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來(lái)源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自semiwiki

1912 年 4 月 14 日深夜，RMS 泰坦尼克號(hào)發(fā)送了一條求救信息：它剛剛撞上冰山，正在下沉。盡管廣播緊急無(wú)線信號(hào)今天是常見(jiàn)的，但在20世紀(jì)初，這是最尖端的技術(shù)。這得益于過(guò)去 20 年開(kāi)發(fā)的寬帶無(wú)線電的發(fā)明：火花隙發(fā)射器（ spark-gap transmitter）。

火花隙無(wú)線電由 Heinrich Hertz 在 1880 年代開(kāi)發(fā)，由 Guglielmo Marconi 改進(jìn)，他于 1901 年成功地跨大西洋發(fā)送了第一個(gè)無(wú)線電傳輸。泰坦尼克號(hào)災(zāi)難之后，使用火花隙發(fā)射機(jī)的無(wú)線電報(bào)迅速在大型輪船普及，1912 年的《無(wú)線電法》更是要求所有航海船只保持 24 小時(shí)的無(wú)線電值班。火花隙無(wú)線電是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)船舶之間的無(wú)線通信，并在第一次世界大戰(zhàn)期間使用。
火花隙無(wú)線電的架構(gòu)與我們目前用在手機(jī)、WiFi 網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙設(shè)備的無(wú)線收發(fā)器架構(gòu)有很大不同。現(xiàn)代窄帶通信系統(tǒng)調(diào)制連續(xù)波形射頻 (RF) 信號(hào)以傳輸和接收信息。但在當(dāng)時(shí)，火花隙發(fā)射器通過(guò)電火花產(chǎn)生電磁波，并且沒(méi)有調(diào)制窄帶射頻信號(hào)。火花是使用通過(guò)跨兩個(gè)導(dǎo)體之間的間隙的電弧放電的電容產(chǎn)生的。這些非常短的時(shí)間放電會(huì)在電線中產(chǎn)生振蕩電流，然后激發(fā)出一種電磁波，該電磁波輻射出去并且可以在很遠(yuǎn)的距離內(nèi)被電磁波拾取。根據(jù)眾所周知的時(shí)頻二元性原理，類似于電火花的時(shí)間上的短脈沖會(huì)產(chǎn)生頻率上的寬帶信號(hào)，這是二十多年來(lái)通信的基礎(chǔ)。
需要注意的有趣一點(diǎn)是火花隙收音機(jī)無(wú)法支持連續(xù)傳輸，例如聲音信號(hào)。一條消息必須由一系列火花組成，傳輸離散的信息片段，使其成為第一個(gè)數(shù)字收音機(jī)。這種特性非常適合傳輸摩爾斯電碼。然而，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為火花隙收音機(jī)不可能在不丟失信息的情況下傳輸連續(xù)的信號(hào)，如語(yǔ)音或音樂(lè)。香農(nóng)和奈奎斯特早在幾十年前就展示了如何使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)來(lái)做到這一點(diǎn)。
數(shù)字調(diào)制知識(shí)的這種差距，加上難以產(chǎn)生高功率火花隙傳輸是火花隙無(wú)線電的致命缺點(diǎn)。第一次世界大戰(zhàn)后，使用真空管開(kāi)發(fā)了基于載波的發(fā)射器，產(chǎn)生可以攜帶音頻的連續(xù)波。如今，幾乎所有無(wú)線收發(fā)器都使用相同的架構(gòu)，這一切都基于美國(guó)工程師 Edwin Armstrong 在 1918 年的工作。稱為超外差無(wú)線電，這種架構(gòu)使用混頻將接收到的窄帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)較低的中頻 (IF)，即然后在基帶電路中處理。從 1920 年左右開(kāi)始，這項(xiàng)創(chuàng)新催生了 AM 收音機(jī)，十年后又出現(xiàn)了 FM 收音機(jī)。到 1920 年代后期，唯一仍在使用的火花發(fā)射器是海軍艦艇上的傳統(tǒng)裝置。寬帶無(wú)線電實(shí)際上已經(jīng)死了。
100 年后寬帶的重生

為什么 Apple 會(huì)在 2019 年發(fā)布帶有超寬帶 (UWB) 收發(fā)器的 iPhone 11，該收發(fā)器是在其新的 U1 無(wú)線處理器芯片上實(shí)現(xiàn)的。答案需要一些偵探工作來(lái)尋找可以追溯到上世紀(jì)中葉的線索。
第一條線索是 1930 年代和第二次世界大戰(zhàn)期間在世界各地的絕密實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的另一種基于脈沖的寬帶無(wú)線電技術(shù)：雷達(dá)。RADAR 的故事已經(jīng)講過(guò)很多次了；它在不列顛海戰(zhàn)和太平洋海戰(zhàn)中都提供了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。
為了更好地簡(jiǎn)述本次的技術(shù)，我們來(lái)重溫一下雷達(dá)的原理。RADAR 能夠確定物體的范圍、角度和速度。戰(zhàn)后，基于脈沖的收發(fā)器再次開(kāi)始獲得發(fā)展動(dòng)力。從 1960 年代到 1990 年代，這項(xiàng)技術(shù)被限制在機(jī)密程序下的軍事應(yīng)用，既是定位又是通信技術(shù)。到 1980 年代中期，美國(guó)天主教大學(xué)的 Harmuth 和 Sperry Rand Corp 的 Ross 和 Robbins 等 UWB 先驅(qū)的大量研究論文、書(shū)籍和專利變得可用。由于寬帶提供位置數(shù)據(jù)的獨(dú)特能力，這一重要的信息來(lái)源重新引起了人們對(duì) UWB 系統(tǒng)的興趣。
蘋果對(duì) UWB 的第一個(gè)用途是提供定位數(shù)據(jù)。定位支持增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR)、虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)、游戲、設(shè)備恢復(fù)、文件共享和廣告信標(biāo)等領(lǐng)域的許多應(yīng)用。
被Wi-Fi擊敗

