【文章內(nèi)容簡介】 很強(qiáng)，某些方向上則很弱，而在其它方向上則為零。在天線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，其方向性是主要考慮的因素之一。另外，任何天線都會有一定的增益，一定的帶寬，一定的輸入阻抗，一定的效率等各種參量。下面，本文將對天線的幾種基本性能參數(shù)進(jìn)行介紹。（1）輻射方向函數(shù)：F（θ，Ф），給出了天線發(fā)射時離天線固定的距離上輻射隨角度的變化，輻射以與天線相距固定距離r處的功率密度S來定量表示，形象的描述了天線的輻射場在空間的分布情況。（2）方向性系數(shù)D：在距天線同一距離上，方向圖最大點(diǎn)的功率密度與平均密度之比。它表示定向天線在最大輻射方向上，輻射能量的集中程度，是大于等于1的無量綱比值。方向性系數(shù)的表達(dá)式為: () （3）增益系數(shù)G：天線在其最大輻射方向上遠(yuǎn)場某點(diǎn)的功率密度與輸入功率相同的無方向性天線在同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度之比。增益系數(shù)的表達(dá)式為： ()增益系數(shù)也可定義為，在天線最大輻射方向上某點(diǎn)產(chǎn)生相等電場強(qiáng)度的條件下，理性的無方向性天線所需的輸入功率Pino與某天線所需要的輸入功率Pin之比，即 ()（4）效率因子K：增益和方向性系數(shù)之比，我們定義為效率因子。此關(guān)系可表示為： ()其中，效率因子K取值范圍為{K,0≤K≤1},是無量綱的。（5）輻射效率ηr：輻射功率與輸入到天線上的功率（輸入功率）之比，表征天線能否有效的轉(zhuǎn)換能量。輻射效率的表達(dá)式為： ()其中，PL表示天線的總損耗功率。通常，發(fā)射天線的損耗功率包括天線導(dǎo)體中熱損耗、介質(zhì)材料的損耗、天線附近物體的感應(yīng)損耗等[22]。如果把天線向，外輻射的功率看做是被某個電阻Rr所吸收，該電阻稱為輻射電阻。與此相似，也把總損耗功率看作是被某個損耗電阻RL吸收，則有： () ()故天線的輻射效率還可以表示為： ()（6）輸入阻抗Zin：天線輸入端的高頻電壓與輸出端的高頻電壓之比。天線與饋線相連時，為使天線能從饋線獲得最大的功率，就必須使天線和饋線良好匹配，即要使天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗相等。輸入阻抗的表達(dá)式為： ()(7)極化:當(dāng)天線發(fā)射時，所發(fā)射的瞬態(tài)電場矢量隨時間變化的軌跡圖，它是描述天線輻射電磁波空間指向的參數(shù)。天線極化分為線極化、圓極化和橢圓極化。在空間某個位置上，沿電磁波的傳播方向看去，其電場在空間的指向隨時間變化所描述出的軌跡如果是一條直線，則為線極化；如果是一個圓，則稱為圓極化；如果是一個橢圓，則稱為橢圓極化。圓極化是特殊的橢圓極化。（8）帶寬：指天線重要參數(shù)合格的頻率變化范圍。電線的帶寬與天線的其他重要參數(shù)密切相關(guān)，不同的天線參數(shù)，如效率、輸入阻抗、增益、極化等往往對應(yīng)不同的帶寬。通常，取其中較窄的一個作為整個天線的帶寬。天線的基本理論基于麥克斯韋方程組，天線的基本功能是輻射電磁波，那么天線是如何輻射電磁波的呢？關(guān)于這個問題，我們還要從天線的基本理論說起。麥克斯韋方程組表明：在空間某一定區(qū)域內(nèi)（空間和時間）變化的電場，會在臨近的區(qū)域產(chǎn)生變化的磁場；變化的磁場又會在較遠(yuǎn)的區(qū)域引起新的變化的電場，接著又在更遠(yuǎn)的區(qū)域引起變化的磁場，如此循環(huán)。這種由近及遠(yuǎn)，交替引起電場和磁場的過程就是電磁波的輻射過程。電磁波的輻射也是一種擾動，就像一顆石子投入平靜的水中所激起的瞬態(tài)波動，在石子消失后很長時間，從石子投入點(diǎn)出發(fā)的水表面的波動不停的沿徑向傳播。如果引起波動的源有規(guī)律的存在，就會建立起有規(guī)律的波動，而輻射也會持續(xù)下去，天線就是提供電磁波波動的源。下面，簡述電磁輻射產(chǎn)生的過程。 在一小段電流源上加交變電壓（設(shè)為正弦交流電），設(shè)電荷正弦變化 ()其中Q是電荷最大值。由電荷求得電流 ()式中I為電流振幅。在第一個T/4，電流元兩端電荷逐漸增加，電流逐漸減小，電場逐漸增強(qiáng)，并隨時間推移向外移動。運(yùn)動的電場會產(chǎn)生磁場，磁場的方向由右手螺旋定則確定，因此，該磁場方向與正在減小的電流所產(chǎn)生的磁場方向相同。