r f电路设计讲座射频、微波天线技术探微RF电路设计讲座（1）射频、微波天线技术探微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 polarpattern）：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）3. 效率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（noisetemperature）。
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（noisepower）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（actualterminals of anetwork）」。
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（telescopingtubing）」构成，如下图。
套迭式管是一种使用在较大型天线中的物理设计，能在不产生过度风阻和增加额外重量的情况下，提供机械强度。
一般来说，圆柱状双极的全长具有相同的共振频率，而且一个渐缩的双极（tapereddipole）之电抗的斜率曲线，实质上是比较短的。
亦即，一个逐步缩小的双极天线之全长必须要比较长一点，以达到相同的共振。
为这个计算所导出的算法是一些参考书籍的主题，不在本文中谈论。
可以利用这个算法来设计八木（Yagi）天线，在数值分析软件中，就含有这个算法。
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-infiniteconducting 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（wavetube）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（circularpolarization）」。
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，这是利用第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。
螺旋天线固定电路板上的实例如下图：槽型天线槽型天线是藉由中止射频电流流进一个导电表面（例如：波导墙）所制成的。
槽型天线是两个双极天线，且有相似的阻抗与场型。
微带补片天线微波补片天线是平面天线（planar antenna）的一个实用种类，它是在微带结构中制成，如下图所示。
正方形面板区域（上图白色部分）是从一介电质结构的顶层面板（上图黑色部分）蚀刻而来的，此介电质结构的另一面（底部）有一接地平面。
补片天线本质上是一矩形双极。
使用高介电质常数的材料来减少天线的大小。
此天线在任何环境下，都很容易安装，它能轻易地安装在车辆或飞机的表面上。
补片天线是一种相当窄频的天线。
在正方形结构里，一个线性的极化波向外辐射。
有许多方法可以达到馈线与阻抗匹配。
补片可与一个四分之一波长的高阻抗线匹配，或一条50奥姆线可延伸到补片的内部，如下图所示。
阻抗在中心点是最小的，且阻抗值是跟着轴长的增加而增加，所以尺寸的选择是以能得到支持50奥姆的点来决定的。
另一种馈线匹配法是将一同轴线的中心导体透过介电质，在适当的阻抗点接触到补片的底部。
补片的中心是经过此结构中的一个过孔（via）接地的，如下方的左图与中图所示。
当两边尺寸不同，形成长方形时，补片会产生圆形极化波，如上方的右图所示。
这是交叉式双极数组的模拟，而馈线是延着中心点到角落的对角线与补片连结着，为了达到阻抗匹配，必须为补片选择适当的尺寸。
孔径天线孔径天线包括： *开放式波导辐射器 *喇叭形（horn）与其他形状的波导辐射器 *喇叭形反射器天线孔径天线的响应场型与孔径所产生的「远场绕射（far field diffraction）」场型相同。
远场场型的近似角宽度是θ =λ/D。
一个孔径天线的模型是：在一个无限导电或吸收平面上有一直径D的孔径，且有一平面波由一侧射入。
绕射场型越过很大的距离投射在平行面上，将会有一个中央点，其直径是由场型的角宽度公式决定。
此模型如下图所示。
这是假设孔径的照射度是平均分布的（uniform）。
更精确地说，远场场型是分布在孔径各处的电场之傅立叶变换，并且考虑到孔径平面各处之振幅及相位的变动。
一个波导管的开口端变成了一个非常高效率的辐射器，如下图。
增加孔径的大小（改变喇叭形状）可以增加波导天线的增益。
圆形喇叭也被使用。
参见下图。
利用圆形极化器可制作一个圆形的喇叭天线，它可以辐射圆形的极化场型。
这个装置使用一个传输型极化器，把在长方形波导管中的线性极化，在正方形波导管输出端转换成圆形极化。
极化器结合了一种转换功能，从输入的长方形波导管（线性极化）转换成在45°位置的正方形波导管。
两个相等且互相垂直的线性极化波，在正方形波导管内发射；经由设定波导来使其中一个波有不同的相位速度，一个90°相位关系在极化器全长四周被建立起来。
现在它就具有圆形极化场型，且从圆形喇叭中辐射出去。
如下图所示是一个有趣的天线之横切面，是将一个喇叭天线当成一个抛物面反射器（parabolic reflector）的一部份。
反射器的每一面被包在喇叭天线的延伸面里（在上图中，开口大的部位），变成类似盘子（dish）的形状，导致天线的旁波（sidelobe）变得很小。
Penzias与Wilson就是利用这种天线在贝尔实验室里，观察宇宙的背景微波（并赢得诺贝尔奖）。
下面列出了各式天线的近似指向性（增益）和远场边界以供参考：反射器天线反射器天线包括： *平面反射器 *抛物面反射器 *球形反射器（例如：Arecibo） *多波束（multibeam）反射器天线 *使用电流天线做为反射器可将一个电流天线（例如：一个双极天线）放在一个导电平面前，来产生一个定向天线。
当间距为0.1-0.3λ时，一个λ/2双极天线的增益大约是 6 dB（这是 6 dBd的意思，也就是 8 dBi ，因为一个双极天线的增益是 2 dBi）。
一个角落反射器（corner reflector）增加了增益值。
当双极天线的间距为 0.5λ时的增益是 10 dBd；而当间距是1.5λ时，增益是 13 dBd。
利用抛物面圆柱状的反射器可以得到额外的增益，这种抛物面圆柱状的天线经常在移动电话基地台见到。
抛物面反射器天线曲面的反射器，特别是抛物面反射器可提供更大的增益。
抛物面反射器天线的增益，本质上是与同直径之孔径天线相同的。
上图显示了在设计抛物面天线时，所需面对的取舍问题：弧面对应的夹角和馈线的指向性。
如果给定一个直径与焦距长度，对弧面直径Ｄ所对应的夹角而言，此馈线场型太宽了，将造成能量大量溢出，导致增益减少且天线温度增高。
反之，如果所对应的夹角大于馈线的「半功率波束宽度（HalfPower Beam Width；HPBW）」，将会导致照射度不一致，且在边缘部位会逐渐减弱，并伴随着辐射效益与增益的损失。
理想的做法是，将馈线的指向性和抛物面天线所对应的夹角相互匹配，这就是抛物面反射器的比率公式 f/D。
因为减少能量的溢出量，故它可能会降低 T多过于降低 G，因而增加了 G/T值，常见的选择是在抛物面天线的边缘，降低照射度10 dB。
反射器馈线的结构反射器必须在天线的焦点处提供讯号，其方法是利用任何的电流式或孔径式的辐射器。
馈给的位置可以在主焦点处，或者在那儿可以有一个副反射器，用来减少屏蔽（blockage）之所需以及免除要在焦距处支持馈线的复杂度。
实际的馈给位置是位在抛物面的中央，最大的优点是减少馈线的损失，并支撑重量。
![[信息与通信]射频电路与天线课件](https://img.taocdn.com/s1/m/ebcc176f443610661ed9ad51f01dc281e43a567e.png)