在上文中，我們講述了寬帶無(wú)線電的誕生。事實(shí)上，寬帶無(wú)線電的故事還沒(méi)有結(jié)束……

隨著 1990 年代無(wú)線通信需求的增長(zhǎng)，超寬帶 (UWB) 的優(yōu)勢(shì)變得更加明顯。但是 UWB 系統(tǒng)的商業(yè)部署需要在頻率分配、諧波和功率限制等方面達(dá)成全球協(xié)議。隨著對(duì) UWB 商業(yè)化興趣的增加，UWB 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)商開(kāi)始向 FCC 施壓，要求批準(zhǔn)其用于商業(yè)用途。2002 年，聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 終于允許未經(jīng)許可使用的 UWB 系統(tǒng)。幾年后，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ETSI) 制定了自己的法規(guī)，遺憾的是與 FCC 法規(guī)略有不同。其他地區(qū)緊隨其后，通常與 FCC 或 ETSI 保持一致。
UWB 系統(tǒng)使用短時(shí)（即皮秒到納秒）電磁脈沖來(lái)傳輸和接收信息。它們還具有非常低的占空比，其定義為脈沖出現(xiàn)的時(shí)間與總傳輸時(shí)間的比率。根據(jù) 2000 年代制定的發(fā)射法規(guī)，UWB 信號(hào)被定義為頻譜大于 500 MHz 的信號(hào)。大多數(shù)國(guó)家現(xiàn)在都同意 UWB 的最大輸出功率，定義為 -41.3 dBm/MHz。
隨著法規(guī)的到位，公司聯(lián)盟開(kāi)始形成，以標(biāo)準(zhǔn)化物理層和媒體訪問(wèn)控制 (MAC) 層。2002 年，WiMedia 聯(lián)盟成立，這是一個(gè)非營(yíng)利性行業(yè)貿(mào)易組織，旨在促進(jìn) UWB 技術(shù)的采用、監(jiān)管、標(biāo)準(zhǔn)化和多供應(yīng)商互操作性。2004 年，無(wú)線 USB 推廣組和 UWB 論壇緊隨其后。
為了理解這些聯(lián)盟所做的選擇，我們應(yīng)該將它們置于語(yǔ)境中。
在2002 年，WiFi 還是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)。802.11b 路由器于 1999 年推出，使用 2.4 GHz 頻段時(shí)的理論最大速度為 11 Mbit/s。802.11a 標(biāo)準(zhǔn)也是在 1999 年定義的，并承諾在 5 GHz 頻帶中的理論最大速度為 54 Mbit/s，但由于其較高的芯片組成本，在消費(fèi)領(lǐng)域沒(méi)有受到關(guān)注。2003 年，802.11g 標(biāo)準(zhǔn)推出，在 2.4 GHz 頻段提供了 54 Mbit/s 的理論最大速度。盡管事實(shí)證明 802.11g 標(biāo)準(zhǔn)取得了巨大的成功，但數(shù)據(jù)速率仍然受到擁擠的 2.4 GHz 頻段的限制，該頻段是當(dāng)時(shí)無(wú)線 LAN 的骨干，運(yùn)行在這個(gè)頻段的還有微波爐和無(wú)繩電話！
正是考慮到這些限制，市場(chǎng)提出了新一代 UWB 無(wú)線電。隨著法規(guī)的出臺(tái)，人們很難抗拒支持 UWB 的高數(shù)據(jù)速率的承諾。事實(shí)上，F(xiàn)CC 在 3.1 和 10.6 GHz 之間分配的 7.5 GHz 帶寬對(duì)于無(wú)線通信工程師來(lái)說(shuō)是極其寶貴的資源。這就是基于 UWB 多頻帶正交頻分復(fù)用 (OFDM) 以 480 Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率提出短距離（即幾米）文件傳輸規(guī)范的方式。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，第一個(gè)零售產(chǎn)品于 2007 年年中開(kāi)始出貨。這在很大程度上是一種過(guò)度設(shè)計(jì)的無(wú)線電，以相對(duì)經(jīng)典的方式多路復(fù)用多個(gè)寬帶寬載波，本身并不是類似于火花隙無(wú)線電的基于脈沖的無(wú)線電。
盡管當(dāng)時(shí) OFDM UWB 制造了很多噪音并且產(chǎn)品很有前途，但它在 2000 年代后期推向市場(chǎng)卻遭遇了一場(chǎng)挑戰(zhàn)——2008 年的大衰退，這導(dǎo)致消費(fèi)電子產(chǎn)品的零售額大幅下降。此外，雖然不同的 UWB 聯(lián)盟都在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，但 WiFi 聯(lián)盟并沒(méi)有停滯不前。2006年，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和談判，他們發(fā)布了802.11n標(biāo)準(zhǔn)的初稿。它支持多路輸入和多路輸出 (MIMO) 概念以復(fù)用信道，其開(kāi)發(fā)目的是提供高達(dá) 600 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率。盡管該標(biāo)準(zhǔn)的最終版本在 2009 年 10 月之前并未發(fā)布，但支持該標(biāo)準(zhǔn)草案的路由器于 2007 年開(kāi)始搶先發(fā)貨。
給OFDM UWB 棺材打上的最后一顆釘子來(lái)自技術(shù)本身。當(dāng)時(shí)提出的OFDM UWB收發(fā)器RF架構(gòu)的復(fù)雜性和嚴(yán)格的時(shí)序要求，導(dǎo)致產(chǎn)品成本相對(duì)較高，功耗低。
上述事件和技術(shù)過(guò)度設(shè)計(jì)的芯片組的結(jié)合標(biāo)志著高速 UWB 無(wú)線電的消亡。當(dāng)時(shí) UWB 芯片組的領(lǐng)導(dǎo)者 WiQuest 在 2008 年初擁有 85% 的市場(chǎng)份額，于 2008 年 10 月 31 日停止運(yùn)營(yíng)。UWB 論壇因與 WiMedia 聯(lián)盟的方法不一致而未能就標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致后解散。WiMedia 聯(lián)盟在將其所有規(guī)范和技術(shù)轉(zhuǎn)讓給無(wú)線 USB 推廣組和藍(lán)牙特別興趣組后于 2009 年停止運(yùn)營(yíng)。然而，藍(lán)牙特別興趣小組在同年放棄了作為藍(lán)牙 3.0 一部分的 UWB 的開(kāi)發(fā)。
不幸的是，在第一個(gè)基于火花隙無(wú)線電的 UWB 系統(tǒng)退役幾乎整整一個(gè)世紀(jì)之后，這種基于 OFDM 無(wú)線電架構(gòu)的 UWB 無(wú)線電的新迭代正在失寵。
然而，盡管困難重重，世界將不必再等一個(gè)世紀(jì)，就能看到新的和改進(jìn)的 UWB 無(wú)線電實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，火花隙無(wú)線電將成為這次 UWB 復(fù)興帶來(lái)更多的靈感。
UWB的復(fù)興

在上文中，我們討論了過(guò)度設(shè)計(jì)的正交頻分復(fù)用 (OFDM) 收發(fā)器的超寬帶 (UWB) 的失敗。這標(biāo)志著所提議的應(yīng)用——短距離非常高的數(shù)據(jù)速率（即幾百 Mbps）無(wú)線鏈路的終結(jié)——而不是技術(shù)。事實(shí)上，UWB 的歷史有點(diǎn)復(fù)雜：當(dāng)高速無(wú)線 UWB 提案開(kāi)始衰落時(shí)，其他 UWB 應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展。
從二戰(zhàn)開(kāi)始，微波系統(tǒng)的快速發(fā)展為UWB系統(tǒng)的發(fā)展鋪平了道路。在 1960 年代，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LANL) 正在研究脈沖發(fā)射器、接收器和天線。這些研究項(xiàng)目并非純粹的學(xué)術(shù)研究；開(kāi)發(fā)脈沖系統(tǒng)確實(shí)有很大的動(dòng)力：UWB 可以提供超高分辨率，然后可以用于對(duì)象定位、表征和識(shí)別。到 1970 年代，UWB 雷達(dá)主要用于軍事應(yīng)用。隨著研究的不斷進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了其他應(yīng)用，并且在 1990 年代末，多個(gè) UWB 雷達(dá)被用于廣泛的應(yīng)用：林業(yè)應(yīng)用、城市地區(qū)的穿墻檢測(cè)、
為了真正理解超寬帶的吸引力，我們首先要掌握時(shí)頻二元性和傅立葉變換。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種對(duì)偶性表明，如果您有一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的周期時(shí)間信號(hào)，它將具有無(wú)限小的帶寬。另一方面，如果您有一個(gè)無(wú)限短的脈沖信號(hào)，它將具有無(wú)限大的帶寬。換句話說(shuō)，這意味著您可以用時(shí)間換取帶寬。你為什么要那樣做？這有多種原因，但一個(gè)非常重要的原因是實(shí)現(xiàn)超高分辨率定位。
確定射頻設(shè)備之間的距離有兩種基本方法：您可以使用接收信號(hào)強(qiáng)度 (RSS) 或信號(hào)的飛行時(shí)間 (ToF)。RSS 是一種實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單的技術(shù)，可以被任何無(wú)線收發(fā)器使用，這也解釋了為什么它被如此廣泛地使用。然而，它的準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重限制：兩個(gè)靜止物體之間的感知距離將根據(jù)其直接路徑上的障礙物而變化。例如，如果您有兩個(gè)設(shè)備相距 10 米，但被磚墻隔開(kāi)，提供 12 dB 的衰減，您會(huì)認(rèn)為這兩個(gè)設(shè)備相距 40 米。ToF 解決了這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)測(cè)量從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備所需的時(shí)間，您可以精確地提取兩個(gè)對(duì)象之間的距離。在
ToF 顯然是在空間中準(zhǔn)確定位物體的方法。然而，一個(gè)缺點(diǎn)是你需要處理光速，這是相當(dāng)快的。事實(shí)上，光傳播 10 厘米只需要 333 皮秒。如果要以厘米精度測(cè)量物體之間的距離，則系統(tǒng)需要亞納秒精度。實(shí)現(xiàn)這種精度的最簡(jiǎn)單方法是發(fā)送時(shí)間非常短的信號(hào)，由于時(shí)頻二元性，這需要 UWB 信號(hào)。
使用 ToF 精確測(cè)量距離的可能性在很大程度上解釋了 UWB 在最近幾年的復(fù)興。準(zhǔn)確定位市場(chǎng)在多個(gè)領(lǐng)域都在快速增長(zhǎng)，未來(lái)幾年應(yīng)該會(huì)繼續(xù)保持兩位數(shù)的增長(zhǎng)。多家公司現(xiàn)在都加入了 UWB 的行列，最新的是 Apple，它為 iPhone 11 配備了 UWB 芯片 U1，這似乎是它自己的設(shè)計(jì)。憑借實(shí)施實(shí)時(shí)定位系統(tǒng) (RTLS) 的能力，UWB 能夠在包括工業(yè) 4.0、物聯(lián)網(wǎng)和車輛在內(nèi)各種市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)大量新應(yīng)用。
正如我們?cè)诒疚闹锌吹降模瑫r(shí)間可以換取帶寬，這可以有利地用于定位。但它也可以提供其他優(yōu)勢(shì)。接下來(lái)，我們將探討 UWB 在許多無(wú)線應(yīng)用中的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：極低的延遲。
低延遲為王

