第12章 射频微波天线--魏峰

1、2西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室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3西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室为什么需要天线？为什么需要天线？4西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室天线基本特性what is antenna?B Bl la ah h blahbl ahblah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）;5西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能

2、天线实验室室6西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室 12.1.1 12.1.1 天线基本指标天线基本指标天线的基本指标介绍如下：天线的基本指标介绍如下：(1) (1) 天线增益天线增益G G定义为定义为 （12 - 1a12 - 1a）式中，式中，Pr为被测天线距离为被测天线距离R处所接收到的功率密度，单处所接收到的功率密度，单位为位为W/m2; Pi为全向性天线距离为全向性天线距离R处所接收到的功率密度，处所接收到的功率密度， 单位为单位为W /m2。irPPG 7西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室 天线是无源的，本身并没有增加所辐射信号的能

3、量，它只是起天线是无源的，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，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。在不需要的方向抑制天线的方向性。2.15dB8西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室增益为增益为G G的天线距离的天线距离R R处的功率密度应为接收功率密度，处的功率密度应为接收功率密度，即即 (2) (2) 天线输入阻抗天线输入阻抗Z Zinin定义为定义为式中，式中，U为在馈入点上的射频电压；为在馈入点上的射频电压；I为在馈入点上的为在馈入点上的射频电流。射频电流。

4、24 RGPPtr（12 1b）IUZin（12 2a）9西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室天线是个单口网络，输入驻波比或反射系数是一个基天线是个单口网络，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射系数的关系为11110ZZVSWRin（12 2b）10西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室(3) 辐射效率辐射效率r定义为定义为 式中，式中，Pr为天线辐射

5、出的功率，单位为为天线辐射出的功率，单位为W；Pi为馈入天为馈入天线的功率，单位为线的功率，单位为W。（12 - 3）11西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室 (4) 辐射方向图：用一极坐标辐射方向图：用一极坐标图来表示天线的辐射场强度与图来表示天线的辐射场强度与辐射功率的分布，如图辐射功率的分布，如图12-1所所示。示。 (5) 半功率角的定义如图半功率角的定义如图 12-2 所示。所示。 0zEE90 x090面180270H面yO12西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室 图 12-2 半功率波束宽度(a) 按电场定义； (b) 按功率定义0

6、.707 EE0.707 E0.5 P0.5 PP(a)(b)13西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室60 (eg)峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点3dB 波束宽度波束宽度水平面方向图水平面方向图峰值峰值- 3dB点点- 3dB点点15 (eg)垂直面方向图垂直面方向图立体方向图立体方向图14西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室(6) (6) 旁瓣旁瓣: : 在主辐射波瓣旁，还有许多副瓣，沿角度方在主辐射波瓣旁，还有许多副瓣，沿角度方向展开如图向展开如图12 - 3 12 - 3 所示。其中，所示。其中，HPBWHPBW为半功率波束宽为半

7、功率波束宽度，辐射最大功率下降度，辐射最大功率下降3dB3dB时的角度时的角度; ; FNBW为第一零为第一零点波束宽度点波束宽度; SLL为旁瓣高度为旁瓣高度，辐射最大功率与最大旁辐射最大功率与最大旁瓣的差。瓣的差。 图 12-3 主瓣与旁瓣主瓣HPBWSLL旁瓣FNBW角度/deg15西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室(7) (7) 方向系数方向系数D D定义为定义为 式中，式中，P Pmaxmax为最大功率密度，单位为为最大功率密度，单位为W/mW/m2 2; P; Pavav为平均辐为平均辐射功率密度，单位为射功率密度，单位为W/mW/m2 2。常见的天线方向

8、系数如下：常见的天线方向系数如下：偶极天线偶极天线 D=1.5 D=1.5 或或 1.76dB1.76dB单极天线单极天线 D=1.5 D=1.5 或或 1.76 dB1.76 dB抛物面天线抛物面天线喇叭天线喇叭天线式中式中，d为抛物面半径为抛物面半径，为信号波长为信号波长，A为喇叭口为喇叭口面面积。面面积。 avPPDmax22)(dD （12 - 4）16西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室增益的单位通常写为增益的单位通常写为 dBi 或或 dBddBi 当用理想的点源天线来比，从而得到增益数值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时则用此单位.dB

