1.線天線

• 振子天線

• 分析方法

由上文基本電振子的輻射特性可知，長(zhǎng)度為的電振子的遠(yuǎn)場(chǎng)“電場(chǎng)”和“磁場(chǎng)”分布為：

長(zhǎng)度為的半波電振子的遠(yuǎn)場(chǎng)分布可利用基本振子的“電場(chǎng)”和“磁場(chǎng)”分布在線段“”積分而得：

• 輻射機(jī)理

半波振子上的電流分布如圖所示， 電流的幅值呈余弦分布，電流的方向沿導(dǎo)線方向進(jìn)行來(lái)回振蕩 ，該電流是產(chǎn)生電磁輻射的主要原因。

半波偶極子天線電流分布

電流分布（量化）

由基本電振子的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖可知：電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向圖函數(shù)一致，區(qū)別在于電場(chǎng)的方向與電流平行，而磁場(chǎng)的方向與電流垂直。其中E面方向圖呈紡錘形，H面方向圖為圓形。

振子天線方向圖

• 螺旋天線

通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋天線的直徑d、螺距h等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)三種方向圖形式完全不同的天線：1）端射型；2）側(cè)射型；3）圓錐輻射性。

螺旋天線構(gòu)成

螺旋天線的輻射特性與螺旋線的直徑和周長(zhǎng)的比值有關(guān)，當(dāng),天線的最大輻射方向?yàn)榄h(huán)向，為側(cè)射型，這種模式為法向模， 由于太細(xì)了，此時(shí)螺旋天線近似為一個(gè)單極子天線 ；當(dāng)，即螺旋天線的一圈的周長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)，天線的最大輻射方向沿螺旋線的軸線方向，為端射型，這種模式為軸向模， 此時(shí)螺旋線上相鄰圈上的電流相位近似同相，輻射電場(chǎng)沿軸向方向進(jìn)行同相疊加 ，最終形成端射的輻射特性；當(dāng)，天線的最大輻射方向?qū)⑵x螺旋線軸線，方向圖變?yōu)閳A錐形，相應(yīng)的形成側(cè)射型天線。

螺旋天線分類(lèi)

下面將著重對(duì)側(cè)射型和端射型兩種形式的螺旋天線的輻射特性以及寬帶特性進(jìn)行說(shuō)明。

• 螺旋天線-法向模

對(duì)于側(cè)射型的螺旋天線，方向圖與單極子天線近似，對(duì)比其上的電流分布，可以發(fā)現(xiàn)其與單極子天線電流分布相似， 為駐波型，這就意味著其帶寬會(huì)相對(duì)較窄 。

側(cè)射型螺旋天線方向圖

電流分布

電壓駐波比

• 螺旋天線-軸向模

當(dāng)螺旋線的周長(zhǎng)約等于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，此時(shí)天線的方向圖如圖所示，為端射型。與側(cè)射型螺旋天線不同的是， 端射型螺旋天線具有很寬的帶寬 ，這種寬帶特性可以通過(guò)其上的電流分布而得。

當(dāng)螺旋天線工作在低頻段時(shí)，其上的電流分布呈駐波型。

電流分布

低頻電流分布

隨著工作頻率的提高，其上的電流分布發(fā)生了顯著的變化，將螺旋線上的電流分布分解為流出電流和反射電流， 由于反射電流在終端反射后迅速衰減，反射電流對(duì)不會(huì)對(duì)入射電流分布產(chǎn)生影響 ，使得占螺旋線大部分中間區(qū)域上以流出波為主而VSWR很小，其可以在很寬的頻段范圍內(nèi)保持著很低的VSWR。

