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细说平板天线的原理

2013-11-05 来源：微波射频网字号：大中小

上个世纪末期，平板天线曾出现在国内的相关展览会和市场上，当时能见到的多为日本和韩国生产制造的，如图1所示的两款平板天线。但是，由于当时这些平板天线价格昂贵，有些技术指标也不太适合我国使用，所以没有多久因为打不进中国市场，很快便消声匿迹了。其实，平板天线在国外，也没有流行起来，原因多种多样，而其中主要原因是价格问题，平板天线比反射面天线要贵很多，再加之制造工艺要复杂的多，所以在一定程度上是竞争不过目前流行的反射式抛物面天线的。

在国内，近来出现了平板天线。这些平反天线多数是国内厂家自己生产的，有相应的平板天线的广告。正因为这些平板天线是国内厂家生产的，因此它考虑到国内所需产品的特点，使国产平板天线既可以接收自己的直播星，也可以出口海外。因此目前国内生产的平板天线一改往曰纯进口平板天线的特点，适用性提高了。同时由于工艺上的改善，平板天线的技术指标也大大改观，再加之由于是国内生产，其生产成本也降低了不少。因此可以说，平板天线在我国已进入了实用性阶段。

应该说，平板天线与我们现在已大量使用的反射式抛物面天线有很大的不同。反射式抛物面天线是采用一次或二次反射式的接收天线，而平板天线是直接接收式天线，前者的天线面是起反射作用的，后者的天线面就是直接接收的天线，因此二者有本质的不同。

目前，平板天线有振子式、缝隙式等几种，它们集中的特点是体积小、重量轻、风阻小、安装使用方便；内置高频头使天线与高频头一体化，调节便利；平板天线的效率较高，特别适用于直播星电视的接收。

如果我们将过去进口的一款振子式平板天线的天线面纵向切开的话，我们就会见到这个天线面是由五层材料组成。如图2。

第一层和第五层为天线保护层，又称天线罩，是用耐腐蚀介质做成。它起到防止氧化、衰减紫外线对印刷板电路的影响、防雨、雪侵蚀的作用。图2的结构图中没有画这二层。

第二层为接收天线层。是一层印刷电路板金属层，它的上面印刷着许许多多排列整齐的单元振子形成的天线阵，故可称天线基板层。这一层决定着平板天线的技术质量。单元振子的形状是多样的。

第三层为印刷电路板的介质层，它支撑着第二层。

第四层为接地导体层，它是一层金属箔板，既起到对天线阵的反射作用，又是馈线的一部分，组成微带传输线。天线阵的输出，与装在平板天线板后的高频头联接。

由此我们可以看出，平板天线有一个较为复杂的结构，采用着微波技术中的微带电路技术，对其工艺要求的又很高，特别是天线阵中馈电相位的同相性要求极其严格。它和反射式抛物面天线的结构相差很大，因此设计与制造都有较大的难度。平板天线理论的提出已有二十余年的历史，至今才见到质优价廉的平板天线的出现于国内市场，其原因恐怕就在如此。　　

振子式平板天线及其工作原理

*注意*直播电视的出现，使*注意*下行信号的频率提高到12GHz，波长变短达到2．5cm，这为平板天线的出现提供了可能。因为平板天线不可能做的很大，只有波长较短时，平板天线才可能做的较小些。

实际上平板天线是从雷达和无线电通信中常用的阵列式天线移植到Ku波段*注意*电视接收天线上来的。

所谓阵列式天线，就是将许许多多半波振子单元天线进行有规律地排成行和列而形成。如图3。通常每个相邻半波振子单元之间，包括行距与列距，相隔半个波长的整数倍，从而构成一个天线阵。半波振子的单元的数量取决于平板天线的增益要求，增益要求愈高，其采用的半波振子单元也就愈多。例如，平板天线增益要求达到34dB，那么平板天线的半波振子单元，就得有480个之多。因此振子单元愈多，增益愈高，平板天线的面积也就愈大。

何谓半波振子单元天线呢?如图4(1)，这是一付对称天线，其每一端臂长1／4波长，是用金属导体制作而成，两端全长为1／2波长，这种天线称半波振子天线。如果一付天线长度恰好为半个波长，此时的天线呈现为谐振状态，其特性阻抗最小且为纯阻，无电抗，损耗最小故辐射最大。其辐射的方向性图如图4(2)，即以半波天线为轴，向垂直于轴线的四周辐射，从剖面看形成8字形辐射。如果再在半波振子天线平行—侧口一反射板，其辐射方向就成为图4(3)所示，辐射成了单方向性的。除主瓣辐射之外，增加了二个副瓣辐射，即有了其它方向辐射，尽管较小。

当我们明白了单一的半波振子天线的辐射特性后，就可以分析由若干个半波振子天线单元形成的天线阵，即阵列式天线的特性了。由垂直于天线阵的方向来看，由于入射电波距各个振子的行程相同，电波的相位都相等，天线阵的辐射能量为各个半波振子辐射能量相加，因此天线阵辐射能量为单个振子辐射能量的倍数。