9、d 当增益是和一个半波对称阵子比较时用此单位当增益是和一个半波对称阵子比较时用此单位.增益的单位增益的单位17西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室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垂直极化水平极化水平极化+ 45度倾斜的极化度倾斜的极化- 45度倾斜的极化度倾斜的极化18西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室12.1.2 12.1.2 远区场概念远区场概念通常，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，如图平面波，如图12-412-4所示。辐射方向图是在远区测量。下所示

10、。辐射方向图是在远区测量。下面给出远、面给出远、 近场的分界点。近场的分界点。 19西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-4 远区场概念球面波平面波D辐射点源等相位面天线lRD/2Rl源20西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室在射频在射频/ /微波应用上，天线的类型与结构有许多种类。就微波应用上，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；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、就结构分，有单极子型、对称振子型、喇叭型、抛物面型、 角型、

11、螺旋型、介质平板型及阵列型天线等，如图角型、螺旋型、介质平板型及阵列型天线等，如图12 - 6 12 - 6 所所示；示； 就使用频宽分，有窄频带型（就使用频宽分，有窄频带型（10%10%以下）和宽频带型以下）和宽频带型（10%10%以上）。表以上）。表12 -12 - 1归纳了天线类型。图归纳了天线类型。图12 - 7 给出了三给出了三种天线的增益比较。种天线的增益比较。 21西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-6 常见天线22西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室拉杆天线拉杆天线23西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线

12、实验室室引向天线引向天线24西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室喇叭天线喇叭天线25西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室微带天线微带天线26西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室卫星接收天线卫星接收天线宽带全向天线宽带全向天线3m3m微波接力通信天线微波接力通信天线27西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室28西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室29西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室30西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室吸顶天线

13、天线 31西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室gsm专用于小区域室内天线分.板状天线天线 32西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室六十年代，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。 33西安电子科技大西安电子

14、科技大学智能天线实验学智能天线实验室室中国探月工程昆明地面站中国探月工程昆明地面站40米天线建成验收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。34西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室中国远程相控阵雷达中国远程相控阵雷达35西安电子科技大西安电子科技大学智能

15、天线实验学智能天线实验室室舰载对空搜索雷达天线舰载对空搜索雷达天线相控阵雷达天线相控阵雷达天线36西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室螺旋天线螺旋天线37西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室俄罗斯新型有源相控俄罗斯新型有源相控阵雷达天线阵雷达天线俄军巨型雷达天线阵列俄军巨型雷达天线阵列38西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-7 三种常用天线增益比较喇叭型螺旋型对称阵子型39西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室表12 - 1 天线分类40西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实

16、验室室 单极天线和对称阵子是全向天线，广泛应用于广播、移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，如图镜像可以等效为对称阵子，如图12 - 812 - 8所示。对称阵子长度所示。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。在小于一个波长，辐射方向图是个油饼形或南瓜形。在=90=90时电场辐射最强，时电场辐射最强，0 0时没有辐射。磁场辐射是个圆环，

17、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，增益为磁场信号，增益为1 1。41西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-8 单极天线和对称阵子及其方向图z对称阵子天线E面对称阵子天线H面金属或地面单极天线镜像(a)(b)(c)对称阵子天线0.20.50.5042西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室一般地，对称阵子天线的长度等于半波长，单极天线一般地，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，阻抗为的长度等于四分之一波长，阻抗

18、为73 73 ，增益为，增益为1.641.64（2.15 dB2.15 dB）。如果天线长度远小于波长，称为短阵子，）。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的增益近似为1.5(1.7 dB)1.5(1.7 dB)。实际中把单极阵子称作鞭。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，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，如图接地板与外导体相接，接地板通常是车顶或机箱，如图12 - 9 12 - 9 所示，辐射方

