| 单词 | 平面天线 |
| 释义 | 【平面天线】 拼译：planar antenna 近些年来，平面天线在很多方面都获得了广泛应用。平面天线有多种形式，可划分为多种不同种类，下面概括地介绍一些常见的平面天线。 1．梳状微带天线阵。它是一种行波印制结构，梳状线为其辐射部分，支撑基体为夹层结构的泡沫塑料芯子，带有金属栅结构的极化器。单个梳状微带天线阵由印制半波偶极子构成的许多“齿”组成。这些偶极子与馈电的微带线直接连接，其间距为半个波导波长。“齿”的宽度和长度由天线设计指标确定。作为DBS电视接收的平面天线，由4个同样的子阵，通过16∶1的功分器馈电，每个梳状子阵由16个梳状线组成，梳状线间采用并联馈电，每个子阵的轮廓尺寸为46cm×60cm。这种天线的特点是：利用夹层结构展宽频带减小馈电损耗，天线设计考虑了波束指向可控，力求增益最大。在Ku波段实测增益值为21～33dB，天线效率约20%，带宽为0．4GHz。2．曲柄形微带阵。西村和渡边试制的曲柄形微带天线阵，辐射单元形状象曲柄，基板厚0．8mm，16×16个单元，辐射口径为40×36cm，天线增益为31．0dB，为了改善增益减小馈电损耗，附加了遮挡板，使增交往提高了0．5～0．6dB，口径效率变为51%，单元数为280时，其天线增益为34．5dB。用聚乙稀泡沫夹心板作基片制作的332个单元的曲柄形微带天线阵，口径为640mm×430mm，其最大增益和口径效率分别为34．2dB和62%。3．两点馈电的方形补片阵。它是用夹层结构的平板作基片，适当选择腔体芯子尺寸和天线输入阻抗可以实现宽频带。这种天线阵的增益为34dB，效率为60%，轴比小于1dB，在11．7～12GHz范围内，VSWR≤1．3，副瓣电平为－12．8dB。4．折合偶极子平面阵。它是带线馈电的平面对称折合振子，中心导体悬置在基片下面的印制电路上，金属面既是单元反射面，又是带线的反射面，单元为电磁耦合激励，由这种单元组成的32×32个单元(1024个单元)的平成阵，在12．1GHz时，天线增益为37dB，效率为50%。这种阵列的单元数为4096时，天线增益可达43dB，在11．2～13GHz范围内，VSWR＜1．65，副瓣电平为－29dB。5．圆形补片的微带阵。由4个圆形补片单元组成一个子阵，由32×32个单元构成的平成阵口径尺寸为662mm×540mm，天线阵增益为34．5dB，波束倾角为23°。6．圆喇叭阵。这种天线的辐射单元可以是圆口径或圆喇叭，它是由悬置带线延伸的探针激励，由这种辐射单元组成的16单元的子阵，实测增益为21dB(12GHz)，VSWR≤2，其带宽为15%。这种单元实现圆极化无需外加极化器，可用正交的探针激励。由这种单元组成的平面天线阵口径为378mm×378mm，其增益为32．5dB。7．悬置带线的圆形补片阵。由两个金属板和这两个金属板之间悬置的塑料基片组成，采用悬置带线激励可以降低馈电网络损耗。用这类辐射单元组成的476个单元平面阵，口径尺寸为556mm×476mm，在12GHz实测增益为34．1dB，波束倾角为10°，单元增益为10dB。8．微带缝隙阵。这种天线阵是由微带线激励接地板上的缝隙对产生辐射。由320个缝隙单元组成的平面阵，按均匀口径分布设计，天线阵增益为28dB。9．微带宽缝隙阵。这种天线带宽窄，制作时对掩膜精度要求较高，，而微带宽缝天线正好克服了这一缺点，带宽可大于10%，用标准光刻技术即可加工。由宽缝组成的平面阵共512个单元，H面间距为λ，E面为λ／2，实测天线增益(在11．8～12．8GHz范围内)为25dB左右。3dB带度为14%。10．共面波导激励的印制天线阵。共面波导激励比微带激励有下列好处：印制加工较简单，馈电网络较简单，馈线损耗较小，每个单元不必都有分支带线激励。由共面波导激励的缝隙阵为4×4个单元，在Ku波段实测天线增益为19dB，单元增益为5．5dB，天线阵的VSWR＜1．8。11．带线偶极子和缝隙阵。