天線大體可分為線天線和口徑天線兩類。移動(dòng)通信用的VHF、UHF天線，大多是以對(duì)稱振子為基礎(chǔ)而發(fā)展的各種型式的線天線，衛(wèi)星地面站接收衛(wèi)星信號(hào)大多用拋物面天線（口徑天線）。

一、天線的特性

天線的特征與天線的形狀、大小及構(gòu)成材料有關(guān)。天線的大小一般以天線發(fā)射或接收電磁波的波長(zhǎng)l來(lái)計(jì)量。因?yàn)楣ぷ饔诓ㄩL(zhǎng)l = 2m的長(zhǎng)為1m的偶極子天線的輻射特性與工作于波長(zhǎng)l = 2cm的長(zhǎng)為1cm的偶極子天線是相同的。與天線方向性有關(guān)參數(shù)：方向性函數(shù)或方向圖 離開(kāi)天線一定距離處，描述天線輻射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間的相對(duì)分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為天線的方向性函數(shù)；把方向性函數(shù)用圖形表示出來(lái)，就是方向圖。最大輻射波束通常稱為方向圖的主瓣。主瓣旁邊的幾個(gè)小的波束叫旁瓣。

為了方便對(duì)各種天線的方向圖進(jìn)行比較，就需要規(guī)定一些表示方向圖特性的參數(shù)，這些參數(shù)有：

1．天線增益G（或方向性GD）、波束寬度（或主瓣寬度）、旁瓣電平等。

2．天線效率

3．極化特性

4．頻帶寬度

5．輸入阻抗

天線增益是在波陣面某一給定方向天線輻射強(qiáng)度的量度。它是被研究天線在最大輻射方向的輻射強(qiáng)度與被研究天線具有同等輸入功率的各向同性天線在同一點(diǎn)所產(chǎn)生的最大輻射強(qiáng)度之比。

天線方向性GD與天線增益G類似但與天線增益定義略有不同。

因?yàn)樘炀€總有損耗，天線輻射功率比饋入功率總要小一些，所以天線增益總要比天線方向性小一些。

理想天線能把全部饋入天線的功率限制在某一立體角ΩB內(nèi)輻射出去，且在ΩB立體角內(nèi)均勻分布。這種情況下天線增益與天線方向性相等。

理想的天線輻射波束立體角ΩB及波束寬度θB

實(shí)際天線的輻射功率有時(shí)并不限制在一個(gè)波束中，在一個(gè)波束內(nèi)也非均勻分布。在波束中心輻射強(qiáng)度最大，偏離波束中心，輻射強(qiáng)度減小。輻射強(qiáng)度減小到3db時(shí)的立體角即定義為ΩB。波束寬度θB與立體角ΩB關(guān)系為

旁瓣電平是指主瓣最近且電平最高的。第一旁瓣電平，一般以分貝表示。方向圖的旁瓣區(qū)一般是不需要輻射的區(qū)域，其電平應(yīng)盡可能的低。

天線效率ηA定義為：

式中，Pi為輸入功率；P1為歐姆損耗；PΣ為輻射功率。

天線的輻射電阻RΣ用來(lái)度量天線輻射功率的能力，它是一個(gè)虛擬的量，定義如下：設(shè)有一個(gè)電阻RΣ，當(dāng)通過(guò)它的電流等于天線上的最大電流時(shí)，其損耗的功率就等于輻射功率。顯然，輻射電阻越大，天線的輻射能力越強(qiáng)。由上述定義得輻射電阻與輻射功率的關(guān)系為

即輻射電阻為

仿照引入輻射電阻的辦法，損耗電阻R1為

將上述兩式代入效率公式，得天線效率為

可見(jiàn)，要提高天線效率，應(yīng)盡可能提高RΣ，降低R1。

極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。按天線所輻射的電場(chǎng)的極化形式，可將天線分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線極化又可分為水平極化和垂直極化；圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。

二、輸入阻抗與電壓駐波比

輸入阻抗與電壓駐波比：天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，才能使天線獲得最大功率。當(dāng)天線工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)，天線與傳輸線的匹配變壞，致使傳輸線上電壓駐波比增大，天線效率降低。因此在實(shí)際應(yīng)用中，還引入電壓駐波比參數(shù)，并且駐波比不能大于某一規(guī)定值。

天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān)，當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)，往往要引起天線參數(shù)的變化。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度，簡(jiǎn)稱為天線的帶寬。

多數(shù)天線具有互易性，即天線在發(fā)射模式和接收模式具有相同的方向性。如果一給定天線工作在發(fā)射模式，A方向輻射電磁波的能力比B方向強(qiáng)100倍，那末該天線工作于接收模式時(shí)，接收A方向輻射來(lái)的電磁波靈敏度比B方向也強(qiáng)100倍。

如果所觀測(cè)點(diǎn)離開(kāi)波源很遠(yuǎn)、很遠(yuǎn)，波源可近似為點(diǎn)源。從點(diǎn)源輻射的波其波陣面是球面。因?yàn)橛^測(cè)點(diǎn)離開(kāi)點(diǎn)源很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，在觀察者所在的局部區(qū)域，其波陣面可近似為平面，當(dāng)作平面波處理。符合這一條件的場(chǎng)通常稱為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。

在天線很多應(yīng)用場(chǎng)合，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的假設(shè)都是成立的。遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)假設(shè)為我們分析研究天線輻射的場(chǎng)帶來(lái)很大方便。這里所謂很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)都是以波長(zhǎng)來(lái)計(jì)量的。