而从天线阵的行与列平面的方向即从平行于平板天线方向来看，入射波到每个半波振子的行程不等，相差半个波长，因此每个半波振子电波相位都差半个波长，即相差180°，故半波振子间相位相反，辐射相互抵消，总的辐射为零。

对于既不是垂直于平板天线也不是平行于平板天线的其它方向电波而言，如图6，各振子间在该方向电波行程差为L。不难看出，由于不同方向电波，目口不同入射角9的电波，所形成的行程差L也不相同，天线在该方向形成的辐射强度也不相同，因此天线会出现一些不同于主辐射的辐射方向，即出现旁瓣辐射。旁瓣辐射的数量和强度与半波振子的数量相关，振子越多，旁瓣越多，其强度越弱。

由以上分析我们得知，阵列式天线在接收垂直于天线面方向上电波能量最强，而来自天线面平行方向上的电波是最弱的，是接收不到的。至于接收其它方向的电波能力，也有一点，而这是我们所不欢迎的，可以通过加大天线阵中半波振子的数量，来加以消除。因此我们可以说，平板天线主接收方向是垂直于天线的法线方向。如图7。同时我们也由此感觉到，平板天线与反射式抛物面天线一样，天线口径越大，方向性越强，天线口径越小，方向性越差。这也说明只有小口径天线，才可能实现一锅多星的道理。　　

平板天线中半波振子单元的几种等效辐射单元

在平板天线中，采用阵列式天线，而它的基本单元是半波振子单元。而这种基本单元，我们又可以称其为天线的辐射单元。在Ku波段，频率范围如果是恫．7—12．75GHz，那么对应的波长在2．353-2．564cm之间。1／2波长为7．177-1．282cm，取其平均值，半个波长为1．23cm在实际使用中，由于还要考虑天线有个缩短因素，因此半波振子单元的实际长度还要乘以缩短系数0．85-0．9，所以实际半波振子单元长度为1．0455—1．107cm之间，取其平均值便是1．076cm，目口11mm左右，这个长度范围便是平板天线中单元(半波)振子的长度，只有在这个长度范围内的生产制造的平板天线，才适合接收11—12GHz的Ku波段*注意*信号。

上面我们分析了平板天线中的基本单元或称辐射单元是半波振子天线，但由于它仅能接收线极化的电波，形式单一，尺寸也不能缩小。所以在实际使用中，人们常用其它各种等效形式的辐射元来替代它。这样生产出来的平板天线不仅面积、尺寸减少些，而且有的可以接收圆极化波。现在就让我们认识一下这些等效辐射元。

1、片状形等效辐射元：如图8中(1)，依靠上、下电极组成的极片作为辐射单元。片状图形种类较多，图8(1)仅为片状形一例。

2、同平面电极形等效辐射元：如图8中(2)，依靠电极与周围的接地线构成。同平面电极在其相邻的缝隙处产生电场，来辐射电波。此例为圆极化辐射单元。

3、槽缝形等效辐射元：如图8中(3)，由上下两块金属板形成封闭波导，而上板开有许多槽缝，将空间电波导入并在内部汇集由波导引出。这方面技术将在后述内容中介绍。

4、线状形等效辐射元：如图8中(4)，没有单元振子，而依靠传输线上各不同位置的电流分布产生同相辐射。因此将线做成曲折矩形，变折部分为传输线，平直部分为辐射振子。

振子式辐射单元间的馈电

平板天线中的辐射单元的馈电是一个难度较高的技术性问题，必须保证各辐射单元完全是同相馈电，才能使平板天线有较高的增益和较强的方向性。振子式平板天线各辐射单元依靠微带馈线来馈电，馈电线路不仅要保证各个辐射单元要同相馈电，而且要保证各个辐射单元之间联接与微带馈线间的阻抗匹配问题，这样才能达到衰耗小、效率高。

由于各辐射单元振子是多个连接使用，因此电路是不断地并联。每二个辐射单元并联一次，阻抗便降低一半，所以馈线的特性阻抗会发生改变，国此要特别注意它们之间的匹配。微带传输线是做在同一基板上，不可能用改变带间距离的方法来改变阻抗，所以只有改变微带宽度来控制阻抗变化。为了使不同线段间匹配，馈线上还装有许多入／4阻抗变换器。

为了保证处于不同部位的单元振子都能得到同相位的馈电，因此在设计振子式平板天线布线时，通过调整微带馈线的长短来达到这一目的。

振子式平板天线与高频头的联接

由于平板天线各辐射单元是靠微带馈线联接的，电波在振子处已变为感应电流，各微带馈线集中汇总后可以直接以电流形式传输给高频头中下变频器。既不需要馈源，也减少了由电波的电场形式转换为电流形式的损失，有利于信号的接收。

对于既不是垂直于平板天线也不是平行于平板天线的其它方向电波而言，如图6，各振子间在该方向电波行程差为L。不难看出，由于不同方向电波，目口不同入射角9的电波，所形成的行程差L也不相同，天线在该方向形成的辐射强度也不相同，因此天线会出现一些不同于主辐射的辐射方向，即出现旁瓣辐射。