射频微波天线及ADS仿真

单极天线 D=1.5 或 1.76 dB
D

(d )2 (d2)2
式中,d为抛物D面半径2 ,λ 为信号波长,A为喇叭口面
面积。
第12章 射频/微波天线
12.1.2 通常,天线看作是辐射点源,近区是球面波,远区为
平面波, 如图12 - 4 所示。辐射方向图是在远区测量。 下面给出远、 近场的分界点。
(b)
图 12-2 (a) 按电场定义； (b) 按功率定义
第12章 射频/微波天线
(6) 旁瓣: 在主辐射波瓣旁,还有许多副瓣,沿角 度方向展开如图12 - 3 所示。其中, HPBW 为半功 率波束宽度,辐射最大功率下降3dB时的角度; FNBW 为第一零点波束宽度; SLL为旁瓣高度,辐射最大功率与 最大旁瓣的差。
第12章 射频/微波天线
12.6
微带天线的优缺点及应用
同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。因而，在大约从100MH 到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。与通常的微波天线相比，微带天线的 一些主要优点是： 重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线； 制造成本低，易于大量生产； 可以做得很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能；无需作大的变 动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上； 天线的散射截面较小； 稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）； 比较容易制成双频率工作的天线； 不需要背腔； 微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、 调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）； 馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。
第12章 射频/微波天线 图 12-6 常见天线
第12章 射频/微波天线
喇叭 型 螺旋型 对称阵子型
图 12-7 三种常用天线增益比较
第12章 射频/微波天线 表12 - 1
第12章 射频/微波天线
12.3
单极天线和对称阵子是全向天线,广泛应用于广 播、 移动通信和专用无线系统中。对称阵子是基本天 线,单极天线是对称阵子的简化形式,长度是对称阵子 的一半,与地面的镜像可以等效为对称阵子,如图12 8所示。对称阵子长度小于一个波长,辐射方向图是个 油饼形或南瓜形。在θ =90°时电场辐射最强, θ ＝ 0°时没有辐射。磁场辐射是个圆环,沿方向相同。单 极天线是个全向天线,可以接收任何方向的磁场信号, 增益为1。
抛物面的增益很高,波束很窄。抛物面的对焦非常 重要。喇叭馈源与同轴电缆连接。抛物面天线通常有 四种馈源方式,如图12 - 15 所示。
第12章 射频/微波天线
反射 面
反射 面
馈源
馈源
副反 射面
(a)
反射 面
馈源
副反 射面
(b)
反射 面 馈源
偏置 副反 射面
(c)
(d)
图 12-15
(a) 前馈; (b) 卡赛格伦; (c) 格利高里; (d) 偏馈
Ae

( D)2 2

A
（12 - 12）
第12章 射频/微波天线
A 反射面
B C
D E
R 馈源
X 平面波
F
图 12-14 抛物面天线
第12章 射频/微波天线
实际中,由于溢出、 阻塞和损耗,照度效率只有55％～ 75％,取最坏情况55％：
增益为
Ae
A

0.55
( D)2 2
G
4 20
第12章 射频/微波天线
球面 波
平面 波
辐射 点源 源
D 天线
等相 位面 R
l D/2
R－l
图 12-4 远区场概念
第12章 射频/微波天线
在图12 -4 中,有以下几何关系：
R2

(R

l)2( D )2 2
（12 - 5）
通常,R<<Δ l时,有
D2 R
8l
l

1 16
0
（12 – 6a） ,相位误差为22.5°,远区场为
第12章 射频/微波天线
第12章 射频/
12.1 天线基础知识 12.2 常见的天线结构 12.3 单极天线和对称阵子天线 12.4 喇叭天线 12.5 抛物面天线 12.6 微带天线
第12章 射频/微波天线
12.1.1
12.1
(1) 天线增益G定义为
G Pr Pi
（12 - 1a）
式中,Pr为被测天线距离R处所接收到的功率密度,单 位为W/m2; Pi为全向性天线距离R处所接收到的功率密度, 单位为W /m2 。
2D2 R
0
（12 – 6b）
第12章 射频/微波天线
l

1 32
0
, 相位误差为11.25°,远区场为
12.1.3
R 4D2
0
（12 - 6c）
一般地,天线的分析是解球坐标内的Helmholtz方
程,得到矢量位函数。如图12 - 5 所示,天线体积为V,
电流为J, 在观测点的矢量位函数为

