宽带天线主要指标说明及优化

实际上，宽带天线的主要指标与一般天线有一致的地方，也有它的特定要求和约定。天线的带宽指的是其主要指标如增益、主瓣宽度、副瓣电平、输入阻抗、极化特性和相位分布等均满足设计要求时的频率范围。宽带天线具体工作时，有可能是大瞬时带宽覆盖，也可能是小的瞬时带宽。通常情况下，天线的各项指标是随频率变化的，因此，天线带宽取决于各项指标的频率特性。若同时对几项指标都做具体要求时，则应该取其中最严格的要求作为确定天线带宽的依据。

1.天线带宽表示法

（1）相对带宽。天线的最高工作频率与最低工作频率之差除以天线工作频率范围内的中心频率，即

式中　fh、fl——工作频带范围内的上限频率和下限频率；

　　　f0——f0=，通常以百分数表示。

（2）天线带宽比。天线工作频带的上限频率和下限频率之比，即

例如，天线的工作频率为2～18 GHz，其带宽比为9 ∶1。

（3）倍频程带宽。通常将天线的工作频带范围内的上限频率和下限频率之比表示成2 的幂次关系。设p 为幂次数，则

若p=1，则称为1 倍频程（oct）；若p=2，则称为2 倍频程；频率为2～8 GHz 时，BW=4，即带宽为2 倍频程，依此类推。一般情况下，窄频带天线多使用相对带宽表示法；而宽带天线通常采用带宽比表示法；而超宽带天线用倍频程表示法。在雷达系统中，相对带宽为10%左右及其以上被认为是宽带雷达；而相对带宽在25%及以上被认为是超宽带。现在电子战系统中，当带宽比大于或者等于1.5 时，认为是宽带天线；当带宽大于3 倍频程时，认为是超宽带天线。电子战常用频率为50 MHz～40 GHz。当然，还可以往两端扩展，在工程研制中，天线宽带最大达220 ∶1。

2.天线阻抗与驻波

阻抗概念对中、低频天线特别有用，易于确定一对输入点，阻抗是单值情况。在较高频段或微波频率上，阻抗可能存在多值，且直接测量天线的阻抗几乎不太可能，因而采用测量驻波系数或反射损耗的方法来计算天线的输入阻抗。

式中　Zc——传输线特性阻抗；

　　　Γ——反射系数。

工程中常用电压驻波系数VSWR 表征天线与馈线及系统的匹配情况，即

天线向自由空间辐射能量，并形成可以向前方传播的电磁波，空间波阻抗为377 Ω。天线还要与下面的连接传输线传送射频的信息，常用的传输线为50 Ω 系统。当天线构成一个系统时，它所含有的多种射频组件、波束形成网络等多数都要设计成接近50 Ω 的输入/输出端口，以保证天线系统能和50 Ω的接收机或发射机尽可能匹配地连接。因此，对天线系统而言，其输入阻抗对系统工程师来说非常重要，它直接影响天线能量的输入或输出的效率。对于377 Ω 的自由空间波阻抗和50 Ω 的传输馈电线，无论天线采取何种阻抗变换设计措施，都要求每个天线辐射单元的输入阻抗以50 Ω 为参考。由于从理论上精确计算每个辐射天线元的自阻抗与互阻抗特性比较困难，理论分析主要用来诊断和指导工程设计。天线的输入阻抗 （含其实部的电阻分量和虚部的电抗分量）是一个复数，无论是单个天线还是阵列天线，它的阻抗特性是针对天线和阵列输入或输出端口，它是频率的函数。当天线和其周围的环境有较强的电磁耦合时，它的阻抗特性除了取决于天线自身的结构、电尺寸、馈电的网络形式等因素外，还与所处的环境有关，在宽带范围内更是如此。当天线的输入阻抗ZA与传输线的特性阻抗Z0=50 Ω 不匹配时，便在传输线上形成驻波。驻波比表明天线的阻抗与传输线阻抗失配的程度。在电子战设备中，单个天线或天线阵列的输入电压驻波比VSWR≤2.5 最为常用；对于无环行器等保护的发射系统，常要求发射天线的驻波VSWR≤2；对于窄频带应用的天线，其驻波特性VSWR≤1.2。

