RF電路設(shè)計講座：射頻、微波天線技術(shù)探微

杭州PCB抄板公司-緯亞電子訊：天線在無線電系統(tǒng)里的功能是什么呢？答案是，它是一個「門」、一個接口，透過它，射頻能量可以從發(fā)射機(jī)輻射到外面世界；或從外面世界到達(dá)接收機(jī)。底下將討論各種天線系統(tǒng)的技術(shù)。

天線特性

天線具有以下的特性和參數(shù)：
1. 輻射極場圖型（radiation polar pattern）：天線會向四周輻射電磁波，以天線為中心，電磁場在各方向的強(qiáng)度可以用圖形描繪出來。
2. 指向性（directivity）
3. 效率
4. 增益
5. 等效面積
6. 相互性（reciprocity）：也叫作Rayleigh-Carson定理。當(dāng)電壓E作用在A天線上，促使B天線產(chǎn)生電流I。此時，使用相同的電壓E作用在B天線上，會在A天線上產(chǎn)生振幅和相位都相同的電流I。
7. 接收的噪聲功率
8. 終端阻抗，包括輻射電阻。
9. 接收系統(tǒng)的效益指數(shù)（G/T）：G是天線的增益，T是噪聲溫度（noise temperature）。天線的接收靈敏度和G/T值大小有關(guān)，若G/T愈高，表示天線對微弱訊號愈敏感，接收效果也愈好?！冈肼暅囟取故呛艹橄蟮挠^念，它的定義應(yīng)該用數(shù)學(xué)公式表示。但若要以純文本描述的話，可以這么說：在一個通訊系統(tǒng)或被測組件里，當(dāng)頻率不變時，被動組件系統(tǒng)的溫度會使每單位帶寬的噪聲功率（noise power）ρ增加，當(dāng)被動組件系統(tǒng)的ρ值等于此通訊系統(tǒng)的ρ值時，所得到的溫度就是「噪聲溫度」。請注意，被動組件是包含在此通訊系統(tǒng)或被測組件里面，有時此被測組件也被稱作「網(wǎng)絡(luò)的真正終端裝置（actual terminals of a network）」。例如：一個單純電阻的「噪聲溫度」就是此電阻的真正溫度；但是，一顆二極管的「噪聲溫度」可能是此二極管（真正的終端裝置）的真正溫度（接腳測量到的溫度）之?dāng)?shù)倍之多。噪聲溫度是以絕對溫度（-273oC）為零度，單位是K（Kelvin ）。

天線類型

辨別下列數(shù)種分類法有助于為天線分類：
*輻射元素
*反射器天線
*輻射元素數(shù)組
輻射元素包括：
*產(chǎn)生外場的電流天線
*擁有特定場分布的孔徑天線（aperture antenna）

電流天線

電流天線的形式包含了：
*線形雙極（wire dipoles）
*線形單極（wire monopoles）
*線形環(huán)路（wire loops）
*螺旋輻射器（helical radiators）
*槽型天線 （slot antenna，雙線形天線）
*微帶補(bǔ)片天線（microstrip patch antenna）

共振半波雙極

線形雙極具有普遍的外型與大小，如下圖所示：

雙極是雙極數(shù)組的基本元素，一個圓柱狀雙極（cylindrical dipole）是大約在 l = 0。95(λ/2) 處共振。一個雙極近共振的饋點電抗，大約與縮短過的四分之一波長的Z0 =1000奧姆之電線相同。等效傳輸?shù)淖杩故翘炀€大小的函數(shù)，如下圖所示：
    

取得共振（X = 0），從正確的半波長縮短之百分比，顯示如下。
  

逐步縮減半徑（step-tapered）之雙極天線的自我阻抗，是和雙極元素直接相關(guān)，這是由「套迭式管（telescoping tubing）」構(gòu)成，如下圖。套迭式管是一種使用在較大型天線中的物理設(shè)計，能在不產(chǎn)生過度風(fēng)阻和增加額外重量的情況下，提供機(jī)械強(qiáng)度。
 

