号变成无线电波发射到空间把导线上的电信号变成无线电波发射到空间 收集无线电波并产生电信号收集无线电波并产生电信号 射频工程师眼中的天线射频工程师眼中的天线 B B l la a h h b la h b l a hb la h 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 3 天线辐射电磁波的基本原理 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导导线载有交变电流

2、时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导 线的长短和形状有关线的长短和形状有关. 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加， 因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称 为振子。为振子。 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 4 在一个正弦时间周期内： 第一个T/4时间周期内，正电荷达到最大 值，电力线如最上面的图 第二个T/4时间周期内，原始的3条电力线 向前运动，负电荷产生新的电力线（虚线） 负电荷遇到正电荷，中和，电力线

3、闭合。 剩下的半个周期是相同，但电力线方向相 反的过程。 天线辐射电磁波的基本原理 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 5 天线辐射电磁波的基本原理 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 6 天线的指标 输入阻抗、频带宽度 增益、极化、方向图、波瓣宽度 电性能 机械性能 口面大小 天线高度 平面型（低剖面）、立体型等等 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 7 各向同性天线与全向天线 各向同性天线 全向天线 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 8 天线与馈线的匹配 馈线特性阻抗与天线输入阻抗匹配，好天线？ 天天 线线 毫米波国

4、家重点实验室毫米波国家重点实验室 9 天线是换能器 天线是变换器 天线是辐射器 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 10 换能器（电磁能量） 电磁能量存于何处？ 观点1：存在于带电体、磁铁（石）及导体线路中 观点2：存在于电体、磁体及其周围 加（减）速的电荷才能产生电磁波，（亦可称变化的电流产生电磁波） 辐射的电磁波带走能量，能量守恒，电荷不是“永动机”，能量来源？ 天线的作用是将馈源输送的能量转换为不受束缚的电磁波能量 馈源输入能量 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 11 天线周围的储能 从时域的角度观察： 信号上升沿，传输线上的导行波传到天线上，一部分

5、直接辐 射出去，部分反射回去，另一部分则存储在天线周围的电抗 性场中。 信号下降沿，没有能量传到天线，存储在天线周围的电抗性 场耦合到天线，成为反射波，一部分辐射出去成为自由电磁 波。 天线电抗的存在，导致天线周围束缚了能量 Q值、谐振频率，谐振时的输入阻抗 宽带天线的要求减少电抗分量 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 12 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 13 阻抗变换器 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 14 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 15 天线阻抗控制 电阻加载可以获得很好的阻抗匹配，但辐射性能受到

6、极大影响 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 16 宽带结构的阻抗变换 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 17 超宽带天线的色散 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 18 色散效应小的超宽带天线 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 19 窄带天线的阻抗匹配 窄带天线的阻抗具有电抗分量 谐振时才能达到完全匹配 谐振时且电阻分量等于馈线特性 阻抗，则匹配，难度？ 天线谐振的说法针对哪类天线？ 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 20 辐射器 （1） 射频电流在哪些地方集中 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫

7、米波国家重点实验室 21 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 22 辐射器 （2） 天线的辐射方向估计 天线的辐射方向与电流的变化方向正交 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 23 辐射器 （3） 天线上的电流满足正弦分布（天线电尺寸不大） 面积较大的物体，需要计及电流的路径差 （馈电点到源点）来估计其辐射特性 偶极子天线，波导缝隙天线 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 24 天线增益与波瓣宽度天线增益与波瓣宽度 反射面天线的波瓣与增益？ 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 25 三种观点的启发 换能器：近场与源耦合，从

8、等效电路的观点看，意味着存在电 抗元件；对带宽的影响，消除近场与源的耦合 宽带、超宽带 天线 双导体型：细线偶极子天线，渐变缝隙天线 单导体型：波导缝隙天线，喇叭天线 变换器：天线结构上的光滑连续渐变，有利于获得宽带、超宽 带特性。 辐射器：分析天线上的电流分布、电场属性，有助于判断天线 的辐射方向、极化及确定工程上安装方式。 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 26 微带贴片天线分析 极化方向 带宽分析 方向图 输入阻抗 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 27 贴片天线结构 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 28 贴片的电场分布 天天

9、 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 29 贴片表面电流 两侧边缘电流 产生辐射吗？ 偶极子天线 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 30 贴片天线的输入阻抗 贴片尺寸 馈电点 W=46mm, dfeed=9 W=46mm, dfeed=15 W=40mm, dfeed=9 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 31 影响带宽的基本因素 基板厚度 降低基板介电常数 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 32 增加贴片拓展带宽 1.92.02.12.22.32.42.5 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 |S11| / dB Frequency / GHz 并联多个 谐振电路 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重点实验室 33 增加贴片拓展带宽 （2） 天天 线线 毫米波国家重点实验室毫米波国家重