杭州PCB抄板公司-緯亞電子訊：天線在無(wú)線電系統(tǒng)里的功能是什么呢？答案是，它是一個(gè)「門(mén)」、一個(gè)接口，透過(guò)它，射頻能量可以從發(fā)射機(jī)輻射到外面世界；或從外面世界到達(dá)接收機(jī)。底下將討論各種天線系統(tǒng)的技術(shù)。

天線特性

天線具有以下的特性和參數(shù)：
1. 輻射極場(chǎng)圖型（radiation polar pattern）：天線會(huì)向四周輻射電磁波，以天線為中心，電磁場(chǎng)在各方向的強(qiáng)度可以用圖形描繪出來(lái)。
2. 指向性（directivity）
3. 效率
4. 增益
5. 等效面積
6. 相互性（reciprocity）：也叫作Rayleigh-Carson定理。當(dāng)電壓E作用在A天線上，促使B天線產(chǎn)生電流I。此時(shí)，使用相同的電壓E作用在B天線上，會(huì)在A天線上產(chǎn)生振幅和相位都相同的電流I。
7. 接收的噪聲功率
8. 終端阻抗，包括輻射電阻。
9. 接收系統(tǒng)的效益指數(shù)（G/T）：G是天線的增益，T是噪聲溫度（noise temperature）。天線的接收靈敏度和G/T值大小有關(guān)，若G/T愈高，表示天線對(duì)微弱訊號(hào)愈敏感，接收效果也愈好。「噪聲溫度」是很抽象的觀念，它的定義應(yīng)該用數(shù)學(xué)公式表示。但若要以純文本描述的話，可以這么說(shuō)：在一個(gè)通訊系統(tǒng)或被測(cè)組件里，當(dāng)頻率不變時(shí)，被動(dòng)組件系統(tǒng)的溫度會(huì)使每單位帶寬的噪聲功率（noise power）ρ增加，當(dāng)被動(dòng)組件系統(tǒng)的ρ值等于此通訊系統(tǒng)的ρ值時(shí)，所得到的溫度就是「噪聲溫度」。請(qǐng)注意，被動(dòng)組件是包含在此通訊系統(tǒng)或被測(cè)組件里面，有時(shí)此被測(cè)組件也被稱作「網(wǎng)絡(luò)的真正終端裝置（actual terminals of a network）」。例如：一個(gè)單純電阻的「噪聲溫度」就是此電阻的真正溫度；但是，一顆二極管的「噪聲溫度」可能是此二極管（真正的終端裝置）的真正溫度（接腳測(cè)量到的溫度）之?dāng)?shù)倍之多。噪聲溫度是以絕對(duì)溫度（-273oC）為零度，單位是K（Kelvin ）。

天線類型

辨別下列數(shù)種分類法有助于為天線分類：
*輻射元素
*反射器天線
*輻射元素?cái)?shù)組
輻射元素包括：
*產(chǎn)生外場(chǎng)的電流天線
*擁有特定場(chǎng)分布的孔徑天線（aperture antenna）

電流天線

電流天線的形式包含了：
*線形雙極（wire dipoles）
*線形單極（wire monopoles）
*線形環(huán)路（wire loops）
*螺旋輻射器（helical radiators）
*槽型天線 （slot antenna，雙線形天線）
*微帶補(bǔ)片天線（microstrip patch antenna）

共振半波雙極

線形雙極具有普遍的外型與大小，如下圖所示：

雙極是雙極數(shù)組的基本元素，一個(gè)圓柱狀雙極（cylindrical dipole）是大約在 l = 0。95(λ/2) 處共振。一個(gè)雙極近共振的饋點(diǎn)電抗，大約與縮短過(guò)的四分之一波長(zhǎng)的Z0 =1000奧姆之電線相同。等效傳輸?shù)淖杩故翘炀€大小的函數(shù)，如下圖所示：
    

