第期电子学报掩年月有源天线的原理与应用七于七刘愁恒阳昌汉哈尔滨船舶工程学院【提要】本文叙述了单个有源发射天线、单个有源接收天线、有源发射天线阵及有源接收天线阵的工作原理和基本特性。详细讨论了计算有源发射天线阵和有源接收天线阵的自阻抗与互阻抗的公式。并给出了一些实验结果。,,、一前七,现在关于有源天线的文章和报导虽然很多‘王一,但对于有源天线的基本原理却还研究得不够。本文从天线小型化的角度出发,结合晶体管和天线的实际连接方法,讨论了有源天线的工作原理和基本特性。普通小夭线这里是指电尺寸很小的天线,而天线的实际尺寸并不一定很小的主要缺点是效率低和频带窄。在小天线的金属导线上接人一个或几个晶体管、隧道二极管、变容二极管或场效应管等有源器件构成有源天线后,使夭线金属导线上电压和电流的分布关系发生了变化,这样可使天线输入阻抗随频率变化关系减弱,从而增宽了频带宽度和提高了效率。在有限的空间中、适当减小各个天线单元间的距离,原理上是能用普通天线单元组成强方向性的超增益天线阵。但一般无源超增益天线阵中相邻单元间的互祸很强,这种互祸导致了天线阵的频带很窄,效率很低,且对馈电与加工的精度要求很高,很难付诸实际应用,王在天线单元上连接有源器件后,可以把天线阵中相邻单元之间祸合的影响减小习,因而能够把天线阵中相邻单元之间的距离适当地减小。这样就有可能制造出体积较小的、能装于高速飞机、导弹和人造卫星上的超增益天线阵包括自适应天线和相控阵天线。于年月收到,同年月修改定稿。二一,一宕‘。‘。夕窟”电子学报年二、单个有源天线··在偶极天线、单极天线、隙缝天线、一螺旋天线或加顶电容负载天线上安装一个或几个高频晶体管、场效应晶体管、隧道二极管或变容二极管,就构成了各种不同类型的有源天线。目前常用的是在加顶电容负载天线的垂直金属导线上安装一个晶体管,如图及图。所示,因此在本文中以这种天线为例加以讨论。图为一般加顶部电容负载的小天线,其顶部加载部分可以是一根或数根水平导线,也可以是一个金属圆板或其它形状的金属导体。有源天线的尺寸大小或固有波长,在很大程度上决定于晶体管的放大倍数及晶体夕二娜交门杯么亿乡管在垂直导线上安装位置的高低。如果把晶体管安装在夭线垂直导线下端的输入馈线处,则晶体管对天线尺寸的影响完全可以忽图三种小天线的原理图略不计,天线的固有波长便与晶体管的参量毫无关系。因此这种情况的有源天线实际上可以看成为图所示形式的夭线,这种天线的固有波长可以按参考文献〔〕中第五章第三节所述方法计算。在这种情况下,晶体管只能看成为与天线连接的一个放大器或阻抗变换器。但如把晶体管安装在垂直导线的最上端,如图或灼所示,则晶体管放大倍数就对确定天线尺寸大小有很大的影响,天线的固有波长就将随着晶体管的放大倍数而改变。这些关系我们从物理概念上能够很容易地直接看出来。在图上示出了一个加顶电容负载的形无源小天线,天线的高度。远小于波长这种天线上部水平导线实际尹一一一、产一一、、龟‘上不辐射,只是用来改变垂直导线上的电、、、、、、,、、、‘、龟流分布,整个夭线上电流的分布情况如图中的虚线所示。为了对比方便起见,环刁阶了芬表勿仔召叉邪刀在图上画出了同样高度不加载无源那勿勿小天线上的电流分布。在这些天线上导线末端处的电梳均为零,一般情况天线上电流的分布规律是近似于正弦律的,不过当图三种天线上电流分布原理图天线尺寸小于几时,天线导线上电流分布实际上是近似于按直线规律变化的,即如这些图上虚线所示的形状。从物理实质上来说,无源天线顶部加载的作用,就是使其垂直导线顶部的电流不为零而为某一数值。如用垂直部分等效伸长量,代替水平部分,由参考文献〔的第五章第三节式得,,。口,二厂一气下该于’少了,护式中为水平导线的波阻抗。为垂直导线的波阻抗,为水平导线的长度二二几。对于小天线来说,水平导线长度不可能很大,水平导线的波阻抗内也不可能很小。所以’“,。这种水平导线的垂直部分等效伸长量实际上是非常有限的现在我们在天线的垂直导线第期有源天线的原理与应用顶部再加上一个晶体管放大器,利用它把无源加载时的电流加以放大。显然,这样就使加载的作用增大了。晶体管的放大倍数越大,这个作用就越大。这时有源天线的尺寸大小就是与晶体管放大倍数有关。因为晶体管能把这个电流成数倍、几十倍甚至几百倍地加以放大,所以有源天线的尺寸可以大大地缩小。这就是有源天线的尺寸可以比无源天线的小几十倍甚至几千倍的基本物理实质。有源天线的固有波长与晶体管在瓮垂直导线上安装位置高低的关系,用。亚我们的一个实验结果来看最为方便亚斤在图上示出了一种