微波工程导论第八章

1、第八章第八章 天天 线线 8.1 引言引言 自赫兹和马可尼发明了天线以来，天线在社会 生活中的重要性与日俱增，如今已成不可或缺 之势，天线无处不在。 在德国卡尔斯洛的赫兹实验中进行了著名的实 验，电感线圈在偶极子的间隙中产生的火花导 致相距数米远的环隙中也产生了火花。这就是 首个无线电链路，也是最早的用于无线电的偶 极子天线和环天线。实验结果证实了振荡电偶 极子能够发射电磁波，并且证明了这种电磁波 与光波一样，能产生反射、折射、干涉、衍射 和偏振等现象。所以赫兹实验证明了麦克斯韦 的电磁波理论。 上世纪八十年代末，出现了带有半波天线的手持移动电话， 后来经过技术进步手机天线变成了内置式贴片天线

2、。 天线的型式很多，按用途的不同可分为通信天线、广播 天线、雷达天线、导航天线、测向天线等；按工作频段的不 同可分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微 波天线等；按频带特性可分为窄频带天线、宽频带天线和超 宽频带天线；按方向性可分为全向天线、弱方向性天线、锐 方向性天线等；按极化特性可分为线极化天线、圆极化天线 和椭圆极化天线等。从便于分析和研究天线的性能出发，一 般分为两大类：一类是由半径远小于波长的金属导线或金属 棒所构成的线状天线，称为线天线；另一类是由物理尺寸大 于波长的金属或介质面构成的面状天线，称为面天线。线天 线主要用于长波、中波及短波波段，面天线主要用于微波波 段，而

3、超短波段则两者兼用。此外，还有迅速发展的微带天 线，主要应用于微波频段的微小型化设备。 天线作为无线电技术设备电磁能量的“出口”与“入 口”，其性能的优劣对系统的整体性能起着非常关键的作用。 8 .2天线辐射理论天线辐射理论 无线电天线可被定义为一种附有导行波与 自由空间波互相转换区域的结构。天线将 电子转变为光子，或反之。 不论其具体型式如何，天线都基于由加(或 减)速电荷产生辐射的共同机理。方程可简 述为 ，其中I为时变电流(A/s），L为 电流元的长度(m)，Q为电荷(C)，a为速度的 时间变化率(m/s2)。 辐射的主要方向垂直于加速度，辐射功率 正比于 的平方。 天线是一种导行波与自

4、由空间波之间的转换器 件或换能器。天线是电路与空间的界面器件。 按电路的观点，从传输线看向天线这一段等效 于一个电阻R,，称为辐射电阻。这是从空间藕合 到天线终端的电阻，与天线结构自身的任何电 阻无关。 下图所示的辐射电阻Rr可理解为一种物理上 并不存在的“视在”电阻，是将天线耦 合 到远处空间的“视在，传输线的一个量。 8.2.1 电流元的辐射场电流元的辐射场 实际使用中的线天线，均可认为是由若干 电流元和（或）磁流元所构成。所谓电流 元，是长度 ，并载有高频电流的一段 导体。 由电磁场理论，正弦电流元所 产生的滞后磁矢位为 于是得到对应的磁场为 由麦克斯韦第一方程得到电场矢量有两个分量，分

5、 别为： 公式说明，电场和磁场矢量不仅与距离r有关，而 且也是极角 的函数。电磁场的表达式包括若干项， 每项之间相差一个因子(1/kr)，因此，可以根据或 来简化表达式，从而分析这些特殊情况下电磁场的 特性。 ： （1）电流元的近区场）电流元的近区场 在满足 条件下，如果kr1，即 的 区域，电磁场表达式中1/kr的高次项起主要作用， 而 ，故有 第一式与恒定电流元产生磁场形式相同。第二、 三式与静电偶极子所产生的电场矢量公式形式相 同。所以，时变偶极子的近区场称为准静态场或 似稳场。另外，电场矢量与磁场矢量之间有的相 位差，故坡印廷矢量的平均值等于0，这说明近 区电场和磁场的主要能量只是相互