19、向图是对称阵子方向图的一半所示，辐射方向图是对称阵子方向图的一半(上上半部分半部分)，阻抗也是对称阵子的一半（阻抗也是对称阵子的一半（37 ）。）。 43西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-9 单极天线的馈电402a单极天线同轴馈线单极天线44西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室对称阵子和单极天线有许多变形，折合阵子是两个对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，如图称阵子的对接，如图12-10 12-10 所示，折合后的长度为半波所示，折合后的长度为半波长，阻抗为长，阻抗为4 473300 73300 。折合阵子可

20、以看成对称模。折合阵子可以看成对称模和非对称模的叠加。和非对称模的叠加。图 12-10 折合阵子天线20同 轴 馈 线45西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室单极天线的另一种变形是倒单极天线的另一种变形是倒L L型和倒型和倒F F型天线，如图型天线，如图12-11 12-11 所示。四分之一波长的变形天线尺寸降低，便于所示。四分之一波长的变形天线尺寸降低，便于安装。图安装。图12-11(c)12-11(c)是一种宽带变形，用金属板代替了导是一种宽带变形，用金属板代替了导线。线。单极天线的另一种变形是倒单极天线的另一种变形是倒L L型和倒型和倒F F型天线，如图型天线，如

21、图12-11 12-11 所示。四分之一波长的变形天线尺寸降低，便于所示。四分之一波长的变形天线尺寸降低，便于安装。图安装。图12-11 (c) 12-11 (c) 是一种宽带变形，用金属板代替了是一种宽带变形，用金属板代替了导线。导线。46西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-11 倒L型和倒F型天线面形阵子l1l2l3l1l2半波阵子：短对称阵子：4031ll(a)(b)(c)02 l4021ll021 ll 47西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室喇叭天线是波导与空气的过渡段，有圆喇叭和方喇叭两种，喇叭天线是波导与空气的过渡段，有圆

22、喇叭和方喇叭两种，分别与圆波导和方波导相连接。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。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。对于图对于图12 - 12 所示矩形波导喇叭所示矩形波导喇叭，获得最佳增益的天线尺获得最佳增益的天线尺寸和增益为寸和增益为 2000lg101 . 8)(23ABdBGlBlAch（12 - 8） （12 - 9） 48西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-12 矩形喇叭及其方向图

23、 H面 (xz, 0 )1.0幅度lhlhAlclcBABbaE面 (yz, 90 ) 49西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室 对于图对于图12 - 13 所示圆锥喇叭所示圆锥喇叭，获得最佳增益的天线尺获得最佳增益的天线尺寸和增益为寸和增益为 如如ab=22.86 mm10.16 mm， AB=22.86 cm10.16 cm的的10 GHz矩形喇叭矩形喇叭，增益为增益为22 dB。 82. 2lg20)(300DdBGlDc（12 - 10） （12 - 11） 50西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-13 圆锥喇叭DDlclc51

24、西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室抛物面天线是一种高增益天线，是卫星或无线接力通信等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。如图点对点系统中使用最多的反射面天线。如图12 - 14 12 - 14 所示，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。如果照度效率为发射出去。如果照度效率为100100，则有效面积等于实际面积，则有效面积等于实际面积，即即ADAe2)2(（12 - 12）52西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图

25、12-14 抛物面天线反射面ABCDEFR馈源X平面波53西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室实际中，由于溢出、实际中，由于溢出、 阻塞和损耗，照度效率只有阻塞和损耗，照度效率只有55557575，取最坏情况，取最坏情况5555：半功率波束宽度为半功率波束宽度为20202)(55. 04)2(55. 0DAGDAAee增益为deg700DHPBW（12 - 13） （12 - 14） （12 - 15） 54西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室 若有抛物面口径为若有抛物面口径为1 m1 m，工作频率为，工作频率为10 GHz10 GHz，照度效，

26、照度效率为率为5555的抛物面天线，可以计算出增益为的抛物面天线，可以计算出增益为37dB37dB，HPBWHPBW为为2.32.3，在，在55 m55 m处形成远场（平面波）。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，如图馈源方式，如图12 - 15 12 - 15 所示。所示。55西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-15 抛物面天线的四种馈源方式(a) 前馈; (b) 卡赛格伦;

