微波集成电路与系统 课件 第十一章微波天线

第十一章

微波天线2微波天线的定义与分类微波天线的功能与性能微波天线周围的场区分布和互易性微波天线的设计与制备3微波是指频率范围在300MHz-300GHz之间的电磁波，所对应的波长为1米至1毫米之间，是分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波的统称。IEEE标准将天线定义为“辐射或接收无线电波的装置”（Atransitionalstructurebetweenfree-spaceandaguidingdevice）。因此微波天线指的是工作在微波波段的发射或接收天线。微波天线Whatisthis-微波天线的定义4按工作性质分类;按用途分类;按天线特性分类;按极化特性分;按频带特性分;按天线上电流分布分类;按使用波段分类;按载体分类;按天线外形分类;按天线结构和分析方法分类。按天线辐射方式进行，适当考虑天线结构、工作频段和应用等因素，可分为四组基本类型：线元天线、行波天线、阵列大线和孔径大线。线元天线行波天线阵列天线孔径天线单极子天线长线天线侧射阵天线角锥喇叭天线偶极子天线菱形天线端射阵天线扇形喇叭天线环天线螺旋天线直线阵天线圆锥喇叭天线缝隙天线八木天线平面阵天线多模喇叭天线载体天线对数周期天线圆形阵天线混合模喇叭天线微带天线慢波天线共形阵天线波纹喇叭天线加载天线快波天线信号处理阵天线抛物面喇叭天线有源天线漏波天线自适应阵天线脊形喇叭天线双锥天线表面波天线多波束阵天线单反射面天线鞭状天线长介质棒天线相控阵天线双反射面天线

极低副瓣阵天线球形反射面天线

偏置反射面天线

环焦反射面天线

切割反射面天线

孔径扫描天线

透镜天线

角形反射面天线

背射天线

微带反射阵微波天线Whatisthis-微波天线的分类5天线的作用就是把传输线上传播的导行波，变换成无界媒介中传播的电磁波。它的功能有以下两个方面：能量转换、定向辐射或接收电磁波。1、能量转换。对于发射天线，天线应将电路中的高频电流能量或传输线上的导行波能量尽可能多地转换为空间的电磁波能量辐射出去；对于接收天线，天线应将接收的电磁波能量最大限度地转换为电路中的高频电流能量输送到接收机。2、定向辐射或接收电磁波。即天线具有对能量进行空间分配的功能。对于发射天线，辐射的电磁波能量应尽可能集中在指定的方向上，而在其它方向不辐射或辐射很弱；对于接收天线，只接收来自指定方向上的电磁波，在其它方向接收能力很弱或不接收。因此，一副好的天线应该具有完成某种任务而要求的方向性。微波天线的功能与性能Whyneedit-微波天线的功能6发射端：发将射机的高频电流转换为电磁波（产生电磁波的振荡源）。接收端：将空间传播的电磁波传来的电磁能量转换为接收机的高频电流。无线电通信系统中发射天线和接收天线的基本工作原理

微波天线的功能与性能Howaboutit-微波天线的工作原理7天线的指标参数分为两部分：1.电路参数，天线高效率辐射的保证，天线应用的必要条件；2.辐射参数，天线应用的本质，天线应用的充分条件。天线的电路参数包括输入阻抗、反射系数、驻波比、回波损耗、阻抗带宽等。天线的辐射参数包括方向图、主瓣宽度、副瓣电平、零点、方向性系数、增益、极化方式、交叉极化比等。（1）输入阻抗。天线输入端的阻抗。在电路中，天线就是负载的阻抗（频率的函数）。输入阻抗与天线输入端电压Vin、电流Iin和输入功率Pin之间的关系为

微波天线的功能与性能Howaboutit-微波天线的性能8天线的输入阻抗一般为复数，包含电阻Rin和电抗Xin两部分，Rin又包含辐射电阻Rr和损耗电阻Rl两个分量，即如果不计热损耗，则天线的输入电阻就是其辐射电阻。（2）反射系数和驻波比。反射系数：一般指电压反射系数，反射波电压和入射波电压之比。驻波比：电压的最大振幅与最小振幅之比。