6、转换，而没有 向外辐射。 （2）电流元的远区场）电流元的远区场 ，即 的区域称为远区。显然， 远区电磁场的表达式中1/kr的低次项起主要 作用，结果只剩下1/r的一次项。 可见，远区场与近区场的性质完全不同， 远区场只有两个相位相同的分量： 和 。 远区场的坡印廷矢量平均值为 能流密度平均值不为零，说明远区场形成 电磁场能量沿r方向运动，所以电流元的远 区场称为辐射场。 rHEHES 2 1 Re 2 1 Re 22 )()( sin 22 r Idl r 远区场有如下性质： (a) 远区电磁场的运动方向为r方向，在r= 常数的球面上各点的电磁场相位都相同， 等相位面为球面，这样的电磁波称为球

7、面 波。同时电场、磁场和平均功率流密度三 者方向为右旋系统，且r方向上无电磁场分 量，所以又称为横电磁波或TEM波。 (b) 球面波在真空中的速度 ， 也就是等于光波的传播速度。 (c) 由上式看出，电场和磁场的复振幅比值 为一实数 () 称为自由空间波阻抗，它是一个纯电阻。 (d) 电场和磁场的平均能量密度相等，且能 速度等于相速度。 因此电磁场的平均能量密度为 并且能速度等于相速度，这是电流元在自 由空间辐射电磁波的一个基本特性。 （3）中间区）中间区 在近区与远区间的空间称为中间区，其特 性介乎二者之间。我们主要感兴趣的是远 场区，下面对天线辐射场的讨论都是指在 远区中。 （4）电流元的

8、辐射功率与辐射电阻）电流元的辐射功率与辐射电阻 电流元在其周围产生时变电磁场，由电磁 场的复矢量表达式可以求得空间任意点上 的坡印廷矢量平均值为 rHEHES 2 1 Re 2 1 Re 2 2 2sin 22 1 )( r Idl r 上式说明无论在远区或近区，有功能流密 度是由辐射公式中电磁场分量的一阶项引 起的，高阶项对此无贡献。有功能流密度 的方向与 r方向一致，说明电磁场能量脱离 电流元的约束向远区运动，成为自由传播 的电磁波。 电流元把约束在导体周围的电磁能量转变 为自由传播的电磁波，它构成一个基本辐 射天线。电流元天线辐射的总功率等于包 围它的闭合面上坡印廷矢量平均值的面积 分。

9、为计算简单，我们在半径为的球面上 积分 ddrrSP s a sin 2 2 )( 3 2 2 1 Idl Pa称为电流元的平均辐射功率。由上式可见， 同样尺寸的电流元，波长越短辐射功率越 大。辐射功率可以看作电流元上的电流在 一个Ra电阻上的损耗。 Ra称为辐射电阻。辐射电阻是表征天线辐射 本领的一个参数，Ra越大，相同电流下辐射 的功率越大。 （5）电流元的方向性函数与辐射方向图）电流元的方向性函数与辐射方向图 电流元辐射场的电场强度和磁场强度都与r成 反比，同时与sin成正比，但与方位角 无关。 辐射场表达式中sin因子的存在，说明电流元的 辐射具有方向性。习惯上常把天线任意点电场 的振

10、幅与通过该点的球面上电场最大值之比， 称为归一化方向性函数，简称方向性函数。 为了避免画三维图的困难，通常在过最大辐射 方向上的两个正交 平面内画方向图。一个为 电力线所在的平面，称为E面方向图，另一个 是与前者正交，即磁力线所在 的平面，称为H面方向图。 8.2.2 对偶原理与磁流元的辐射对偶原理与磁流元的辐射 虽然并没有真实的磁流存在，但引入磁流的 概念，可使一些问题的分析变得可能或大为 简化，例如对面天线及微带天线的分析。 （1）对偶原理）对偶原理 麦克斯韦的第一、二方程式为 如果在上面第二方程式中引入磁流体密度 ， 可使上面两个式子变成对称的形式，即 如从第一式求出电流源问题的解，则由