一般來說，圓柱狀雙極的全長具有相同的共振頻率，而且一個漸縮的雙極（tapered dipole）之電抗的斜率曲線，實質(zhì)上是比較短的。亦即，一個逐步縮小的雙極天線之全長必須要比較長一點，以達(dá)到相同的共振。為這個計算所導(dǎo)出的算法是一些參考書籍的主題，不在本文中談?wù)摗？梢岳眠@個算法來設(shè)計八木（Yagi）天線，在數(shù)值分析軟件中，就含有這個算法。杭州PCB|杭州smt
線形單極

雙極的一半，一個四分之一波長單極天線具有輻射電阻R = 36奧姆，可在「半無限導(dǎo)電接地面（semi-infinite conducting ground plane）」上運作，如下圖所示。

如果接地面積遠(yuǎn)小于一個波長（例如：一支單極天線安裝在一輛車上），則其天線場型與自完整的接地面積所計算出的場型相比，是大不相同的。

螺旋天線

螺旋天線是由克拉斯（Kraus）所創(chuàng)造，他曾說過一個有趣的故事，關(guān)于他如何在聽到史丹佛大學(xué)教授談到螺旋傳遞的波管（wave tube）時，領(lǐng)悟到相同的慢波結(jié)構(gòu)可能具有和天線一樣的收集訊號（signal-gathering或gain）的能力。他當(dāng)天便在他的地下室（實驗室）里測試了此種螺旋天線，并測量出它的增益與「圓形極化（circular polarization）」。

螺旋天線很簡單但非常有效，它以簡易的輻射體結(jié)構(gòu)來提供增益。下圖是其尺寸的實例：

為了完整的運作，周長必須是 0.75 < Cλ = πDλ < 1.33。俯仰角是 α = tan-1(Sλ /Cλ) 。增益值大約是 G dBi = 11.8 + 10log(Cλ2nSλ)， 而 HPBW = 52/Cλ 度。中央饋線的饋點電阻是 R = 140Cλ，周圍饋線是 R = 150/ 。

周圍饋線可被匹配至 Z0 = 50 奧姆，這是利用一螺旋的四分之一波段，它可以是介電質(zhì)負(fù)載型（dielectric-loaded）或平坦型，并推擠靠近接地面，以形成一個匹配段，為四分之一波段得到必需且平均的 Z0值。螺旋天線固定電路板上的實例如下圖：

槽型天線

槽型天線是藉由中止射頻電流流進(jìn)一個導(dǎo)電表面（例如：波導(dǎo)墻）所制成的。槽型天線是兩個雙極天線，且有相似的阻抗與場型。

微帶補(bǔ)片天線
微波補(bǔ)片天線是平面天線（planar antenna）的一個實用種類，它是在微帶結(jié)構(gòu)中制成，如下圖所示。
    

正方形面板區(qū)域（上圖白色部分）是從一介電質(zhì)結(jié)構(gòu)的頂層面板（上圖黑色部分）蝕刻而來的，此介電質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一面（底部）有一接地平面。補(bǔ)片天線本質(zhì)上是一矩形雙極。使用高介電質(zhì)常數(shù)的材料來減少天線的大小。此天線在任何環(huán)境下，都很容易安裝，它能輕易地安裝在車輛或飛機(jī)的表面上。補(bǔ)片天線是一種相當(dāng)窄頻的天線。在正方形結(jié)構(gòu)里，一個線性的極化波向外輻射。

有許多方法可以達(dá)到饋線與阻抗匹配。補(bǔ)片可與一個四分之一波長的高阻抗線匹配，或一條50奧姆線可延伸到補(bǔ)片的內(nèi)部，如下圖所示。阻抗在中心點是小的，且阻抗值是跟著軸長的增加而增加，所以尺寸的選擇是以能得到支持50奧姆的點來決定的。

另一種饋線匹配法是將一同軸線的中心導(dǎo)體透過介電質(zhì)，在適當(dāng)?shù)淖杩裹c接觸到補(bǔ)片的底部。補(bǔ)片的中心是經(jīng)過此結(jié)構(gòu)中的一個過孔（via）接地的，如下方的左圖與中圖所示。