作為工程師，我們將延遲理解為觸發(fā)操作與其響應(yīng)之間的時(shí)間間隔。從無(wú)線鏈路的角度來(lái)看，這是發(fā)送數(shù)據(jù)幀和接收數(shù)據(jù)之間的時(shí)間延遲。但是消費(fèi)者對(duì)延遲有一種本能的反應(yīng)。玩格斗和體育游戲的游戲玩家會(huì)體驗(yàn)到延遲，因?yàn)樵诎聪掳粹o和在屏幕上看到預(yù)期動(dòng)作之間存在延遲。這種延遲可能是游戲中生死攸關(guān)的問(wèn)題！顯示器和外圍設(shè)備正在以減少的延遲（例如，240 Hz 刷新率游戲監(jiān)視器）進(jìn)行積極營(yíng)銷，因此，令人驚訝的是，有線外圍設(shè)備在游戲圈中仍然無(wú)處不在。
電線，就像人們記憶中那樣古老的裝置，在延遲方面的優(yōu)勢(shì)仍然無(wú)可爭(zhēng)議。
隨著對(duì)延遲更敏感的應(yīng)用程序成為主流，如今對(duì)延遲的追求越來(lái)越強(qiáng)烈。例如，佩戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 或虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 耳機(jī)的設(shè)計(jì)師和游戲玩家會(huì)體驗(yàn)到延遲，因?yàn)樗麄兊膭?dòng)作和視覺(jué)反應(yīng)之間存在令人不安的滯后。AR 和 VR 使用戶在最輕微的延遲開(kāi)始時(shí)就容易暈車。此外，當(dāng)角色在屏幕上的嘴唇與他們的聲音不同步時(shí)，家庭影院所有者就會(huì)詛咒這些延遲，雖然可以小心地延遲錄制的視頻以校準(zhǔn)延遲，但需要現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)的饋送無(wú)法從這種策略中受益。這種涉及實(shí)時(shí)交互的無(wú)線延遲問(wèn)題很容易表現(xiàn)出來(lái)，就像在智能手機(jī)上打字并看到按鍵與通過(guò)無(wú)線耳機(jī)傳來(lái)的按鍵音頻反饋不同步一樣。一些手機(jī)制造商會(huì)通過(guò)讓鍵盤音頻反饋不通過(guò)無(wú)線耳機(jī)來(lái)隱藏這一限制。然而具有諷刺意味的是，在帶有準(zhǔn)系統(tǒng)有線耳機(jī)的過(guò)時(shí)電話上使用現(xiàn)已失效的音頻插孔不會(huì)造成延遲問(wèn)題！這個(gè)問(wèn)題更深入，工業(yè)工程師將延遲視為關(guān)鍵傳感器和控制系統(tǒng)中不可接受的延遲。
總而言之，當(dāng)前的無(wú)線技術(shù)無(wú)法提供可接受的游戲、AR/VR、實(shí)時(shí)視頻或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)，因此這些應(yīng)用在 2020 年仍然是有線應(yīng)用的市場(chǎng)。
大腦通常可以辨別出幾十毫秒或更長(zhǎng)時(shí)間的延遲，一些樂(lè)器演奏者能夠“感覺(jué)到”3 毫秒的延遲。無(wú)線延遲有多種原因。它首先是光速的結(jié)果，與電線類似。然而，在人類尺度上，光速并不是限制因素，因?yàn)?100 米的無(wú)線通信只會(huì)產(chǎn)生 333 ns 的延遲。第二個(gè)原因是收發(fā)器中的處理時(shí)間。但這通常不是限制因素，因?yàn)樘幚砥魍ǔ？梢栽趲孜⒚雰?nèi)完成對(duì)幀的操作。第三個(gè)原因也是最重要的一個(gè)原因是收發(fā)器可以傳輸其數(shù)據(jù)的速度。在無(wú)線收發(fā)器中，每個(gè)數(shù)據(jù)幀都必須完全接收后才能進(jìn)行處理。這意味著傳輸和接收數(shù)據(jù)的速度是導(dǎo)致延遲的重要因素。例如，以 1 Mbps 的數(shù)據(jù)速率傳輸 1000 位幀將導(dǎo)致 1 ms 的延遲。這被稱為通話時(shí)間。除了通話時(shí)間外，還有媒體訪問(wèn)控制層所需的時(shí)間，即MAC-Time，它與協(xié)議使用的通信棧有關(guān)，可能包括載波偵聽(tīng)、幀確認(rèn)、幀重傳、流控制等。MAC 時(shí)間因應(yīng)用而異，與通話時(shí)間相比，MAC 時(shí)間可以從可以忽略不計(jì)變成主導(dǎo)因素。最終，MAC 時(shí)間通常與通話時(shí)間相關(guān)，因此可以壓縮通話時(shí)間的無(wú)線電能夠提供更短的延遲。
結(jié)合所有這些因素，很難公平地比較不同無(wú)線電的延遲。每種技術(shù)都有其目標(biāo)應(yīng)用，這意味著 MAC 層已相應(yīng)開(kāi)發(fā)。需要 99.999% 可靠性的無(wú)線鏈路不會(huì)有與盡力而為廣播系統(tǒng)相同的延遲。然而，延遲總是有限的，并且源自無(wú)線電的通話時(shí)間，這是一個(gè)很好的比較點(diǎn)。ZigBee 規(guī)范背后的 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)提供 250 kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，而 BLE 4.2 支持 1 Mbps 和 BLE 5 2 Mbps。這些數(shù)據(jù)速率為 BLE 提供了幾毫秒的通話時(shí)間，為 IEEE 802.15.4 提供了數(shù)十毫秒的通話時(shí)間。這些通話時(shí)間被 MAC 層進(jìn)一步“放大”，并導(dǎo)致更長(zhǎng)的整體延遲，可能超過(guò) 100 毫秒，
減少延遲的一個(gè)好方法是提高數(shù)據(jù)速率，Wi-Fi 很好地應(yīng)用了這種方法。隨著 802.11 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在支持在單個(gè)鏈路上傳輸數(shù)百 Mbps 的數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在可以看到單個(gè)幀的亞毫秒級(jí)延遲。然而，這種延遲是以功耗為代價(jià)的。Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)支持超過(guò) 2000 字節(jié)的大數(shù)據(jù)包，并使用需要耗電電路的復(fù)雜調(diào)制。
延遲實(shí)際上是 5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展背后的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。承諾幾毫秒的延遲，5G 將提供比 LTE 快10 倍的 改進(jìn)。然而，5G 無(wú)線電具有與 Wi-Fi 類似的缺點(diǎn)，即功耗非常高，阻礙了它們?cè)诖蠖鄶?shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的使用。因此，我們可以在幾毫秒內(nèi)將數(shù)據(jù)路由數(shù)百公里，但使用較低功率的無(wú)線電完成最后一百米需要更多時(shí)間。
UWB 彌合了長(zhǎng)距離、高數(shù)據(jù)速率收發(fā)器（Wi-Fi 和 5G）與短距離低數(shù)據(jù)速率解決方案（如 BLE 和 Zigbee）之間的差距。UWB 使用快速的 2 ns 脈沖來(lái)達(dá)到數(shù)十 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。這提供了比 BLE 短一個(gè)數(shù)量級(jí)的通話時(shí)間，達(dá)到亞毫秒級(jí)延遲。當(dāng)與 5G 結(jié)合時(shí)，UWB 是提供最后 100 米低延遲連接的有力候選者。
UWB 的亞毫秒延遲和相對(duì)較大的數(shù)據(jù)速率可以實(shí)現(xiàn)多種新的交互體驗(yàn)和應(yīng)用，而這些體驗(yàn)和應(yīng)用以前是其他短距離無(wú)線電無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。然而，UWB 的一個(gè)非常重要的方面，即物聯(lián)網(wǎng)革命所需的一個(gè)方面，尚未討論：低功耗操作。
低功耗是黃金

在一個(gè)一切都無(wú)線化并且所有設(shè)備都需要遠(yuǎn)程控制的世界中，功耗的重要性正在顯著增加。
在由四部分（傳感器、微控制器、PMU 和收發(fā)器）組成的簡(jiǎn)單傳感器節(jié)點(diǎn)中，無(wú)線收發(fā)器在很大程度上是總功耗的主要貢獻(xiàn)者。事實(shí)上，用于無(wú)線功能的功率百分比可以超過(guò)總功耗的 90%。無(wú)線耳機(jī)、游戲控制器和電腦鍵盤和鼠標(biāo)的功耗由無(wú)線收發(fā)器帶來(lái)的。
在過(guò)去的 15 年中，降低功耗一直在推動(dòng)無(wú)線芯片的發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，BLE于2006年被批準(zhǔn)用于解決藍(lán)牙的功耗問(wèn)題。最近，藍(lán)牙 5.2 增加了一些功能，以減少不同應(yīng)用程序的消耗，包括音頻。然而，這些修改大多是漸進(jìn)的。從根本上說(shuō)，功耗的降低受到架構(gòu)的物理限制；基于載波的收發(fā)器總是需要大量功率來(lái)啟動(dòng)、穩(wěn)定和維持其 RF 振蕩器。經(jīng)過(guò)二十年的優(yōu)化，藍(lán)牙已經(jīng)到了收益遞減的地步。所有窄帶技術(shù)都是如此：獲得一個(gè)數(shù)量級(jí)需要無(wú)線傳輸?shù)男路妒健Ｔ蛉缦拢?/p>