11、其对 偶性，就可得出相应的磁流源问题的解，反 之亦然。 e J t E H )( t H E )( e J t E H )( m J t H E )( )( 8.2.3 单位面元的辐射单位面元的辐射 在分析面状天线时，辐射口面可以看作是 由许多面元所组成，因此其辐射场是面元 的辐射场沿整个口面积分的结果。所谓面 元(也称为惠更斯元)就是一个微分面积单元 ds，其上面的电磁场为均匀分布。 面元的辐射场为 在空间任一点的总场为这两个分量的矢量 和，即 ,量值为 r e dxdy E jdE jkr y sin)cos1 ( 2 r e dxdy E jdE jkr y cos)cos1 ( 2 d

12、EdEEd dxdy r E Ed y )cos1 ( 2 可见，总场的大小与 无关，只与 有关。 面元辐射方向图如图 8 .3天线电性能指标天线电性能指标(参量参量) 8.3.1 互易定理及其在天线上的应用互易定理及其在天线上的应用 在电磁场理论中我们知道罗伦兹互易定理 如下式表示 左边是源2的场对源1的反应，右边是源1的 场对源2的反应。 电路形式的互易定理 12 2121 1212 )()( vv dvMHJEdvMHJE 互易定理的物理意义在于任意一付天线无论作为发射天线还 是作为接收天线都具有相同电性能指标或参量，当然有些技 术参量对于发射天线具有明确的物理意义，反之亦然。 互易定理

13、在天线上的应用很广泛，具体体现在以下三个方面。 在天线设计方面，数值计算仿真已经成为天线优化设计的基 本手段，无论作为发射天线还是接收天线，在天线数值仿真 计算时都将天线作为发射天线来进行数学建模与计算。 在天线电性能指标测试方面，一部分电性能指标的测试将天 线作为发射天线进行，比如天线的输入阻抗（驻波比），而 另一部分电性能指标的测试则将天线作为接收天线进行，比 如天线的辐射方向性图（包含波瓣宽度等），增益参量则无 论作为发射天线还是作为接收天线均可。 在天线应用方面，任何一付天线既可以作为发射天线又可以 作为接收天线。大多数应用系统（如：收发通信机、雷达、 测距机等）收发公用一付天线，在电

14、磁波发射时其天线为发 射天线，在电磁波接收时其天线为接收天线；有些应用系统 则收发天线分开，比如卫星上通信链路转发及电视信号转发 天线等。 8.3.2 天线电性能指标天线电性能指标 （1）天线的场区）天线的场区 围绕着天线的场可划分为两个主要的区域， 接近天线的区域称为近场或菲涅耳(Fresnel)区， 离天线较远的称为远场或夫琅和费(Fraunhofer) 区。两区的分界可取为半径 其中，L=天线的最大尺度(m)； =波长(m)。 在远场区，测得场分量处在辐射方向的横截 面内，所有的功率流都是沿径向朝外的。在近 场区内，电场有显著的径向分量，其功率流并 不完全是径向的，场方向性图通常依赖于距

15、离。 (2)方向性图（波瓣图）方向性图（波瓣图） 辐射电阻及其温度都是简单的标量。另一 方面，辐射方向性图是描述场或功率(正比 于场的平方)作为球坐标 和 的函数的三 维量。如下图所示的三维场方向性图，其 波瓣半径r(自原点到方向性图边界点)正比于 在该方向 和 上的场强。该方向性图具 有沿z方向的主瓣(最大辐射)以及沿其他方 向的副瓣(旁瓣和后瓣)。 按半功率电平点夹角定义的波束宽度，称 为半功率波束宽度 (或-3dB波束宽度)。按主 瓣两侧第一个零点夹角定义的波束宽度， 称为第一零点波束宽度。这两种波束宽度 都是重要的方向性图参量。 将场分量除以其最大值，得到无量纲的归 一化(或相对的)场

16、方向性图，其中最大值为 1。因此，电场的归一化场方向性图应为 半功率电平出现在= 0.707的角度所对应的 和 方向上。 虽然天线辐射方向性图特性的完整表述应包 含三维矢量场，但为了工程应用的目的，仅 若干简单标量的值就能提供必要的信息。如： 半功率波束宽度HPBW，波束范围，波束效率， 方向性系数D或增益G，有效口径等。 （3）波束范围或波束立体角）波束范围或波束立体角 微分面积 以固定的角和弧宽绕球面围成的环形条带 具有面积 ，对 从0到 积分可得 球面面积: 球面面积= 式中4 表示完整球面所张的立体角，单位为sr。 1立体弧度=1 sr=(完整球面立体角)/(4 ) 平方度 4 立体弧