由微带线串馈，单元长为半波长，间距为λg／2，带线偶极子在接地板的“窗口”里，以增加带度和增益。由这种单元组成的平面阵有4个子阵，共320个单元，口径尺寸为424．5mm×277．5mm，实测轴比带宽(3dB)为5．3%，增益带宽(3dB)为7．8%，阻抗带宽为8．7%，VSWR＜2．0，天线效率为87%。12．径向缝隙阵。最早用在x波段，后来用在Ku波段等，这种天线的缝隙改变了口径分布，使其更均匀，增益增加，这种天线末端等效负荷的损耗可减小，天线效率可增加，但低于70%。它由3块等距的平板和一个双层径向线波导组成，顶部为缝隙辐射单元阵，由下面波导中心激励，产生径向向外的行波，上面波导产生径向向内的行波，以至于能量缝隙辐射，每个缝隙都是圆极化工作，在12GHz，制作的定种平面阵的直径为600mm，实测天线增益可达36dB，天线效率为76%。13．作为DBS移动接收用的天线常将泄漏波缝隙阵设置在车顶上，在Ku波段这类天线的馈线损耗可略，其主波束可倾斜(随频率改变)。这类天线的辐射单元－缝隙有两种，一是纵向缝隙，只能线极化工作，天线阵要加极化器材能实现圆极化，这种天线在Ku波段实测增益为34dB，整个天线长为600mm，波束倾斜55°。另一种是交叉缝隙，单元本身可以圆极化工作，这种缝隙形式的分析和制造都比前一种简单，其天线效率可达80%。在Ku波段制作的天线馈电器长为405mm，波导长为510mm。天线增益在尺寸为780mm×780mm×17mm时为35．5dB，波束倾斜12°。平面天线的研制初期大都在微波频段的低端，后来向毫米波、亚毫米波、红外和光频扩展，在辐射单元形状、组成结构和电性能等方面取得了很大进展，在分析和工程设计方面，已由近似分析上升到积分方程的严格求解，理论与实验吻合相当好，因而这类天线由学术研究阶段过渡到工程实用化和商品化阶段。由于平面天线有很大发展潜力，频段扩展和应用范畴的扩展使平面天线有了新的含义。1．不是“仿效”微波天线设计方式。对无源天线，设计中若频率改变，其尺寸一般可以按波长比例缩小，而平面天线到毫米波段就不能这样处理。例如，毫米波微带天线有两个难题，一是馈线损耗大；二是制造公差严。这就导致同轴线和微带线激励均难满足要求，势必考虑用波导馈电(包括金属波导和介质波导)和电磁耦合馈电，这就改变了早先研制微带天线的分析模式，引入了新的概念。2．利用介质坡变形成辐射场。在毫米波段，为了减小馈电损耗，采用低耗介质波导的方式。为了形成辐射有两种方法：一是利用波导中的介质产生的不连续性，形成坡变的挠动，即可产生辐射场，改变介质的形状及尺寸即可改善其性能；二是利用开口波导发生泄漏的特点，在纵向引入不对称，在开口波导一边按“透镜法”缩小，采用泄漏高次模。这类天线是利用开口波导激励，沿波导轴向引入不连续，形成功率的慢泄漏，开口波导的长度就是天线口径长度，控制泄漏波的传播常数和口径尺寸即可控制波束宽度和指向。3．单片集成天线。为了减小平面天线馈电网络的损耗和降低成本，人们致力于开发“有源天线阵”，将辐射单元、放大器、移相器和功分器等都集成在一块基片上，这种天线的分析与设计同无源天线是不同的，它要采用新的分析法，目前在致密性、降低成本、电磁兼容性、可靠性和电性能方面有很多问题尚待解决。4．铁氧体相扫天线。铁氧体加载天线是在一纵向磁化的铁氧体介质波导上均匀刻槽，从而振动内部的传导模，产生辐射，通过改变偏置磁场的强度，控制波导内的传播常数，实现电扫描。在35GHz时制作的一线阵，长度为127mm，共20个缝隙，辐射口径为82．55mm，VSWR＜1．4，增益为11dB，主瓣宽度为5度，上面是纵向开槽。Maheri又提出横向开槽实现电扫描，得到更大的扫描范围，这两种电扫方案都是非互易性的，这类天线涉及到附加边值条件的铁氧体内部的电磁特性分析，目前尚在探讨之中。5．微型整流天线阵。80年代初，A．M．Marks提出一种新的微型平面阵，阵列的每个单元都谐振工作在可见光波段，平面阵单元的长度为1．8×10－7m，宽度为1．0×10－8m，天线单元间距为λ／4n，其中n=1．