线极化微带天线阵列的设计(4)

第二章 微带天线及其阵列基本原理 12

图2.5 天线的极化特性

线极化：电场强度的矢端随时间t描出的轨迹是一条直线，又称为线极化波。如图2.5（a）、（b）所示，以地面为参考系，图（a）称为水平线极化，图（b）称为垂直线极化。

椭圆极化：电场强度的矢端随时间t描出的轨迹是椭圆，又称为椭圆极化波。如图2.5（c）、（d）所示。

圆极化：电场强度的矢端随时间t描出的轨迹是圆，又称为圆极化波，如图2.5（e）、（f）所示，圆极化是椭圆极化的特例。

若轨迹的旋转方向与波的传播方向符合右手螺旋法则，则称为右旋圆极化波，如图2.5（d）、（f）所示；反之则称为左旋圆极化波，如图2.5（c）、（e）所示。由于电磁波存在极化，且极化方式不同，具有极化特性的天线只能发射和接收与其对应相同极化方式的波，若波的极化方式和天线的极化方向不同，极化损失就会出现；若待接收波的方向与天线的极化方向完全正交时，天线就接收不到波的能量。

3．天线的阻抗特性

13 线极化微带天线阵列的设计

（1）辐射功率、辐射电阻和输入电阻：

辐射功率：天线向外辐射的功率，也可以等效为一天线的辐射电阻 ， 是由天线的辐射特性决定的。

输入电阻：若将天线视为传输线的终端负载，该负载则称为天线的输入电阻 。 若天线无耗则 = ，即辐射电阻等于输入电阻。若要求天线获得大的辐射效率就需要输入电阻 与天线馈线的特性阻抗相匹配，但是实际中天线本身就存在损耗，输入电阻总是大于辐射电阻，即 ，所以输入功率总是大于辐射功率， 。

（2）电压驻波比、反射系数、回波损耗和S11参数

传输线与天线不匹配的时候，就会同时产生入射波和反射波，在它们相位相同处，电压振幅相加达到最大，形成波腹电压 ，在它们相位相反处，电压振幅相减到达最小，形成波节电压 ，而其他各点则在波腹电压与波节电压之间。

驻波比 ：波腹电压与波节电压之比，即：

= （2-9）

反射系数 ：反射波电压 与入射波电压 之比，即：

= （2-10）

驻波比 和反射系数之间的关系：

= （2-11）

式中 为实数，其取值范围为1 。驻波比是用来评价传输线和负载不匹配的程度。 =1时，负载匹配，反之 = 时，完全反射；反射系数 越小， 越接近1，达到匹配的效果越好。

回波损耗（Return Loss）：反射系数绝对值的倒数，单位是dB。回波损耗值在

第二章 微带天线及其阵列基本原理 14

0dB到 之间时，越小则匹配越差，越大则匹配越好；若回波损耗值为0时，表示全反射，若回波损耗值为 时表示完全匹配。

S11参数：输入反射系数，输入端反射电压与入射电压之比。 回波损耗和S11参数都是表示阻抗匹配性能的参数，一般指标要求：S11 10dB。

回波损耗（RL）、反射系数（ ）、电压驻波比（ ）、S11之间的关系： RL=20lg(输入功率 反射功率)=-20lg( )、S11=20lg( )、RL= S11。 （3）有效长度

定义：天线的感应电压 与平行于天线方向的电场E的比值，即：

= （2-12）

若天线长度为 ，且 上电流均匀分布时，有效长度 实际长度。 是衡量天线辐射能力的重要指标。

（4）天线的有效接收面积（或天线的口径）

定义：天线接收电磁波的能力。

若天线接收电磁波方向与天线的最大接收方向一致时，有效面积 定义为：天线接收功率P与平面波功率S的比，定义式为：

= （2-13）

有效接收面积 的单位为 。 4．天线的频率特性

任何天线的工作都是在一定频率范围内进行的，天线的辐射特性、阻抗特性都与工作频率相关，若频率发生变化，那么天线的相关特性也会发生改变。天线的工作频率带宽是要求天线能够在工作特性指标允许的条件下满足天线性能的频

15 线极化微带天线阵列的设计

率带宽。

设 为天线的最高工作带宽， 为最低工作带宽。对于窄带，采用以 中心的工作频率，表示相对带宽，

来表示频带宽度；对于宽带，采用绝对带宽： 来表示频带宽度。驻波比也可以用来描述工作频带宽度。一般情况下，若频率范围在天线的工作频带宽度内，那么驻波比 1.5。

2．5 功率分配器

功率分配器：将一路输入信号能量分成几路或多路输出信号能量的器件，这也就是功率分配器的作用。常用的功分器有T形功分器和wilkinson功分器。功率分配器输入能量的功率需要按照一定的比例进行分配，而且要将各输出端口之间进行隔离、输入输出端口要进行匹配。功率分配器可以分为等分型和比例型两种类型。

图2.6是功率分配器的示意图：

图2.6 功率分配器示意图

此功率分配器是三个端口的电路结构，其输出端口之间的相移为0，而且这种端口是可逆的，它既可以以功率分配的形式工作，又能以功率合成的形式应用。信号输入端的输入功率为P1，另外两个输出端输出功率为P2、P3，若为理想情况：①输入端口P1无反射；②输出端口P2、P3电压相等且同相；③P2与P3的功率比值为任意值 ，根据能量守恒则有P1=P2+P3。

第二章 微带天线及其阵列基本原理 16

图2.7功率分配器结构图

根据图2.7功率分配器的结构图和在理想情况下的条件可得：

由传输线理论有：

（2-15）

（2-14）

设 ，则 、 、 经计算得：

（2-16）

当 =1时，即为等功率分配器，各参数值为： 、 。

通常会在Port2和Port3之间增加一个电阻r 2 ，起隔离作用，用来提高隔离度。隔离电阻r：

r 或r （2-17）

当功分器在非理想情况下工作时，中心频率就有可能会发生偏移，驻波比和隔离度都会变差，频带也会变窄。

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