在上圖中，您可以看到所有窄帶無(wú)線電架構(gòu)（如藍(lán)牙）中固有的兩個(gè)顯著功率損失：
晶體振蕩器開(kāi)銷（左下）削弱了低數(shù)據(jù)速率性能：藍(lán)牙使用 ~20 MHz 晶體振蕩器，需要幾毫瓦來(lái)啟動(dòng)和穩(wěn)定。UWB 無(wú)線電可以使用不需要高頻晶體振蕩器的脈沖運(yùn)行，并且可以設(shè)計(jì)為以低定時(shí)功耗開(kāi)銷運(yùn)行。
載波開(kāi)銷（中上）會(huì)影響高數(shù)據(jù)速率性能：如第 4 部分所述，在窄帶寬信道（例如藍(lán)牙無(wú)線電中使用的信道）上傳輸大量數(shù)據(jù)需要大量時(shí)間和功率。可以傳輸大量數(shù)據(jù)當(dāng)分布在寬帶寬上時(shí)速度要快得多，使發(fā)射器保持開(kāi)啟的持續(xù)時(shí)間要短得多，并顯著降低功耗。這意味著對(duì)于相同的消耗功率，UWB 可以傳輸更多的數(shù)據(jù)。（最右上角）
如果你從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)短距離 (50-100m) 無(wú)線協(xié)議，以最大限度地減少功耗和延遲并最大限度地提高數(shù)據(jù)速率，您可能會(huì)經(jīng)歷以下思考過(guò)程：
首先，盡量減少發(fā)射器和接收器的開(kāi)機(jī)時(shí)間。為此，每個(gè)信號(hào)都應(yīng)盡可能短。從時(shí)頻二元性我們知道，時(shí)間短的信號(hào)帶寬很寬，因此該解決方案將使用寬帶通信，因此選擇了免授權(quán)UWB頻譜。
其次，確保發(fā)射器和接收器能夠盡快啟動(dòng)和關(guān)閉。這使得難以使用使用傳統(tǒng)高精度 RF 振蕩器的收發(fā)器。最小化功耗的最佳架構(gòu)是使用 UWB 脈沖無(wú)線電，而無(wú)需 RF 載波本身。從上圖中的數(shù)據(jù)可以看出，該方法為短距離通信提供了盡可能低的功率分布。
由于 UWB 不使用高頻載波振蕩器，因此 UWB 收發(fā)器可以非常快速地開(kāi)啟，并且在給定功率水平下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率遠(yuǎn)高于窄帶無(wú)線電。
秘密終于揭曉

在文章的開(kāi)頭我們提了一個(gè)問(wèn)題，那就是為什么蘋果 2019 年在 iPhone 11 中植入了 UWB 收發(fā)器？在 2020 年初， UWB 芯片供應(yīng)商 Decawave 被Qorvo以大約5億美元的價(jià)格被收購(gòu)？為什么通用汽車、福特汽車、豐田汽車、尼桑汽車、本田汽車、現(xiàn)代汽車、大眾汽車、寶馬汽車和梅賽德斯汽車等汽車制造商都在投資 UWB？
答案現(xiàn)在很清楚：UWB 提供了準(zhǔn)確定位、超低功耗、超低延遲和高帶寬的獨(dú)特組合，這是任何其他短距離無(wú)線技術(shù)無(wú)法比擬的。2021 年的超寬帶部署側(cè)重于精確定位和基于位置的服務(wù)：安全無(wú)鑰匙進(jìn)入、免提支付和室內(nèi)導(dǎo)航。即將推出具有高達(dá)藍(lán)牙 10 倍帶寬的低功耗和無(wú)電池?cái)?shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。
正如大家所熟知，藍(lán)牙在低帶寬、低保真通信（例如無(wú)線耳機(jī)和耳塞）方面取得了巨大成功。那么，為什么蘋果要在 iPhone 11 中設(shè)計(jì)另一個(gè)收發(fā)器呢？那就是為超出藍(lán)牙設(shè)計(jì)限制的新興應(yīng)用提供服務(wù)，尤其是準(zhǔn)確定位。
在前文中，我們探討了像藍(lán)牙這樣的窄帶協(xié)議如何具有基本限制，這使其不如 UWB 那樣適合極低功耗、低延遲和無(wú)電池應(yīng)用：
數(shù)據(jù)速率限制：藍(lán)牙規(guī)范將空中帶寬限制為僅 3 Mbps，并且在大多數(shù)系統(tǒng)中限制為小于 1 Mbps。UWB 可以以數(shù)十 Mbps 的速度運(yùn)行。
低數(shù)據(jù)速率功率：即使在最低數(shù)據(jù)速率下，振蕩器開(kāi)銷和長(zhǎng)數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間也可將藍(lán)牙的最小功率保持在幾毫瓦。為低功耗操作和數(shù)據(jù)流量身定制的 UWB可以以低于 10 μW 的速度傳輸 1 kbps，從而使由能量收集供電的無(wú)電池傳感器成為可能。
延遲：藍(lán)牙延遲通常超過(guò) 100 毫秒，耳機(jī)用戶將其視為回聲、長(zhǎng)時(shí)間的音頻延遲和通話時(shí)互相交談。這種延遲使得藍(lán)牙對(duì)于游戲控制器和 AR/VR 等交互式應(yīng)用沒(méi)有吸引力，對(duì)于工業(yè)傳感器和控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是不可接受的。UWB 為近實(shí)時(shí)機(jī)器控制和交互式娛樂(lè)系統(tǒng)提供亞毫秒級(jí)延遲。
定位：定位服務(wù)和精準(zhǔn)定位是UWB眾所周知的強(qiáng)項(xiàng)，可以在10厘米精度內(nèi)測(cè)量相對(duì)位置。這是藍(lán)牙無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，它很難獲得幾米以下的精度。
抗干擾性：3-10 GHz 頻段變得擁擠。除了LTE、5G和WiFi，包括最近發(fā)布的WiFi 6E，都占據(jù)了這個(gè)頻譜的不同部分。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的 UWB 通信是可能的，但必須謹(jǐn)慎完成，以便在不妨礙所有其他基于載波的信號(hào)并有效拒絕它們的情況下運(yùn)行。
事實(shí)上，對(duì)于短距離、低功耗的應(yīng)用，UWB 優(yōu)于 WLAN 和 Zigbee 以及經(jīng)典的藍(lán)牙和 BLE：

此圖表比較了 Zigbee、BLE 和 UWB 的 200kbps 完整鏈路的能效：

當(dāng)您將激勵(lì)和穩(wěn)定載波頻率以及傳輸窄帶數(shù)據(jù)所需的所有功耗加起來(lái)時(shí)，總和比 UWB 高 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)（專為低功率運(yùn)行而設(shè)計(jì)）。
今天的 UWB 與 100 年前的火花隙前輩不同。盡管自近一個(gè)世紀(jì)前火花隙消失以來(lái)窄帶無(wú)線電一直主導(dǎo)著通信，但超寬帶正處于大規(guī)模復(fù)興的開(kāi)始。畢竟，它是大約 20 年來(lái)第一個(gè)包含在智能手機(jī)中的新的未經(jīng)許可的頻譜無(wú)線技術(shù)，其他手機(jī)制造商也紛紛效仿蘋果公司的做法。UWB 的“超能力”直接解決了窄帶無(wú)法提供的新應(yīng)用的功率、帶寬和延遲需求。UWB 非常適合主導(dǎo)許多新興的低功耗、低延遲、更高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用，并為無(wú)電池應(yīng)用鋪平道路。

－?The?End?－

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任何一項(xiàng)新生的通信技術(shù)，從誕生到成熟，都要經(jīng)歷制定標(biāo)準(zhǔn)、研制試用、商用推廣幾個(gè)階段。從5G問(wèn)世以來(lái)，伴隨著5G的另一個(gè)熱詞——5G超級(jí)上行也成了大家的關(guān)注焦點(diǎn)。經(jīng)歷了三年多時(shí)間，5G超級(jí)上行的規(guī)模商用終于來(lái)了。

據(jù)華為消息，業(yè)界首次5G超級(jí)上行“跨站”靈活配對(duì)技術(shù)，在近日終于實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)商用。廣州聯(lián)通聯(lián)合華為一起，累積將近3000個(gè)站點(diǎn)開(kāi)通了5G超級(jí)上行，這樣一來(lái)，5G超級(jí)上行的生效用戶比起傳統(tǒng)方式又增加了一倍。