取得共振（X = 0），從正確的半波長(zhǎng)縮短之百分比，顯示如下。
  

逐步縮減半徑（step-tapered）之雙極天線的自我阻抗，是和雙極元素直接相關(guān)，這是由「套迭式管（telescoping tubing）」構(gòu)成，如下圖。套迭式管是一種使用在較大型天線中的物理設(shè)計(jì)，能在不產(chǎn)生過(guò)度風(fēng)阻和增加額外重量的情況下，提供機(jī)械強(qiáng)度。
 

一般來(lái)說(shuō)，圓柱狀雙極的全長(zhǎng)具有相同的共振頻率，而且一個(gè)漸縮的雙極（tapered dipole）之電抗的斜率曲線，實(shí)質(zhì)上是比較短的。亦即，一個(gè)逐步縮小的雙極天線之全長(zhǎng)必須要比較長(zhǎng)一點(diǎn)，以達(dá)到相同的共振。為這個(gè)計(jì)算所導(dǎo)出的算法是一些參考書(shū)籍的主題，不在本文中談?wù)摗？梢岳眠@個(gè)算法來(lái)設(shè)計(jì)八木（Yagi）天線，在數(shù)值分析軟件中，就含有這個(gè)算法。杭州PCB|杭州smt
線形單極

雙極的一半，一個(gè)四分之一波長(zhǎng)單極天線具有輻射電阻R = 36奧姆，可在「半無(wú)限導(dǎo)電接地面（semi-infinite conducting ground plane）」上運(yùn)作，如下圖所示。

如果接地面積遠(yuǎn)小于一個(gè)波長(zhǎng)（例如：一支單極天線安裝在一輛車上），則其天線場(chǎng)型與自完整的接地面積所計(jì)算出的場(chǎng)型相比，是大不相同的。

螺旋天線

螺旋天線是由克拉斯（Kraus）所創(chuàng)造，他曾說(shuō)過(guò)一個(gè)有趣的故事，關(guān)于他如何在聽(tīng)到史丹佛大學(xué)教授談到螺旋傳遞的波管（wave tube）時(shí)，領(lǐng)悟到相同的慢波結(jié)構(gòu)可能具有和天線一樣的收集訊號(hào)（signal-gathering或gain）的能力。他當(dāng)天便在他的地下室（實(shí)驗(yàn)室）里測(cè)試了此種螺旋天線，并測(cè)量出它的增益與「圓形極化（circular polarization）」。

螺旋天線很簡(jiǎn)單但非常有效，它以簡(jiǎn)易的輻射體結(jié)構(gòu)來(lái)提供增益。下圖是其尺寸的實(shí)例：

為了完整的運(yùn)作，周長(zhǎng)必須是 0.75 < Cλ = πDλ < 1.33。俯仰角是 α = tan-1(Sλ /Cλ) 。增益值大約是 G dBi = 11.8 + 10log(Cλ2nSλ)， 而 HPBW = 52/Cλ 度。中央饋線的饋點(diǎn)電阻是 R = 140Cλ，周圍饋線是 R = 150/ 。

周圍饋線可被匹配至 Z0 = 50 奧姆，這是利用一螺旋的四分之一波段，它可以是介電質(zhì)負(fù)載型（dielectric-loaded）或平坦型，并推擠靠近接地面，以形成一個(gè)匹配段，為四分之一波段得到必需且平均的 Z0值。螺旋天線固定電路板上的實(shí)例如下圖：

槽型天線

槽型天線是藉由中止射頻電流流進(jìn)一個(gè)導(dǎo)電表面（例如：波導(dǎo)墻）所制成的。槽型天線是兩個(gè)雙極天線，且有相似的阻抗與場(chǎng)型。

微帶補(bǔ)片天線
微波補(bǔ)片天線是平面天線（planar antenna）的一個(gè)實(shí)用種類，它是在微帶結(jié)構(gòu)中制成，如下圖所示。
    