當(dāng)兩邊尺寸不同，形成長方形時，補(bǔ)片會產(chǎn)生圓形極化波，如上方的右圖所示。這是交叉式雙極數(shù)組的模擬，而饋線是延著中心點到角落的對角線與補(bǔ)片連結(jié)著，為了達(dá)到阻抗匹配，必須為補(bǔ)片選擇適當(dāng)?shù)某叽纭?/p>

孔徑天線

孔徑天線包括：
*開放式波導(dǎo)輻射器
*喇叭形（horn）與其他形狀的波導(dǎo)輻射器
*喇叭形反射器天線

孔徑天線的響應(yīng)場型與孔徑所產(chǎn)生的「遠(yuǎn)場繞射（far field diffraction）」場型相同。遠(yuǎn)場場型的近似角寬度是θ = λ/D。一個孔徑天線的模型是：在一個無限導(dǎo)電或吸收平面上有一直徑D的孔徑，且有一平面波由一側(cè)射入。繞射場型越過很大的距離投射在平行面上，將會有一個中央點，其直徑是由場型的角寬度公式?jīng)Q定。此模型如下圖所示。

這是假設(shè)孔徑的照射度是平均分布的（uniform）。更精確地說，遠(yuǎn)場場型是分布在孔徑各處的電場之傅立葉變換，并且考慮到孔徑平面各處之振幅及相位的變動。

一個波導(dǎo)管的開口端變成了一個非常高效率的輻射器，如下圖。

增加孔徑的大小（改變喇叭形狀）可以增加波導(dǎo)天線的增益。圓形喇叭也被使用。參見下圖。

利用圓形極化器可制作一個圓形的喇叭天線，它可以輻射圓形的極化場型。

這個裝置使用一個傳輸型極化器，把在長方形波導(dǎo)管中的線性極化，在正方形波導(dǎo)管輸出端轉(zhuǎn)換成圓形極化。極化器結(jié)合了一種轉(zhuǎn)換功能，從輸入的長方形波導(dǎo)管（線性極化）轉(zhuǎn)換成在 45° 位置的正方形波導(dǎo)管。兩個相等且互相垂直的線性極化波，在正方形波導(dǎo)管內(nèi)發(fā)射；經(jīng)由設(shè)定波導(dǎo)來使其中一個波有不同的相位速度，一個 90°相位關(guān)系在極化器全長四周被建立起來?，F(xiàn)在它就具有圓形極化場型，且從圓形喇叭中輻射出去。

如下圖所示是一個有趣的天線之橫切面，是將一個喇叭天線當(dāng)成一個拋物面反射器（parabolic reflector）的一部份。

反射器的每一面被包在喇叭天線的延伸面里（在上圖中，開口大的部位），變成類似盤子（dish）的形狀，導(dǎo)致天線的旁波（side lobe）變得很小。Penzias與Wilson就是利用這種天線在貝爾實驗室里，觀察宇宙的背景微波（并贏得諾貝爾獎）。

下面列出了各式天線的近似指向性（增益）和遠(yuǎn)場邊界以供參考：

反射器天線

反射器天線包括：
*平面反射器
*拋物面反射器
*球形反射器（例如： Arecibo）
*多波束（multibeam）反射器天線
*使用電流天線做為反射器

可將一個電流天線（例如：一個雙極天線）放在一個導(dǎo)電平面前，來產(chǎn)生一個定向天線。 當(dāng)間距為 0.1-0.3λ 時，一個 λ/2 雙極天線的增益大約是 6 dB（這是 6 dBd的意思，也就是 8 dBi ，因為一個雙極天線的增益是 2 dBi）。

一個角落反射器（corner reflector）增加了增益值。當(dāng)雙極天線的間距為 0.5λ時的增益是 10 dBd；而當(dāng)間距是 1.5λ時，增益是 13 dBd。利用拋物面圓柱狀的反射器可以得到額外的增益，這種拋物面圓柱狀的天線經(jīng)常在移動電話基地臺見到。