27、(c) 格利高里; (d) 偏馈馈源反射面副反射面反射面馈源偏置副反射面(d)(c)馈源副反射面反射面馈源(a)(b)反射面56西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室前馈最简单，照度效率为前馈最简单，照度效率为55%55%6060，馈源及其支架，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，效率为相似，只是用了椭圆副反射面，效率为7676。偏馈的方。偏馈的方法避免了馈源或副反射面的遮挡，旁

28、瓣类似，同样增益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。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、部分抛物面，这种天线常用在船上。为了减轻重量、 承承受风压受风压，抛物面可以做成网状的。抛物面可以做成网状的。 57西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室微带天线结构紧凑，一致性好，成本低，效率高，近年来微带天线结构紧凑，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。矩形贴得到了长足的发展。常用的微带天线是矩形或圆形。

29、矩形贴片天线如图片天线如图12 - 16 所示。所示。 图 12-16 矩形贴片天线W微 带 贴 片 天 线介 质hr地WL58西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室12.6.1 12.6.1 微带天线基本知识和矩形微带天线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，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

30、看成是具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。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，假定电场沿宽带化，假定电场沿宽带W W方向不变化，并且天线的辐射是方向不变化，并且天线的辐射是宽边的边沿。宽边的边沿。59西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室辐射边沿可以看作用微带传输线连接起来的辐射槽，辐射边沿可以看作用微带传

31、输线连接起来的辐射槽，如图如图12 - 17 所示，单个辐射槽的辐射电导为所示，单个辐射槽的辐射电导为20220212090WWGW0 W0 （12 - 16） 60西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室YinY0LLhG j BG j B等 效 电 路图12 17 边沿辐射槽61西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室 微带天线的工作频率与结构参数的关系为微带天线的工作频率与结构参数的关系为 W不是很关键不是很关键，通常按照下式确定通常按照下式确定: )2(20LLcfe(12 - 21)2/10122rfcW(12 - 22)62西安电子科技大西安

32、电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-18 矩形天线实例LWw1w2l163西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室微带天线缺点：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。64西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室设计实例：设计实例：设计设计3 GHz3 GHz微带天线，基板参数为微带天线，基板参数为2.2/0.7622.2/0.762，并用四，并用四分之一线段实现与分之一线段实现与50 50 馈线的匹配。馈线的匹配

33、。天线拓扑如图天线拓扑如图12 - 18 12 - 18 所示。所示。步骤一：步骤一： 确定各项参数确定各项参数: : W=3.95cm W=3.95cm， e e=2.14=2.14， L=0.04cmL=0.04cm L=3.34cm L=3.34cm， R Rinin=288=288步骤二：步骤二： 阻抗变换器的特性阻抗为阻抗变换器的特性阻抗为ZT0= =120 5028865西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室步骤三：步骤三： 由微带原理计算得变换器的长度和宽度为由微带原理计算得变换器的长度和宽度为l1 1=1.9 cm=1.9 cm， w w1 1=0.044

34、2cm=0.0442cm 微带天线的辐射方向图可以用电磁场理论严格计算。微带天线的辐射方向图可以用电磁场理论严格计算。图图12 - 1912 - 19是典型的方向图，典型是典型的方向图，典型HPBW=50HPBW=506060，G=5G=58 dB8 dB。66西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-19 微带天线的典型方向图 22518013590H面0315 10 20 40 506050402010450 10 20 40 5060 3040503020103154590135180225E面 3067西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验

35、室室在许多场合下要利用合适的馈线点实现微带天线的圆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。如图极化。如图12 - 20 12 - 20 所示，所示，9090耦合器激励两个方向的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。极化。68西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-20 圆极化微带天线馈线点方形贴片69西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室12.6.2 12.6.2 微带天线的其他形式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、导体贴