同常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點(diǎn)。因而，在大約從100MHz到50GHz的寬頻帶上獲得了大量的應(yīng)用。與通常的微波天線相比，微帶天線的一些主要優(yōu)點(diǎn)是：

重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu)，可以做成共形天線；

制造成本低，易于大量生產(chǎn)；

可以做得很薄，因此，不擾動(dòng)裝載的宇宙飛船的空氣動(dòng)力學(xué)性能；

無(wú)需作大的變動(dòng)，天線就能很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上；

天線的散射截面較小；

稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化（左旋和右旋）；

比較容易制成雙頻率工作的天線；

不需要背腔；

微帶天線適合于組合式設(shè)計(jì)（固體器件，如振蕩器、放大器、可變衰減器、開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上）；

饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時(shí)制作。

但是，與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點(diǎn)：

頻帶窄；

有損耗，因而增益較低；

大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射；

最大增益實(shí)際上受限制（約為20dB）；

饋線與輻射元之間的隔離差；

端射性能差；

可能存在表面波；

功率容量較低

但是有一些辦法可以減小某些缺點(diǎn)。例如，只要在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中特別注意就可抑制或消除表面波。

三、微帶天線應(yīng)用

在許多實(shí)際設(shè)計(jì)中，微帶天線的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它的缺點(diǎn)。在一些顯要的系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用微帶天線的有：

移動(dòng)通信；

衛(wèi)星通訊；

多普勒及其它雷達(dá)；

無(wú)線電測(cè)高計(jì)；

指揮和控制系統(tǒng)；

導(dǎo)彈遙測(cè)；

武器信管；

便攜裝置；

環(huán)境檢測(cè)儀表和遙感；

復(fù)雜天線中的饋電單元；

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)；

生物醫(yī)學(xué)輻射器。

這些絕沒(méi)有列全，隨著對(duì)微帶天線應(yīng)用可能性認(rèn)識(shí)的提高，微帶天線的應(yīng)用場(chǎng)合將繼續(xù)增多。

四、微帶天線三種基本類型

微帶天線可以分為三種基本類型：微帶貼片天線、微帶行波天線和微帶縫隙天線。

微帶貼片天線（MPA）是由介質(zhì)基片、在基片一面上有任意平面幾何形狀的導(dǎo)電貼片和基片另一面上的地板所構(gòu)成。實(shí)際上，能計(jì)算其輻射特性的貼片圖形是有限的。

圖3-3實(shí)際使用的各種微帶天線圖形

圖3-4微帶天線其它可能的幾何圖形

微帶行波天線（MTA）是由基片、在基片一面上的鏈形周期結(jié)構(gòu)或普通的長(zhǎng)TEM波傳輸線（也維持一個(gè)TE模）和基片另一面上的地板組成。TEM波傳輸線的末端接匹配負(fù)載，當(dāng)天線上維持行波時(shí)，可從天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上使主波束位于從邊射到端射的任意方向

圖3-5微帶行波天線

微帶縫隙天線由微帶饋線和開(kāi)在地板上的縫隙組成。縫隙可以是矩形（寬的或窄的），圓形或環(huán)形。

圖3-6微帶縫隙天線

大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此，可以用微帶天線或同軸線饋電。

因?yàn)樘炀€輸入阻抗不等于通常的50W傳輸線阻抗，所以需要匹配。匹配可由適當(dāng)選擇饋電的位置來(lái)做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。

圖3-7 微帶線饋電的天線

圖3-8 同軸饋電的微帶天線

中心微帶饋電和偏心微帶饋電。饋電點(diǎn)的位置也決定激勵(lì)那種模式。

當(dāng)天線元的尺寸確定以后，可按下法進(jìn)行匹配：先將中心饋電天線的貼片同50W的饋線一起光刻，測(cè)量輸入阻抗并設(shè)計(jì)出匹配變阻器；再在天線元與饋線之間接入該匹配變阻器，重新做成天線。另外，如果天線的幾何圖形只維持主模，則微帶饋線可偏向一邊以得到良好的匹配。

特定的天線模可用許多方法激勵(lì)。如果場(chǎng)沿矩形貼片的寬度變化，則當(dāng)饋線沿寬度移動(dòng)時(shí)，輸入阻抗隨之而變，從而提供了一種阻抗匹配的簡(jiǎn)單辦法。饋電位置的改變，使得饋線和天線之間的耦合改變，因而使諧振頻率產(chǎn)生一個(gè)小的漂移，而輻射方向圖仍然保持不變。不過(guò)，稍加改變貼片尺寸或者天線尺寸，可補(bǔ)償諧振頻率的漂移。

對(duì)于微帶饋電，用惠更斯原理可以把饋源模擬為貼在磁壁上沿z方向的電流帶。在薄的微帶線中，除了饋線的極鄰近區(qū)域外，在貼片邊界上的任何地方，這個(gè)電流都很小。在理想的情況下，可假定饋源是一個(gè)恒定電流的均勻電流帶。邊緣效應(yīng)要求電流帶的寬度等于饋線的有效寬度，饋線對(duì)微帶天線輸入阻抗的影響表現(xiàn)為增加了一個(gè)感抗分量，此感抗可以由電流帶的尺寸來(lái)計(jì)算。

在所有的情況中，同軸插座安裝在印制電路板的背面，而同軸線內(nèi)導(dǎo)體接在天線導(dǎo)體上。對(duì)指定的模，同軸插座的位置可由經(jīng)驗(yàn)去找，以便產(chǎn)生最好的匹配。使用N型同軸插座的典型微帶天線示于圖3-8中。

審核編輯：郭婷