那么，什么是5G上行呢？

想理解這個(gè)問(wèn)題，必須先明白什么是上行。大家都知道，從2G到4G，我們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的需求，更多的是從網(wǎng)站下載內(nèi)容，這就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)下行的需求。但是從2019年末，受一些原因影響，大家長(zhǎng)時(shí)間居家，網(wǎng)絡(luò)成了聯(lián)絡(luò)人際關(guān)系的主要途徑，在線網(wǎng)課、線上會(huì)議、高清直播都成了人們的迫切需求，而這些都需要能夠?qū)崟r(shí)上傳高清視頻。有數(shù)據(jù)顯示，在那段時(shí)間里，全球移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)了40%的上行流量。

如果說(shuō)，這是上行流量需求剛剛嶄露頭角，那接下來(lái)的一段時(shí)間里，沉浸式視頻、交互式視頻的流行，把人們對(duì)上行流量的需求推到了一個(gè)新的高峰。這也是上行流量第一次在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)核心位置。

然而，5G比2G、3G、4G的頻段更高，小區(qū)覆蓋范圍更小。不過(guò)，網(wǎng)絡(luò)下行可以通過(guò)增加基站的發(fā)射功率，或者采用波束賦形的技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)；但是網(wǎng)絡(luò)上行就沒(méi)那么簡(jiǎn)單了，手機(jī)發(fā)射的功率和天線的數(shù)量都成了制約上行的絆腳石。舉個(gè)例子，基站就好比是個(gè)大喇叭在廣播，而手機(jī)好比我們?nèi)税l(fā)聲，一旦手機(jī)和基站離得太遠(yuǎn)，就算人喊破喉嚨，基站也很難聽(tīng)見(jiàn)。

所以，5G超級(jí)上行順勢(shì)而生。回到剛開(kāi)始的問(wèn)題，什么是5G超級(jí)上行？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，5G的雙工模式有兩種：一種是上行和下行綁定在同一個(gè)頻段上，我們把這種模式稱作是FDD，也叫雙頻分工，這種模式下，上行下行分別在獨(dú)立的信道上傳輸，就像我們的雙向車道，兩個(gè)方向來(lái)車各跑各的，互不干擾。還有一種是上行和下行在同一個(gè)頻率信道上傳輸信號(hào)，只不過(guò)兩者傳送信號(hào)的時(shí)間不同，這種模式我們稱作是TDD模式。這種模式下，上行和下行就像潮汐車道，大家分時(shí)間跑。

而5G超級(jí)上行，就是TDD和PDD協(xié)同的情況下，低頻高頻互補(bǔ)，充分發(fā)揮3.5G大帶寬能力，不僅能夠提高上行的帶寬，還能提升上行的覆蓋范圍。5G超級(jí)上行“跨站”靈活配對(duì)技術(shù)，能夠讓TDD小區(qū)和FDD小區(qū)的超級(jí)上行配對(duì)最優(yōu)化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是提高了5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋和用戶體驗(yàn)感，讓上行用戶的視頻體驗(yàn)達(dá)到1080p和4K水平。

以上就是關(guān)于華為5G在業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)“跨站”規(guī)模商用的相關(guān)內(nèi)容。對(duì)于華為5G超級(jí)上行，大家有什么想說(shuō)的？歡迎在評(píng)論區(qū)留言交流。我是柏柏說(shuō)科技，資深半導(dǎo)體科技愛(ài)好者。關(guān)注我，帶你了解更多最新的半導(dǎo)體資訊，學(xué)習(xí)更多有用的半導(dǎo)體知識(shí)。

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元電子戰(zhàn)?2022-02-08 00:00

以下文章來(lái)源于云腦智庫(kù)?，作者相控陣?yán)蟿?/p>

云腦智庫(kù).

努力是一種生活態(tài)度，與年齡無(wú)關(guān)！專注搬運(yùn)、分享、發(fā)表雷達(dá)、衛(wèi)通、通信、化合物半導(dǎo)體、電子戰(zhàn)、數(shù)據(jù)鏈、量子技術(shù)等技術(shù)應(yīng)用、行業(yè)調(diào)研、前沿技術(shù)探索！專注相控陣、太赫茲、微波光子、光學(xué)、芯片、人工智能等前沿技術(shù)學(xué)習(xí)、分享

來(lái)源：云腦智庫(kù)

編者注：這是07年參加工作時(shí)學(xué)習(xí)的一本書(shū)，當(dāng)時(shí)做了筆記，今天整理出來(lái)分享給大家，時(shí)間久遠(yuǎn)，不正之處，敬請(qǐng)指正！本學(xué)習(xí)筆記僅對(duì)前三章基本知識(shí)做了整理，后續(xù)應(yīng)用部分，請(qǐng)參考該書(shū)籍閱讀！

第一章.緒論1.1微帶天線的歷史和優(yōu)缺點(diǎn)

微帶天線最初作為火箭和導(dǎo)彈上的共形全向天線獲得了應(yīng)用，現(xiàn)在微帶天線廣泛應(yīng)用于大約100MHz～100GHz的寬廣頻域上的大量無(wú)線電設(shè)備中，特別是飛行器上和地面便攜設(shè)備中。微帶天線的特征是比通常的微波天線有更多的物理參數(shù)，具有任意的幾何形狀和尺寸，有三種基本類型：微帶貼片天線、微帶行波天線和微帶縫隙天線。

和常用的微波天線相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）體積小、重量輕、低剖面、能與載體共形，并且除了在饋電點(diǎn)處要開(kāi)出引線外，不破壞載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)。2）性能多樣化。設(shè)計(jì)的微帶元最大輻射方向可以在邊射到端射范圍內(nèi)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)多種幾何方式，還可以實(shí)現(xiàn)在雙頻或多頻方式下工作3）能夠與有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件，適合大規(guī)模生產(chǎn)，簡(jiǎn)化整機(jī)的制作和調(diào)試，大大降低成本

和其它天線相比，其缺點(diǎn)如下：

1）相對(duì)帶寬較窄，特別是諧振式微帶天線（目前已經(jīng)有了一些改進(jìn)方法）2）損耗較大，因此效率較低，特別是行波型微帶天線，在匹配負(fù)載上有較大損耗3）單個(gè)微帶天線的功率容量較小4）介質(zhì)基片對(duì)性能影響較大。由于工藝條件的限制，批量生產(chǎn)的介質(zhì)基片的均勻性和一致性還有欠缺，影響了微帶天線的批產(chǎn)和大型天線陣的構(gòu)建

相對(duì)帶寬較窄一般認(rèn)為是微帶天線的主要缺點(diǎn)，單現(xiàn)在采用孔徑耦合的層疊式結(jié)構(gòu)的微帶天線，其阻抗帶寬已經(jīng)達(dá)到69％左右，具有廣闊的應(yīng)用前景，一般而言，它在飛行器上的應(yīng)用處于優(yōu)越地位，如衛(wèi)星通信、導(dǎo)引頭、共形相控陣等，在較低功率的各種軍用民用設(shè)備如醫(yī)用探頭等，由于它可以集成化，使其在毫米波段的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

1.2微帶天線的分析設(shè)計(jì)方法

天線分析的基本問(wèn)題就是求解天線在周圍空間建立的電磁場(chǎng)，求得電磁場(chǎng)之后，進(jìn)而得到其方向圖、增益和輸入阻抗等特性指標(biāo)。分析微帶天線的基本理論大致可分為三類。最早出現(xiàn)的也是最簡(jiǎn)單的是傳輸線模型（TLM，Transmission Line Model）理論，主要用于矩形貼片，更嚴(yán)格更有用的是空腔模型理論（CM，Cavity Model），可用于各種規(guī)則貼片（基本限于天線厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的情況）最嚴(yán)格而計(jì)算最復(fù)雜的是積分方程法（IEM，Integral Equation Method），即全波理論（FW，F(xiàn)ull Wave），理論上講，積分方程法可用于各種結(jié)構(gòu)、任意厚度的微帶天線，但要受計(jì)算模型的精度和機(jī)時(shí)的限制。從數(shù)學(xué)處理上看，第一種理論將分析簡(jiǎn)化為一維的傳輸線問(wèn)題；第二種理論則發(fā)展到基于邊值問(wèn)題的求解；第三種理論進(jìn)一步可以計(jì)入第三維的變化，不過(guò)計(jì)算費(fèi)時(shí)。基于積分方程的簡(jiǎn)化產(chǎn)生了格林函數(shù)法（GFA，Green’s Function Approach）；由空腔模型擴(kuò)展到多端口網(wǎng)絡(luò)法（MNA，Multiport network Approach）.

