第12章 射频微波天线-魏峰

主讲人：魏峰射频/微波电路导论

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微带天线为什么需要天线？天线基本特性whatisantenna?传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波

有效的接收或发射电磁波能量转换；有效定向辐射（或接收）;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。天线是无源的，本身并没有增加所辐射信号的能量，它只是起着在空间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－－天线的方向性。2.15dB 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，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

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。

（12-3）(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12-2半功率波束宽度(a)按电场定义；(b)按功率定义60°

(eg)峰值

-3dB点

-3dB点3dB波束宽度水平面方向图峰值-3dB点-3dB点15°(eg)垂直面方向图立体方向图 (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

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。（12-4）增益的单位通常写为dBi或dBddBi当用理想的点源天线来比，从而得到增益数值时则用此单位.dBd当增益是和一个半波对称阵子比较时用此单位.增益的单位天线的极化天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向垂直极化水平极化+45度倾斜的极化-45度倾斜的极化 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、

近场的分界点。

图12-4远区场概念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常见天线拉杆天线引向天线喇叭天线微带天线卫星接收天线宽带全向天线3m微波接力通信天线吸顶天线

gsm专用于小区域室内天线分...板状天线

六十年代，美国在波多黎各阿雷西博镇建造了直径达305米的抛物面射电望远镜，它是顺着山坡固定在地表面上的，不能转动，这是世界上最大的单孔径射电望远镜它的无线电球面反射镜直径可达305米，是用将近4万个钻孔的铝质筛板制成的。它能将入射的无线电波聚焦于安装在反射镜面上空的可移动天线上。这根天线可以向任何方向移动，这样可以跟踪某个天体。射电望远镜十分灵敏，它能够探测到距离达1300万光年处的天体。中国探月工程昆明地面站40米天线建成验收

中新网7月18日电据中国科学院消息，7月16日，由中国科学院云南天文台承担建设的国家重大航天工程“嫦娥工程”地面应用系统昆明地面站40米天线建成验收。

据了解，昆明地面站作为国家探月工程的组成部分，主要任务是完成探月卫星下传的月球观测数据的接收和记录存储；与北京密云地面站、乌鲁木齐南山站、上海佘山站共同组成VLBI网，对绕月探测卫星进行精密定位。中国远程相控阵雷达舰载对空搜索雷达天线相控阵雷达天线螺旋天线俄罗斯新型有源相控阵雷达天线俄军巨型雷达天线阵列图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，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型天线，如图12-11所示。四分之一波长的变形天线尺寸降低，便于安装。图12-11(c)是一种宽带变形，用金属板代替了导线。 单极天线的另一种变形是倒L型和倒F型天线，如图12-11所示。四分之一波长的变形天线尺寸降低，便于安装。图12-11(c)是一种宽带变形，用金属板代替了导线。图12-11倒L型和倒F型天线12.4喇叭天线 喇叭天线是波导与空气的过渡段，有圆喇叭和方喇叭两种，分别与圆波导和方波导相连接。 喇叭天线可以单独用于微波系统，也可作为面天线的馈源。喇叭天线增益可以严格计算，通常使用喇叭天线做测量标准。 对于图12-12所示矩形波导喇叭，获得最佳增益的天线尺寸和增益为

（12-8）

（12-9）

图12-12矩形喇叭及其方向图

对于图12-13所示圆锥喇叭，获得最佳增益的天线尺寸和增益为

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

（12-10）

（12-11）

图12-13圆锥喇叭12.5抛物面天线 抛物面天线是一种高增益天线，是卫星或无线接力通信等点对点系统中使用最多的反射面天线。如图12-14所示，金属抛物面反射器将焦点上的馈源发射的球面波变成平面波发射出去。如果照度效率为100％，则有效面积等于实际面积，即（12-12）图12-14抛物面天线