1
V
SWR

1



Zin

Z0
1 1

（12 – 2b）
第12章 射频/微波天线 (3) 辐射效率η r定义为
- 3）
（ 12
式中,Pr为天线辐射出的功率,单位为W；Pi为馈入天 线的功率，单位为W。
(4) 辐射方向图：用一极坐标图来表示天线的辐射 场强度与辐射功率的分布,如图12-1所示。
第12章 射频/微波天线
z
J r′Байду номын сангаасO
r－r′ r
V x
天线
观测点 P(r, , )
y
图 12-5 求解矢量位函数
第12章 射频/微波天线
12.2
在射频/微波应用上,天线的类型与结构有许多种 类。就波长特性分,有八分之一波长、四分之一波长、 半波天线； 就结构分,有单极子型、 对称振子型、 喇叭型、 抛物面型、 角型、 螺旋型、介质平板型及 阵列型天线等,如图12 - 6 所示； 就使用频宽分,有 窄频带型（10%以下）和宽频带型（10%以上）。表12 - 1归纳了天线类型。图12 - 7 给出了三种天线的增益 比较。
喇叭天线可以单独用于微波系统,也可作为面天线 的馈源。喇叭天线增益可以严格计算，通常使用喇叭 天线做测量标准。
第12章 射频/微波天线
对于图12 - 12 所示矩形波导喇叭,获得最佳增益的 天线尺寸和增益为
A 30lh

B 20lc
G(dB)

8.1 10 lg
AB
20
（12 - 8） （12 - 9）
第12章 射频/微波天线
a b
lh
lh
A
B A
幅度 1.0
lc
B lc
H面(x－ z, ＝0 )°
E面(y－ z, ＝90 °)
图 12-12 矩形喇叭及其方向图
第12章 射频/微波天线
对于图12 - 13 所示圆锥喇叭,获得最佳增益的天线
尺寸和增益为
D 30lc G(dB) 20lg D 2.82
第12章 射频/微波天线
l2 l1
半波 阵子 ：
l1
l2

0 4
短 对 称 阵 子 ： l1 l2＜＜ 0
(a)
l2
l3
l1
l1
l3

0 4
l2＜＜ 0
(c)
(b)
图 12-11 倒L型和倒F型天线
面形 阵子
第12章 射频/微波天线
12.4
喇叭天线是波导与空气的过渡段,有圆喇叭和方喇 叭两种,分别与圆波导和方波导相连接。
第12章 射频/微波天线
前馈最简单,照度效率为55%～60％,馈源及其支架 会产生遮挡,增加旁瓣和交叉极化。卡赛格伦的优点是 馈源靠近接收机前端,连接线短。格利高里与卡赛格伦 相似,只是用了椭圆副反射面,效率为76％。偏馈的方 法避免了馈源或副反射面的遮挡,旁瓣类似,同样增益 下尺寸较小。
在微波低端或射频波段,抛物面的尺寸太大,可以 用部分抛物面,这种天线常用在船上。为了减轻重量、 承受风压,抛物面可以做成网状的。
辐射方向图天线增益和方向性系数谐振频率处反射系数天线效率计算相关参数在ads的layout中初次仿真在schematic中进行匹配修改layout再次仿真完成天线设计需要进行计算的参数有贴片宽度w贴片长度l馈电点的位置z馈线的宽度贴片宽度w贴片长度l馈电点的位置z可由公式计算得出馈线的宽度可以由transmissionlinecalculator软件计算得出ads有了上述的计算结果就可以用ads进行矩形微带天线的设计了下面详细介绍设计过程ads软件的启动启动ads进入如下界面进入ads后创建一个新的工程命名为rectprj
Ae
0.55 (D )2 0
半功率波束宽度为
HPBW 70 0 deg
D
（12 - 13） （12 - 14）
（12 - 15）
第12章 射频/微波天线
若有抛物面口径为1 m,工作频率为10 GHz,照度效 率为55％的抛物面天线,可以计算出增益为37 dB,HPBW 为2.3°,在55 m处形成远场（平面波）。
0
（12 - 10） （12 - 11）
a×b =22.86 mm×10.16 mm, A×B = 22.86 cm 10.16 cm的10 GHz矩形喇叭,增益为22 dB。
第12章 射频/微波天线
D
lc D
lc
图 12-13 圆锥喇叭
第12章 射频/微波天线
12.5
抛物面天线是一种高增益天线,是卫星或无线接力 通信等点对点系统中使用最多的反射面天线。如图12 - 14 所示,金属抛物面反射器将焦点上的馈源发射的 球面波变成平面波发射出去。如果照度效率为100％, 则有效面积等于实际面积,即
第12章 射频/微波天线
主瓣 SLL
HPBW 旁瓣
FNBW
图 12-3 主瓣与旁瓣
角 度 /deg
第12章 射频/微波天线
(7) 方向系数D定义为
D Pmax
（12 - 4）
式中,Pmax为最大P功av 率密度,单位为W/m2; Pav
为平均辐射功率密度,单位为W/m2 。
偶极天线 D=1.5 或 1.76dB
第12章 射频/微波天线
但是，与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点： 频带窄；有损耗，因而增益较低；大多数微带天线只向半空间 辐射；最大增益实际上受限制（约为20dB）；馈线与辐射元之 间的隔离差；端射性能差；可能存在表面波；功率容量较低。 但是有一些办法可以减小某些缺点。例如，只要在设计和制造 过程中特别注意就可抑制或消除表面波。
第12章 射频/微波天线
增益为G的天线距离R处的功率密度应为接收功率 密度,即
Pr