当VSWR=1 时，系统完全匹配，工程中不太可能实现；

当VSWR≤1.5 时，系统匹配优良；

当VSWR≤2 时，系统匹配良好；

当VSWR≤3 时，其匹配程度尚可使用；

当VSWR≥3 时，被认为匹配比较差。

对于要求特定的超宽带侦察系统，天线的驻波系数可允许小于或等于4。

VSWR、反射系数和反射功率之间的关系见表8.1。

表8.1　VSWR、反射系数和反射功率之间的关系

另外，对波导或脊波导传输线，它的特性阻抗不再为50 Ω，应用这类传输线设计天线时，应具体考虑或者过渡到50 Ω 阻抗上去。同时，针对高次模工作的同尺寸传输线，其特性阻抗与基模的情况差别很大，特殊使用时，应专门考虑。

3.天线方向图

天线的方向图用来描述电磁场强度在空间的分布情况。它是一个三维的立体图形。工程上通常采用在天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面内的方向图来表示天线的方向性。相对于天线的安装位置，分别用方位面和俯仰面两个主平面的方向图表示。具体描述方向图的参数：波瓣宽度 （一般情况下为主波束半功率宽度，特殊要求下有专门的规定，如10 dB 波束宽度、零值宽度等）、副瓣电平、歪头（波束最大辐射方向偏离预定值的角度）、前后辐射比（最大辐射方向电平与其反方向的辐射电平之比）、交叉点漂移、差波束的零值深度、零值漂移等。方向图最直观地反映了电磁场大小的空间分布，在自由空间形成分布方式，描述它的立体图形称为辐射图，简称方向图。一般用球坐标系的（φ，θ）描述，即A=F（φ，θ），或者用主平面的直角坐标系和极坐标系描述，如图8.1 （b）、（c）所示。

图8.1　天线三种方向图表示

（a）天线的三维直角坐标方向图；（b）天线直角坐标方向图；（c）天线极坐标方向图

电子设备的用途不同，对天线的方向图的要求也不同。最常用的天线方向图如下：

（1）全向方向图：方位面为360°覆盖，图形为一圆形，俯仰面为8 字形。

（2）针状波束方向图：方位面波束宽度等于俯仰面波束宽度。

（3）扇形波束方向图：方位面波束宽度窄，俯仰面波束宽度宽。

（4）赋形波束方向图：方位面波束宽度窄，俯仰面波束满足特定的图形，如余割平方关系。可以只对方位面波束赋形，或者两个主平面都赋形。

（5）多波束方向图：方位面有多个按一定规律分布的波束，俯仰面可以是窄波束或多波束，反之亦然。如正交波束、和差波束、单脉冲跟踪/测向波束、同时多波束等。(www.xing528.com)

对于斜45°极化或圆极化天线，在同一主平面 （例如方位面/俯仰面）内，同时描述它的E 极化面和H 极化面的响应方向图，并常把它们绘制在同一主平面（如方位面/俯仰面）内的方向图上，以全面了解天线方向图的特性。另外，圆极化天线也常用其主平面的极化方向图表示，以获得天线的宽角极化分布情况，如图8.2 所示。对于某些应用的天线，有时还要求知道除匹配极化外的正交极化分布。天线方向图不仅是空间的函数，也是频率的函数。对于宽带范围内的天线方向图，各相关的参数将产生相应的变化。根据系统不同使用情况，对天线的副瓣电平要求不一样。一般情况下，单个天线的副瓣电平大于或等于15 dB 即可；阵列天线副瓣电平大于或等于13 dB 即可；全向天线起伏小于±3 dB。不同类型的天线或馈电方式，其方向图有较大的差别，具体应用时，根据要求择优选取和专门设计。

图8.2　天线极化方向图

由于副瓣方向通常是不需要辐射（或接收）能量的方向，因此，天线副瓣电平越低，表明天线在不需要辐射的方向上能量越弱，或者在这些方向上对无用信号的抑制能力越强。在宽带天线的应用中，除了幅度、极化方向图外，相位方向图有时也是系统需要的一个重要指标，它与天线的类型、工作频段及空间分布状态等因素密切相关。它表征在宽带条件下，随空间角度范围不同，天线等相位面的变化情况。一般情况下，以天线在要求的角度范围内系统允许的相位起伏范围说明。若相位起伏允许范围较大，则有效的角度范围大些，并且与其幅度方向图有一定的联系，实际中允许的相位起伏为10°左右。图8.3 所示为宽波束天线的典型相位方向图，它在90°范围内相位分布比较均匀。当幅度方向图比较窄时，相位分布较均匀的范围变小；当幅度方向图为0 时，相位方向图反相变化。