微帶線的傳輸模式是將微帶線看成一種開(kāi)放線路，因此其電磁場(chǎng)可無(wú)限延伸。這樣微帶線的場(chǎng)空間由兩個(gè)不同介電常數(shù)的區(qū)域（空氣和介質(zhì)）構(gòu)成，只有填充均勻媒質(zhì)的傳輸線才能傳輸單一的純橫向場(chǎng)－TEM模。由于空氣－介質(zhì)分界面的存在，使得微帶中的傳輸模是具有電場(chǎng)、磁場(chǎng)所有三個(gè)分量（包括縱向分量）的混合模，但在頻率不太高如12GHz以下，基片厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，能量大部分都集中在導(dǎo)體帶下面的介質(zhì)基片內(nèi)，且此區(qū)域的縱向場(chǎng)分量很弱，因此微帶傳輸?shù)闹髂：蚑EM模很相似，稱為準(zhǔn)TEM模。傳輸線法最簡(jiǎn)單，也最為直觀，利用端縫輻射的概念說(shuō)明輻射的機(jī)理，由于傳輸線模式的限制，其難于應(yīng)用在矩形片以外的情況，對(duì)于矩形片，傳輸線模式相當(dāng)于腔模理論中的基膜。在諧振頻率上，計(jì)算的場(chǎng)分布與實(shí)際很接近，參量計(jì)算合乎工程精度，但失諧大時(shí)，相差很大，計(jì)算不再可靠，基本的傳輸線法對(duì)諧振頻率的預(yù)測(cè)是不夠準(zhǔn)確的，利用一些修正方法（如等效伸長(zhǎng)）可將誤差減小到1％以內(nèi)，如果通過(guò)樣品實(shí)測(cè)諧振頻率，然后在調(diào)整，效果更好。

空腔模型理論基于薄微帶天線的假設(shè)，將微帶貼片與接地板之間的空間看成是四周為磁臂，上下為電壁的諧振腔（確切的說(shuō)是漏波空腔）。天線輻射場(chǎng)由空腔四周的等效磁流來(lái)得出，天線的輸入阻抗可根據(jù)空腔內(nèi)場(chǎng)和饋源邊界條件來(lái)求得。腔模理論特別是多模理論是對(duì)傳輸線法的發(fā)展，能應(yīng)用于范圍更廣的微帶天線，并且由于計(jì)及了高次模，因此算得的阻抗曲線較準(zhǔn)，且計(jì)算量不算大，比較適合工程設(shè)計(jì)的需要。但基本的腔模理論同樣要經(jīng)過(guò)修正，才能得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。特別是邊界導(dǎo)納的引入，把腔內(nèi)外的電磁問(wèn)題分成為獨(dú)立的問(wèn)題，這在理論上是嚴(yán)格的，只是邊界導(dǎo)納的確定很困難，計(jì)算只能是近似的。在腔模理論中，認(rèn)為腔內(nèi)場(chǎng)是二維函數(shù)，這在薄基片時(shí)是合理的，而對(duì)于厚基片則將引入誤差。由于微帶天線的目的就是降低拋面高度，因此在大多數(shù)情況下是不成問(wèn)題的，但在毫米波段就需要另行考慮了。

積分方程法和腔模理論的基本立足點(diǎn)不同，它討論的是開(kāi)放的空間，是以開(kāi)放空間的格林函數(shù)為基礎(chǔ)，基本方程是嚴(yán)格的，除了少數(shù)例外，通常用矩量法求解。

要得到高增益、掃描波束或波束控制等特性，只有將離散的輻射元組成陣列才有可能，同一陣列中輻射元可以相同也可以不同，在空間可以排成線陣、面陣或立體陣。

1.3?微帶天線的應(yīng)用微帶天線優(yōu)勢(shì)有低剖面、價(jià)格偏移并可制成多功能、可共形的天線；可集成到無(wú)線電設(shè)備內(nèi)部，可用于室內(nèi)外，尺寸可大可小，大的微帶天線其長(zhǎng)度可達(dá)十幾米。微帶天線在空間技術(shù)中如X－SAR（X波段合成孔徑雷達(dá)）、SIR（航天飛船成像雷達(dá)）、海洋衛(wèi)星等以不同的微帶形式完成特定的功能。在可移動(dòng)衛(wèi)星通信中以及內(nèi)部集成的微帶天線在PCS（個(gè)人通信業(yè)務(wù)）/蜂窩電話和其它手持便攜式通信設(shè)備中都有廣泛的應(yīng)用。注：便攜式無(wú)限通信設(shè)備一般要求天線要小、輕、對(duì)兩個(gè)正交極化靈敏。輻射方向圖在所有主平面上必須是準(zhǔn)各向同性的，并且，在許多應(yīng)用中，需要寬頻帶。人體對(duì)天線的影響以及人體對(duì)天線輻射的吸收都要盡可能的小，此外，總是希望天線集成在印制電路板上或塑料盒里。由此需要使用內(nèi)部集成的天線，例如微帶天線。內(nèi)置天線機(jī)械強(qiáng)度大，不易折斷；不增加設(shè)備的尺寸；使用不需要拉伸，人為影響小；并且使用高水平的防護(hù)技術(shù)，可以使天線與人體的作用減到最小。微帶天線能提供50Ω輸入阻抗，因此不需要匹配電路或變換器；比較容易精確制造，可重復(fù)性較好；可通過(guò)耦合饋電，天線和RF電路不需要物理連接；較易將發(fā)射和接收信號(hào)頻段分開(kāi)，因此可以省掉收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)或至少使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化；容易制成雙頻段雙極化模式。因此微帶天線是最好的選擇之一。第二章.微帶陣列天線的基本理論

天線是各種無(wú)線電設(shè)備必不可少的組成部分，它能有效的、定向的輻射或接收無(wú)線電波并通過(guò)饋線與收發(fā)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，起著能量轉(zhuǎn)換作用。

從本質(zhì)上講，微波傳輸線（傳輸微波信息和能量的各種形式的傳輸系統(tǒng)的總稱）是一個(gè)封閉系統(tǒng)，基本功能就是傳輸電磁能量，其電磁場(chǎng)被束縛在傳輸線附近而不會(huì)輻射到遙遠(yuǎn)的空間，自身的不連續(xù)性可以用來(lái)構(gòu)成各種形式的微波元件。天線是由傳輸線演變而來(lái)，但其基本功能是向空間輻射或接收電磁能量，是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)。

不管是線天線還是面天線，其輻射源都是高頻電流元，這是共性。因此討論電流元的輻射場(chǎng)是討論天線問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)。

要解決天線的兩個(gè)最主要的問(wèn)題是阻抗特性和方向特性。前者要解決特性和饋線的匹配問(wèn)題；后者要解決輻射和定向接收問(wèn)題，亦即解決提高發(fā)射功率或接收機(jī)靈敏度問(wèn)題。但這一切都要先求出天線在遠(yuǎn)區(qū)的電磁場(chǎng)分布。為此需要求解滿足天線邊界條件的麥克斯韋方程組。嚴(yán)格數(shù)學(xué)求解是很困難的，經(jīng)常采用工程近似的方法進(jìn)行研究，即用某種初始場(chǎng)的近似分布代替真實(shí)的準(zhǔn)確分布來(lái)計(jì)算輻射場(chǎng)。這樣可以避免嚴(yán)格的理論求解又可以獲取一定的精確度。

2.1?微帶天線單元結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的微帶天線是由貼在帶有金屬底板的介質(zhì)基片上的輻射貼片構(gòu)成。貼片導(dǎo)體通常是銅或金，可采取任意形狀。但通常采用常規(guī)的形狀以簡(jiǎn)化分析和預(yù)期其性能。基片的介電常數(shù)應(yīng)較低，這樣可以增強(qiáng)產(chǎn)生輻射的邊緣場(chǎng)。微帶天線單元/陣列其結(jié)構(gòu)通常都比較簡(jiǎn)單，但電磁場(chǎng)的分析卻很復(fù)雜。一方面，微帶天線的品質(zhì)因數(shù)很高，較難得到精確的阻抗特性；介質(zhì)的各向異性、加載、損耗、表面波效應(yīng)等影響也較嚴(yán)重。另一方面，微帶特性幾何結(jié)構(gòu)多樣（不同貼片單元形狀、饋電方法以及寄生單元或?qū)盈B單元的應(yīng)用，共面饋電網(wǎng)絡(luò)與有源線路的集成等）。微帶特性的分析方法主要分為基于簡(jiǎn)化假設(shè)的近似方法和全波分析方法兩類。全波分析法有更好的適應(yīng)性和更高的精度，但速度較慢。第一類方法包括傳輸線模型、空腔模型和分段模型。該方法講貼片單元當(dāng)作一段傳輸線或是空腔諧振器，簡(jiǎn)化了分析和計(jì)算，提高了速度，物理概念清晰，可以提供設(shè)計(jì)的初始數(shù)據(jù)。2.1.1微帶天線的傳輸線模型??基本假設(shè)：1）微帶片和金屬底板構(gòu)成一段微帶傳輸線，傳輸準(zhǔn)TEM波，波的傳輸方向決定于饋電點(diǎn)。線段長(zhǎng)度L≈λ_g/2，λ_g為準(zhǔn)TEM波的波長(zhǎng)。場(chǎng)在傳輸方向上是駐波分布，而在垂直方向上是常數(shù)。2）傳輸線的兩個(gè)開(kāi)口端（始端和末端）等效為兩個(gè)輻射縫，場(chǎng)為W，寬為h，縫口徑場(chǎng)即為傳輸線開(kāi)口端場(chǎng)強(qiáng)。縫平面看作位于微帶片兩端的延伸面上，即是講開(kāi)口面向上折轉(zhuǎn)90^o，而開(kāi)口場(chǎng)強(qiáng)隨之折轉(zhuǎn)。由上可見(jiàn)當(dāng)L＝λ_g/2時(shí)，二縫上切向電場(chǎng)均為x方向，且等幅同相，它們等效為磁流，由于金屬底板的作用，相當(dāng)于有二倍磁流向上半空間輻射。縫隙上等效磁流密度為M_s＝－2V/hV為傳輸線開(kāi)口端電壓。