36、片一般是规则形状的面积单元，如矩形、 圆形或圆形或圆环形薄片等，也可以是窄长条形的薄片振子圆环形薄片等，也可以是窄长条形的薄片振子( (对称阵子对称阵子) )。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，如图振子天线，如图12 - 2112 - 21（a a）、（）、（b b）所示。微带天线的另）所示。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变一种形式是利用微带线的某种形变( (如弯曲、如弯曲、 直角弯头等直角弯头等) )来形成辐射，称为微带线型天线，如图来形成辐射，称为微带线型天线，如图12 - 21(c)12 - 21(

37、c)所示。因所示。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一侧的微带线或其他馈线( (如稽线如稽线) )对其馈电，称之为微带缝对其馈电，称之为微带缝隙天线，如图隙天线，如图12 - 21(d)12 - 21(d)所示。由各种微带辐射单元可构成所示。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、多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线、 微带振子阵天线微带振子阵天线，等等。等等。 70西安电子科

38、技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-21 微带天线的四种形式接 地 板微 带 线接 地 板微 带 线导 体 振 子接 地 板槽 线导 体 贴 片介 质 基 片接 地 板微 带 线(a)(b)(c)(d)71西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组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），圆形或环成。缝隙可以是矩形（宽的或窄的），圆形或环形。形。 窄缝窄缝 圆环缝圆环缝 宽缝宽缝 圆贴片缝圆贴片缝72西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图图12 - 22

39、 12 - 22 为两种馈电形式的矩形微带天线示意图，为两种馈电形式的矩形微带天线示意图，图（图（a a）是背馈，同轴线的外导体与接地板连接，内导）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（体穿过介质与贴片天线焊接；图（b b）为侧馈，通过阻）为侧馈，通过阻抗变换与微带线连接。抗变换与微带线连接。73西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-22 微带天线的两种馈电方式(a)(b)74西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室大多数微带天线只在介质基片大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，的一面上有辐射单元

40、，因此，可以用微带天线或同轴线馈电。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因为天线输入阻抗不等于通常的的5050 传输线阻抗，所以需要传输线阻抗，所以需要匹配。匹配可由适当选择馈电匹配。匹配可由适当选择馈电的位置来做到。但是，馈电的的位置来做到。但是，馈电的位置也影响辐射特性。位置也影响辐射特性。中心微带馈电和偏心微带馈电。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馈电点的位置也决定激励那种模式。式。同轴插座安装在印制电路板的背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，同轴插座的体上。对指定的模，同轴插座

41、的位置可由经验去找，以便产生最位置可由经验去找，以便产生最好的匹配。好的匹配。75西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室矩形微带天线作为独立天线应用时采用背馈方式，而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：侧馈的矩形微带天线时，可按下述方法实现匹配： 将将中心馈电天线的贴片同中心馈电天线的贴片同50 50 馈线一起光刻制作，实测馈线一起光刻制作，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其输入阻抗并设计出匹配器，然后在

42、天线辐射元与微带馈线间接入该变换器。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，图任何形式的平面几何结构都可以用作微带天线，图12-2312-23是部分微带天线形式。是部分微带天线形式。76西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室12.6.3 12.6.3 圆盘微带天线的设计实例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、天线径、馈电位置、输入阻抗、天线Q Q值、辐射效率、值、辐射效率、 总效总效率、输入率、输入VSWRVSWR及频带、辐射方向图。计算过程复杂，

43、已及频带、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，并有图表和软件可使用。下面给出圆盘半径计算公式，并以以900 MHz900 MHz天线为例，利用计算程序天线为例，利用计算程序MathcadMathcad描述设计过描述设计过程。圆盘半径为程。圆盘半径为2/1)7726. 12(ln21hKKhKar（12 - 23） 77西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室式中式中设计实例：设计实例：设计设计900 MHz圆盘微带天线，介质参数为圆盘微带天线，介质参数为4.5/1.6。(1) 确定参数。天线的拓扑结构为：设计频率确定参数。天线的拓扑结构

44、为：设计频率f0=0.9 GHz， 最大输入驻波比最大输入驻波比VSWR=2.0 1，基板参数为高度，基板参数为高度h=0.16 cm，介电常数，介电常数r=4.5，损耗正切，损耗正切 tan=0.015，导体铜的，导体铜的=1.0。rfK0794. 878西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室(2) 利用设计软件（利用设计软件（cpatch.exe）求出圆盘圆形天线的半）求出圆盘圆形天线的半径、径、 接头馈入位置、接头馈入位置、 频率与输入阻抗的关系。频率与输入阻抗的关系。 半径半径=4.580 cm 馈电点馈电点=1.800 cm频率与阻抗对应关系如表频率与阻抗对应关

