rf电路设计讲座（）射频微波天线技术探微.doc

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 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） 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（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（tapered dipole）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-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