实际中，由于溢出、阻塞和损耗，照度效率只有55％～75％，取最坏情况55％： 半功率波束宽度为增益为（12-13）

（12-14）

（12-15）

若有抛物面口径为1m，工作频率为10GHz，照度效率为55％的抛物面天线，可以计算出增益为37dB，HPBW为2.3°，在55m处形成远场（平面波）。 抛物面的增益很高，波束很窄。抛物面的对焦非常重要。喇叭馈源与同轴电缆连接。抛物面天线通常有四种馈源方式，如图12-15所示。 图12-15抛物面天线的四种馈源方式(a)前馈;(b)卡赛格伦;(c)格利高里;(d)偏馈 前馈最简单，照度效率为55%～60％，馈源及其支架会产生遮挡，增加旁瓣和交叉极化。卡赛格伦的优点是馈源靠近接收机前端，连接线短。格利高里与卡赛格伦相似，只是用了椭圆副反射面，效率为76％。偏馈的方法避免了馈源或副反射面的遮挡，旁瓣类似，同样增益下尺寸较小。 在微波低端或射频波段，抛物面的尺寸太大，可以用部分抛物面，这种天线常用在船上。为了减轻重量、

承受风压，抛物面可以做成网状的。

12.6微带天线 微带天线结构紧凑，一致性好，成本低，效率高，近年来得到了长足的发展。常用的微带天线是矩形或圆形。矩形贴片天线如图12-16所示。

图12-16矩形贴片天线 12.6.1微带天线基本知识和矩形微带天线 常用的微带天线的分析设计方法有传输模法和谐振模法。传输模法的思路是把矩形块等效为辐射阻抗加载的一段很宽的微带线，由于设计公式近似且有实验调整，这种方法是不准确的。谐振模法是把微带天线看成是具有磁壁的封闭腔体，这种方法精度好，但计算成本太高。 工程上，微带天线用传输模式近似设计，很宽的微带线沿横向是谐振的，在贴片下面电场沿谐振长度正弦变化，假定电场沿宽带W方向不变化，并且天线的辐射是宽边的边沿。 辐射边沿可以看作用微带传输线连接起来的辐射槽，如图12-17所示，单个辐射槽的辐射电导为

W>λ0

W≤λ0

（12-16）

图12–17边沿辐射槽 微带天线的工作频率与结构参数的关系为 W不是很关键，通常按照下式确定:

(12-21)(12-22)图12-18矩形天线实例微带天线缺点：频带窄；有损耗，因而增益较低；大多数微带天线只向半空间辐射；最大增益实际上受限制（约为20dB）；馈线与辐射元之间的隔离差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量较低。设计实例： 设计3GHz微带天线，基板参数为2.2/0.762，并用四分之一线段实现与50Ω馈线的匹配。 天线拓扑如图12-18所示。步骤一：确定各项参数: W=3.95cm，εe=2.14，ΔL=0.04cm L=3.34cm，Rin=288Ω步骤二：阻抗变换器的特性阻抗为

ZT0==120Ω步骤三：由微带原理计算得变换器的长度和宽度为

l1=1.9cm，w1=0.0442cm 微带天线的辐射方向图可以用电磁场理论严格计算。图12-19是典型的方向图，典型HPBW=50°～60°，G=5～8dB。图12-19微带天线的典型方向图 在许多场合下要利用合适的馈线点实现微带天线的圆极化。如图12-20所示，90°耦合器激励两个方向的线极化构成圆极化，或者扰动微带天线的辐射场实现圆极化。图12-20圆极化微带天线 12.6.2微带天线的其他形式 导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或圆环形薄片等，也可以是窄长条形的薄片振子(对称阵子)。由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和微带振子天线，如图12-21（a）、（b）所示。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变(如弯曲、直角弯头等)来形成辐射，称为微带线型天线，如图12-21(c)所示。因为这种天线沿线传输行波，故又称为微带行波天线。微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其他馈线(如稽线)对其馈电，称之为微带缝隙天线，如图12-21(d)所示。由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线、