17、度=3282.8064 x 4 =完整球面立体角 口 （4）辐射强度）辐射强度 每单位立体角内由天线辐射的功率称为 辐射强度，瓦每立体弧度 ；或 ， (瓦每平方度)。 与坡印廷矢量(幅值)S反比于(自天线的)距离 的平方不同，辐射强度U与此距离无关。 （5）波束效率）波束效率 (总)波束范围 (或波束立体角)由主瓣范围(或立 体角) 加上副瓣范围(或立体角) 所构成， 即 主波束范围与(总)波束范围之比称为(主)波束效 率 ，即 副瓣范围与(总)波束范围之比称为杂散因子，即 （6）方向性系数方向性系数D和增益和增益G 方向性系数D和增益G或许是天线最重要的参 量。天线的方向性系数是在远场区的某

18、一球面 上最大辐射功率密度 与其平均值 之比，是大于等于1的无量纲比值，写成 D = 于是，方向性系数又等于球面范围( sr)与天 线的波束范围 之比. 波束范围愈小，则方向性系数愈高。若一个天 线仅对上半空间辐射，其波束范围 则 其方向性系数为 式中dBi表示相对于各向同性的分贝数。 天线增益是一个实际(或现实)的参量，该参 量因天线或天线罩(如被采用)的欧姆损耗而 小于方向性系数。在发射状况下，天线增 益还包括向天线馈送功率的损耗。这种损 耗并不意味着辐射，而是意味着加热天线 结构。天线馈线的失配也会减小增益。增 益与方向性系数之比是天线效率因子。这 种关系可表示为 G=kD 这里，效率因

19、子k( )是无量纲的。 通过比较待测天线(AUT)和一个已知其增益 的参考天线(如短偶极子)在相同输入功率下 所辐射的最大功率密度，就能测出天线的 增益，即 Gain=G= （7）方向性系数与分辨率）方向性系数与分辨率 天线的分辨率可定义为第一零点波束宽 度的一半，即FNBW/2。例如，当天线的 FNBW=20时，具有10的分辨率。 天线方向性图两主平面内的FNBW/2之乘积 可作为天线波束范围的测度（通常又称为 瑞利分辨率） 因此，天线能够分辨出均匀分布于天空的 无线电发射机或点辐射源的数目N的近似值 为N=4/ 。 所以可得概念化的结论：天线能够分辨的 点源数在数值上等于该天线的方向性系数

20、， 即D=N。 （8）极化）极化 在电磁场理论中，我们知道电磁波的极化定义 是电场矢量尾端随时间变化的轨迹。电磁波的 极化有线极化、圆极化（分为左旋圆极化和右 旋圆极化）和椭圆极化（分为左旋椭圆极化和 右旋椭圆极化）。 空间传播的电磁波是由天线上的时变电流产生 的，因此天线远区辐射场（电磁波）的极化状 态决定于天线结构，所以根据所辐射电磁波的 极化形式也可以将天线分为线极化天线、圆极 化天线和椭圆极化天线。 对于极化椭圆，取任意方向的一般椭圆极 化波，可用分别沿x方向和y方向的两项线极 化分量来描述。 EX=E1 sin( t- z) EY=E2 sin( t- z+ ) 若E1= 0，则波是

21、沿y向线极化的；若E2=0，则波 是沿x向线极化的。若=0且E1=E2， 则波是在与x轴呈450角的平面内线极化的(=450)。 若E1 = E2而，则波是圆极化的。当 时， 波是左旋圆极化的；当 时，波是右旋圆 极化的。 O z E Ex Ey y E1 E2 A B 长轴 短轴 x )sin()sin( 21 ztEyztExE 如果将波看成是后退的(-Z方向传播)，电场 矢量表现为按反向旋转。因此，朝外向波 电场的顺时针旋转与后退波的逆时针旋转 等同。 （9）有效口径）有效口径 假设该接收天线是置于均匀平面电磁波中 的矩形电磁喇叭，记平面波的功率密度即 坡印廷矢量的幅度为S (W/m2)