在t= T/4時刻,電流等于零，磁場卻依然存在，它是脫離了電場的磁場。在第二個T/4，電荷逐漸減小，與之相關(guān)聯(lián)的電場也逐漸減小和消失，但是電流卻在反方向增強(qiáng)，由此產(chǎn)生的磁場增強(qiáng)。這個增強(qiáng)的磁場在向外的運(yùn)動中產(chǎn)生電場，這個電場與原來的電場方向相反但不在同一個位置，因?yàn)樵瓉淼碾妶鲭S時間推移已經(jīng)向外推進(jìn)了一段距離。在t= T/2時刻，反向電流最大，磁場也最強(qiáng)，它在向外運(yùn)動中產(chǎn)生的電場不會隨電荷的消失而消失，反而與原來已經(jīng)向外移動的電場力線連接起來形成閉合的電力線環(huán)，于是形成了脫離電荷的電場。隨著時間的推移，在第三個和第四個T/4時間段里面，電場、磁場的輻射將重復(fù)上述過程，只是電力線所顯示的電、磁場方向和上半周期的相反。在一個周期內(nèi)，脫離電流源而輻射的電磁場是兩層閉合的電力線盒和磁力線環(huán)。時刻t= T時刻，沿以電流元為中心，從內(nèi)層電力線盒的內(nèi)壁至外層電力線盒的外壁，恰好經(jīng)歷一個波長。電磁場以此為周期循環(huán)形成輻射場。那么在實(shí)際工作中，？對此問題的分析我們從開路線入手。根據(jù)傳輸線知識，終端開路的雙導(dǎo)線上電壓、電流呈駐波分布，導(dǎo)線終端電流為零，離開終端每半個波長為電流節(jié)點(diǎn)，兩導(dǎo)線上電流方向相反，所有的場在導(dǎo)線之間加強(qiáng)在其它地方減弱，電磁場能量沿雙導(dǎo)線傳播，注意前提條件是導(dǎo)線之間的距離遠(yuǎn)小于波長，沒有電磁輻射產(chǎn)生。如果導(dǎo)線向外彎曲，彎曲段長度為1/4波長，導(dǎo)線上電流分布近為正弦分布，因此長生上文分析的電磁輻射。綜上所述，影響電磁輻射產(chǎn)生和提高電磁輻射強(qiáng)度的因素有三個：(1)波源的頻率。波源的頻率也就是被輻射電磁波的頻率。電磁波的輻射依靠變化的電場和變化的磁場相互轉(zhuǎn)化，因而變化的快慢決定場強(qiáng)的強(qiáng)弱，同時決定輻射能量的多少。靜電場和恒定電流的磁場不隨時間變化，即頻率為零，根本沒有輻射。低頻的電磁場變化緩慢，輻射也很小。所以不能將音頻或視頻的信號直接饋送給天線，而必須通過調(diào)制，采用高頻“攜帶”的辦法，這樣才能解決有效輻射的問題。(2)天線的幾何結(jié)構(gòu)。不同幾何結(jié)構(gòu)的天線其輻射能力是不同的。例如平行雙導(dǎo)線或平行板，即使波源頻率再高，也不能輻射電磁波，以外它的電磁場被束縛在導(dǎo)線或平板間。若將雙導(dǎo)線或平行板張開，形成開放性結(jié)構(gòu)，將電磁場暴露在空間，才能產(chǎn)生電磁輻射，而且隨著結(jié)構(gòu)的張開程度，輻射能力也將增強(qiáng)。(3)天線上的電流分布。天線的定向輻射能力隨天線上的電流分布不同而不同。 （1）天線的場區(qū)圍繞著天線的場可劃分為兩個主要的區(qū)域[25]，接近天線的區(qū)域稱為進(jìn)場或者菲涅耳(Fresnel)區(qū),離天線較遠(yuǎn)的稱為遠(yuǎn)場或者夫瑯和費(fèi)(Fresnelaunhofer)區(qū)。，兩區(qū)分界可取為半徑 ()式中L為天線的最大尺寸，單位m，λ為波長單位m。、近場區(qū)、遠(yuǎn)場區(qū)示意圖在遠(yuǎn)場區(qū)，測得場分量處在輻射方向的橫截面內(nèi)，所有功率流都是沿徑向朝外的。全部是輻射功率，遠(yuǎn)場還有一個特征，那就是圍繞天線的角向分布即輻射方向圖與離天線的距離無關(guān)。在近場區(qū)，電場有顯著的徑向分量，其功率流比不完全是徑向的，場波瓣圖通常依賴于距離。近場區(qū)中的虛功率密度由天線輸入阻抗的電抗分量表示出來，如果天線結(jié)構(gòu)上的歐姆損耗可以忽略，那么輸入阻抗的實(shí)部就代表輻射。與輻射相關(guān)的功率密度到處存在，而且穿越過近場。對于半波長偶極子天線，某一瞬間的能量存儲于接近天線末端即最大電荷為主的電場中，經(jīng)半周期的轉(zhuǎn)換之后，又存儲于接近天線中心即最大電流區(qū)為主的磁場中。 （2）天線的方向圖天線的輻射方向圖簡稱方向圖，是方向函數(shù)F (θ，Ф) 的圖示。方向圖形象、直觀，彌補(bǔ)了方向函數(shù)抽象、晦澀的不足。復(fù)雜的天線系統(tǒng)往往找不到較準(zhǔn)確的方向函數(shù)表示，此時必須借助測量得到的數(shù)據(jù)繪出方向圖，已了解天線的輻射特性。 