由于縫已經(jīng)放平，在計(jì)算上半空間輻射場(chǎng)時(shí)，就可以按照自由空間處理。這是這種方法的方便之處。

圖2.1?傳輸線法物理模型
2.1.2輻射元方向圖

微帶輻射元的方向圖可由其等效磁流元的輻射場(chǎng)得出。

由圖2.1可見(jiàn)，微帶天線的輻射等效為二元縫陣的輻射，并且縫上等效磁流是均勻的，可求出天線的輻射場(chǎng)為：
2.2微帶陣列

微帶天線單元的增益一般只有6～8dB。為獲得更大增益，或?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)特定的方向性要求，常采用由微帶輻射元組成的微帶陣列。最簡(jiǎn)單的排陣方式是直線陣。其饋電結(jié)構(gòu)一般采用串饋或并饋。

2.2.1線陣輻射特性

由相同而且取向一致的輻射元組成的陣列方向圖是其輻射元方向圖和陣因子方向圖的乘積（方向圖乘積定理）。陣因子方向圖就是將實(shí)際輻射元用無(wú)方向性的點(diǎn)源代替（具有原來(lái)的機(jī)理振幅和相位）而形成的陣方向圖。微帶輻射元的方向圖可由其等效磁流元的輻射場(chǎng)得出，這樣就可以求出微帶線陣的的輻射特性。

圖2.2 N元線陣

一般根據(jù)下式進(jìn)行選擇不出現(xiàn)柵瓣的元間距：

2.2.2平面陣天線

如圖2.3所示，矩形平面陣中各單元相同，位于原點(diǎn)的第00號(hào)單元為陣的中心點(diǎn)，x方向單元編號(hào)m∈（－M~M），y方向的單元編號(hào)n∈（－N~N），第00號(hào)單元為相位參考點(diǎn)，忽略陣中各單元間的互耦影響時(shí)，設(shè)各元的激勵(lì)電流為：

由此可見(jiàn)平面陣因子是兩個(gè)線陣因子的乘積，因此可以用線陣方向性分析的結(jié)果分析平面陣的方向性。在x方向線陣形成圍繞x軸的圓錐形波束，y方向形成圍繞y軸的圓錐波束。因此，平面陣因子的主瓣是兩個(gè)線陣圓錐主瓣相交部分的乘積，這就得到了兩個(gè)針狀主瓣，一個(gè)指向z>0空間，另一個(gè)指向z<0空間。在實(shí)際應(yīng)用中，總是選擇陣為單向輻射，即只有z>0空間輻射的針狀主瓣。研究?jī)蓚€(gè)主平面的方向圖特性時(shí):

圖2.3矩形平面陣

2.3電掃描天線???由于天線波束的指向始終與相位波陣面相垂直，因此，只要改變相位波陣面的位置，就能實(shí)現(xiàn)天線波束的掃描。根據(jù)改變相位波陣面的方法不同，波束掃描大致分為三類：1.相位掃描在陣列中每一個(gè)單元都安裝一個(gè)移相器，相移量能在0～2π之間調(diào)整，用電子控制每個(gè)移相器，以達(dá)到快速掃描的目的，即相控陣天線，陣中每個(gè)單元間距為d，波束掃描角為θ0，則相鄰單元之間的相移量為ψ=2πd sinθ0/λ，可見(jiàn)相位掃描具有頻率敏感性，即如果相位不隨頻率變化，則掃描角θ0必與頻率有關(guān)，改變頻率也會(huì)改變波束掃描角。2.時(shí)延掃描將相掃天線中的每一個(gè)移相器都換成可變時(shí)間延遲線，則相鄰單元之間的相移量變換為時(shí)間延遲量t=dsinθ0/c，式中c為電磁波在真空中的傳播速度為一常數(shù)，由此可知波束掃描角θ0與頻率無(wú)關(guān)3.頻率掃描頻掃天線的波束指向就是隨發(fā)射機(jī)振蕩頻率的改變而變化，即波束指向是頻率的函數(shù)，而一般的頻掃天線總是與相掃天線結(jié)合應(yīng)用構(gòu)成所謂的三坐標(biāo)雷達(dá)，即方位面采用相掃，俯仰面采用頻掃。2.3.1相控陣天線???電掃描天線的典型形式就是相控陣天線。它與傳統(tǒng)的機(jī)械掃描天線相比，具有高增益、大功率、多波束和多功能、高數(shù)據(jù)率、高可靠性和易實(shí)現(xiàn)接收機(jī)自動(dòng)控制等諸多優(yōu)點(diǎn)。???相控陣天線的典型框圖如圖2.4所示:

發(fā)射機(jī)的射頻能量經(jīng)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率分配，按預(yù)定比例饋送到陣列中的各個(gè)單元的移相器，經(jīng)適當(dāng)?shù)囊葡嗪笤陴伣o陣列各單元進(jìn)行輻射。波束控制指令信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，運(yùn)算后通過(guò)移相器控制電路進(jìn)入各單元移相器，分別控制各自的相移量，從而獲得各相鄰單元間所要求的相位差，使天線波束指向預(yù)期方向。

事實(shí)上，如果將n個(gè)完全相同的天線所組成的n元均勻線陣中的每個(gè)天線都帶上一個(gè)可控移相器，則該天線陣就成為一維相控陣天線。

假如單元天線的饋電電流不同相，設(shè)相鄰兩單元的電流間的相移為δ，則當(dāng)改變?chǔ)臅r(shí)，波束指向在掃描空間移動(dòng)。設(shè)最大輻射方向發(fā)生在θm0，則有δ=-kdsinθm0。由此，改變相鄰單元之間的相位差δ，就可以改變波束的最大輻射方向θm0，實(shí)現(xiàn)波束掃描。