微带振子阵天线，等等。

图12-21微带天线的四种形式微带缝隙天线微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成。缝隙可以是矩形（宽的或窄的），圆形或环形。窄缝圆环缝宽缝圆贴片缝 图12-22为两种馈电形式的矩形微带天线示意图，图（a）是背馈，同轴线的外导体与接地板连接，内导体穿过介质与贴片天线焊接；图（b）为侧馈，通过阻抗变换与微带线连接。图12-22微带天线的两种馈电方式微带天线馈电大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带天线或同轴线馈电。因为天线输入阻抗不等于通常的50传输线阻抗，所以需要匹配。匹配可由适当选择馈电的位置来做到。但是，馈电的位置也影响辐射特性。中心微带馈电和偏心微带馈电。馈电点的位置也决定激励那种模式。同轴插座安装在印制电路板的背面，而同轴线内导体接在天线导体上。对指定的模，同轴插座的位置可由经验去找，以便产生最好的匹配。 矩形微带天线作为独立天线应用时采用背馈方式，而作为单板微带天线的阵元时必须采用侧馈方式。在制作侧馈的矩形微带天线时，可按下述方法实现匹配：将中心馈电天线的贴片同50Ω馈线一起光刻制作，实测其输入阻抗并设计出匹配器，然后在天线辐射元与微带馈线间接入该变换器。 任何形式的平面几何结构都可以用作微带天线，图12-23是部分微带天线形式。 12.6.3圆盘微带天线的设计实例 圆盘形微带天线是另一种基本形式。参数包括圆盘半径、馈电位置、输入阻抗、天线Q值、辐射效率、总效率、输入VSWR及频带、辐射方向图。计算过程复杂，已有图表和软件可使用。下面给出圆盘半径计算公式，并以900MHz天线为例，利用计算程序Mathcad描述设计过程。圆盘半径为（12-23）

式中

设计实例： 设计900MHz圆盘微带天线，介质参数为4.5/1.6。(1)确定参数。天线的拓扑结构为：设计频率f0=0.9GHz，最大输入驻波比VSWR=2.0∶1，基板参数为高度h=0.16cm，介电常数εr=4.5，损耗正切tanδ=0.015，导体铜的ρ=1.0。 (2)利用设计软件（cpatch.exe）求出圆盘圆形天线的半径、接头馈入位置、频率与输入阻抗的关系。 半径=4.580cm 馈电点=1.800cm 频率与阻抗对应关系如表12-1所示。表12-1频率与阻抗对应关系