天线的理想电路模型V+表示入射波电压，V-表示反射波电压，V0为馈线的阻抗,

ZL为等效的天线的阻抗。一般系统的馈线阻抗为50欧姆。微波天线的功能与性能Howaboutit-微波天线的性能9其中I(z)和V(z)的关系如下所示

由以及得（3）阻抗带宽。天线的阻抗带宽，其定义为：偏离中心频率时，天线的某些电特性将下降，在天线某个性能参数下降到容许值的频率范围。也称为天线的工作频带，或绝对带宽。工程上一般以天线的输入端口VSWR≤2(S11≤-10dB)为基准定义工作带宽，也有部分系统以VSWR≤3(S11≤-6dB)为基准定义工作带宽。即（绝对）带宽BW为：fL为工作频带内最大频率，fH为工作频带内最大频率。相对带宽RBW是工作频带内绝对带宽与中心频率fo的比值：窄带（NarrowBand）的相对带宽小于1%,宽带（BroadBand）的相对带宽在1%~25%，超宽带（Ultra-WideBand，UWB）的相对带宽大于25%。二倍频BW2定义为系统绝对带宽与高低端频率之和的比值，即绝对带宽与二倍中频之比。BW2取值范围为0≤BW2≤1，这个定义常用在超带宽领域。三倍频BW3定义为最高和最低频率之比，其定义式为：

这个定义的带宽范围为1~∞，这个定义也常用在超宽带领域。1011（4）方向图。

天线方向图是指天线辐射特性与空间坐标之间的函数图形，分析天线的方向图就可分析天线的辐射特性。

辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位和极化，因此天线的方向图又分为场强方向图、功率方向图、相位方向图和极化方向图。在天线分析中常采用如下归一化方向性函数表示：

式中

为天线最大辐射方向，

为方向性函数，描述天线辐射场的相对值与空间方向的函数关系，

为方向性函数的最大值。微波天线的功能与性能Howaboutit-微波天线的性能12

天线的辐射特性可采用二维和三维方向图来描述。三维方向图又可分为球坐标三维方向图和直角坐标三维方向图，这两种三维方向图又可采用场强的幅度和分贝表示；二维方向图又分为极坐标方向图和直角坐标方向图，这两种二维方向图也可采用场强的幅度和分贝表示。天线在球坐标下的三维方向图极坐标下二维场强幅度幅度方向图直角坐标下二维场强幅度方向图13

天线方向图一般是一个三维空间的曲面图形，但工程上一般采用两个相互正交的主平面上的方向图来表示天线的方向性，这两个主平面称为E面和H面。E面是通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面；H面是通过天线最大辐射方向并垂直于E面的平面。角锥喇叭天线的E面和H面极坐标下二维场强分贝方向图直角坐标下二维场强分贝方向图14（5）主瓣宽度。指方向图主瓣上两个半功率点（即场强下降到最大值的0.707倍处或分贝值从最大值下降3dB处对应的两点）之间的夹角，记为

。主瓣宽度有时又称为半功率波束宽度或3dB波束宽度。一般情况下，天线的E面和H面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为

和

。（6）副瓣电平。副瓣也称旁瓣，指副瓣最大值模值与主瓣最大值模值之比，通常用分贝表示。即

式中，

为第i个副瓣的场强最大值，

为主瓣最大值。这样，对于各个副瓣均可求得其副瓣电平值。在工程应用中，副瓣电平是指所有副瓣中最大的那个副瓣电平，记为SLL。一般情况下，紧靠主瓣的第一副瓣的电平值最高。（7）零点。零点：又称零深，指主瓣与副瓣、副瓣与副瓣之间的凹点。主瓣与第一副瓣之间的凹点称为第一零深。微波天线的功能与性能Howaboutit-微波天线的性能15（8）方向性系数。方向性系数是基于天线的辐射功率来考虑的，没有考虑天线材料损耗和因阻抗失配引起的反射功率

等因素。方向性系数描述天线辐射集中的程度，一般有两种定义方法。定义方法一：在相同辐射功率Pr情况下，某天线在给定方向的辐射强度U(θ,φ)与理想点源天线在同一方向的辐射强度D0(θ,φ)之比。即辐射强度与电场强度的平方成正比，因此上式也可以写为定义方法二：在给定方向产生相同电场强度下，理想点源天线的输入功率Pin0与某天线输入功率Pin之比。即一般情况下，均指最大辐射方向的方向性系数，因此上式也可写为相同辐射功率条件相同电场强度条件16（9）效率与增益。天线增益是基于天线的输入功率来考虑的，更能反映实际辐射的性能。天线的增益与天线的方向性系数密切相关，同样也有两种定义方法。定义方法一：在相同输入功率Pin条件下，某天线在给定方向上的辐射强度U(θ0,φ0)与理想点源天线在同一方向的辐射强度U0(θ0,φ0)的比值。即

定义方法二：在某方向产生相同电场强度的条件下，理想点源的输入功率Pin0与某天线输入功率Pin的比值。即

天线的效率是用来计及损耗的，天线的损耗包括其结构内的欧姆损耗和天线与传输线失配产生反射而引起的损耗。而天线结构内的损耗又包括导体和介质的损耗。天线的总效率ηa定义为：天线辐射到外部空间的实功率与天线馈电端输入的实功率之比。即