拋物面反射器天線

曲面的反射器，特別是拋物面反射器可提供更大的增益。拋物面反射器天線的增益 ，本質(zhì)上是與同直徑之孔徑天線相同的。

上圖顯示了在設(shè)計拋物面天線時，所需面對的取舍問題：弧面對應(yīng)的夾角和饋線的指向性。如果給定一個直徑與焦距長度，對弧面直徑Ｄ所對應(yīng)的夾角而言，此饋線場型太寬了，將造成能量大量溢出，導(dǎo)致增益減少且天線溫度增高。反之，如果所對應(yīng)的夾角大于饋線的「半功率波束寬度（Half Power Beam Width；HPBW）」，將會導(dǎo)致照射度不一致，且在邊緣部位會逐漸減弱，并伴隨著輻射效益與增益的損失。

理想的做法是，將饋線的指向性和拋物面天線所對應(yīng)的夾角相互匹配，這就是拋物面反射器的比率公式 f/D。因為減少能量的溢出量，故它可能會降低 T 多過于降低 G，因而增加了 G/T值，常見的選擇是在拋物面天線的邊緣，降低照射度10 dB。

反射器饋線的結(jié)構(gòu)

反射器必須在天線的焦點處提供訊號，其方法是利用任何的電流式或孔徑式的輻射器。饋給的位置可以在主焦點處，或者在那兒可以有一個副反射器，用來減少屏蔽（blockage）之所需以及免除要在焦距處支持饋線的復(fù)雜度。實際的饋給位置是位在拋物面的中央，大的優(yōu)點是減少饋線的損失，并支撐重量。

有兩種可行的副反射器結(jié)構(gòu)：Cassegrain結(jié)構(gòu)是在焦距前使用一個凸面副反射器；而Gregorian結(jié)構(gòu)是在離焦距很遠(yuǎn)的地方使用一個凹面副反射器。提供無線望遠(yuǎn)（radio telescope）用途的天線則常使用Newtonian結(jié)構(gòu)，它在焦距處放置一個小反射器，并將饋線置于主反射器的側(cè)邊。

反射器天線的饋給位置可能會偏移到拋物面區(qū)段的側(cè)邊，它的優(yōu)點是減少屏蔽，并降低因能量溢出而產(chǎn)生的噪聲。

拋物線增益在表面粗糙處降低

代表因表面粗操而使增益損失的方程式，是Ruze公式。一個完美的拋物面天線之效能可以下式表示：

，這里的σ是表面粗操度的均方根值（rms），而λ是波長。

Kraus使用不同的方法，獲得相似的結(jié)果：

kg = cos2(4πσ/λ)

當(dāng)你希望拋物面天線達(dá)到其大可能效能的 90% 時，可利用這些方程式。反射器的表面須要有一個大約 λ/40 或更小的均方根誤差。λ/10 的均方根誤差將會降低增益至大約21%（-6.9 dB），這是以理論大值來計算。

多波束反射器

在沒有失去大量的指向性之下，拋物面天線的饋給位置是不能偏移的。然而，若饋給位置是用來去除球形像差（aberration），以恢復(fù)增益時，球形反射器可以被使用。在波多黎各Arecibo天文觀測站（參見http://www.coseti.org/arecibo.htm ）的300公尺巨型碟形天線就是使用這種方法聚焦的。它是一個有趣的反射器天線，它的一面是拋物面、另一面是球形，所以它有許多個饋給位置，對應(yīng)到許多衛(wèi)星形成多波束（multiple beam）。

陣列天線

輻射元素的數(shù)組包括：
*驅(qū)動式雙極數(shù)組（對數(shù)周期雙極數(shù)組與相位數(shù)組）
*寄生式雙極數(shù)組（八木－宇田數(shù)組）
*多極（multipole）槽型數(shù)組

輻射器的數(shù)組利用其個別元素，可以產(chǎn)生大量的增益。數(shù)組的增益是數(shù)組因素與元素增益的乘積。很多數(shù)組是在一個假設(shè)下設(shè)計的，此假設(shè)是：饋給系統(tǒng)導(dǎo)致每一個元素都有一個規(guī)定的電流與相位。這通常忽略了鄰近雙極元素之間的相互阻抗之影響。前面已談過可用四分之一波長的電線來饋給每一個元素，以致它們的電流都相等。然而，使用一般的饋給法，想要得到極大的相位差是很困難的。

