準光天線與天線雜談

1、2021-7-16 東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室 毫米波準光理論與技術(shù) 準光天線之天線雜談 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 2 什么是天線什么是天線 把導(dǎo)線上的電信號變成無線電波發(fā)射到空間把導(dǎo)線上的電信號變成無線電波發(fā)射到空間 收集無線電波并產(chǎn)生電信號收集無線電波并產(chǎn)生電信號 射頻工程師眼中的天線射頻工程師眼中的天線 B B l la a h h b la h b l a hb la h 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 3 天線輻射電磁波的基本原理 導(dǎo)線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)導(dǎo)線載有交變電流

2、時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo) 線的長短和形狀有關(guān)線的長短和形狀有關(guān). 當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流就大大增加，當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流就大大增加， 因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱 為振子。為振子。 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 4 在一個正弦時間周期內(nèi)： 第一個T/4時間周期內(nèi)，正電荷達到最大 值，電力線如最上面的圖 第二個T/4時間周期內(nèi)，原始的3條電力線 向前運動，負電荷產(chǎn)生新的電力線（虛線） 負電荷遇到正電荷，中和，電力線

3、閉合。 剩下的半個周期是相同，但電力線方向相 反的過程。 天線輻射電磁波的基本原理 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 5 天線輻射電磁波的基本原理 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 6 天線的指標 輸入阻抗、頻帶寬度 增益、極化、方向圖、波瓣寬度 電性能 機械性能 口面大小 天線高度 平面型（低剖面）、立體型等等 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 7 各向同性天線與全向天線 各向同性天線 全向天線 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 8 天線與饋線的匹配 饋線特性阻抗與天線輸入阻抗匹配，好天線？ 天天 線線 毫米波國

4、家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 9 天線是換能器 天線是變換器 天線是輻射器 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 10 換能器（電磁能量） 電磁能量存于何處？ 觀點1：存在于帶電體、磁鐵（石）及導(dǎo)體線路中 觀點2：存在于電體、磁體及其周圍 加（減）速的電荷才能產(chǎn)生電磁波，（亦可稱變化的電流產(chǎn)生電磁波） 輻射的電磁波帶走能量，能量守恒，電荷不是“永動機”，能量來源？ 天線的作用是將饋源輸送的能量轉(zhuǎn)換為不受束縛的電磁波能量 饋源輸入能量 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 11 天線周圍的儲能 從時域的角度觀察： 信號上升沿，傳輸線上的導(dǎo)行波傳到天線上，一部分

5、直接輻 射出去，部分反射回去，另一部分則存儲在天線周圍的電抗 性場中。 信號下降沿，沒有能量傳到天線，存儲在天線周圍的電抗性 場耦合到天線，成為反射波，一部分輻射出去成為自由電磁 波。 天線電抗的存在，導(dǎo)致天線周圍束縛了能量 Q值、諧振頻率，諧振時的輸入阻抗 寬帶天線的要求減少電抗分量 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 12 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 13 阻抗變換器 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 14 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 15 天線阻抗控制 電阻加載可以獲得很好的阻抗匹配，但輻射性能受到

6、極大影響 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 16 寬帶結(jié)構(gòu)的阻抗變換 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 17 超寬帶天線的色散 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 18 色散效應(yīng)小的超寬帶天線 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 19 窄帶天線的阻抗匹配 窄帶天線的阻抗具有電抗分量 諧振時才能達到完全匹配 諧振時且電阻分量等于饋線特性 阻抗，則匹配，難度？ 天線諧振的說法針對哪類天線？ 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 20 輻射器 （1） 射頻電流在哪些地方集中 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫

7、米波國家重點實驗室 21 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 22 輻射器 （2） 天線的輻射方向估計 天線的輻射方向與電流的變化方向正交 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 23 輻射器 （3） 天線上的電流滿足正弦分布（天線電尺寸不大） 面積較大的物體，需要計及電流的路徑差 （饋電點到源點）來估計其輻射特性 偶極子天線，波導(dǎo)縫隙天線 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 24 天線增益與波瓣寬度天線增益與波瓣寬度 反射面天線的波瓣與增益？ 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 25 三種觀點的啟發(fā) 換能器：近場與源耦合，從

8、等效電路的觀點看，意味著存在電 抗元件；對帶寬的影響，消除近場與源的耦合 寬帶、超寬帶 天線 雙導(dǎo)體型：細線偶極子天線，漸變縫隙天線 單導(dǎo)體型：波導(dǎo)縫隙天線，喇叭天線 變換器：天線結(jié)構(gòu)上的光滑連續(xù)漸變，有利于獲得寬帶、超寬 帶特性。 輻射器：分析天線上的電流分布、電場屬性，有助于判斷天線 的輻射方向、極化及確定工程上安裝方式。 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 26 微帶貼片天線分析 極化方向 帶寬分析 方向圖 輸入阻抗 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 27 貼片天線結(jié)構(gòu) 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 28 貼片的電場分布 天天

9、 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 29 貼片表面電流 兩側(cè)邊緣電流 產(chǎn)生輻射嗎？ 偶極子天線 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 30 貼片天線的輸入阻抗 貼片尺寸 饋電點 W=46mm, dfeed=9 W=46mm, dfeed=15 W=40mm, dfeed=9 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 31 影響帶寬的基本因素 基板厚度 降低基板介電常數(shù) 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 32 增加貼片拓展帶寬 1.92.02.12.22.32.42.5 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 |S11| / dB Frequency / GHz 并聯(lián)多個 諧振電路 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重點實驗室 33 增加貼片拓展帶寬 （2） 天天 線線 毫米波國家重點實驗室毫米波國家重