高頻電流分布

電流的分解

寬帶匹配

• 引向天線

八木天線是一種重要的引向天線，它是由日本東北大學(xué)的八木和宇田共同研制而成，全稱“八木-宇田天線”，簡(jiǎn)稱“八木天線”。

其被廣泛應(yīng)用于米波和分米波段的通信、雷達(dá)、電視及其他無(wú)線電技術(shù)設(shè)備中。八木天線的基本結(jié)構(gòu)包括三個(gè)：1）有源振子；2）反射器；3）引向器，所有振子都排列在一個(gè)平面內(nèi)，且相互平行，它們的中點(diǎn)都固定在一根金屬桿上，除了有源振子饋電點(diǎn)與金屬桿絕緣，無(wú)源振子與金屬桿均短路連接，因?yàn)榻饘贄U與各個(gè)振子垂直，所以金屬桿上不感應(yīng)電流，也不參與輻射。

基本結(jié)構(gòu)組成

• 分析方法

感生電動(dòng)勢(shì)法是分析八木天線的一種基本方法，以約翰-克勞斯的《天線》中的分析觀點(diǎn)， 將反射振子和引向振子看作有源振子的“寄生單元” ，其上的電流由有源振子的場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生。

如圖所示為振子長(zhǎng)度與阻抗之間的關(guān)系，由于互阻抗隨振子長(zhǎng)度的變化不是很劇烈，八木天線振子約半個(gè)波長(zhǎng)，振子間的互阻抗主要取決于振子間的間距。

間距一般取0.15~0.4波長(zhǎng), 而自阻抗主要取決于振子本身的長(zhǎng)度：1）無(wú)源振子的長(zhǎng)度大于半波長(zhǎng)時(shí), 無(wú)源振子成“感性”，由圖可知，R11>0和X11>0，，即無(wú)源振子上的電流相位超前有源振子， 依據(jù)陣?yán)碚?/strong> ，****最大輻射方向指向相位滯后的方向，在此方向上相鄰單元之間的波程差產(chǎn)生的相位差恰好抵消電流的相位差，有源振子和無(wú)源振子的電磁場(chǎng)指向有源振子方向同向疊加得到最大值，因而沿寄生至饋電單元方向的場(chǎng)大于相反方向的場(chǎng)，這種“寄生單元”就是八木天線的反射器；2） 當(dāng)無(wú)源振子的長(zhǎng)度小于半波長(zhǎng)時(shí)，無(wú)源振子的阻抗呈“容性” ，R11>0和X11<0,，即無(wú)源振子上的感應(yīng)電流相位滯后有源振子，因而沿激勵(lì)至寄生單元方向的場(chǎng)大于相反方向的場(chǎng)，這就是引向器。

阻抗的實(shí)部和虛部

如圖所示為八木天線各振子上的電流分布，引向器的長(zhǎng)度一般比激勵(lì)單元短5%或5%以上，引向器上感應(yīng)電流的大小也小于有源振子的電流強(qiáng)度。

各振子上的電流分布

由于反射器上感應(yīng)電流的相位超前有源振子 , 而引向器上感應(yīng)電流的相位依次滯后, 因而有慢波結(jié)構(gòu)的表面波沿軸向傳播, **八木天線實(shí)質(zhì)上是端射行波天線 ** 。

如圖所示，對(duì)比“半波振子”和“八木天線”的近場(chǎng)分布可知，因?yàn)椤胺瓷淦鳌焙汀耙蚱鳌钡淖饔茫蟛糠蛛姶挪ǔ蚱饕粋?cè)傳播。 各****個(gè)振子就如同賽艇上的每個(gè)槳手，劃槳保持“同頻同相” ，才能使得賽艇以最快的速度朝著一個(gè)方向行駛。****

僅有源振子的近場(chǎng)

包含反射器和引向器的八木天線的近場(chǎng)

適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)天線的幾何參數(shù), 即單元長(zhǎng)度、直徑和間距, 可使行波相速滿足增強(qiáng)方向性條件, 得到最大的方向性系數(shù) 。如圖所示，正是由于 有源振子和受激振子的“齊心協(xié)力” ，在引向器方向產(chǎn)生了較大增益。

輻射方向圖

八木天線的優(yōu)點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、饋電方便，制作成本低 。但是，其輻射單元由半波振子組成，電流分布為駐波型， 帶寬相對(duì)較窄 ，一般在5%以內(nèi)。

八木天線的電壓駐波比VSWR

• 非頻變天線

• 寬帶的基礎(chǔ)

