最专业最全面天线原理汇总4

• 抛物面天线

抛物面天线的优势就在于具有 极高的增益 ，劣势就在于 结构尺寸较大 ，因而常被应用于像卫星通信、天文探测等这些需要接收微弱信号的工作场景。例如坐落于贵州省的世界最大的射电望远镜FAST口径甚至达到了500米，如此庞大的口径，就是为了探测宇宙中最为微弱的信息。

FAST射电望远镜

• 分析方法

抛物面天线的分析方法同喇叭天线基本一致，主要是基于“等效原理”，将天线辐射分析转化为抛物面口径处“电场”和“磁场”产生的等效源的辐射分析。分析过程与上文喇叭天线分析过程一致，此处不再赘述。

抛物面口径上的电场和磁场分布

• 辐射机理

抛物面天线结构参数

决定抛物面天线结构尺寸主要有：1）焦距OF；2）直径D；3）口径张角。

对比馈源喇叭天线和馈源+抛物面天线的近场分布情况，由图可知：馈源喇叭辐射的电磁场经抛物面反射后，泾渭分明地在抛物面竖直向上的投影区域形成了很强的场强分布。

仅喇叭工作时的近场分布

加上抛物面后的近场分布

通过观察抛物面天线的近场相位分布可知，位于抛物面焦点处的喇叭馈源辐射的球面电磁波经过抛物面的反射，最终形成了近似平面波的场分布。

近场主极化分量的相位分布

正是由于抛物面的汇聚作用，天线的定向性有了极大的提高 ，30倍波长口径的抛物面天线，在角锥喇叭的馈电下，波束增益达到了40dBi。

抛物面天线的方向图

• 隙缝天线

• 分析方法

依据基本单元辐射分析中的“基本缝隙辐射理论”，可以比较容易的获得波导缝隙天线的辐射分析方法。

基本缝隙模型

上文中，基本缝隙的远区辐射场计算公式为：

其中“ * Et ”* ** 为缝隙间的电场分布，则开缝长度为“ L ”波导缝隙天线的辐射特性可以由基本缝隙的辐射场积分求得：

• 辐射机理

想要波导上的缝隙产生辐射，开缝的 “位置” 和 “方向” 十分讲究，如图所示分别为等尺寸波导内的磁场分布以及波导表面电流分布，可知：磁场在每个周期内呈**“涡旋状” ，由于表面电流与切向磁场的关系“”，因此表面电流在每个周期内呈 “辐射状”**。

波导腔内的磁场分布

波导金属壁上的电流分布

想要获得有效辐射， 缝隙走向需要与“磁场”相平行，从而才能与“电流”相垂直 ，使得其有效的 切割“电流” ，被切割的“电流”在缝隙的宽边两侧形成“电压差”，从而在缝隙中激发位移电流“”，由上面的理论分析可知， 缝隙间电场“”正是产生缝隙辐射的根本原因 。

我们会发现波导上的缝隙并没有完全开在磁场最大的地方，这主要是因为，作为缝隙阵列天线的每一个单元，考虑到阵列综合形成满足要求的方向图，每个缝隙的辐射功率和相位需要满足一定的关系，而功率和相位则主要通过调整缝隙的位置实现。

波导缝隙的辐射机理

由于对耦的关系， 半****波磁振子与半波电振子的辐射方向图一致，只是“电场”和“磁场”的方向对调了一下 ，波导缝隙阵的方向图为每个缝隙沿纵向进行相干叠加，因此在波导的周向形成一个窄波束。

波导缝隙的方向图

• 微带天线

微带天线是一类平面印刷电路天线，其主要优点有重量轻、剖面低（薄）、成本低以及易加工。其无论是在民用（如汽车防碰撞雷达）还是军用（如战机火控雷达）均有着广泛的应用。

微带天线的使用场景

• 分析方法

如图所示为一个采用侧馈方式进行馈电的微带天线，其厚度为h，宽度为W，长度，微带贴片上电流分布，导致其与金属地之间形成压差，从而在棱边与地之间形成位移电流，等效为两个长度为W的半波磁振子的辐射。

半波磁振子的远场辐射特性可由基本磁振子的辐射分布积分而得，即为：

其中和分别为基本磁振子远场“电场”和“磁场”的分布。

微带天线的近场分布

• 辐射机理

介绍完微带天线的分析方法，你是否会比较疑惑，为什么要将微带天线的辐射等效为半波磁振子来进行分析，难道不能直接依据贴片上的电流来进行分析吗？

如上文提到的“镜像原理”可知：无限大PEC上的切向电流会产生一个等幅反向的镜像电流，而切向磁流则会产生一个等幅同向的镜像磁流 ，从而使得切向电流与镜像电流相互抵消，切向磁流与镜像电流叠加增强。回到微带天线，由于贴片太薄，位于金属地之上的电流会因为其等幅反相的“镜像电流”的相互抵消而不辐射。

现在，我们针对简单矩形贴片上的“电流”和“近场”分布进行分析，直观的认识微带天线的辐射机理。如图所示为微带金属贴片上的电流分布，由图可知：电流由馈电点（图中电流最密集区域）流出，沿着金属贴片的短边流动，电流的流向与贴片的窄边相平行，不会被截断，而 与贴片的宽边相垂直，会被截断 。由波导缝隙天线的辐射机理。我们知道，被截断的电流会以“位移电流”的形式传播，而“位移电流”等效为“磁流”产生辐射。

贴片电流变化

贴片电流的流向

位移电流“”是电场随时间的变化，周期分布时则为“”，因此需要研究天线的近区电场分示，分别将微带天线进行“纵切”和“横切”。

纵切时，近场动图如图所示，可知金属贴片的宽边沿与地金属地之间形成了很强的位移电流分布，将位移电流分为垂直于地的“法向分量”和平行于地的“切向分量”分别分析，由图可知：位移电流的法向分量近似等幅反向，辐射相互抵消；位移电流的切向分量近似等幅同向，辐射相互叠加。

纵切视图下的近场分布

近场的法向和切向分量

横切时，由近场分布动图可知：在金属贴片的两条宽边形成了非常耀眼的**“明亮带” ，“明亮带”里的电场方向与宽边垂直，因此可以等效为两个间距为半波长的 “缝隙”**，其远场分布的计算可以套用缝隙天线的计算公式。

横切视图下的近场分布

微带辐射机理

位于PEC上的两条等幅同相的缝隙，其增益应近似等于半波振子的4倍，对比微带天线和半波振子的方向图，增益基本满足4倍的关系。

微带与半波振子的方向图对比

结语

本文是微波基础－天线的原理篇，主要介绍了天线底层认知、分析理论、工程参数，并据此对常见天线的分析方法和辐射机理进行了介绍，希望帮助读者建立起层次渐进，结构完整的天线知识体系。

当然这些还不是天线知识体系的全部，现代天线工程设计工具有了长足的进步，完全依靠理论计算分析和工程经验的设计方法，无论是对设计人员的素养还是对设计周期的要求，都非常之高，完全无法适应这个快速发展的信息时代，基于CAD、CAE等大量优秀工程软件进行快速设计以及基于矢量网络分析仪等一众强大的测量设备的产品实测，极大的加速了天线产品的研发速度。