22、，喇叭的物理 口径即面积为AP ( m2 )。如果喇叭以其整个 物理口径从来波中摄取所有的功率，则喇 叭吸收的总功率为 可认为电磁喇 叭从来波中摄 取的总功率正 比于某一种口 径的面积。 但是喇叭对来波的响应并非是均匀的口径 场分布，因为侧壁上的电场E必须等于零。 为此给出一个小于物理口径的有效口径， 并定义两者之比为口径效率，即 对于喇叭和抛物面反射镜天线而言，口径 效率普遍在50%80%的范围内。而对于在 物理口径边缘也能维持均匀场的偶极子或 贴片大型阵列来说，口径效率则可以接近 100%。然而，要降低旁瓣就必须采用向边 缘锥削的口径场分布，这必然导致口径效 率的下降。 方向性系数D的三个

23、表达式 (无量纲) 来自方向性图的方向性系数 (无量纲) 来自波束范围的方向性系数 (无量纲) 来自口径的方向性系数 电路参量电路参量 天线阻抗， 辐射电阻， 天线温度， 物理参量物理参量 尺寸 重量 电 流 分 布 天线 场区 场方向性图，E() 功率方向性图，P() 极化，LP，CP，EP 波束范围，A 方向性系数，D 增益，G 有效口径， 有效长度， 雷达截面， 空间参量空间参量 （10）有效高度）有效高度 天线有效高度是另一个与口径有关的参量。 有效高度乘以与之相同极化的入射电场E ( V/m)，就得到感应电压V，即 据此，有效高度可定义为感应电压与入射 电场之比 (m) （11）输入

24、阻抗、驻波比与频带宽度）输入阻抗、驻波比与频带宽度 天线的输入阻抗则是从传输线的角度来看，天 线时从发射机获得的信号功率经过传输线传输， 天线等同于传输线的负载，此负载阻抗就是天 线的输入阻抗。 为了使传输线上传输的功率全部由天线发射出 去，希望天线的输入阻抗等于传输线的特性阻 抗，传输线工作在行波状态，无反射功率分量。 实际上，天线的输入阻抗不可能完全等于传输 线的特性阻抗，一般情况下传输线工作在行驻 波状态，因而传输线上存在驻波，此时的驻波 比称为天线的驻波比（VSWR）。 天线的输入阻抗与天线形状、工作频率、 馈电点结构等参数有关，当天线形状与馈 电点物理结构完全确定以后，天线输入阻 抗

25、就成为频率的函数。天线驻波比大小满 足限制要求的频率范围就称为天线的频带 宽度（或工作频率范围）。 （a）宽的频带宽度=D/d (b) 较窄的频带宽度 (c) 较窄的频带宽度 (d) 最窄的频带宽度=1.5 (e) 宽的频带宽度= （12）天线的噪声温度）天线的噪声温度 在超远距离极微弱信号的接收中(例如卫星 通信、射电天文等)，往往用品质因数G/T来 衡量系统性能的优劣，这里的G是天线的增 益，T是接收系统(包括天线)总的等效噪声 温度。T与天线的性能密切相关。 由于电子的无规则的热运动将在电阻两端 产生一个噪声电压，其值为 设与噪声电阻R相接的网络的输入阻抗只有 电阻分量，且其值也为R，则

26、它从噪声源得 到的最大热噪声功率为 用噪声温度来衡量天线接收噪声的情况， 这就是天线噪声温度的概念。 PA为天线送给匹配负载的噪声功率。 8.4 弗里斯传输公式和雷达方程弗里斯传输公式和雷达方程 （1）弗里斯传输公式）弗里斯传输公式 其中， 接收功率(W)； 发射功率(W)； 发射天线的有效口径(m2)； 接收天 线的有效口径(m2)；r=两天线间的距离(m)； 波长(m)。 （2）雷达测距方程）雷达测距方程 雷达方程是描述雷达系统特性的最基本的 数学关系。在雷达方程的完整形式中，计 入了雷达系统参量、目标参量、背景影响 （杂波干扰和噪声）、传播影响（折射和 绕射）、传播介质（吸收和散射）等各

