3mm波测试仪中天线的设计

　　0　引言

　　天线作为毫米波能量的辐射和接收装置,它的类型众多,且各有其特点。在一些应用场合,传统的微波天线,如反射天线、透镜天线、喇叭天线和隙缝天线等,按比例缩小后即可应用于毫米波频段。然而由于天线尺寸缩小需要更加严格的公差控制,使得这种缩尺方法的应用受到限制。天线是毫米波测试仪中必不可少的重要组成部分,它和整个测试系统的性能密切相关。因此,对天线的设计至关重要。根据仪器的性能和测试的要求,我们选用的是多模喇叭天线。其具体技术参数的选取及设计如下。

　　1　天线电性能参数计算

　　从功能上考虑,天线可分为发射天线和接收天线两大类(有些天线即适用于发射也用于接收,甚至可收发共用)。尽管接收和发射天线在性能要求和工作方式等方面存在差异,但通常可以利用电磁场的互易原理来分析接收天线特性,即把接收天线当作发射天线来分析。描述发射天线的电性能参数一般亦可用于描述接收天线[1](有些在含义上略有不同)。实际中采用天线方向图、主瓣宽度、副瓣电平、方向性系数、天线效率增益、极化、输入阻抗、频带宽度、有效长度或有效面积等指标来表征天线特性。

　　1. 1　方向性、波瓣宽度与副瓣电平的计算

　　由于天线具有定向辐射(或接收)作用,实际设计中关心的是天线的方向性。天线的辐射方向图(简称方向图)表示距离r给定时天线的(远场区)辐射特性(如辐射功率密度、场强幅度和相位、极化等参量)随坐标(θ,φ)变化的空间分布图样。在这里主要讨论辐射强度随空间角度变化的方向图,即功率方向图。在远场区,场强振幅是与距离r成反比,辐射功率密度则与距离的平方成反比。因此,引入辐射强度,其定义为天线给定方向上每单位立体角内所辐射的功率[1]。辐射强度可通过辐射密度与距离的平方的乘积求得,且与距离r无关,其数学表达式为:

　　式中,U为辐射强度,单位为W /sr(sr表示单位立体角);E为场强;H为辐射功率密度。

　　引入归一化的场强振幅方向图(或称为方向性函数)

　　通过辐射强度在围绕天线的整个4π立体角上积分,可算出天线总的辐射功率

　　天线典型的方向图如图1所示,它一般有许多波瓣(相邻两个零点之间的部分),其中主波瓣(或称为主波束)为包含天线辐射量大方向的主波瓣,旁瓣(或副瓣)则是除主波瓣外的其他波瓣。通常采用直角坐标或极坐标形式来绘制天线方向图。

　　天线的波瓣宽度(也称波束宽度)是指主瓣内辐射强度相同的相邻两个方向的角度间隔。最常用的是半功率点波瓣宽度(HPBW)。主瓣的半功率点波瓣宽度(简称主瓣宽度或3dB波瓣宽度)是以辐射强度下降为辐射最大方向处辐射强度的一半定义的(即场强为最大值的0. 707倍),用或、表示(下标E、H分别代表E平面和H平面)。主瓣宽度指标反映出天线辐射是否集中。主瓣宽度很小,方向图尖锐,表示天线的辐射集中,方向性较好。