1.線天線

• 振子天線

• 分析方法

由上文基本電振子的輻射特性可知，長度為的電振子的遠場“電場”和“磁場”分布為：

長度為的半波電振子的遠場分布可利用基本振子的“電場”和“磁場”分布在線段“”積分而得：

• 輻射機理

半波振子上的電流分布如圖所示， 電流的幅值呈余弦分布，電流的方向沿導(dǎo)線方向進行來回振蕩 ，該電流是產(chǎn)生電磁輻射的主要原因。

半波偶極子天線電流分布

電流分布（量化）

由基本電振子的遠場輻射方向圖可知：電場和磁場的方向圖函數(shù)一致，區(qū)別在于電場的方向與電流平行，而磁場的方向與電流垂直。其中E面方向圖呈紡錘形，H面方向圖為圓形。

振子天線方向圖

• 螺旋天線

通過調(diào)節(jié)螺旋天線的直徑d、螺距h等參數(shù)，可以實現(xiàn)三種方向圖形式完全不同的天線：1）端射型；2）側(cè)射型；3）圓錐輻射性。

螺旋天線構(gòu)成

螺旋天線的輻射特性與螺旋線的直徑和周長的比值有關(guān)，當,天線的最大輻射方向為環(huán)向，為側(cè)射型，這種模式為法向模， 由于太細了，此時螺旋天線近似為一個單極子天線 ；當，即螺旋天線的一圈的周長約為一個波長，天線的最大輻射方向沿螺旋線的軸線方向，為端射型，這種模式為軸向模， 此時螺旋線上相鄰圈上的電流相位近似同相，輻射電場沿軸向方向進行同相疊加 ，最終形成端射的輻射特性；當，天線的最大輻射方向?qū)⑵x螺旋線軸線，方向圖變?yōu)閳A錐形，相應(yīng)的形成側(cè)射型天線。

螺旋天線分類

下面將著重對側(cè)射型和端射型兩種形式的螺旋天線的輻射特性以及寬帶特性進行說明。

• 螺旋天線-法向模

對于側(cè)射型的螺旋天線，方向圖與單極子天線近似，對比其上的電流分布，可以發(fā)現(xiàn)其與單極子天線電流分布相似， 為駐波型，這就意味著其帶寬會相對較窄 。

側(cè)射型螺旋天線方向圖

電流分布

電壓駐波比

• 螺旋天線-軸向模

當螺旋線的周長約等于一個波長時，此時天線的方向圖如圖所示，為端射型。與側(cè)射型螺旋天線不同的是， 端射型螺旋天線具有很寬的帶寬 ，這種寬帶特性可以通過其上的電流分布而得。

當螺旋天線工作在低頻段時，其上的電流分布呈駐波型。

電流分布

低頻電流分布

隨著工作頻率的提高，其上的電流分布發(fā)生了顯著的變化，將螺旋線上的電流分布分解為流出電流和反射電流， 由于反射電流在終端反射后迅速衰減，反射電流對不會對入射電流分布產(chǎn)生影響 ，使得占螺旋線大部分中間區(qū)域上以流出波為主而VSWR很小，其可以在很寬的頻段范圍內(nèi)保持著很低的VSWR。

高頻電流分布

電流的分解

寬帶匹配

• 引向天線

八木天線是一種重要的引向天線，它是由日本東北大學(xué)的八木和宇田共同研制而成，全稱“八木-宇田天線”，簡稱“八木天線”。

其被廣泛應(yīng)用于米波和分米波段的通信、雷達、電視及其他無線電技術(shù)設(shè)備中。八木天線的基本結(jié)構(gòu)包括三個：1）有源振子；2）反射器；3）引向器，所有振子都排列在一個平面內(nèi)，且相互平行，它們的中點都固定在一根金屬桿上，除了有源振子饋電點與金屬桿絕緣，無源振子與金屬桿均短路連接，因為金屬桿與各個振子垂直，所以金屬桿上不感應(yīng)電流，也不參與輻射。

基本結(jié)構(gòu)組成

• 分析方法

感生電動勢法是分析八木天線的一種基本方法，以約翰-克勞斯的《天線》中的分析觀點， 將反射振子和引向振子看作有源振子的“寄生單元” ，其上的電流由有源振子的場感應(yīng)產(chǎn)生。