45、系如表 12-1 所示。所示。79西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室表 12-1 频率与阻抗对应关系 80西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-24 圆盘形微带天线结构图馈入接头4.58 cm1.8 cm0.16 cmFR4 Er=4.5TAND = 0.015090180270E面H面(d)(c)(b)(a)900903020100H面.5.2.2.5125552.2.52方向图角度DBSCALE=40.05 dB PER DIVISION15 degreesPER ANGLE DIVISIONE面81西安电子科技大西安电子科技大学智

46、能天线实验学智能天线实验室室几种主要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选取合适的介质和贴片附加寄生元附加寄生元 采用特殊的贴片形式采用特殊的贴片形式采用合适的馈电方法采用合适的馈电方法其他方法其他方法天线加载天线加载82西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室几何结构几何结构厚介质基片厚介质基片由辐射引起的值由辐射引起的值Qr几乎几乎与电厚度成反比，因此增加基与电厚度成反比，因此增加基片的厚度能够有效地展宽带宽。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但电厚度过大会引起表面波的明显激励，使得辐射效率降的明显激励，使得辐射效率降低，一般微带天线

47、的设计中其低，一般微带天线的设计中其电厚度不超过电厚度不超过0.2。选取合适的选取合适的a/b增大增大a/b对增加带宽有一定对增加带宽有一定的意义，但潜力有限的意义，但潜力有限当当a/b过大时会激发其他模，过大时会激发其他模，从而引起方向图的恶化，从而引起方向图的恶化，83西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室介质电参数介质电参数r低介电常数低介电常数降低降低 增加带宽的方法其增加带宽的方法其潜力也是有限的低潜力也是有限的低 将减小将减小表面波的影响，但馈线要变表面波的影响，但馈线要变宽一些，需要抑制辐射损宽一些，需要抑制辐射损耗耗 的最小值为，为获得的最小值为，为获得低

48、的介电常数，现在采用蜂低的介电常数，现在采用蜂窝结构或泡沫材料介质，也窝结构或泡沫材料介质，也有用在介质板上打孔的方法有用在介质板上打孔的方法降低介电常数降低介电常数高损耗角正切高损耗角正切采用大损耗的介质可降采用大损耗的介质可降低低d，在展宽带宽的同，在展宽带宽的同时也可减小贴片的尺寸，时也可减小贴片的尺寸，实现小型化实现小型化由于损耗大，使得天线由于损耗大，使得天线的效率降低的效率降低rrr84西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室介质厚度介质厚度h对带宽的影响：对带宽的影响：3.053.103.153.203.253.303.35Freq GHz1.001.502.

49、002.503.00Y1Ansoft CorporationHFSSDesign1XY Plot 6h=4mmh=3mmh=2mmh =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：小结：通过选取适当的介质和贴通过选取适当的介质和贴片主要是减小微带天线的片主要是减小微带天线的Q值以达到增大带宽的目的。值以达到增大带宽的目的。这几种方式都受一定的限这几种方式都受一定的限制，作用不是太显著，要获制，作用不是太显著，要获得更大的带宽还需采取其他得更大的带

50、宽还需采取其他方法。方法。这种方法总是和其他展宽这种方法总是和其他展宽带宽的方法相结合使用的，带宽的方法相结合使用的，是最基本的方法。是最基本的方法。85西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室根据寄生元放置位置的不同可分为两种结构，即根据寄生元放置位置的不同可分为两种结构，即多层结构多层结构和和共共面寄生结构面寄生结构，两种结构分别如下图：，两种结构分别如下图：多层结构共面寄生结构86西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室基本原理基本原理馈电元与寄生元上下放馈电元与寄生元上下放置，介质层间可以有空气置，介质层间可以有空气层。层。选定介质基片，主要调选