寬頻帶和窄頻帶的區(qū)別是什么？ 如下圖（左）所示，為具有恒定阻抗的彎曲雙錐V形天線就屬于寬帶類(lèi)型。

寬帶和窄帶的結(jié)構(gòu)和近場(chǎng)分布區(qū)別

這種天線具有恒定阻抗(導(dǎo)體間距S與半徑r之比)的傳輸線，若長(zhǎng)度L達(dá)到一個(gè)波長(zhǎng)以上，則外向波的大部分能量被輻射而只有很少的能量被反射。

V形天線為非諧振的，具有很低的Q值的輻射器，其輸入阻抗在很寬的頻率范圍內(nèi)基本維持不變。此外，這種天線與空間有著良好的匹配，提供了從輸入傳輸線的導(dǎo)行波到自由空間波的光滑過(guò)渡。

與之相反，下圖(右)所示的短偶極子具有從傳輸線上導(dǎo)行波到空間波的突變轉(zhuǎn)換，造成了很大的能量反射，在偶極子附近往返震蕩，類(lèi)似于在輻射前受囿于諧振的情況。這種天線是諧振的、具有相對(duì)較高Q值的天線，其輸入阻抗隨頻率而迅速變化，屬于窄帶類(lèi)型。

• 非頻變的概念：拉姆塞原理

真正的非頻變天線應(yīng)該以固定的物理尺寸，在寬帶上同時(shí)具有相對(duì)恒定的阻抗、方向圖、極化和增益。

“如果天線的形狀僅由角度來(lái)決定，則該天線具有非頻變的阻抗和波瓣圖特性”——拉姆塞原理

無(wú)限長(zhǎng)的對(duì)數(shù)螺旋線能符合此要求，要以有限的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)非頻變的要求，應(yīng)使沿此結(jié)構(gòu)的電流隨著輻射和衰減而截?cái)嗵幙梢院雎裕瑸榱水a(chǎn)生輻射和衰減，電荷就必須被加速（或減速），這就要求導(dǎo)體按垂直于電荷運(yùn)動(dòng)的方向彎曲。于是，螺旋線的曲率所導(dǎo)致的輻射和衰減，使它在被截?cái)鄷r(shí)仍能提供寬頻帶上的非頻變性能。

如圖所示，阿基米德螺旋線上的高電流分布區(qū)域隨著工作頻率的提高，迅速向中心收縮，定量的觀察螺旋線上的電流分布可知，電流在中心向外流動(dòng)的過(guò)程先期出現(xiàn)了快速下降，然后是緩慢波動(dòng)，靠近截?cái)鄥^(qū)，電流幅值很小，該電流分布形式與工作于軸向模狀態(tài)螺旋天線上的電流分布形式很相似，正如克勞斯所說(shuō)的那樣，因?yàn)橄绕陔娏鞯目焖偎p，使得電流傳播至截?cái)嗵帟r(shí)，已經(jīng)可以忽略不計(jì)，從而無(wú)法產(chǎn)生很強(qiáng)的反射電流對(duì)入射電流的幅值產(chǎn)生影響，最終使得天線在很寬的頻段內(nèi)均具有極低的VSWR（駐波比）。

螺旋臂上的電流變化

天線螺旋臂上的電流分布

天線的駐波比

通過(guò)對(duì)螺線上的電流分布進(jìn)行積分，可以計(jì)算出其方向圖分布如圖所示，其最大輻射方向?yàn)檠剌S向?qū)ΨQ分布。

阿基米德螺旋線的方向圖

2.面天線

• 喇叭天線

喇叭天線應(yīng)用十分廣泛，它的工作原理類(lèi)似于聲學(xué)中使用的傳聲筒，喇叭天線的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、饋電方便、頻帶較寬，功率容量大以及增益高。微波測(cè)試中經(jīng)常使用喇叭天線作為定標(biāo)天線和收發(fā)天線。

喇叭的常見(jiàn)使用場(chǎng)景

按照結(jié)構(gòu)形狀區(qū)分，常見(jiàn)的喇叭共分為四種：1）H面喇叭；2）E面喇叭；3）角錐喇叭；4）圓錐喇叭。本文將重點(diǎn)就“角錐喇叭”進(jìn)行討論。