正方形面板區(qū)域（上圖白色部分）是從一介電質(zhì)結(jié)構(gòu)的頂層面板（上圖黑色部分）蝕刻而來(lái)的，此介電質(zhì)結(jié)構(gòu)的另一面（底部）有一接地平面。補(bǔ)片天線本質(zhì)上是一矩形雙極。使用高介電質(zhì)常數(shù)的材料來(lái)減少天線的大小。此天線在任何環(huán)境下，都很容易安裝，它能輕易地安裝在車輛或飛機(jī)的表面上。補(bǔ)片天線是一種相當(dāng)窄頻的天線。在正方形結(jié)構(gòu)里，一個(gè)線性的極化波向外輻射。

有許多方法可以達(dá)到饋線與阻抗匹配。補(bǔ)片可與一個(gè)四分之一波長(zhǎng)的高阻抗線匹配，或一條50奧姆線可延伸到補(bǔ)片的內(nèi)部，如下圖所示。阻抗在中心點(diǎn)是小的，且阻抗值是跟著軸長(zhǎng)的增加而增加，所以尺寸的選擇是以能得到支持50奧姆的點(diǎn)來(lái)決定的。

另一種饋線匹配法是將一同軸線的中心導(dǎo)體透過(guò)介電質(zhì)，在適當(dāng)?shù)淖杩裹c(diǎn)接觸到補(bǔ)片的底部。補(bǔ)片的中心是經(jīng)過(guò)此結(jié)構(gòu)中的一個(gè)過(guò)孔（via）接地的，如下方的左圖與中圖所示。

當(dāng)兩邊尺寸不同，形成長(zhǎng)方形時(shí)，補(bǔ)片會(huì)產(chǎn)生圓形極化波，如上方的右圖所示。這是交叉式雙極數(shù)組的模擬，而饋線是延著中心點(diǎn)到角落的對(duì)角線與補(bǔ)片連結(jié)著，為了達(dá)到阻抗匹配，必須為補(bǔ)片選擇適當(dāng)?shù)某叽纭?/p>

孔徑天線

孔徑天線包括：
*開(kāi)放式波導(dǎo)輻射器
*喇叭形（horn）與其他形狀的波導(dǎo)輻射器
*喇叭形反射器天線

孔徑天線的響應(yīng)場(chǎng)型與孔徑所產(chǎn)生的「遠(yuǎn)場(chǎng)繞射（far field diffraction）」場(chǎng)型相同。遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)型的近似角寬度是θ = λ/D。一個(gè)孔徑天線的模型是：在一個(gè)無(wú)限導(dǎo)電或吸收平面上有一直徑D的孔徑，且有一平面波由一側(cè)射入。繞射場(chǎng)型越過(guò)很大的距離投射在平行面上，將會(huì)有一個(gè)中央點(diǎn)，其直徑是由場(chǎng)型的角寬度公式?jīng)Q定。此模型如下圖所示。

這是假設(shè)孔徑的照射度是平均分布的（uniform）。更精確地說(shuō)，遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)型是分布在孔徑各處的電場(chǎng)之傅立葉變換，并且考慮到孔徑平面各處之振幅及相位的變動(dòng)。