另外，前后比是指最大辐射 （或接收）方向 （设0°为方向）的场值与180 ±60°方向内最大场值之比，通常以符号F/B 表示。其前后比的分贝值为

图8.3　天线相位方向图

4.天线增益

天线的增益G 和方向性D 是一个紧密联系的物理量，其关系为

式中　η——天线的效率，它表示天线在能量变换上的效能。

当天线无金属损耗、介质损耗、失配损耗、泄漏损失等时，η= 1。通常η ＜1，工程上加载天线或电小天线效率相对比较低。天线的方向性表示天线在最大辐射强度方向上的强度值与平均的辐射强度之比。在球坐标系中，它可以表示为

式中，F（θ，φ）为对峰值的归一化辐射图，这个值可以根据算得的方向图进行理论计算，也可以根据实测所得的方向图，用图解数字积分法求得。

因此，方向性又取决于天线的方向图。天线增益G（φ，θ）是描述天线的一种品质因数，它表示在给定方向上的最大辐射强度与具有同一输入功率的理想参数天线在同一方向的最大辐射强度之比。天线增益是与空间位置 （φ，θ）有关的函数，在一般的天线方向图中，最大辐射方向上的电平值记为天线的增益GA=G（φ0，θ0）（dBi），字母i 表示该增益是相对于各向同性辐射器而言的。工程中也有用半波长振子作为参照，即增益单位为dBd，此时计算式为GA= G（φ0，θ0）（dBi）-2.15。通常，对于口径天线，通过天线的两主平面波束宽度来估算其方向性系数，即

式中　DB——方向性系数综合波束宽度积；

　　　Hp、Ep——天线的主平面波束宽度（°）。

对于均匀矩形口径；DB=32 383；

当E 面均匀、H 面为余弦分布时，DB=35 230；

对于均匀圆形口径，DB=33 709；

当幅度有12 dB 渐变时，DB=38 933；

对Gaussian 和cos θ 矩形波束，DB=41 250；

对于锥形波束，DB=52 525。

例如，对于半波振子，Hp=78°，Ep=360°，D=1.47，非常接近理论值1.64。

增益最直接的表达式为

式中　λ——工作波长；

　　　η1——孔径效率；

　　　A——孔径面积；

　　　Aη1——等效孔径。

对于宽带高性能的馈源抛物面天线的孔径效率，其值大于或等于50%；对于角锥喇叭天线，孔径效率为70%；对于一般口径天线，取DB= 26 000即可。

5.天线的极化

天线的极化指天线在最大辐射方向上的电场矢量取向。当该电场矢量取向不变时，该天线称为线极化天线。以水平面为参考，线极化天线分为水平极化天线、垂直极化天线、斜极化天线（如天线常用斜45°极化天线）。

当该电场矢量的取向是随时间变化，且端点轨道为一个圆时，又称为圆极天线。沿电波传播方向看去，旋向是顺时针方针的称为右旋圆极化；反之，为左旋圆极化。如果旋转矢量的端点轨道不够圆，则称为椭圆极化天线。为了表述天线的这种特性，通常把该极化椭圆的长轴与短轴相对的比值称为轴比，其表达式为

天线在主极化上辐射极大部分的输入能量，但也可能会在其他的极化方向上辐射不需要的能量，人们称这种不需要的辐射为交叉极化辐射。对于线极化天线而言，交叉极化方向是和主极化方向正交的；对于水平极化而言，它的交叉极化正好是垂直极化；对于圆极化而言，交叉极化是与主极化旋向相反的分量。右旋圆极化的交叉极化分量是左旋圆极化，反之亦然。天线的圆极化是由两个幅度相同、空间相互垂直且有90°相位差的线极化波产生的，同时，任何两个幅度相同、旋向相反的圆极化波可产生一个线极化波。

圆极化天线可以接收同旋向的圆极化波，也可以接收任意取向的线极化波，并有3 dB 的极化失配损失，但它接收不到反旋的圆极化波。圆极化天线如平面螺旋天线，常用于机载雷达告警系统和导弹的寻的导引等设备。斜45°线极化天线可以接收除与之正交的线极化波外的任何圆极化波和线极化波，但也有一定的极化失配损失，它多用于舰载和地面电子设备中。而产生圆极化的途径有两种：一是采用自身辐射或接收圆极化波天线；二是采用馈电变换方式获得圆极化天线。宽带天线技术中常用的极化方式为水平极化、垂直极化、左斜45°极化、右斜45°极化、左旋圆极化和右旋圆极化。为了兼顾多种电磁信号的主极化特性，在应用中宁可损失3 dB 功率电平。宽带天线的极化隔离一般为20 dB，好的情况下可达30 dB，小口径时只有十几分贝。在电子战设备中，一般要求接收天线的轴向轴比小于或等于3 dB，发射天线有可能还要大一些，在高精度测向阵列中，不但要求轴向轴比接近0 dB，而且要求-30°～+30°内圆极化轴比为3 dB。同一口径实现双圆极化的曲折臂天线是一种性能好的圆极化天线。当然，对于主瓣外的副瓣区域电磁信息，天线极化的重要性就不大突出了。

