Lecture 15 Antennas in a Circuit 天线
章节目录
- 章节目录
- 15-1 天线的电路角色 Antenna as a Circuit Element
- 15-2 场区划分 Field Regions
- 15-3 辐射方向图 Radiation Pattern
- 15-4 天线参数 Antenna Parameters
- 15-5 通信链路 Communication Link
- Summary
15-1 天线的电路角色 Antenna as a Circuit Element
15-1-1 天线定义 Antenna Definition
天线 Antenna
天线 Antenna 是发射或接收电磁波的系统部件。它把传输线中的 guided wave 转换为空间中的 free-space wave，也可反向把空间电磁能量耦合回传输线。
从电路角度看，天线是 guided wave 与 free-space wave 之间的能量接口：
- 发射时，把源和传输线送来的功率辐射到自由空间；
- 接收时，把入射电磁波转成端口电压和电流；
- 匹配不好时，一部分功率会反射回电路；
- 有损耗时，一部分功率会变成热。
天线设计同时关心电路匹配和空间辐射方向图。
15-1-2 天线类型 Antenna Types
常见天线类型：
| 类型 | 例子 | 特点 |
|---|---|---|
| Wire antenna | dipole, monopole | 结构简单，低频常见 |
| Aperture antenna | horn | 微波频段常见 |
| Microstrip antenna | patch antenna | 易集成到 PCB |
| Array antenna | phased array | 可形成方向性和波束扫描 |
| Reflector antenna | parabolic dish | 高增益，高方向性 |
| Lens antenna | dielectric lens | 用介质控制波前 |
课程后面主要看通用参数，不展开各类结构细节。
15-2 场区划分 Field Regions
15-2-1 近场与远场 Near Field and Far Field
天线周围空间通常分为 reactive near-field、radiative near-field 和 radiating far-field。
| 区域 | 主要特征 | 说明 |
|---|---|---|
| Reactive near-field | 储能占主导， | 非传播能量多 |
| Radiative near-field / Fresnel | 开始辐射，方向图随距离变化 | 波前还未近似球面 |
| Radiating far-field / Fraunhofer | 传播功率为主 |
Reactive near-field 中电抗储能占主导，波阻抗可能很高，电场和磁场比例不像远场那样固定。Radiative near-field 中
远场中波阻抗近似为实数，功率主要向外传播。方向图、增益和链路预算通常都按远场条件定义。
15-2-2 远场边界 Far-Field Boundary
波长为
对最大尺寸为
另一个常见近场边界估算为
这里
例：
远场边界为
也可以反求频率。由
得
若
课件手写结果标为
15-3 辐射方向图 Radiation Pattern
15-3-1 主瓣与副瓣 Lobes
辐射方向图 Radiation Pattern
辐射方向图 Radiation Pattern 描述天线辐射强度随空间方向
方向图中的常见部分：
| 名称 | 含义 |
|---|---|
| Major lobe / Main lobe | 最大辐射方向附近的主波束 |
| Minor lobe | 非主瓣的其他辐射瓣，通常是不希望的方向 |
| Side lobe | 偏离主方向的副瓣，常指较大的 minor lobe，通常希望降低 |
| Back lobe | 与主瓣相反方向的辐射瓣 |
| Null | 辐射很弱或为零的方向 |
理想 isotropic radiator 在所有方向均匀辐射，三维方向图是球面。真实天线一般都有方向性。
15-3-2 波束宽度 Beamwidth
半功率波束宽度 Half-Power Beamwidth
Half-Power Beamwidth, HPBW 是主瓣峰值下降到一半功率，也就是
第一零点波束宽度 First Null Beamwidth
First Null Beamwidth, FNBW 是主瓣两侧第一零点之间的角度。
课程图中给出近似关系：
HPBW 越小，波束越窄，方向性通常越强。但覆盖区域也会更窄。
15-4 天线参数 Antenna Parameters
15-4-1 功率密度与辐射强度 Power Density and Radiation Intensity
各向同性天线辐射功率
功率密度为
辐射强度定义为单位立体角功率：
对各向同性辐射器：
功率密度随距离平方衰减，辐射强度只与方向有关。
15-4-2 方向性与增益 Directivity and Gain
方向性 Directivity
方向性 Directivity 是某方向辐射强度与全方向平均辐射强度的比值。
各向同性辐射器满足
天线增益 Antenna Gain
天线增益 Antenna Gain 用输入功率作参考，描述天线在某方向上的有效辐射能力。
方向性只考虑功率如何分布到空间方向。增益还包含失配、欧姆损耗等实际因素。
若用辐射效率
实际 gain 受三件事共同影响：
- mismatch / reflection：端口不匹配会把功率反射回去；
- ohmic loss / efficiency：导体、介质和馈线损耗会把功率变成热；
- directivity：天线把功率集中到某些方向。
增益常用
天线增益不是放大器增益。天线不能凭空增加输入功率，只能把功率集中到某些方向。
15-4-3 带宽与前后比 Bandwidth and Front-to-Back Ratio
天线带宽定义为满足匹配、增益、方向图或效率要求的频率范围：
前后比为主瓣方向功率与反方向功率的比值，常用 dB 表示：
例如主方向增益为
前后比在需要抑制后向干扰或控制覆盖区域时很有用。
15-5 通信链路 Communication Link
自由空间传播中，功率会分布到越来越大的波前面积上，因此功率密度随距离平方下降。
若发射天线增益为
接收天线用有效孔径
有效孔径与接收天线增益关系为
代入得到 Friis 传输公式：
以 dB 形式看，自由空间路径损耗为
Summary
| 内容 | 公式 / 结论 | 备注 |
|---|---|---|
| 天线作用 | guided wave 与 free-space wave 的转换 | 同时涉及匹配和辐射 |
| 波长 | 高频对应短波长 | |
| 远场边界 | ||
| 功率密度 | 各向同性情况 | |
| 辐射强度 | 与方向有关 | |
| 方向性 | 不含损耗 | |
| 增益 | 含效率影响 | |
| 带宽 | 取决于性能指标 | |
| 前后比 | dB 直接相减 | |
| Friis 公式 | 自由空间链路 |