17（10）极化。

天线的极化定义为：在最大增益方向上，作发射时其辐射电磁波的极化，或作接收时能使天线终端得到最大可用功率的方向入射电磁波的极化。最大增益方向就是天线方向图最大值方向，或最大指向方向。

（a）线极化（b）圆极化（c）椭圆极化空间某点处平面电磁波电场矢量取向随时间变化及极化轨迹在无线电通讯中，只有在收、发天线的极化匹配时，才能获得最大的功率传输，否则会出现极化损失。 18下表给出了就线极化天线和圆极化天线在最大指向方向对准时，讨论收、发天线极化不一致产生的极化损失系数的几种典型情况。极化损失系数是指接收天线的极化与来波极化不完全匹配时，接收功率损失的多少，用K来表示，它可定义为：接收到的功率Pre与入射到接收天线上的功率Pi之比。即:发射天线接收天线极化损失系数K垂直极化/水平极化垂直极化/水平极化1水平极化/垂直极化水平极化/垂直极化0垂直极化或水平极化圆极化1/2左/右旋圆极化左/右旋圆极化1右/左旋圆极化右/左旋圆极化019（11）有效面积。发射天线的有效面积定义为在保持该天线辐射场强不变的条件下,设天线孔径场为均匀分布时的孔径等效面积。接收天线的有效面积则定义为接收天线所截获的电磁波总功率与电磁波通甘密度之比值。天线的有效面积Ae与大线增益及工作波长的关系如下：

孔径天线的有效面积Ae一般小于天线的几何孔径面积A,它们的比值称为孔径利用系数或孔径效率，即

（12）其他指标。天线某个性能参数符合规定标准的频率范围，包括增益带宽、轴比带宽等。微波天线的功能与性能Howaboutit-微波天线的性能20一副发射天线可以视为辐射电磁波的波源，其周围的场强分布一般都是离开天线距离的角坐标的函数。通常，根据离开天线距离的不同，将天线周围的场区划分为感应场区，辐射近场区和辐射远场区。感应场区又称为电抗近场区，是指非常靠近天线的区域。在这个场区里，占优势的是感应场，其电场和磁场的时间相位相差90度，坡印亭矢量为纯虚数，因此不辐射功率，电场能量和磁场能量相互交替地贮存于天线附近的空间内。从物理概念上讲，感应近场区是一个储能场，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换，是一种感应场。Howaboutit-微波天线周围的场区分布21在辐射近场区中，辐射场占优势，其特点是：电场相对角分布(即方向图)与离开天线的距离有关，即在不同距离处的天线方向图是不同的。这是因为：(1)由天线各辐射元所建立的场相对相位关系是随距离而变的。(2)这些场的相对振幅也随距离而改变。在辐射近场区的内边界处(即感应场区的外边界处)，天线方向图是一个主瓣和副瓣难以区分的起伏包络。随着离开天线距离的增加，直到靠近远场辐射区时，天线方向图的主瓣和分瓣才明显形成，但零点电平和副瓣电平均较高。辐射近场区的外边界按通用标准规定为：式中，r为观察点到天线的距离，D是天线孔径的尺寸。Howaboutit-微波天线周围的场区分布22辐射远场区（又称为夫朗荷费区）。这个区域里的特点是：(1)场的大小与离开天线的距离成反比。(2)场的相对角分布与离开天线的距离无关。(3)方向图主瓣、副瓣和零点已全部形成。辐射远场区是进行天线测试的重要场区，天线辐射特性所包括的各特性参数的测量-般均需在辐射远场区内进行。辐射近场区方向图的变化Howaboutit-微波天线周围的场区分布23天线通常都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。Whatisthis-微波天线的互易性24

偶极天线是由一对对称放置的直导线或者金属管（也称臂长）构成，导体相互靠近的两端分别与馈电线相连。一般说偶极大线是指天线两臂的几何尺寸或结构形式完全对称，即中心馈电的对称振子，亦称“振子天线”。若两臂的结构或尺寸不完全相对应,则称为不对称偶极天线。若偶极天线的一臂长度为零并将馈点直接接地，另一臂垂直于地离架设则构成单极天线。

在中点馈电，两臂对称的直线、曲线和贴片天线等均可叫做对称振子天线。如高斯曲线对称振子，单面敷铜的贴片对称振子等。偶极天线Howaboutit-偶极天线25要计算天线的辐射场需要知道天线的电流分布，这是一个较为复杂的问题。理论和实践都已证明，对干细导线构成的对称天线，可将其看成是末端张开的平行双线传输线形成的，并用末端开路传输线上的电流分布来近似对称天线上的电流分布，即其E面方向性函数为工程中常采用半波振子和全波振子两种对称振子天线。半波振子的全长为：2l=λ/2，其方向性函数为全波振子的全长为：2l=λ，其方向性函数为其H面方向性函数为Howaboutit-偶极天线26微带天线一般由介质基板、辐射体及接地板等构成。微带天线有许多种形式，其中主要包括微带贴片天线、微带振子天线、微带线型天线和微带缝隙天线等。其中微带贴片天线是最常见的微带天线，由介质基板、接地板、导体贴片或微带线组成，也称为贴片天线。导体贴片可以是矩形、圆形、圆环形、窄条形等各种规则形状。微带贴片天线利用微带线或同轴线等馈电。