图12-24圆盘形微带天线结构图展宽微带天线的几种方法几种主要方法展宽微带天线的带宽选取合适的介质和贴片附加寄生元

采用特殊的贴片形式采用合适的馈电方法其他方法天线加载M1：选取合适的介质基片和贴片几何结构厚介质基片由辐射引起的Ｑ值Qr几乎与电厚度成反比，因此增加基片的厚度能够有效地展宽带宽。但电厚度过大会引起表面波的明显激励，使得辐射效率降低，一般微带天线的设计中其电厚度不超过0.2。选取合适的a/b增大a/b对增加带宽有一定的意义，但潜力有限．当a/b过大时会激发其他模，从而引起方向图的恶化，介质电参数低介电常数降低增加带宽的方法其潜力也是有限的．低将减小表面波的影响，但馈线要变宽一些，需要抑制辐射损耗．的最小值为１，为获得低的介电常数，现在采用蜂窝结构或泡沫材料介质，也有用在介质板上打孔的方法降低介电常数．高损耗角正切采用大损耗的介质可降低Ｑd，在展宽带宽的同时也可减小贴片的尺寸，实现小型化．由于损耗大，使得天线的效率降低．介质厚度h对带宽的影响：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基本成线性变化小结：通过选取适当的介质和贴片主要是减小微带天线的Q值以达到增大带宽的目的。这几种方式都受一定的限制，作用不是太显著，要获得更大的带宽还需采取其他方法。这种方法总是和其他展宽带宽的方法相结合使用的，是最基本的方法。M2：附加寄生元根据寄生元放置位置的不同可分为两种结构，即多层结构和共面寄生结构，两种结构分别如下图：多层结构共面寄生结构基本原理馈电元与寄生元上下放置，介质层间可以有空气层。选定介质基片，主要调节参数为馈电元尺寸，寄生元尺寸以及空气层厚度。能有效展宽带宽，方向图波瓣变窄，增益变大。由于用多层结构，天线的厚度很大，在限制天线厚度的情况下，应用受到限制多层结构馈电元与寄生元共面放置，可通过缝隙耦合，也可附加直接耦合贴片。主要调节参数为馈电元尺寸，寄生元尺寸，缝隙宽度以及直接耦合时微带线宽。能有效展宽带宽，并保持了微带的低剖面特性。附加了共面寄生元，使得天线面积加大，同时破坏了结构的对称，带内方向图特性较差。共面寄生结构通过馈电元对寄生元耦合馈电，将微带天线的等效谐振电路由单谐振回路改为多谐振回路，调节天线参数使两个谐振频率适当接近，形成频带展宽的双峰谐振回路。M3:特殊的贴片形式基本结构:

近年来各种形状的微带贴片都被用来拓展频带和实现天线的小型化，图2.5给出了两种种典型的结构开U型槽开E型槽还有蝶形，倒F形，H形槽双L形槽等多种结构M4：采用合适的馈电技术馈电会影响天线的输入阻抗，引起阻抗带宽变化，是宽带微带天线设计需考虑的因素。微带天线两种主要馈电方式：探针馈电：可以改变馈电点位置，便于匹配；厚介质时引入较大的电感，影响匹配，限制了带宽。边缘微带线馈电：馈线和贴片共面，便于加工；馈线本身会引起辐射，厚介质时，宽度会变大，干扰天线方向图。针对探针馈电的缺点提出了一种在探针顶部加容性贴片的方法：此结构采用厚介质基片，容性探针馈电，通过容性贴片补偿探针引起的感抗，实现较宽的频带。采用反转结构，将容性贴片放在介质上层，探针对上层容性贴片馈电，容性贴片对下层辐射元电磁耦合馈电，可将容性贴片和辐射元在一层介质上加工。可重构天线ReconfigurableAntenna(RA)FrequencyRAPolarizationRAPatternRACombinedRAContinuousTuningDiscreteTuningHorizontal&VerticalRHCP&LHCPLinear&CPBeamScanningMainBeamShapeChangingTwoCharacteristicsThreeCharacteristicsFrequency

ReconfigurableAntennasAmicrostripdipoleantennausingtwosiliconswitchescanoperateateither2.26GHzor3.15GHz.Aplanarreconfigurablereflectarraycanachieveabeam-scanningrangeof50˚by50˚.PatternReconfigurableAntennasforBeamScanning12.7天线阵和相控阵 单个天线的波束宽度与增益的矛盾限制了它的使用。在有些场合，要用更高的增益和更窄的波束。由于天线的尺寸与工作波长有关，必须用多个天线形成极窄波束。天线阵把能量聚焦于同一个方向，增加了系统的作用距离。

12.7.1天线阵 考虑图12-25所示的沿z方向分布的一维天线阵，总辐射场为每个单元的叠加。图12-25沿z方向分布的一维n元相控阵

远区场幅度相等，即

r1=r2=r3=…=rN=r（12-24）每个天线单元的家间距为d，引起的相移为，由距离引起的相移分别是

r1=r

r2=r+dcosθ

rN=r+(N-1)dcosθ（12-25） 故总场强为

（12-26）式(12-26)称为方向图乘积原理。阵因子AF与单元的分布有关。12.7.2相控阵考虑波束扫描情况，假定每个天线单元都相同，相位从左到