如圖所示為振子長度與阻抗之間的關(guān)系，由于互阻抗隨振子長度的變化不是很劇烈，八木天線振子約半個波長，振子間的互阻抗主要取決于振子間的間距。

間距一般取0.15~0.4波長, 而自阻抗主要取決于振子本身的長度：1）無源振子的長度大于半波長時, 無源振子成“感性”，由圖可知，R11>0和X11>0，，即無源振子上的電流相位超前有源振子， 依據(jù)陣理論 ，****最大輻射方向指向相位滯后的方向，在此方向上相鄰單元之間的波程差產(chǎn)生的相位差恰好抵消電流的相位差，有源振子和無源振子的電磁場指向有源振子方向同向疊加得到最大值，因而沿寄生至饋電單元方向的場大于相反方向的場，這種“寄生單元”就是八木天線的反射器；2） 當無源振子的長度小于半波長時，無源振子的阻抗呈“容性” ，R11>0和X11<0,，即無源振子上的感應(yīng)電流相位滯后有源振子，因而沿激勵至寄生單元方向的場大于相反方向的場，這就是引向器。

阻抗的實部和虛部

如圖所示為八木天線各振子上的電流分布，引向器的長度一般比激勵單元短5%或5%以上，引向器上感應(yīng)電流的大小也小于有源振子的電流強度。

各振子上的電流分布

由于反射器上感應(yīng)電流的相位超前有源振子 , 而引向器上感應(yīng)電流的相位依次滯后, 因而有慢波結(jié)構(gòu)的表面波沿軸向傳播, **八木天線實質(zhì)上是端射行波天線 ** 。

如圖所示，對比“半波振子”和“八木天線”的近場分布可知，因為“反射器”和“引向器”的作用，大部分電磁波朝引向器一側(cè)傳播。 各****個振子就如同賽艇上的每個槳手，劃槳保持“同頻同相” ，才能使得賽艇以最快的速度朝著一個方向行駛。****

僅有源振子的近場

包含反射器和引向器的八木天線的近場

適當?shù)恼{(diào)節(jié)天線的幾何參數(shù), 即單元長度、直徑和間距, 可使行波相速滿足增強方向性條件, 得到最大的方向性系數(shù) 。如圖所示，正是由于 有源振子和受激振子的“齊心協(xié)力” ，在引向器方向產(chǎn)生了較大增益。

輻射方向圖

八木天線的優(yōu)點是 結(jié)構(gòu)簡單、饋電方便，制作成本低 。但是，其輻射單元由半波振子組成，電流分布為駐波型， 帶寬相對較窄 ，一般在5%以內(nèi)。

八木天線的電壓駐波比VSWR

• 非頻變天線

• 寬帶的基礎(chǔ)

寬頻帶和窄頻帶的區(qū)別是什么？ 如下圖（左）所示，為具有恒定阻抗的彎曲雙錐V形天線就屬于寬帶類型。

寬帶和窄帶的結(jié)構(gòu)和近場分布區(qū)別

這種天線具有恒定阻抗(導(dǎo)體間距S與半徑r之比)的傳輸線，若長度L達到一個波長以上，則外向波的大部分能量被輻射而只有很少的能量被反射。

V形天線為非諧振的，具有很低的Q值的輻射器，其輸入阻抗在很寬的頻率范圍內(nèi)基本維持不變。此外，這種天線與空間有著良好的匹配，提供了從輸入傳輸線的導(dǎo)行波到自由空間波的光滑過渡。

與之相反，下圖(右)所示的短偶極子具有從傳輸線上導(dǎo)行波到空間波的突變轉(zhuǎn)換，造成了很大的能量反射，在偶極子附近往返震蕩，類似于在輻射前受囿于諧振的情況。這種天線是諧振的、具有相對較高Q值的天線，其輸入阻抗隨頻率而迅速變化，屬于窄帶類型。

• 非頻變的概念：拉姆塞原理

真正的非頻變天線應(yīng)該以固定的物理尺寸，在寬帶上同時具有相對恒定的阻抗、方向圖、極化和增益。

“如果天線的形狀僅由角度來決定，則該天線具有非頻變的阻抗和波瓣圖特性”——拉姆塞原理

無限長的對數(shù)螺旋線能符合此要求，要以有限的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)非頻變的要求，應(yīng)使沿此結(jié)構(gòu)的電流隨著輻射和衰減而截斷處可以忽略，為了產(chǎn)生輻射和衰減，電荷就必須被加速（或減速），這就要求導(dǎo)體按垂直于電荷運動的方向彎曲。于是，螺旋線的曲率所導(dǎo)致的輻射和衰減，使它在被截斷時仍能提供寬頻帶上的非頻變性能。

