有源天线 - 正文
只含金属和介质的一般天线中如果还含有晶体三极管、隧道二极管、变容二极管等有源器件，就成为有源天线。它能改善电小天线的性能。有源天线中的有源器件可以直接装入天线（图1），也可以使天线和放大器连接而组成一个天线系统（图2）。普通天线配以有源器件,可以改善电小天线的阻抗，展宽频带,改善系统的噪声特性等，所以有源天线有助于实现天线小型化。
有源天线
有源天线
有源天线中的有源器件可以工作在线性和非线性两种情况，互易原理适用于前者，而不适用于后者。 图1为一有源天线，输入阻抗为
式中R1、C1、L1分别为天线的电阻、电容和电感；S＝Ic/Vbe为晶体管的互导；β＝Ic/Ib为电流放大倍数。通常β?1，所以有源天线的输入电阻为
Ri＝R1+1/S天线的谐振频率为
式中
为无源天线的谐振频率。因此,有源天线与同形等高的无源天线相比，谐振频率降低，
输入电阻提高，因而天线的带宽变宽。
图2为配有放大器的小环有源天线,如果放大器的输入阻抗远小于天线的阻抗，则天线可得到与频率无关的输出电流。若设计正确，带宽能达几个倍频程。
图3为一个有源接收系统。TA1为无源天线在1-1′端的等效噪声温度,TE为接收机的噪声温度。在无源天线和接收机之间接入由晶体管和其他网络（如匹配网络）构成的中间网络。若中间网络的增益为
GN，1-1′端上等效噪声温度为TN1，则整个接收机系统在1-1′端上表示的总噪声温度为
TS1=TA1+TN1+TE/GN
可见，中间网络使系统增加了一个噪声项(TN1),设计时应尽可能减小TN而增大GN，以使有源噪声温度与无源噪声温度(TA1+TE)相比得到改善。
有源天线
传输线的几个基本概念
连接天线和发射机输出端（或接收机输入端）的电缆称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量，因此，它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号，这样，就
要求传输线必须屏蔽。
顺便指出，当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时，传输线又叫做长线。
3.1传输线的种类
超短波段的传输线一般有两种：平行双线传输线和同轴电缆传输线；微波波段的传输线有同轴电缆传输线、波导和微带。平行双线传输线由两根平行的导线组成它是对称式或平衡式的传输线，这种馈线损耗大，不能用于UHF频段。同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合
有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能力
使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。
3.2传输线的特性阻抗
无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗，用Ｚ0表示。同轴电缆的特性阻抗的计算公式为
Ｚ。＝〔60/√εr〕×Log(D/d)[欧]。
式中，D为同轴电缆外导体铜网内径；d为同轴电缆芯线外径；εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。通常Ｚ0=50欧，也有Ｚ0=75欧的。由上式不难看出，馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关，而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关。
3.3馈线的衰减系数
信号在馈线里传输，除有导体的电阻性损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此，应合理布局尽量缩短馈线长度。单位长度产生的损耗的大小用衰减
系数β表示，其单位为dB/m（分贝／米），电缆技术说明书上的单位大都用dB/100m（分贝／百米）.设输入到馈线的功率为Ｐ1，从长度为L（m）的馈线输出的功率为Ｐ2，传输损耗TL可表示为： TL＝10×Lg(Ｐ1/Ｐ2)(dB) 衰减系数为β＝TL/L(dB/m)
例如，NOKIA7/8英寸低耗电缆，900MHz时衰减系数为β＝4.1dB/100m，也可写成β＝3dB/73m，也就是说，频率为900MHz的信号功率，每经过73m长的这种电缆时，功率要少一半。
而普通的非低耗电缆，例如，SYV-9-50-1，900MHz时衰减系数为β＝20.1dB/100m，也可写成β＝3dB/15m，也就是说，频率为900MHz的信号功率，每经过15m长的这种电缆时，功率就要少一半！
3.4匹配概念
什么叫匹配？简单地说，馈线终端所接负载阻抗ＺL等于馈线特性阻抗Ｚ0时，称为馈线终端是匹配连接的。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。如下图所示，当天线阻抗为50欧时，与50欧的电缆是匹配的，而当天线阻抗为80欧时，与50欧的电缆是不匹配的。
如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加装匹配装置。
3.5反射损耗
前面已指出，当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。
3.6电压驻波比
在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Ｖmax，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Ｖmin，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。 反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数，记为R 反射波幅度（ＺL－Ｚ0）
R＝─────＝─────── 入射波幅度（ＺL＋Ｚ0）
波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记为VSWR 波腹电压幅度Ｖmax（1+R）
VSWR＝──────────────＝──── 波节电压辐度Ｖmin（1-R）
终端负载阻抗ＺL和特性阻抗Ｚ0越接近，反射系数R越小，驻波比VSWR越接近于１，匹配也就越好。 3.7平衡装置
信号源或负载或传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。
若信号源两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡信号源，否则称为不平衡信号源；若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡负载，否则称为不平衡负载；若传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡传输线，否则为不平衡传输线。