一個(gè)波導(dǎo)管的開(kāi)口端變成了一個(gè)非常高效率的輻射器，如下圖。

增加孔徑的大小（改變喇叭形狀）可以增加波導(dǎo)天線的增益。圓形喇叭也被使用。參見(jiàn)下圖。

利用圓形極化器可制作一個(gè)圓形的喇叭天線，它可以輻射圓形的極化場(chǎng)型。

這個(gè)裝置使用一個(gè)傳輸型極化器，把在長(zhǎng)方形波導(dǎo)管中的線性極化，在正方形波導(dǎo)管輸出端轉(zhuǎn)換成圓形極化。極化器結(jié)合了一種轉(zhuǎn)換功能，從輸入的長(zhǎng)方形波導(dǎo)管（線性極化）轉(zhuǎn)換成在 45° 位置的正方形波導(dǎo)管。兩個(gè)相等且互相垂直的線性極化波，在正方形波導(dǎo)管內(nèi)發(fā)射；經(jīng)由設(shè)定波導(dǎo)來(lái)使其中一個(gè)波有不同的相位速度，一個(gè) 90°相位關(guān)系在極化器全長(zhǎng)四周被建立起來(lái)。現(xiàn)在它就具有圓形極化場(chǎng)型，且從圓形喇叭中輻射出去。

如下圖所示是一個(gè)有趣的天線之橫切面，是將一個(gè)喇叭天線當(dāng)成一個(gè)拋物面反射器（parabolic reflector）的一部份。

反射器的每一面被包在喇叭天線的延伸面里（在上圖中，開(kāi)口大的部位），變成類似盤(pán)子（dish）的形狀，導(dǎo)致天線的旁波（side lobe）變得很小。Penzias與Wilson就是利用這種天線在貝爾實(shí)驗(yàn)室里，觀察宇宙的背景微波（并贏得諾貝爾獎(jiǎng)）。

下面列出了各式天線的近似指向性（增益）和遠(yuǎn)場(chǎng)邊界以供參考：

反射器天線

反射器天線包括：
*平面反射器
*拋物面反射器
*球形反射器（例如： Arecibo）
*多波束（multibeam）反射器天線
*使用電流天線做為反射器

可將一個(gè)電流天線（例如：一個(gè)雙極天線）放在一個(gè)導(dǎo)電平面前，來(lái)產(chǎn)生一個(gè)定向天線。 當(dāng)間距為 0.1-0.3λ 時(shí)，一個(gè) λ/2 雙極天線的增益大約是 6 dB（這是 6 dBd的意思，也就是 8 dBi ，因?yàn)橐粋€(gè)雙極天線的增益是 2 dBi）。

一個(gè)角落反射器（corner reflector）增加了增益值。當(dāng)雙極天線的間距為 0.5λ時(shí)的增益是 10 dBd；而當(dāng)間距是 1.5λ時(shí)，增益是 13 dBd。利用拋物面圓柱狀的反射器可以得到額外的增益，這種拋物面圓柱狀的天線經(jīng)常在移動(dòng)電話基地臺(tái)見(jiàn)到。

拋物面反射器天線

曲面的反射器，特別是拋物面反射器可提供更大的增益。拋物面反射器天線的增益 ，本質(zhì)上是與同直徑之孔徑天線相同的。

上圖顯示了在設(shè)計(jì)拋物面天線時(shí)，所需面對(duì)的取舍問(wèn)題：弧面對(duì)應(yīng)的夾角和饋線的指向性。如果給定一個(gè)直徑與焦距長(zhǎng)度，對(duì)弧面直徑Ｄ所對(duì)應(yīng)的夾角而言，此饋線場(chǎng)型太寬了，將造成能量大量溢出，導(dǎo)致增益減少且天線溫度增高。反之，如果所對(duì)應(yīng)的夾角大于饋線的「半功率波束寬度（Half Power Beam Width；HPBW）」，將會(huì)導(dǎo)致照射度不一致，且在邊緣部位會(huì)逐漸減弱，并伴隨著輻射效益與增益的損失。

理想的做法是，將饋線的指向性和拋物面天線所對(duì)應(yīng)的夾角相互匹配，這就是拋物面反射器的比率公式 f/D。因?yàn)闇p少能量的溢出量，故它可能會(huì)降低 T 多過(guò)于降低 G，因而增加了 G/T值，常見(jiàn)的選擇是在拋物面天線的邊緣，降低照射度10 dB。

反射器饋線的結(jié)構(gòu)