下圖是兩個半波雙極的相互阻抗實例：

雙極的垂直共線性數(shù)組

共線性雙極數(shù)組（collinear dipole array）廣泛地應(yīng)用在單點對多點通訊上，雙極的數(shù)組沿著垂直軸排列，提供集中于水平軸的場型，同時覆蓋360°的區(qū)域時。下圖表示半波雙極數(shù)組在不同相角饋給，所產(chǎn)生的輻射場型。

為了避免失去親密的「服務(wù)對象」（地面的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)），天線饋給的相角通常是向外逐漸變尖的，并形成向下傾斜角，如下圖所示的輻射場型。這提供了「零充填（null filling）」的功能，且避免能量輻射到水平線以上，浪費了發(fā)射機(jī)的功率?！噶愠涮睢故窃谳椛鋱鲂椭刑钊搿缚罩担╪ulls）」的過程，以避免在輻射覆蓋區(qū)內(nèi)，產(chǎn)生盲點（blind spots）。

對數(shù)周期雙極數(shù)組天線

長度漸增的雙極天線組可被普通的饋線饋給，產(chǎn)生一種數(shù)組天線，稱為「對數(shù)周期雙極數(shù)組（log periodic dipole array；LPDA）」，它具有寬帶的特性。典型的電視天線是對數(shù)周期的，它利用每一雙極天線之基本的和三共振諧波來涵蓋VHF電視頻道的全部范圍。一個典型的「對數(shù)周期雙極數(shù)組天線」如下圖所示：

八木－宇田寄生式數(shù)組天線

另一個有趣的數(shù)組型態(tài)是使用寄生（非驅(qū)動的）雙極元素，來產(chǎn)生一個高指向性的天線，稱為「八木（Yagi）天線」，這是以其中一個創(chuàng)始者（八木和宇田都是日本人）的名字來命名。這種天線普遍應(yīng)用于 HF、VHF和UHF通訊中，而且已經(jīng)被廣大地研究。以下是一個 2400 MHz八木天線的例子：

線性與圓形極化

除了電波干擾和輻射能會以 1/r2 的公式減少以外，另一個電磁波特性是極化。在一個輻射的電磁波上，電場的方向和傳播的方向垂直，電場可能在任何一個方向，但必垂直于z軸上的傳播向量（propagation vector）。

如果我們選擇了一個 x 方向，并決定了必需的y方向，且y是垂直于 x 與 z，我們可以將任意的電場極化，視為兩個波在 x 和 y 方向上線性極化的線性合成。如果這兩個成份波的相位同步，其「合量（resultant）」是一個在x軸上任何角度的線性極化波。

如果兩個成份波的相位不同步，則合量有極化現(xiàn)象，當(dāng)兩個成份波前進(jìn)時，極化是環(huán)繞著 z 軸。如果兩個合成波的振幅相同，且相位差 90°，其合量是圓形極化。然而，通常它們的相位和振幅都不同，其合量是橢圓極化。圓形極化可能是右手或左手的圓形極化（右旋極化 RHCP（right-hand circularly polarized ）或左旋極化 LHCP（left-hand circularly polarized ）；拇指指向傳播方向，其余四指垂直于拇指的方向旋轉(zhuǎn)）。這是在物理課程中，我們都學(xué)過的。

天線通常以它們相對于地面（它們安裝的位置）的極化角度來分析。由于導(dǎo)體或介電質(zhì)表面的不同反射特性，所以，垂直極化與水平極化的傳播特性是不同的。

結(jié)語

射頻/微波技術(shù)和電磁學(xué)是博大精深的，其中，天線技術(shù)更可以成為工程師一輩子研究的主題。專研此領(lǐng)域時，除了可以欣賞理論的優(yōu)美以外，還不時令人贊嘆發(fā)明家的巧思和造物主的神妙。

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