在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接，在平衡信号源与平衡负载之间应当用平行双线传输线连接，这样才能有效地传输信号功率，否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接，通常的办法是在粮者之间加装“平衡－不平衡”的转换装置，一般称为平衡变换器。 3.7.1二分之一波长平衡变换器 又称“Ｕ”形管平衡变换器，它用于不平衡馈线同轴电缆与平衡负载半波对称振子之间的连接。“Ｕ”形管平衡变换器还有1:4的阻抗变换作用。移动通信系统采用的同轴电缆特性阻抗通常为50欧，所以在YAGI天线中，采用了折合半波振子，使其阻抗调整到200欧左右，实现最终与主馈线50欧同轴电缆的阻抗匹配。
3.7.2四分之一波长平衡-不平衡器
利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的平衡-不平衡变换。
不同形状单贴片单层微带贴片天线的扩展带宽技术
阿朴杜拉A. S . , 穆罕默德 Y. E. , 刘元安 (北京邮电大学 电信工程学院, 北京 100876)
摘要: 采用多种带宽改进技术, 应用于不同形状的单层片状天线, 主要包括: 短路销钉, 双宽缝(E形)等Λ同时, 采用基于MOM 的软件包分析了天线性能, 证明方形天线可以工作在3 个频率点, 即1183 GHz、 2116 GHz 和 2174 GHz, 其最大的增益达到 914 dB; E 形天线工作在 2113 GHz 和 215GHz, 当中心频率为 214 GHz 时, 带宽达到33.133% (反射损耗≤- 10 dB) , 其最大增益为9125 dB。
关键词: 微带天线; 带宽改进; 广带天线
微带贴片天线具有重量轻，适应性强，较低的制作成本等许多有用的特性，事实上，这种天线制造工艺确实也非常简单。但是，对于这种天线，一个非常明显的发展瓶颈就是频带特性比较窄。一个典型微带贴片天线的阻抗带宽比使用薄片介质且符合标准（）的天线低1%以上的比例。与此相反的是，这种贴片天线却比普遍用作天线元件的偶极子、狭缝、波导管天线的阻抗带宽要高15%到25%。可以从参考文献（1）得出结论，介质厚度（h）的增加和介电常数（）的减小都能用来增加微带贴片天线的阻抗带宽。然而，这种方法并不能普遍适用贴片天线，仅仅当h/r<0.02时有效。这种用厚介质而高介电常数的介质制成的天线还有许多缺陷，其中包括由于表面波的产生而导致差的发射效率、由于贴片的步进宽度和其它的不连续性而发生虚假的辐射、因为厚度产生的高阶模式。
随着无线通信技术的快速发展，单贴片单介质层宽带天线已经广泛引起了众多研究者的注意。为了提高天线带宽或者在微带贴片天线引入多个频带带宽，不用的技术在这篇论文中讨论并应用。本文的分析基于检验函数的矩量法，利用电磁仿真软件来进行设计仿真。在第一部分中，一个单层介质单层贴片的微带天线将会被讨论和设计。这种天线频带宽的特点主要是由在单贴片上产生3个谐振模式并使其充分的接近而产生的。在第二部分中，为了达到增加天线带宽的目的，一个单介质层单贴片并开有一对
狭缝的微带天线将会被介绍、设计和分析。
1. 带有一对缝隙的单贴片探针型天线
最近的研究显示，在探针极子微带天线的矩形贴片中嵌入一个u形槽，天线的阻抗带宽可以很容易地增加20%。在这篇论文中一个采用双缝隙的新型宽带矩形贴片天线将会被介绍。两个宽缝被插入在矩形贴片一个辐射边沿，如图6所。空气介质的厚度（h）将贴片和地平面隔离开来。这两个缝隙具有相同的长度（l）和宽带（w1）。两个缝隙分别以贴片中心线（Y轴）对称分布，缝隙之间的距离是(w2)。探针极子放置在距离贴片底部边沿为（d）处。图7展示了整个天线的等效电路结构。在贴片的中间部分，电流能够正常流动，所以可以被一个LC 电路替代，当然resonated at the initial frequency.然而，在贴片的边沿部分，电流必须环绕着缝隙流动，因而电流流动路径的长度增加。这种影响可以通过用一串电阻来建模实现，所以边沿部分的等效电路能谐振在一个低频率点上。因此，天线结构用双峰谐振电路来代替单独的LC电路结构。这两种谐振电路相互组合并形成宽带。
为了在宽带的条件下完成阻抗匹配，缝隙的长度（l）应该为0.8L,缝隙的宽度应为0.06W。介质板厚度大约是中心频率为2.4GHz波长的11%。天线的设计参数如下：L=50mm,W=105mm,,h=14mm,l=40mm,W1=6.3mm,W2=15.3mm,dp=10mm.图8显示了在频率轴下的回波损耗计算，可以看出两个相近的谐振模式频率激发在f1=2.13GHz，f2=2.5GHz处。整个天线的阻抗带宽（回波损耗在10dB）为800MHz，相对于中心频率2.4GHz大约占33.33%。在阻抗品带宽的频率下，天线增益图在图9中列出，在增益浮动小于0.34dB的条件下，峰值最大增益为9.25dB。图10画出了在两个谐振点上的E-平面图和H-平面图。
3 Conclusion
In this paper, two different techniques for the design of single- patch single-layer microstrip antennas are presented, the probe- fed single-patch w ith three short ing pins, and the probe-fed single-patch w ith a pair of wide slits . These two configurations can be applied in many wireless communication systems . The first configuration is designed for triple-f requency operation at 1183 GHz, 2116 GHz and 2174 GHz . The second configuration has dual-frequency operation at 2113 GHz and 215 GHz w ith a to tal bandw idth of 33133% cen tered
around 214 GHz .
2. 结论
在本文中，提出了两种不同技术设计的单贴片单层微带天线：带有三个贴角的单贴片探针极子天线，带有一对宽缝隙的单贴片极子天线。这两种结构能够在众多无线通信中应用。第一种结构可以设计出三个频率点1.83GHz,2.16 GHz,1.74 GHz。第一种结构可以设计出两个点2.13GHz,2.5GHz，相对于中心频率2.4 GHz总带宽的33.333%。