27、种 因素对雷达作用距离的影响。因此，雷达 方程不仅对雷达系统和雷达部件的设计具 有重要意义，而且对目标特性、隐身与反 隐身等研究也具有重要指导意义。 在离天线距离R处的辐射功率密度St等于发 射功率除以平均扩散的球面积 (W/m2) 如果利用定向性天线代替无方向性天线，则 (W/m2) 雷达截面（RCS）的物理概念是面积的概念， 其物理意义是目标以雷达截面截获入射功率 并且该功率向目标四周均匀辐射。因此，目 标截获的功率为 (W/m2) 由于该功率各向同性辐射，因此在雷达接 收机天线处有目标散射的功率密度为 (W/m2) 假定接收天线与发射天线同极化，被雷达 天线接收的功率等于接收天线处的功率

28、密 度乘以接收天线的有效口径，而 天线有效 口径与增益的关系为 。假定接收天 线效率为1，这样输入到接收机的功率为 (W) 当接收和发射公用同一付天线时（称为单 站或单基地雷达），有 ，于是得 到雷达方程为 (W) 8.5 天线家族天线家族 在本节中将介绍24类天线作为后续章节详 细论述的预览。如下图所示，这些天线又 可以归纳为六大类：基本类型；环形、偶 极子和缝隙；张开的同轴线、双线和波导； 反射镜与口径类型；端射与宽频带类型； 镶板式、缝隙和栅格阵列。 阵列阵列贴片贴片 天线天线 端射端射环形环形 偶极子偶极子短椿形短椿形缝隙缝隙口径口径 介质杆介质杆 螺旋螺旋 八木八木宇田宇田 对数周期

29、对数周期 圆锥螺蜷圆锥螺蜷 阵列阵列 帘幕形帘幕形 W&JKs 折合偶极折合偶极 子子 双线双线 V形形 双锥形双锥形 长线长线 行波行波 菱形菱形 圆锥形圆锥形 透镜透镜螺蜷螺蜷喇叭喇叭反射镜反射镜 抛物面抛物面 夹角夹角 平板平板 天线天线 罩罩 频率频率 选择选择 表面表面 （1）环形、偶极子和缝隙天线）环形、偶极子和缝隙天线 图 (a)的水平小环天线可对应图 (b)所示的铅垂短偶 极子，两者具有相同的场方向性图，但它们的E和 H需要互换。于是，水平环属水平极化，而铅垂偶 极子属铅垂极化。两者的方向性系数都是。所谓 小或短是指尺度不大于。 小环与短偶极子(环的轴平行于偶极子)具有相同的场

30、方向性图。 而E和H互换，缝隙与偶极子也具有相同的场方向性图。而E和R互换，方向性系数都相同。 （2）张开的同轴线天线）张开的同轴线天线 下图所示的所有天线在水平面内都是全向、且沿 铅垂(天顶)方向为零辐射。图中指出了各种天线的 方向性系数D。各天线形状从光滑渐变过渡至突变 结构导致频带变窄。 （3）张开的双导线天线）张开的双导线天线 （4）张开的波导天线）张开的波导天线(口径类口径类) 波导传输线在其输出端口张开既有利于增强 定向性，有利于实现匹配。矩形波导在E面 张开称为E面喇叭天线，在H面张开称为H面 喇叭天线，E、H同时张开称为角锥喇叭天线。 圆波导端口张开一般称为圆喇叭天线。 （5）

31、平板反射器天线）平板反射器天线 具有一个或两个半波偶极子的平板反射器天线和 900夹角反射器天线。如下图所示，半波偶极子由 于放置于导电平板反射器前方而使定向性提高(a)， 双半波偶极子阵列放置于导电平板反射器前方可 获得高定向性(b)，将平板反射器折成900夹角反射 器能达到更高的定向性。 （6）抛物面和介质透镜天线）抛物面和介质透镜天线 抛物(镜)面碟形天线和介质透镜天线如下图 所示。抛物(镜)面碟形天线能提供高定向性 (正比于其口径)，但要求一个合适的馈源天 线如(a)所示，这与夹角反射器只需要简单 偶极子馈电形成反差。介质透镜天线模拟 了光学器件，也要求一个合适的馈源天线。 这两种天线