51、定介质基片，主要调节参数为馈电元尺寸，寄节参数为馈电元尺寸，寄生元尺寸以及空气层厚度。生元尺寸以及空气层厚度。能有效展宽带宽，方向能有效展宽带宽，方向图波瓣变窄，增益变大。图波瓣变窄，增益变大。由于用多层结构，天线由于用多层结构，天线的厚度很大，在限制天线的厚度很大，在限制天线厚度的情况下，应用受到厚度的情况下，应用受到限制限制多层结构多层结构馈电元与寄生元共面放置，馈电元与寄生元共面放置，可通过缝隙耦合，也可附加可通过缝隙耦合，也可附加直接耦合贴片。直接耦合贴片。主要调节参数为馈电元尺主要调节参数为馈电元尺寸，寄生元尺寸，缝隙宽度寸，寄生元尺寸，缝隙宽度以及直接耦合时微带线宽。以及直接耦合时

52、微带线宽。能有效展宽带宽，并保持能有效展宽带宽，并保持了微带的低剖面特性了微带的低剖面特性。附加了共面寄生元，使附加了共面寄生元，使得天线面积加大，同时得天线面积加大，同时破坏了结构的对称，带破坏了结构的对称，带内方向图特性较差。内方向图特性较差。共面寄生结构共面寄生结构通过馈电元对寄生通过馈电元对寄生元耦合馈电，将微元耦合馈电，将微带天线的等效谐振带天线的等效谐振电路由单谐振回路电路由单谐振回路改为多谐振回路，改为多谐振回路，调节天线参数使两调节天线参数使两个谐振频率适当接个谐振频率适当接近，形成频带展宽近，形成频带展宽的双峰谐振回路。的双峰谐振回路。87西安电子科技大西安电子科技大学智能天

53、线实验学智能天线实验室室基本结构基本结构: 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，图化，图2.5给出了两种种典型的结构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88西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室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。线设计需考虑的因素。微带天线两种主要馈电方式：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

54、的探针馈电：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。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。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：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电，通过容性贴片补偿探针引起的感抗，实现较宽的频带。抗，实现较宽的频带。采用

55、反转结构，将容性贴片放在介质采用反转结构，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，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可将容性贴片和辐射元在一层介质上加工。加工。89西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室Reconfigurable Antenna (RA)Frequency RAPolarization RAPattern RACombined RAContinuous TuningDiscrete TuningHorizontal & VerticalRHCP

56、 & LHCPLinear &CPBeam ScanningMain Beam Shape ChangingTwo CharacteristicsThree Characteristics90西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室Frequency Reconfigurable AntennasA microstrip dipole antenna using two silicon switches can operate at either 2.26 GHz or 3.15 GHz. 91西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室A

57、planar reconfigurable reflectarray can achieve a beam-scanning range of 50 by 50 .Pattern Reconfigurable Antennas for Beam Scanning92西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室单个天线的波束宽度与增益的矛盾限制了它的使用。在有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。天线阵把能工作波长有关，必须

58、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量聚焦于同一个方向，增加了系统的作用距离。增加了系统的作用距离。 12.7.1 12.7.1 天线阵天线阵考虑图考虑图12 - 25 12 - 25 所示的沿所示的沿z z方向分布的一维天线阵，总辐方向分布的一维天线阵，总辐射场为每个单元的叠加。射场为每个单元的叠加。93西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 12-25 沿z方向分布的一维n元相控阵(N1) d cos4d cos3d cos2d cosd cosrNr5r4r3r2r112345Nddddz0z 94西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室远区场幅度相等，即远区场幅度相等，即r1=r2=r3=rN=r （12 - 24） 每个天线单元的家间距为每个天线单元的家间距为d， 引起的相移为，引起的相移为， 由距离引起由距离引起的相移分别是的相移分别是 r1=rr2=r+dcosrN=r+(N-1)dcos （12 - 25）故总场强为故总场强为 阵因子元方向图NidkijirjkteIrefE1)cos)(1(004),(（12 - 26）95西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室 式(12-26)称为方向图乘积原理。阵