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RF电路设计讲座:射频、微波天线技术探微

发布时间:2011-12-07 00:00:00 分类:企业新闻

杭州PCB抄板公司-纬亚电子讯: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。杭州PCB|杭州smt
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(side lobe)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(Half Power 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,大的优点是减少馈线的损失,并支撑重量。

有两种可行的副反射器结构:Cassegrain结构是在焦距前使用一个凸面副反射器;而Gregorian结构是在离焦距很远的地方使用一个凹面副反射器。提供无线望远(radio telescope)用途的天线则常使用Newtonian结构,它在焦距处放置一个小反射器,并将馈线置于主反射器的侧边。

反射器天线的馈给位置可能会偏移到抛物面区段的侧边,它的优点是减少屏蔽,并降低因能量溢出而产生的噪声。

拋物线增益在表面粗糙处降低

代表因表面粗操而使增益损失的方程式,是Ruze公式。一个完美的抛物面天线之效能可以下式表示:

,这里的σ是表面粗操度的均方根值(rms),而λ是波长。

Kraus使用不同的方法,获得相似的结果:

kg = cos2(4πσ/λ)

当你希望抛物面天线达到其大可能效能的 90% 时,可利用这些方程式。反射器的表面须要有一个大约 λ/40 或更小的均方根误差。λ/10 的均方根误差将会降低增益至大约21%(-6.9 dB),这是以理论大值来计算。

多波束反射器

在没有失去大量的指向性之下,抛物面天线的馈给位置是不能偏移的。然而,若馈给位置是用来去除球形像差(aberration),以恢复增益时,球形反射器可以被使用。在波多黎各Arecibo天文观测站(参见http://www.coseti.org/arecibo.htm )的300公尺巨型碟形天线就是使用这种方法聚焦的。它是一个有趣的反射器天线,它的一面是抛物面、另一面是球形,所以它有许多个馈给位置,对应到许多卫星形成多波束(multiple beam)。

阵列天线

辐射元素的数组包括:
*驱动式双极数组(对数周期双极数组与相位数组)
*寄生式双极数组(八木-宇田数组)
*多极(multipole)槽型数组

辐射器的数组利用其个别元素,可以产生大量的增益。数组的增益是数组因素与元素增益的乘积。很多数组是在一个假设下设计的,此假设是:馈给系统导致每一个元素都有一个规定的电流与相位。这通常忽略了邻近双极元素之间的相互阻抗之影响。前面已谈过可用四分之一波长的电线来馈给每一个元素,以致它们的电流都相等。然而,使用一般的馈给法,想要得到极大的相位差是很困难的。

下图是两个半波双极的相互阻抗实例:

双极的垂直共线性数组

共线性双极数组(collinear dipole array)广泛地应用在单点对多点通讯上,双极的数组沿着垂直轴排列,提供集中于水平轴的场型,同时覆盖360°的区域时。下图表示半波双极数组在不同相角馈给,所产生的辐射场型。

为了避免失去亲密的「服务对象」(地面的发射机和接收机),天线馈给的相角通常是向外逐渐变尖的,并形成向下倾斜角,如下图所示的辐射场型。这提供了「零充填(null filling)」的功能,且避免能量辐射到水平线以上,浪费了发射机的功率。「零充填」是在辐射场型中填入「空值(nulls)」的过程,以避免在辐射覆盖区内,产生盲点(blind spots)。

对数周期双极数组天线

长度渐增的双极天线组可被普通的馈线馈给,产生一种数组天线,称为「对数周期双极数组(log periodic dipole array;LPDA)」,它具有宽带的特性。典型的电视天线是对数周期的,它利用每一双极天线之基本的和三共振谐波来涵盖VHF电视频道的全部范围。一个典型的「对数周期双极数组天线」如下图所示:

 

八木-宇田寄生式数组天线

另一个有趣的数组型态是使用寄生(非驱动的)双极元素,来产生一个高指向性的天线,称为「八木(Yagi)天线」,这是以其中一个创始者(八木和宇田都是日本人)的名字来命名。这种天线普遍应用于 HF、VHF和UHF通讯中,而且已经被广大地研究。以下是一个 2400 MHz八木天线的例子:

线性与圆形极化

除了电波干扰和辐射能会以 1/r2 的公式减少以外,另一个电磁波特性是极化。在一个辐射的电磁波上,电场的方向和传播的方向垂直,电场可能在任何一个方向,但必垂直于z轴上的传播向量(propagation vector)。

如果我们选择了一个 x 方向,并决定了必需的y方向,且y是垂直于 x 与 z,我们可以将任意的电场极化,视为两个波在 x 和 y 方向上线性极化的线性合成。如果这两个成份波的相位同步,其「合量(resultant)」是一个在x轴上任何角度的线性极化波。

如果两个成份波的相位不同步,则合量有极化现象,当两个成份波前进时,极化是环绕着 z 轴。如果两个合成波的振幅相同,且相位差 90°,其合量是圆形极化。然而,通常它们的相位和振幅都不同,其合量是椭圆极化。圆形极化可能是右手或左手的圆形极化(右旋极化 RHCP(right-hand circularly polarized )或左旋极化 LHCP(left-hand circularly polarized );拇指指向传播方向,其余四指垂直于拇指的方向旋转)。这是在物理课程中,我们都学过的。

天线通常以它们相对于地面(它们安装的位置)的极化角度来分析。由于导体或介电质表面的不同反射特性,所以,垂直极化与水平极化的传播特性是不同的。

结语

射频/微波技术和电磁学是博大精深的,其中,天线技术更可以成为工程师一辈子研究的主题。专研此领域时,除了可以欣赏理论的优美以外,还不时令人赞叹发明家的巧思和造物主的神妙。

 

 

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来源:RF电路设计讲座:射频、微波天线技术探微

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