如圖所示，阿基米德螺旋線上的高電流分布區(qū)域隨著工作頻率的提高，迅速向中心收縮，定量的觀察螺旋線上的電流分布可知，電流在中心向外流動的過程先期出現(xiàn)了快速下降，然后是緩慢波動，靠近截斷區(qū)，電流幅值很小，該電流分布形式與工作于軸向模狀態(tài)螺旋天線上的電流分布形式很相似，正如克勞斯所說的那樣，因為先期電流的快速衰減，使得電流傳播至截斷處時，已經(jīng)可以忽略不計，從而無法產(chǎn)生很強的反射電流對入射電流的幅值產(chǎn)生影響，最終使得天線在很寬的頻段內(nèi)均具有極低的VSWR（駐波比）。

螺旋臂上的電流變化

天線螺旋臂上的電流分布

天線的駐波比

通過對螺線上的電流分布進行積分，可以計算出其方向圖分布如圖所示，其最大輻射方向為沿軸向?qū)ΨQ分布。

阿基米德螺旋線的方向圖

2.面天線

• 喇叭天線

喇叭天線應(yīng)用十分廣泛，它的工作原理類似于聲學(xué)中使用的傳聲筒，喇叭天線的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、饋電方便、頻帶較寬，功率容量大以及增益高。微波測試中經(jīng)常使用喇叭天線作為定標天線和收發(fā)天線。

喇叭的常見使用場景

按照結(jié)構(gòu)形狀區(qū)分，常見的喇叭共分為四種：1）H面喇叭；2）E面喇叭；3）角錐喇叭；4）圓錐喇叭。本文將重點就“角錐喇叭”進行討論。

常見的四種喇叭類型

• 分析方法

依據(jù)上文提到的口徑天線輻射分析的“等效原理”，喇叭天線遠場輻射分析可以轉(zhuǎn)化為對喇叭口面處的“電場”和“磁場”產(chǎn)生的等效源的輻射分析。如圖所示，可以將口徑劃分為許多“惠更斯元”dS，每個“惠更斯元”可以等效為一個電振子和磁振子。

喇叭口徑可以劃分為許許多多的惠更斯元

依據(jù)“等效面元”分析理論可知，等效的電振子和磁振子分別為：

在E面上（yoz平面），輻射電場的組成包括兩個方面，等效電流產(chǎn)生的電場以及等效磁流源產(chǎn)生的電場，其中等效電振子產(chǎn)生的輻射電場為：

等效基本磁振子產(chǎn)生的輻射電場為：

總的輻射電場可以表示為：

最終，整個口徑的“場分布”在遠區(qū)產(chǎn)生的輻射場即為所有“惠更斯面元”的求和：

• 輻射機理

如圖所示，雖然波導(dǎo)也具有一定的方向性，但是由于開口較小，增益也相對較小，定向性不明顯，當給波導(dǎo)添加一個角錐喇叭后，天線的增益得到了大幅提高10倍有余（10dB左右），波束變得更加尖銳，定向性顯著增強。

這就猶如《功夫》中的包租婆在給她的“獅吼功”加持一個“鐘”之后，瞬間提高了獅吼功的威力，其主要原因倒不是包租婆的功力（波導(dǎo)端口的饋電功率）瞬間提高，而是鐘（角錐喇叭）的加持，極大提高了聲波（電磁波）的定向性，使得某個方向上的能量密度大幅提高。

角錐段使得增益極大提高喇叭天線內(nèi)的電磁場的傳播過程，其與“煙囪冒煙”的過程很是相似，在波導(dǎo)內(nèi)時，電磁波會老老實實地呈規(guī)則的TE10模進行傳播，脫離了波導(dǎo)約束進入角錐段后，“場分布”開始逐漸擴散，逐步向自由空間傳播的TEM模式轉(zhuǎn)變。

如圖所示為角錐喇叭天線與波導(dǎo)天線的寬帶上的“駐波比”對比，結(jié)果顯示，角錐的添加還是顯著改善了波導(dǎo)的寬帶匹配性。究其原因，正如約翰-克勞斯闡述的寬帶產(chǎn)生的基礎(chǔ)，漸變的角錐使得波導(dǎo)中傳輸?shù)摹癟E10模式”光滑的過渡至自由空間的“TEM模式”****，光滑的變換減少了回波，從而改善了天線的匹配性能。

寬帶匹配特性

喇叭結(jié)構(gòu)尺寸

當喇叭天線的長度R固定時，是不是口徑D越大，天線的增益就越大呢？其實不然，由喇叭內(nèi)的電場相位分布可知，電磁波在到達喇叭口面上時，并不是平面波，而是近似球面波，口面上的電場（或磁場）的相位不一致， 且口徑D越大，中心和邊沿的相位差越大，增大至一定值后，反而會導(dǎo)致天線增益下降 。

電場相位分布

工程上通常規(guī)定E面的口徑相差要不大于，H面上的口徑相差不大于，可以獲得較好的方向圖。

口徑上不同位置處的相位分布