RF电路设计讲座：射频、微波天线技术探微

抄板公司-aoa体育官方电子讯：天线在无线电系统里的功能是什么呢？答案是，它是一个「门」、一个接口，透过它，射频能量可以从发射机辐射到外面世界；或从外面世界到达接收机。底下将讨论各种天线系统的技术。

天线特性

天线具有以下的特性和参数：
1. 辐射极场图型（radiation polar pattern）：天线会向四周辐射电磁波，以天线为中心，电磁场在各方向的强度可以用图形描绘出来。
2. 指向性（directivity）
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4. 增益
5. 等效面积
6. 相互性（reciprocity）：也叫作Rayleigh-Carson定理。当电压E作用在A天线上，促使B天线产生电流I。此时，使用相同的电压E作用在B天线上，会在A天线上产生振幅和相位都相同的电流I。
7. 接收的噪声功率
8. 终端阻抗，包括辐射电阻。
9. 接收系统的效益指数（G/T）：G是天线的增益，T是噪声温度（noise temperature）。天线的接收灵敏度和G/T值大小有关，若G/T愈高，表示天线对微弱讯号愈敏感，接收效果也愈好。「噪声温度」是很抽象的观念，它的定义应该用数学公式表示。但若要以纯文本描述的话，可以这么说：在一个通讯系统或被测组件里，当频率不变时，被动组件系统的温度会使每单位带宽的噪声功率（noise power）ρ增加，当被动组件系统的ρ值等于此通讯系统的ρ值时，所得到的温度就是「噪声温度」。请注意，被动组件是包含在此通讯系统或被测组件里面，有时此被测组件也被称作「网络的真正终端装置（actual terminals of a network）」。例如：一个单纯电阻的「噪声温度」就是此电阻的真正温度；但是，一颗二极管的「噪声温度」可能是此二极管（真正的终端装置）的真正温度（接脚测量到的温度）之数倍之多。噪声温度是以绝对温度（-273oC）为零度，单位是K（Kelvin ）。

天线类型

辨别下列数种分类法有助于为天线分类：
*辐射元素
*反射器天线
*辐射元素数组
辐射元素包括：
*产生外场的电流天线
*拥有特定场分布的孔径天线（aperture antenna）

电流天线

电流天线的形式包含了：
*线形双极（wire dipoles）
*线形单极（wire monopoles）
*线形环路（wire loops）
*螺旋辐射器（helical radiators）
*槽型天线 （slot antenna，双线形天线）
*微带补片天线（microstrip patch antenna）

共振半波双极

线形双极具有普遍的外型与大小，如下图所示：

双极是双极数组的基本元素，一个圆柱状双极（cylindrical dipole）是大约在 l = 0。95(λ/2) 处共振。一个双极近共振的馈点电抗，大约与缩短过的四分之一波长的Z0 =1000奥姆之电线相同。等效传输的阻抗是天线大小的函数，如下图所示：
    

取得共振（X = 0），从正确的半波长缩短之百分比，显示如下。
  

逐步缩减半径（step-tapered）之双极天线的自我阻抗，是和双极元素直接相关，这是由「套迭式管（telescoping tubing）」构成，如下图。套迭式管是一种使用在较大型天线中的物理
线形单极

双极的一半，一个四分之一波长单极天线具有辐射电阻R = 36奥姆，可在「半无限导电接地面（semi-infinite conducting ground plane）」上运作，如下图所示。

如果接地面积远小于一个波长（例如：一支单极天线安装在一辆车上），则其天线场型与自完整的接地面积所计算出的场型相比，是大不相同的。

螺旋天线

螺旋天线是由克拉斯（Kraus）所创造，他曾说过一个有趣的故事，关于他如何在听到史丹佛大学教授谈到螺旋传递的波管（wave tube）时，领悟到相同的慢波结构可能具有和天线一样的收集讯号（signal-gathering或gain）的能力。他当天便在他的地下室（实验室）里测试了此种螺旋天线，并测量出它的增益与「圆形极化（circular polarization）」。

螺旋天线很简单但非常有效，它以简易的辐射体结构来提供增益。下图是其尺寸的实例：

为了完整的运作，周长必须是 0.75 < Cλ = πDλ < 1.33。俯仰角是 α = tan-1(Sλ /Cλ) 。增益值大约是 G dBi = 11.8 + 10log(Cλ2nSλ)， 而 HPBW = 52/Cλ 度。中央馈线的馈点电阻是 R = 140Cλ，周围馈线是 R = 150/ 。

周围馈线可被匹配至 Z0 = 50 奥姆，这是利用一螺旋的四分之一波段，它可以是介电质负载型（dielectric-loaded）或平坦型，并推挤靠近接地面，以形成一个匹配段，为四分之一波段得到必需且平均的 Z0值。螺旋天线固定 ）的300公尺巨型碟形天线就是使用这种方法聚焦的。它是一个有趣的反射器天线，它的一面是抛物面、另一面是球形，所以它有许多个馈给位置，对应到许多卫星形成多波束（multiple beam）。

阵列天线

辐射元素的数组包括：
*驱动式双极数组（对数周期双极数组与相位数组）
*寄生式双极数组（八木－宇田数组）
*多极（multipole）槽型数组

辐射器的数组利用其个别元素，可以产生大量的增益。数组的增益是数组因素与元素增益的乘积。很多数组是在一个假设下|杭州PCB设计|杭州pcb打样|杭州pcb抄板|杭州pcb板生产厂家-杭州aoa体育官方电子科技有限公司)