常見(jiàn)的四種喇叭類(lèi)型

• 分析方法

依據(jù)上文提到的口徑天線輻射分析的“等效原理”，喇叭天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射分析可以轉(zhuǎn)化為對(duì)喇叭口面處的“電場(chǎng)”和“磁場(chǎng)”產(chǎn)生的等效源的輻射分析。如圖所示，可以將口徑劃分為許多“惠更斯元”dS，每個(gè)“惠更斯元”可以等效為一個(gè)電振子和磁振子。

喇叭口徑可以劃分為許許多多的惠更斯元

依據(jù)“等效面元”分析理論可知，等效的電振子和磁振子分別為：

在E面上（yoz平面），輻射電場(chǎng)的組成包括兩個(gè)方面，等效電流產(chǎn)生的電場(chǎng)以及等效磁流源產(chǎn)生的電場(chǎng)，其中等效電振子產(chǎn)生的輻射電場(chǎng)為：

等效基本磁振子產(chǎn)生的輻射電場(chǎng)為：

總的輻射電場(chǎng)可以表示為：

最終，整個(gè)口徑的“場(chǎng)分布”在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的輻射場(chǎng)即為所有“惠更斯面元”的求和：

• 輻射機(jī)理

如圖所示，雖然波導(dǎo)也具有一定的方向性，但是由于開(kāi)口較小，增益也相對(duì)較小，定向性不明顯，當(dāng)給波導(dǎo)添加一個(gè)角錐喇叭后，天線的增益得到了大幅提高10倍有余（10dB左右），波束變得更加尖銳，定向性顯著增強(qiáng)。

這就猶如《功夫》中的包租婆在給她的“獅吼功”加持一個(gè)“鐘”之后，瞬間提高了獅吼功的威力，其主要原因倒不是包租婆的功力（波導(dǎo)端口的饋電功率）瞬間提高，而是鐘（角錐喇叭）的加持，極大提高了聲波（電磁波）的定向性，使得某個(gè)方向上的能量密度大幅提高。

角錐段使得增益極大提高喇叭天線內(nèi)的電磁場(chǎng)的傳播過(guò)程，其與“煙囪冒煙”的過(guò)程很是相似，在波導(dǎo)內(nèi)時(shí)，電磁波會(huì)老老實(shí)實(shí)地呈規(guī)則的TE10模進(jìn)行傳播，脫離了波導(dǎo)約束進(jìn)入角錐段后，“場(chǎng)分布”開(kāi)始逐漸擴(kuò)散，逐步向自由空間傳播的TEM模式轉(zhuǎn)變。

如圖所示為角錐喇叭天線與波導(dǎo)天線的寬帶上的“駐波比”對(duì)比，結(jié)果顯示，角錐的添加還是顯著改善了波導(dǎo)的寬帶匹配性。究其原因，正如約翰-克勞斯闡述的寬帶產(chǎn)生的基礎(chǔ)，漸變的角錐使得波導(dǎo)中傳輸?shù)摹癟E10模式”光滑的過(guò)渡至自由空間的“TEM模式”****，光滑的變換減少了回波，從而改善了天線的匹配性能。

寬帶匹配特性

喇叭結(jié)構(gòu)尺寸

當(dāng)喇叭天線的長(zhǎng)度R固定時(shí)，是不是口徑D越大，天線的增益就越大呢？其實(shí)不然，由喇叭內(nèi)的電場(chǎng)相位分布可知，電磁波在到達(dá)喇叭口面上時(shí)，并不是平面波，而是近似球面波，口面上的電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）的相位不一致， 且口徑D越大，中心和邊沿的相位差越大，增大至一定值后，反而會(huì)導(dǎo)致天線增益下降 。

電場(chǎng)相位分布

工程上通常規(guī)定E面的口徑相差要不大于，H面上的口徑相差不大于，可以獲得較好的方向圖。

口徑上不同位置處的相位分布