• 拋物面天線

拋物面天線的優勢就在于具有 極高的增益 ，劣勢就在于 結構尺寸較大 ，因而常被應用于像衛星通信、天文探測等這些需要接收微弱信號的工作場景。例如坐落于貴州省的世界最大的射電望遠鏡FAST口徑甚至達到了500米，如此龐大的口徑，就是為了探測宇宙中最為微弱的信息。

FAST射電望遠鏡

• 分析方法

拋物面天線的分析方法同喇叭天線基本一致，主要是基于“等效原理”，將天線輻射分析轉化為拋物面口徑處“電場”和“磁場”產生的等效源的輻射分析。分析過程與上文喇叭天線分析過程一致，此處不再贅述。

拋物面口徑上的電場和磁場分布

• 輻射機理

拋物面天線結構參數

決定拋物面天線結構尺寸主要有：1）焦距OF；2）直徑D；3）口徑張角。

對比饋源喇叭天線和饋源+拋物面天線的近場分布情況，由圖可知：饋源喇叭輻射的電磁場經拋物面反射后，涇渭分明地在拋物面豎直向上的投影區域形成了很強的場強分布。

僅喇叭工作時的近場分布

加上拋物面后的近場分布

通過觀察拋物面天線的近場相位分布可知，位于拋物面焦點處的喇叭饋源輻射的球面電磁波經過拋物面的反射，最終形成了近似平面波的場分布。

近場主極化分量的相位分布

正是由于拋物面的匯聚作用，天線的定向性有了極大的提高 ，30倍波長口徑的拋物面天線，在角錐喇叭的饋電下，波束增益達到了40dBi。

拋物面天線的方向圖

• 隙縫天線

• 分析方法

依據基本單元輻射分析中的“基本縫隙輻射理論”，可以比較容易的獲得波導縫隙天線的輻射分析方法。

基本縫隙模型

上文中，基本縫隙的遠區輻射場計算公式為：

其中“ * Et ”* ** 為縫隙間的電場分布，則開縫長度為“ L ”波導縫隙天線的輻射特性可以由基本縫隙的輻射場積分求得：

• 輻射機理

想要波導上的縫隙產生輻射，開縫的 “位置” 和 “方向” 十分講究，如圖所示分別為等尺寸波導內的磁場分布以及波導表面電流分布，可知：磁場在每個周期內呈**“渦旋狀” ，由于表面電流與切向磁場的關系“”，因此表面電流在每個周期內呈 “輻射狀”**。

波導腔內的磁場分布

波導金屬壁上的電流分布

想要獲得有效輻射， 縫隙走向需要與“磁場”相平行，從而才能與“電流”相垂直 ，使得其有效的 切割“電流” ，被切割的“電流”在縫隙的寬邊兩側形成“電壓差”，從而在縫隙中激發位移電流“”，由上面的理論分析可知， 縫隙間電場“”正是產生縫隙輻射的根本原因 。

我們會發現波導上的縫隙并沒有完全開在磁場最大的地方，這主要是因為，作為縫隙陣列天線的每一個單元，考慮到陣列綜合形成滿足要求的方向圖，每個縫隙的輻射功率和相位需要滿足一定的關系，而功率和相位則主要通過調整縫隙的位置實現。

波導縫隙的輻射機理

由于對耦的關系， 半****波磁振子與半波電振子的輻射方向圖一致，只是“電場”和“磁場”的方向對調了一下 ，波導縫隙陣的方向圖為每個縫隙沿縱向進行相干疊加，因此在波導的周向形成一個窄波束。

波導縫隙的方向圖

• 微帶天線

微帶天線是一類平面印刷電路天線，其主要優點有重量輕、剖面低（薄）、成本低以及易加工。其無論是在民用（如汽車防碰撞雷達）還是軍用（如戰機火控雷達）均有著廣泛的應用。

微帶天線的使用場景

• 分析方法

如圖所示為一個采用側饋方式進行饋電的微帶天線，其厚度為h，寬度為W，長度，微帶貼片上電流分布，導致其與金屬地之間形成壓差，從而在棱邊與地之間形成位移電流，等效為兩個長度為W的半波磁振子的輻射。

半波磁振子的遠場輻射特性可由基本磁振子的輻射分布積分而得，即為：

其中和分別為基本磁振子遠場“電場”和“磁場”的分布。

微帶天線的近場分布

• 輻射機理

介紹完微帶天線的分析方法，你是否會比較疑惑，為什么要將微帶天線的輻射等效為半波磁振子來進行分析，難道不能直接依據貼片上的電流來進行分析嗎？

如上文提到的“鏡像原理”可知：無限大PEC上的切向電流會產生一個等幅反向的鏡像電流，而切向磁流則會產生一個等幅同向的鏡像磁流 ，從而使得切向電流與鏡像電流相互抵消，切向磁流與鏡像電流疊加增強。回到微帶天線，由于貼片太薄，位于金屬地之上的電流會因為其等幅反相的“鏡像電流”的相互抵消而不輻射。

現在，我們針對簡單矩形貼片上的“電流”和“近場”分布進行分析，直觀的認識微帶天線的輻射機理。如圖所示為微帶金屬貼片上的電流分布，由圖可知：電流由饋電點（圖中電流最密集區域）流出，沿著金屬貼片的短邊流動，電流的流向與貼片的窄邊相平行，不會被截斷，而 與貼片的寬邊相垂直，會被截斷 。由波導縫隙天線的輻射機理。我們知道，被截斷的電流會以“位移電流”的形式傳播，而“位移電流”等效為“磁流”產生輻射。

貼片電流變化

貼片電流的流向

位移電流“”是電場隨時間的變化，周期分布時則為“”，因此需要研究天線的近區電場分示，分別將微帶天線進行“縱切”和“橫切”。

縱切時，近場動圖如圖所示，可知金屬貼片的寬邊沿與地金屬地之間形成了很強的位移電流分布，將位移電流分為垂直于地的“法向分量”和平行于地的“切向分量”分別分析，由圖可知：位移電流的法向分量近似等幅反向，輻射相互抵消；位移電流的切向分量近似等幅同向，輻射相互疊加。

縱切視圖下的近場分布

近場的法向和切向分量

橫切時，由近場分布動圖可知：在金屬貼片的兩條寬邊形成了非常耀眼的**“明亮帶” ，“明亮帶”里的電場方向與寬邊垂直，因此可以等效為兩個間距為半波長的 “縫隙”**，其遠場分布的計算可以套用縫隙天線的計算公式。

橫切視圖下的近場分布

微帶輻射機理

位于PEC上的兩條等幅同相的縫隙，其增益應近似等于半波振子的4倍，對比微帶天線和半波振子的方向圖，增益基本滿足4倍的關系。

微帶與半波振子的方向圖對比

結語

本文是微波基礎－天線的原理篇，主要介紹了天線底層認知、分析理論、工程參數，并據此對常見天線的分析方法和輻射機理進行了介紹，希望幫助讀者建立起層次漸進，結構完整的天線知識體系。

當然這些還不是天線知識體系的全部，現代天線工程設計工具有了長足的進步，完全依靠理論計算分析和工程經驗的設計方法，無論是對設計人員的素養還是對設計周期的要求，都非常之高，完全無法適應這個快速發展的信息時代，基于CAD、CAE等大量優秀工程軟件進行快速設計以及基于矢量網絡分析儀等一眾強大的測量設備的產品實測，極大的加速了天線產品的研發速度。