优点：尺寸小、剖面低、重量轻；具有平面结构，可与各种载体共形；制造工艺简单，成本低；馈电网络可与天线印制在一起，适合于用印刷电路技术批量生产；能与有源器件或电路集成为单一模块；能得到单方向的宽方向图，最大辐射基本上在平面的法线方向；易于实现线极化或圆极化和双频工作。主要缺点：功率容量小、损耗(介质损耗和表面波损耗等)大，因此频带窄，效率低。常见微带天线Howaboutit-微带天线27微带天线的分析有许多方法，大致可分为三类：传输线模型理论，主要用于矩形贴片；腔模理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小于波长的情况；全波理论，从原理上讲积分方程法可用于各种结构、任意厚度的贴片天线，然而要受到计算模型的精度和机时的限制。以微带贴片天线的传输线模型为例，其结构如图所示。（a）微带贴片天线的结构图（b）辐射场的侧射图（c）辐射场的俯视图Howaboutit-微带天线28设贴片与接地板间的介质基片中的电场沿贴片宽度a方向和厚度h方向无变化。仅沿长度b方向有变化，其结构见图(a)。则辐射场可认为是由贴片沿长度方向的两个开路端上的边缘场产生的，如图(b)(c)所示。将边缘场分解为水平和垂直分量，由于贴片长度，所以两开路端的垂直电场分量反相，该分量在空间产生的场互相抵消（或很弱）。而水平分量的电场是同相的，远区辐射场主要由该分量场产生，最大辐射方向在垂直于贴片的方向。其H面方向图可表示为：E面方向图可表示为：式中(θ,φ)为场点球坐标，θ是从z轴算起的极轴角，φ是从x轴算起的方位角。Howaboutit-微带贴片天线29（a）微带传输线馈电（b）同轴传输线馈电贴片天线有许多种馈电装置形式，但主要分为三类，一是微带传输线馈电，二是同轴线探针馈电，三是耦合馈电，如图所示。（c）耦合孔馈电（d）耦合馈电Howaboutit-微带贴片天线30缝隙天线由在同轴线、圆柱金属桶、金属板、波导或空腔谐振器上开一条或几条缝隙（槽），电磁波就会通过缝隙向外辐射构成的天线，也叫开槽天线。当所开的缝隙能有效地切断波导壁的表面电流线时,表面电流的中断将部分由缝隙处新形成的位移电流来承接,此位移电流即相当于缝隙表面的(切向)激励电场,从而产生辐射。可产生辐射的几种波导缝隙有：宽边中间横缝；宽边边缘纵缝；宽边斜缝；窄边纵缝；窄边斜缝。波导开缝后的电流分布及所开的缝隙Howaboutit-缝隙天线31波导口天线是一种将射频能量从空气介质引导到波导中的天线。喇叭天线是由波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的波导天线，是定向天线，本质上可以是矩形（标准或角锥形喇叭）天线或圆形（圆锥形）天线。它的辐射场是由喇叭的口面尺寸与传播型所决定的。常见的喇叭天线可以分为四类：①圆波导馈电的喇叭一般是圆锥喇叭；②

矩形波导馈电的喇叭根据扩展的形式不同分为三种喇叭，即E面扇形喇叭(由扩展其窄边形成)；

H面扇形喇叭(扩展其宽边形成)；和角锥喇叭(其宽边、窄边均扩展而形成)；③TEM喇叭；④脊波导喇叭等。喇叭天线的辐射场可利用惠更斯原理由口面场来计算。口面场则由喇叭的口面尺寸与传播波型所决定。有一个其增益为最大值的口面尺寸，具有这样尺寸的喇叭就称为最佳喇叭。E面喇叭H面喇叭角锥喇叭圆锥喇叭Howaboutit-波导口和喇叭天线32反射面天线（又称“面天线”）是带有一个或多个金属反射面结构以形成高增益波束的一种强定向天线。反射面天线通常由馈源和反射面组成。馈源可以是振子、喇叭、缝隙等弱方向性天线，反射面可以是旋转抛物面、切割抛物面、柱形抛物面、球面、平面等。反射面可一个，也可两个或者多个。为口径焦距比，称为口径张角。