GPt
4R 2
(2) 天线输入阻抗Zin定义为
（12 – 1b）
U Zin I
（12 – 2a）
式中,U为在馈入点上的射频电压； I为在馈入点上 的射频电流。
第12章 射频/微波天线
天线是个单口网络,输入驻波比或反射系数是一个 基本指标,为了使天线辐射尽可能多的功率,必须使天 线与空气匹配,输入驻波比尽可能小。阻抗、驻波比与 反射系数的关系为
(5) 半功率角的定义如图 12 - 2 所示。
第12章 射频/微波天线
＝ 270°
z ＝ 0°
E
E O
＝ 90° y
H面
－
＝ 0° x ＝90°
面 ＝ 180°
图 12-1 辐射方向图
第12章 射频/微波天线
0.707 E
E
0.707 E
(a)
0.5 P
P
0.5 P
第12章 射频/微波天线
2a
0 4
单极 天线
单极 天线
同轴 馈线
图 12-9 单极天线的馈电
第12章 射频/微波天线
对称阵子和单极天线有许多变形,折合阵子是两个 对称阵子的对接,如图12-10 所示,折合后的长度为半 波长,阻抗为4×73≈300 Ω 。折合阵子可以看成对称 模和非对称模的叠加。
第12章 射频/微波天线
单极 天线
金属 或地 面
镜像 z
(a)
对称 阵子 天线 E面
0.5
(b)
0.2 0
对称 阵子 天线
对称 阵子 天线
H面
0.5
(c)
图 12-8 单极天线和对称阵子及其方向图
第12章 射频/微波天线
一般地,对称阵子天线的长度等于半波长,单极天 线的长度等于四分之一波长,阻抗为73 Ω ,增益为1.64 （2.15 dB）。如果天线长度远小于波长,称为短阵子, 输入阻抗非常小,难于实现匹配,辐射效率低,短阵子的 增益近似为1.5(1.7 dB)。 状天线,长度为四分之一波长,与同轴线内导体相连,接 地板与外导体相接,接地板通常是车顶或机箱,如图12 - 9 所示,辐射方向图是对称阵子方向图的一半(上半 部分),阻抗也是对称阵子的一半（37 Ω ）。
第12章 射频/微波天线
0 2 同轴 馈线
图 12-10 折合阵子天线
第12章 射频/微波天线
单极天线的另一种变形是倒L型和倒F型天线,如图 12-11 所示。四分之一波长的变形天线尺寸降低,便于 安装。图12-11 (c) 是一种宽带变形,用金属板代替 了导线。
单极天线的另一种变形是倒L型和倒F型天线,如图 12-11 所示。四分之一波长的变形天线尺寸降低,便于 安装。图12-11 (c) 是一种宽带变形,用金属板代替了 导线。
A(r)
e jk 0 rr '
J (r')
dV '
4 V
r r'
（12 -7）
第12章 射频/微波天线
e jk 0 rr' 为自由空间的格林函数。矢量位函数为天线
r r'
上的电流与观测点格林函数乘积在天线体积上的积分。 有了A(r),即可得到H(r),然后再求出E(r)。实际天线工 程中,由于天线电流的分布很难确定,由积分计算矢量位 函数也十分困难,常用的数值解法过程也很麻烦。