反射器必須在天線的焦點(diǎn)處提供訊號(hào)，其方法是利用任何的電流式或孔徑式的輻射器。饋給的位置可以在主焦點(diǎn)處，或者在那兒可以有一個(gè)副反射器，用來(lái)減少屏蔽（blockage）之所需以及免除要在焦距處支持饋線的復(fù)雜度。實(shí)際的饋給位置是位在拋物面的中央，大的優(yōu)點(diǎn)是減少饋線的損失，并支撐重量。

有兩種可行的副反射器結(jié)構(gòu)：Cassegrain結(jié)構(gòu)是在焦距前使用一個(gè)凸面副反射器；而Gregorian結(jié)構(gòu)是在離焦距很遠(yuǎn)的地方使用一個(gè)凹面副反射器。提供無(wú)線望遠(yuǎn)（radio telescope）用途的天線則常使用Newtonian結(jié)構(gòu)，它在焦距處放置一個(gè)小反射器，并將饋線置于主反射器的側(cè)邊。

反射器天線的饋給位置可能會(huì)偏移到拋物面區(qū)段的側(cè)邊，它的優(yōu)點(diǎn)是減少屏蔽，并降低因能量溢出而產(chǎn)生的噪聲。

拋物線增益在表面粗糙處降低

代表因表面粗操而使增益損失的方程式，是Ruze公式。一個(gè)完美的拋物面天線之效能可以下式表示：

，這里的σ是表面粗操度的均方根值（rms），而λ是波長(zhǎng)。

Kraus使用不同的方法，獲得相似的結(jié)果：

kg = cos2(4πσ/λ)

當(dāng)你希望拋物面天線達(dá)到其大可能效能的 90% 時(shí)，可利用這些方程式。反射器的表面須要有一個(gè)大約 λ/40 或更小的均方根誤差。λ/10 的均方根誤差將會(huì)降低增益至大約21%（-6.9 dB），這是以理論大值來(lái)計(jì)算。

多波束反射器

在沒(méi)有失去大量的指向性之下，拋物面天線的饋給位置是不能偏移的。然而，若饋給位置是用來(lái)去除球形像差（aberration），以恢復(fù)增益時(shí)，球形反射器可以被使用。在波多黎各Arecibo天文觀測(cè)站（參見(jiàn)http://www.coseti.org/arecibo.htm ）的300公尺巨型碟形天線就是使用這種方法聚焦的。它是一個(gè)有趣的反射器天線，它的一面是拋物面、另一面是球形，所以它有許多個(gè)饋給位置，對(duì)應(yīng)到許多衛(wèi)星形成多波束（multiple beam）。

陣列天線

輻射元素的數(shù)組包括：
*驅(qū)動(dòng)式雙極數(shù)組（對(duì)數(shù)周期雙極數(shù)組與相位數(shù)組）
*寄生式雙極數(shù)組（八木－宇田數(shù)組）
*多極（multipole）槽型數(shù)組

輻射器的數(shù)組利用其個(gè)別元素，可以產(chǎn)生大量的增益。數(shù)組的增益是數(shù)組因素與元素增益的乘積。很多數(shù)組是在一個(gè)假設(shè)下設(shè)計(jì)的，此假設(shè)是：饋給系統(tǒng)導(dǎo)致每一個(gè)元素都有一個(gè)規(guī)定的電流與相位。這通常忽略了鄰近雙極元素之間的相互阻抗之影響。前面已談過(guò)可用四分之一波長(zhǎng)的電線來(lái)饋給每一個(gè)元素，以致它們的電流都相等。然而，使用一般的饋給法，想要得到極大的相位差是很困難的。

下圖是兩個(gè)半波雙極的相互阻抗實(shí)例：

雙極的垂直共線性數(shù)組

共線性雙極數(shù)組（collinear dipole array）廣泛地應(yīng)用在單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊上，雙極的數(shù)組沿著垂直軸排列，提供集中于水平軸的場(chǎng)型，同時(shí)覆蓋360°的區(qū)域時(shí)。下圖表示半波雙極數(shù)組在不同相角饋給，所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)型。