32、的方向性系数都正比于其口径， 都需要借助射线理论或光学原理进行设计。 图中循射线路径标注了箭头，馈源辐射的 都是球面波。抛物面通过反射、而透镜通 过折射将球面波转变成平面波。 （7）端射天线）端射天线 轴向模螺旋天线 介质杆天线、八木-宇田天线和轴向模螺旋天线都 是端射式行波天线，各自的方向性系数D都正比于 其长度L，其中螺旋天线因工作于增强定向性的模 式而具有高定向性。 （8）圆锥螺旋和对数周期宽频带天线）圆锥螺旋和对数周期宽频带天线 （9）贴片天线、贴片阵列和栅格阵列）贴片天线、贴片阵列和栅格阵列 (a) 贴片天线贴片天线 “贴片”原是一种低轮廓、低增益、窄频 带的天线，能够满足装载于飞机

33、和各种车 辆的空气动力学要求。 8.9 极宽频带天线极宽频带天线 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线 8.11喇叭天线喇叭天线 8.12 旋转抛物面天线旋转抛物面天线 8.15 天线测量天线测量 要确定天线的实际性能，例如增益、方向图、极化、 频带宽度和效率等，精确的测量是必不可少的。天 线在不同的应用场合各有其严格的指标要求。例如， 点对点无线通信线路按照已授权的标准应满足确定 的增益、旁瓣电平和交叉极化等要求。 在许多情况下，天线的性能能够非常准确地得自 理论计算。但这对于复杂的天线是不可能的，要做 太多的理想化和简化。通常，很难对天线的使用环 境建模，诸如接近于人头部或装置于飞机上的天线。

34、 即使能算出理想天线的性能，现实世界中的天线仍 需要通过测量来检验。由于加工容差和制造误差， 其性能并不如所预期的那么好。只有测量结果才能 为解决争议给出有价值的信息。 本节将讨论天线的实验测量方法和技术， 包括基本概念、典型的测量误差源、测量 场地和所需的仪器设备、不同天线参量的 测量方法以及其他测量专题，如电大天线 与电小天线、有效增益和比吸收率等。 8.15.1 基本概念基本概念 大多数普通天线的测量是测定其远场的辐 射特性，如定向波瓣图、增益或相位波瓣 图等。 下图给出了测量辐射特性的典型配置。基 本步骤是将一架发射的或接收的源天线放 在相对于待测天线(AUT)等距离的不同位置 上，借

35、以采集大量波瓣图取样值。 （1）天线测量中的互易性）天线测量中的互易性 前面已指出，待测天线既可用做接收天线，也可用做 发射天线，这当然是出于5.4节所述的互易性原理。从天 线测量的观点来看，该原理可导出两条重要推理： 发射与接收状态的波瓣图是相同的。 两种传播途径的功率流是相同的。 于是很显然，待测天线的所有辐射参量既可按发射模式， 也可按接收模式测量。这在待测天线按信号流向既用于 接收又用于发射的大型设备的情况下尤其有用。 然而，在实际的天线测量中要谨慎地应用互易性原理。 该原理的有效性须满足若干重要条件： (a) 调换天线时，两者的端接电动势都有相同的频率。 (b) 媒质是线性的、无源的

36、和各向同性的。 (c) 对于匹配的阻抗，功率流才是相等的。 （2）近场和远场）近场和远场 人们几乎总是对远场的辐射特性感兴趣， 通常也总是测量远场。远场测量的优点在 于： 按任何距离测量的场波瓣图都是有效的， 只需要对场强按进行简单的变换。 若要得到功率波瓣图，只需简单地进行功 率(幅度)测量。 测量结果对于天线相位中心的位置变化不 太敏感，因而旋转待测天线并不会导致明 显的测量误差。 待测天线和源天线之间的藕合和多次反射 并不重要。 8.15.2 天线测量的典型误差源天线测量的典型误差源 任何被测的量都有其误差的极限。于是，天线 增益值的完整表示可以是，说明有半个分贝的 不确定度。当测量的不