5，每个单元的中心间隙串联在一起，其输出部分有一个桥式二极管整流器，构成一个子列阵，这些子列阵并联后，引出正、负极性引线，这是一种新型高效光电能转换器的构想，预计转换效率高达70%～80%。80年代末，Marks又进一步提出效费比更高的微型整流阵，将偶极子天线量子力学概念引入的势垒和势阱用势阶所代替，整流二极管用飞秒二极管代替，它利用非对称隧道结，使成千上万个亚微米量级的天线单元悬浮在高介电常数的绝缘体中，形成金属－绝缘体－金属(MBM)，能级按势垒－势阱－势阶方式构成。这种微型平面引阵是一个新的概念，使阵列馈电损耗极大程度地减小，效率大大提高。平面天线的研制与发展涉及到机电性能的限制与提高，以及加工工艺和效费比的提高，同时新型平面天线的理论分析和实给研究也是关键问题之一。1．频段的扩展与频带的展宽。平面天线的使用频段正向毫米波至光波扩展，在微波频段，通常基片厚度相对波长都较小，而且损耗与毫米波比也较小，就是缝隙波导阵到100GHz以上至亚毫米波都不能用金属波导激励和传输，因此扩充到100GHz以上有下列特点：天线和传输线损耗按通常微波的方法已不能满足要求；因波长很短，加工公差要求很严；新概念天线不断涌现，为了减小损耗，人们从天线和馈线形式着手改进，又从材料着手，研制低耗材料和夹层泡沫结构，更为重要的是采用超导和量子力学的概念使导体传输损耗降为零。频段扩展过程中，多频段共用已很突出，微带天线和微型整流阵都在致力于这方面研究，频带展宽同样是引人关注的，这些年来人们从辐射单无形状、结构、馈电网络形式、附加补片和有源器件加载等多种途径来解决。2．减小损耗与超导的应用。减小天馈系统的损耗一直是人们关注的课题。对于毫米波大型阵列，用一般导体制作的传输线和馈电网络所引入的损耗已不能接受，因此介质波导很受关注，而超导传输线更显优越，利用超导传输线可使大型毫米波天线阵的增益(100GHz)增加20～30dB，显著提高增益的关键在于，大型毫米波平面天线阵的馈电网络复杂，传输线相当长(相对波长而言)，减小这部分损耗至关重要，超导电性用在微带天线中主要是为了减小补片和接地板损耗，使效率明显增加。当基片厚度小于0．01λ时，Q值无明显增加，因为受介质损耗限制。3．集成技术和薄膜技术。频段的扩展和多频段共用使微带天线多层化和夹层结构化，而高频前端的单片集成使平面天线更加小型化和具高可靠性，微型整流阵的提出使集成加工都难以实现。集成程度愈高，导致电磁耦合增加和耐功率困难，微细粒子的加工将借助薄膜加工技术，首先在真空中实现，然后再走向实用化。4．新型天线的理论与实验研究。就微带天线而论，对其辐射机理和理论的分析工作经历了多年，由谐振腔模式到积分方程精确求解。然而微带天线的有源加载和多层结构及电磁耦合激励等分析工作还是个难题。超导天线的辐射机理及其分析，目前还在探索之中，附加边值条件的铁氧体内部的电磁特性的分析也是个复杂问题，有待探索解决。5．计量测试；即对平面天线基片材料特性的测量。平面阵电性能测量至今仍是“热门”课题，带宽到100GHz以上，会给测试带来很多新问题，需要建立配套标准，研究新的测试方法，提高测试精度。随着集成技术和薄膜技术的发展，以及各学科间的相互渗透，将使平面天线的性能有了较大的提高，应用范围更加广阔。然而降低馈线损耗、增大功率容量、降低成本、多频和多极化工作、高增益、高效率仍是今后的方攻方向。除上述问题外，还应加强开发下列课题：新材料和加工工艺的基础性研究；集成加工技术和薄膜生产技术(包括单片集成、多模天线的集成、微细粒子加工)；超导的RF特性和辐射机理的研究，超导在天线中的各种效应的评估；大型平面阵的致冷和功率容量，致密性与电磁兼容性研究；毫米波、亚毫米波、红外和光波的平面天线的研究，多频段和多极化多功能工作问题；新型平面天线的探索和实验研究；继续开拓平面天线的新应用和潜在效益。(北京无线电测量研究所都世民撰) |
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