工程研制中，要求在规定的频率范围内天线的主要电指标如增益、波瓣宽度、副瓣电平、电压驻波比和极化特性等必须满足技术指标。尤其在宽带范围内，要使每项指标做得很高，难度很大，有时也不可能或者没有必要。例如，增益和波束宽度有一定关系，对同一天线，增益高、波束宽度变窄，否则，必须用其他技术来实现。实际上，天线的宽带特性主要取决于各项技术指标的频率特性，它们分别是方向图带宽、增益带宽、阻抗带宽、极化带宽等。有可能是主瓣指向偏移过大、主瓣分裂或萎缩、副瓣增大、前后比下降和规定角度范围内天线相位起伏加大等。当方位图不能满足设计要求时，就限制方向图带宽。在频率低段，增益值较低，当下降到超过允许值时，就限定了增益带宽，它往往限定了下端工作频率fl。天线的阻抗带宽是驻波比低于某一规定值的频段宽带，在天线工程中是一项最基本的指标。对于电小天线而言，天线的匹配是关键问题。对于圆极化天线而言，极化带宽是一项十分重要的技术指标。它是在主瓣宽度内，轴比小于某一规定值时，确定极化带宽。总之，天线的带宽是一项综合性的技术指标。为了系统使用的需要，有时要采取折中的办法，工程设计中必须以其中最窄的带宽为基准，在此频带内，天线的指标均能达到要求。特别是对于宽带天线系统，涉及天线布局、载体平台的影响、天线罩、无源网络、有源网络、幅相特性、电磁兼容、电源的供电、自检电路、部件的散热、可靠性和环境适应性等多项技术。

把各种单个的宽带天线作为阵元，通过专门的宽带幅、相变换网络与相应的阵元连接，产生特定功能的输入/输出关系，这种天线阵有的作为测向定位阵，完成预定的测向定位功能。例如，干涉仪测向系统中用多个螺旋天线组成测向跟踪天线阵；电子侦察卫星上采用多个喇叭天线阵，提高了测向精度和角度分辨力等。有的天线阵用于发射，借助于阵列的作用，产生相对高的增益，压缩波束宽度和特定的区域覆盖，同时，完成同相空间聚焦，产生比较高的功率合成。实际上，天线阵本身可能有有源微波器件，阵列口径本身既可以接收，也可以发射。由于系统的要求阵列是发或收及两者同时有的，功能研制初期必须明确。实际上两者研制的着重点是不同的。如果兼顾收、发功能，首先对阵列进行综合设计，再在网络中设定切换功能。当然，由相同阵元组成的阵列波形成的扫描波束，其轮廓在单元方向图的分布图形内，比起单口径电磁，兼容能力得到加强。而阵元天线的排列方式可以组成直线阵、共形阵和平面阵，利用它的波束形成网络来给它们馈电，利用电扫描网络使它们的子波束可以扫描。根据波束形成方式的不同，分别形成多模天线、多波束天线 （一维多波束、二维多波束）、相控阵天线及其他形式的电扫描天线。给阵列天线阵馈电可以有许多种方法，用于把阵列天线中每个阵元的能量辐射到特定的方向，形成通常意义上的波束的形状、波束最大值指向、波束的旁瓣电平和零值点等。阵列天线的口径相对于单元天线有很大的扩展，故它们形成的波束是波束窄，增益高。为了覆盖预定的空域，如45° × 45°或90° × 45°，必须使波束能实现快速扫描，用电子驱动的办法相控或在多个波束口之间做电子的波束切换，也可以通过伺服转动进行机械扫描，或者将两种扫描方法进行混合使用。一个阵列天线构成的系统，可以同时搜索、监视、跟踪多个机动目标。要实现这些功能，满足宽带范围内的电子系统需要，就要构想和设计多种宽带阵列及馈电方式、补偿和解决天线阵元的互耦、控制各通道的幅相平衡，这些要从工程中进行实现，有许多技术难题需要解决，下面从几个方面进行介绍。