實(shí)際天線的方向圖通常有多個波瓣，它可細(xì)分為主瓣、副瓣和后瓣[24]。用來描述輻射圖參數(shù)主要有：零功率點(diǎn)波瓣寬度(Beam Width between First Nulls, BWFN) 2θ0E或2θ0E(下標(biāo)E、H表示E面或H面，下同)，指主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角；半功率電波瓣寬度(Half Power Beam Width, HPBW) ，又叫3分貝波束寬度。如果天線的方向圖只有一個強(qiáng)的主瓣，其他副瓣均較弱，則它的定向輻射性能的強(qiáng)弱就可以從兩個主平面內(nèi)的半功率點(diǎn)波瓣寬度來判斷；副瓣電平(Side Lobe Lever,SLL)，指副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般以分貝表示。副瓣一般指向不需要輻射的區(qū)域，因此要求副瓣電平盡可能的低；前后比，指主瓣最大值與副瓣最大值之比，通常也用分貝值表示。異向介質(zhì)的后向波特性使得它在微波天線中得到廣泛的應(yīng)用。將異向介質(zhì)的后向波效應(yīng)與常規(guī)介質(zhì)的前向波效應(yīng)相結(jié)合可以設(shè)計(jì)出小于半波長的諧振腔 ,而且諧振腔的物理尺寸不再受諧振頻率的限制。另外，此時的左手介質(zhì)相當(dāng)于一個相位補(bǔ)償器 ,電磁波在常規(guī)介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的相位差可以通過異向介質(zhì)的后向波效應(yīng)加以補(bǔ)償。本小節(jié)共設(shè)計(jì)了三款基于異向介質(zhì)的小型化天線。第一款為共振一維異向介質(zhì)為基礎(chǔ)的天線應(yīng)用的輸電線路的建模與設(shè)計(jì)，以FR4作為基底，大小為16mm*12mm*2mm。，，=。 XYZ 1mm開路或短路短路針 f= GHz方向圖 第二款是以螺旋方形諧振環(huán)陣列作為輻射單元的微帶天線，以Rogers RT/ duroid 5880作為基底，大小為50mm*50mm*。此天線應(yīng)用了雙重諧振異向介質(zhì)傳輸線結(jié)構(gòu)，兩只手臂微帶傳輸線和腐蝕有五個螺旋方形諧振環(huán)組成，實(shí)現(xiàn)了小型化緊湊型結(jié)果。，，、=。輻射單元的微帶天線輻射貼片結(jié)構(gòu)圖 （單位：mm）= GHz, Phi=0176。時的方向圖 f= GHz, Phi=90176。時的方向圖第三款是復(fù)合右左手傳輸線帶寬增強(qiáng)的異向介質(zhì)天線，以GIL GML2032作為基底，大小為41mm*10mm*2mm，, ,。31mm5mm 8mm 11mm 8mm 5mm5mm4mm1mm2nHABCPCB GroundA 饋電點(diǎn)B、C短路點(diǎn) 這三款天線分別利用異性介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的共振、螺旋形諧振環(huán)和復(fù)合左/右手傳輸線結(jié)構(gòu)，有效的實(shí)現(xiàn)了微帶天線的小型化和超寬帶設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，這三款天線與同類天線相比結(jié)構(gòu)緊湊，同時性能均有明顯提高。4 異向介質(zhì)濾波器微波濾波器作為微波技術(shù)中極其活躍的分支，實(shí)現(xiàn)了在微波系統(tǒng)中分離或組合不同頻率信號的目的。濾波器是一種二端口網(wǎng)絡(luò)電路，假如其信號工作頻率處于微波波段，我們就稱此類濾波器為微波濾波器。濾波器的組成單元有電容、電感和一些串并聯(lián)諧振回路。這些元件都具有一定的選頻功能，如電感線圈能夠通低頻阻高頻，電容器能夠通高頻阻低頻，串聯(lián)諧振回路能通過一定頻帶的信號阻止其余頻帶的信號，并聯(lián)諧振回路能阻止一定頻帶的信號通過其余頻帶的信號。因此，根據(jù)實(shí)際需求，可對這些基本濾波元件設(shè)進(jìn)行一定的組合，形成所需的濾波器，已達(dá)到對某一頻段的信號阻抗較高，不能通過，而對某一頻段的信號阻抗幾乎為零，能順利通過的目的。與低頻濾波器一樣，微波濾波器按照其對不同頻段信號的通、阻性可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四種。下圖 給出了四種濾波