37、确定度减少到可接受电 平时，该临界的误差源也就被认可了。 测量远场波瓣图时的理想测量场应该是一种 纯(均匀相位与幅度)的平面波。然而，实际的 场总不可避免地偏离平面波：天线之间距离不 足造成波程相位差和幅度锥削，来自周围的反 射造成相位与幅度的起伏。前者会显著影响主 波束，而后者会扰乱旁瓣测量的准确性。这些 测试场的不完善性在视觉上难以从天线误差中 辨认，务需致力于减小它们。 天线测量的其他误差源还有：与电抗性近场 的藕合、对准误差、干扰信号、大气层的影响、 电缆的泄漏与辐射以及仪器误差等。 （1）有限测试距离所致的相位误差和幅度锥削）有限测试距离所致的相位误差和幅度锥削 设待测的是平面天线，

38、接收的来波沿其主波束的 轴向。若测试距离太小，由待测天线之不同部位 所接收的场不能同相，因而具有平方律相位差(见 图5.15-5)。若待测天线恰位于源天线远场区的边 界处，则其口径边缘与中心的场存在22.50的相位 差。若测试距离加倍，则相位差减半。 （2）反射）反射 直射波受从周围物体反射波的干涉，在测试区 域内形成场的变化(幅度与相位的起伏)，由于 该波程差异作为位置的函数而迅速变化，使起 伏的长度属于波长的数量级。如，比直射波的 场低20 dB的反射波(直射波功率的1%)可引起- 0.92+0.83 dB( -21%+19%)的功率误差，具 体取决于两种波之间的差异；相位测量的误差 范围

39、为5.70。但若反射波的场比直射波低40 dB， 则测出的幅度与相位分别仅有0.09 dB与0.60的 误差。 8.15.3 测量场地测量场地 人们一般都希望了解天线的远场特性，因 为大多数天线都工作在远场模式。在基本 的远场测试中，待测天线距离源天线至少 有。小天线能在吸波室内测量，但远场测 量往往需要有物理尺度很大的室外场地。 （1）架高场地）架高场地 （2）地面反射的场地）地面反射的场地 对于甚高频(VHF)以下的频率，源天线的尺 寸限制了它的定向性，使地面的反射难以 避免，只能利用存在地面反射的测量场地。 （3）吸波室与吸波材料）吸波室与吸波材料 吸波室的墙壁、天花和地板，整体被吸 波

40、材料所覆盖，用来模拟无反射的自由空 间，允许在可控的实验室环境中进行全天 候的测量。吸波室的测试空间与干扰信号 的隔离远比室外场地好，还可以采用屏蔽 而进一步改善。屏蔽室也适用于电磁兼容 性(EMC )的测量。 （4）紧缩的天线测量场地）紧缩的天线测量场地 紧缩的天线测量场地(CATR)借助于反射镜、透镜、 喇叭、阵列或全息术所产生的平整波前来仿真无 限长度的场地。大多数紧缩场天线由一架或多架 反射镜组成，测试场通常被装置在吸波室内，但 特别大的紧缩场天线被置于室外，甚至某些射电 望远镜也被用做紧缩场天线。 （5）近场场地）近场场地 若已知在闭合表面上由其内部某天线所产生的 辐射场，就能计算在该表面外空间任何点处的 场，于是从近场的测量入手就能计算远场波瓣 图。这是近场测量的基础。 幸好，并不需要沿上述球面连续地测量场值。 根据取样定理：有限个取样值足以完整描述连 续的场。如果围绕待测天线表面的某确定部分 (例如高增益反射镜天线背后)的场可允许忽略， 则测量表面也不需要是闭合的。 近场测量比惯用的远场测量有许多优点：近 场场地非常紧凑，使所需远场距离很长的待测 天线得以在室内小空间中测量。由于测得的场 是对辐射的完整描述，根据这些数据能计算得 出多种天线参量。 （6）场地的检测）场地的检测 对测量场地质量的评价最好是用测试区内 所测量的场的均匀性，评价的结论既