為了避免失去親密的「服務(wù)對(duì)象」（地面的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)），天線饋給的相角通常是向外逐漸變尖的，并形成向下傾斜角，如下圖所示的輻射場(chǎng)型。這提供了「零充填（null filling）」的功能，且避免能量輻射到水平線以上，浪費(fèi)了發(fā)射機(jī)的功率。「零充填」是在輻射場(chǎng)型中填入「空值（nulls）」的過(guò)程，以避免在輻射覆蓋區(qū)內(nèi)，產(chǎn)生盲點(diǎn)（blind spots）。

對(duì)數(shù)周期雙極數(shù)組天線

長(zhǎng)度漸增的雙極天線組可被普通的饋線饋給，產(chǎn)生一種數(shù)組天線，稱為「對(duì)數(shù)周期雙極數(shù)組（log periodic dipole array；LPDA）」，它具有寬帶的特性。典型的電視天線是對(duì)數(shù)周期的，它利用每一雙極天線之基本的和三共振諧波來(lái)涵蓋VHF電視頻道的全部范圍。一個(gè)典型的「對(duì)數(shù)周期雙極數(shù)組天線」如下圖所示：

八木－宇田寄生式數(shù)組天線

另一個(gè)有趣的數(shù)組型態(tài)是使用寄生（非驅(qū)動(dòng)的）雙極元素，來(lái)產(chǎn)生一個(gè)高指向性的天線，稱為「八木（Yagi）天線」，這是以其中一個(gè)創(chuàng)始者（八木和宇田都是日本人）的名字來(lái)命名。這種天線普遍應(yīng)用于 HF、VHF和UHF通訊中，而且已經(jīng)被廣大地研究。以下是一個(gè) 2400 MHz八木天線的例子：

線性與圓形極化

除了電波干擾和輻射能會(huì)以 1/r2 的公式減少以外，另一個(gè)電磁波特性是極化。在一個(gè)輻射的電磁波上，電場(chǎng)的方向和傳播的方向垂直，電場(chǎng)可能在任何一個(gè)方向，但必垂直于z軸上的傳播向量（propagation vector）。

如果我們選擇了一個(gè) x 方向，并決定了必需的y方向，且y是垂直于 x 與 z，我們可以將任意的電場(chǎng)極化，視為兩個(gè)波在 x 和 y 方向上線性極化的線性合成。如果這兩個(gè)成份波的相位同步，其「合量（resultant）」是一個(gè)在x軸上任何角度的線性極化波。

如果兩個(gè)成份波的相位不同步，則合量有極化現(xiàn)象，當(dāng)兩個(gè)成份波前進(jìn)時(shí)，極化是環(huán)繞著 z 軸。如果兩個(gè)合成波的振幅相同，且相位差 90°，其合量是圓形極化。然而，通常它們的相位和振幅都不同，其合量是橢圓極化。圓形極化可能是右手或左手的圓形極化（右旋極化 RHCP（right-hand circularly polarized ）或左旋極化 LHCP（left-hand circularly polarized ）；拇指指向傳播方向，其余四指垂直于拇指的方向旋轉(zhuǎn)）。這是在物理課程中，我們都學(xué)過(guò)的。

天線通常以它們相對(duì)于地面（它們安裝的位置）的極化角度來(lái)分析。由于導(dǎo)體或介電質(zhì)表面的不同反射特性，所以，垂直極化與水平極化的傳播特性是不同的。

結(jié)語(yǔ)

射頻/微波技術(shù)和電磁學(xué)是博大精深的，其中，天線技術(shù)更可以成為工程師一輩子研究的主題。專研此領(lǐng)域時(shí)，除了可以欣賞理論的優(yōu)美以外，還不時(shí)令人贊嘆發(fā)明家的巧思和造物主的神妙。

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