2.3.2盲點(diǎn)效應(yīng)???在相控陣天線的設(shè)計(jì)中，必須考慮兩個(gè)問(wèn)題：1）在實(shí)空間不出現(xiàn)柵瓣2）抑制或消除盲點(diǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波束掃描到某一角度θn，天線處于全反射狀態(tài)，既不輻射也不接收能量，角θn稱為盲點(diǎn)。從物理本質(zhì)上講，產(chǎn)生盲點(diǎn)的原因有兩個(gè)。一是相控陣中存在高次模和互耦效應(yīng)。高次模發(fā)生在一個(gè)單元，而其它單元都與它們的發(fā)射機(jī)端接。由于互耦效應(yīng)，在某些特定掃描角上，被激勵(lì)起的高次模與主模耦合，致使口面場(chǎng)受到抵消。因而不能輻射也不能接收功率。二是漏波的抵消效應(yīng)，所謂漏波是指當(dāng)陣列單元輻射時(shí)，有一部分沿陣列表面向后泄漏的能量，這個(gè)漏波在這里的無(wú)源端接的單元上也會(huì)產(chǎn)生輻射波，于是原始的輻射波與漏波產(chǎn)生的輻射波在陣外空間疊加，在某個(gè)特定方向上造成盲點(diǎn)。在工程上，消除盲點(diǎn)的主要措施是合理選擇陣格尺寸和輻射單元的口徑尺寸。單元口徑尺寸越大，盲點(diǎn)越靠近陣列的法線方向，因此應(yīng)盡量減小口徑尺寸，使盲點(diǎn)靠近柵瓣方向，再選用較小尺寸的陣格，使柵瓣遠(yuǎn)離掃描空間，這樣既可以再掃描空間不出現(xiàn)柵瓣又抑制了盲點(diǎn)。2.3.3天線的副瓣性能???在相控陣天線的系統(tǒng)性能中，天線的副瓣特性是很重要的，相控陣天線的副瓣特性在很大程度上決定了雷達(dá)抗干擾、抗反輻射導(dǎo)彈及雜波抑制等戰(zhàn)術(shù)性能，是雷達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。為降低相控陣天線的副瓣電平，通常對(duì)陣面天線單元的電流分布采用各種形式的加權(quán)，但加權(quán)之后，天線波束的主瓣展寬，將降低天線增益和雷達(dá)角分辨率，不利于抗從主瓣進(jìn)入的干擾。低副瓣與超低副瓣天線通常是指副瓣電平必主瓣電平低30dB與40dB的以上的天線。為實(shí)現(xiàn)這樣的天線，對(duì)面天線而言，主要是應(yīng)按要求的副瓣電平來(lái)設(shè)計(jì)天線口徑照射函數(shù)，實(shí)現(xiàn)所需的加權(quán)。具體實(shí)現(xiàn)辦法是：可在饋線網(wǎng)絡(luò)中采用不等功率分配器或衰減器加等功率分配器，也可將衰減器與不等功率分配器混用。此外天線反射面的加工必須嚴(yán)格保證公差要求，使天線口徑面上的實(shí)際電流分布與理論上所要求的分布在幅度和相位上的誤差低于所容許的范圍。對(duì)于陣列天線，為獲得低副瓣性能，除幅度加權(quán)外，還可采用密度加權(quán)、相位加權(quán)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)等效的幅度加權(quán)口徑照射函數(shù)。陣列中各天線單元激勵(lì)電流的幅度和相位誤差以及各天線單元的安裝公差，應(yīng)嚴(yán)格低于額定副瓣電平所容許的范圍。此外，設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮各天線單元之間的互耦效應(yīng)。同時(shí)，因?yàn)樘炀€波束可以在一個(gè)較大的空間范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，隨著掃描角的變化，天線單元之間的互耦也會(huì)發(fā)生變化，各天線單元激勵(lì)電流的幅度和相位也會(huì)發(fā)生變化，所以為了實(shí)現(xiàn)低副瓣與超低副瓣電平，還必須考慮天線波束掃描產(chǎn)生的影響。除了精心設(shè)計(jì)天線單元，采用單元之間的去耦措施外，解決此問(wèn)題的一種思路是統(tǒng)一設(shè)計(jì)天線單元和饋電網(wǎng)絡(luò)。饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，要考慮天線單元之間互耦隨波束掃描而變化的因素。在一定條件下，饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有隨波束掃描變化而進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整的能力。密度加權(quán)天線陣是一種不等間距加權(quán)天線陣。不等間距天線陣中各有源天線單元的間距是不等的，靠近陣列中心的單元其間距小些，偏離陣列中心越遠(yuǎn)的單元，其間距越大，但各天線單元激勵(lì)電流的幅度都相同。密度加權(quán)天線陣是以抬高遠(yuǎn)區(qū)副瓣電平為代價(jià)（會(huì)因此降低天線增益）來(lái)降低主瓣附近的副瓣電平。對(duì)采用數(shù)字式移相器的天線陣列，如果在波束控制信號(hào)之外還將相位加權(quán)控制信號(hào)加到陣列中某些單元的移相器上，改變陣列各天線單元激勵(lì)電流的相位，那么也可以得到類似于加權(quán)的效果，降低天線波瓣主瓣附近副瓣電平。2.3.4陣列單元隨機(jī)幅度與相位誤差的影響??相控陣天線中各單元的激勵(lì)電流在幅度和相位上存在著隨機(jī)幅度與相位誤差（不可能完全相同），引起幅相誤差的原因很多，如天線單元方向圖的不一致，天線單元的安裝誤差、天線單元的損壞、天線單元之間互耦引起的天線單元的阻抗變化和駐波變化、饋線各單元通道之間的幅相誤差（如移相器的誤差，阻抗不匹配引起反射所產(chǎn)生的幅相誤差、溫度變化影響等）。這類誤差具有隨機(jī)性，對(duì)天線波瓣的副瓣電平、天線增益以及波束指向等均有重要影響。但總的來(lái)說(shuō)，各天線單元的隨機(jī)幅相誤差對(duì)天線增益的影響較大，對(duì)天線副瓣和陣列波束的指向精度的影響較小。采用集中式發(fā)射機(jī)或子陣式發(fā)射機(jī)的相控陣?yán)走_(dá)，一部發(fā)射機(jī)要負(fù)責(zé)給整個(gè)發(fā)射相控陣天線或發(fā)射天線子陣饋電。從發(fā)射機(jī)輸出端到每一個(gè)天線單元，必須有一個(gè)發(fā)射饋線系統(tǒng)，將發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)功率分配到各個(gè)天線單元。對(duì)于接收相控陣天線，各個(gè)天線單元接收到的信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)一個(gè)接收饋線系統(tǒng)逐級(jí)相加，然后送至接收機(jī)輸入端。發(fā)射或接收饋線系統(tǒng)都由許多不同的饋線元件如功率分配器、移相器、傳輸線段、調(diào)諧元件、定向耦合器等組成，各個(gè)饋線元件的連接不可能做到完全匹配，這些連接點(diǎn)處，存在電磁波反射。當(dāng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的多次發(fā)射波重新到達(dá)天線單元（對(duì)發(fā)射陣）或接收機(jī)輸入端（對(duì)接收機(jī)）時(shí)，這些反射波與主入射波疊加，對(duì)發(fā)射陣來(lái)說(shuō)，使各天線單元輻射出去的信號(hào)的相位和幅度發(fā)生變化，對(duì)接收陣而言，則使各天線單元接收到的信號(hào)在到達(dá)接收機(jī)輸入端時(shí)產(chǎn)生幅度和相位起伏。2.4?互耦效應(yīng)對(duì)陣性能的影響微帶陣列天線中，各微帶元之間存在互耦效應(yīng)，將導(dǎo)致：1）單元在陣中的方向圖與孤立元的方向圖不同；2）陣中單元的輸入阻抗與孤立元的輸入阻抗不同；3）對(duì)于相控陣，陣中單元的輸入阻抗將隨掃描角的改變而改變，這會(huì)引起陣的失配和單元效率（或增益）的降低；4）天線的極化特性要變壞2.4.1互耦對(duì)陣元方向圖的影響???設(shè)M×N個(gè)微帶天線元組成的陣列，陣中只有第j個(gè)單元接上電源，而其余單元都端接匹配負(fù)載。從物理意義上，可以看出此時(shí)單元在陣中的方向圖將不同于孤立元的方向圖（存在互耦的影響）。互耦的存在將使第j個(gè)元上的輻射的能量有一部分耦合到其它陣元，耦合能量的一部分被其端接負(fù)載所消耗，另一部分將再輻射，因此，陣中單元方向圖將不同于孤立元的方向圖。而且，對(duì)于有限數(shù)目陣元組成的陣列，由于各陣元再陣中所處的位置不同，它所受到的互耦影響也不同，故再陣中單元方向圖也不相同。只有在無(wú)限陣列中，各元在陣中單元方向圖才相同。嚴(yán)格的講，由于互耦的影響，將使微帶天線貼片上電流分布規(guī)律也有變化。特別是對(duì)相控陣天線，隨著掃描角的變化，電流分布也要改變。對(duì)于一個(gè)大陣，由于陣的總方向圖的主瓣很窄，而一般陣元的方向圖主瓣很寬。即陣元方向圖對(duì)陣的總方向圖中主瓣和前面幾個(gè)旁瓣的影響不太大。在這種情況下，計(jì)算總方向圖時(shí)，可以忽略互耦影響，這就是一般陣天線中常用的分析方法，這是一種近似方法。而對(duì)于掃描波束的相控陣天線，就不能忽略這種互耦影響。2.4.2互耦對(duì)陣元輸入阻抗和匹配的影響???兩種分析方法：互阻抗法和散射矩陣法（兩種方法得到的結(jié)果相同）???有源陣列的輸入阻抗將隨波束掃描方向的變化而變化，這是由于互耦影響形成的。對(duì)于一個(gè)有限尺寸的陣列，由于各陣元在陣中的位置不同，其互阻抗也不同，所以一般來(lái)說(shuō)，各陣元的有源輸入阻抗也不完全相同。嚴(yán)格的說(shuō)，只有無(wú)限大尺寸的陣列，各陣元在陣中所處的環(huán)境完全相同，那么各陣元的有源輸入阻抗才會(huì)相同。對(duì)于有限尺寸的大陣，除位于陣邊緣的少數(shù)陣元外，其它多數(shù)陣元的輸入阻抗可以近似認(rèn)為是相同的。如果連接電源和陣元之間的傳輸線已與電源內(nèi)阻抗相匹配，則在第mn個(gè)元輸入端處的反射系數(shù)為:

可見(jiàn)，反射系數(shù)也將隨波束掃描方向的改變而改變，所以在相控陣天線中不僅需要考慮到陣元在一定的頻帶范圍內(nèi)的阻抗匹配（即寬帶匹配），而且還要考慮到在一定的掃描范圍內(nèi)的阻抗匹配（即寬角匹配）。這是相控陣天線與非電控掃描天線以及一般天線的不同之處。后兩者只需要考慮寬帶阻抗匹配。

利用互耦系數(shù)構(gòu)成的散射矩陣來(lái)計(jì)算反射系數(shù)隨掃描方向的變化是較為直接而又簡(jiǎn)便的方法。這是因?yàn)樯⑸渚仃囍苯优c入射電壓波和反射電壓波相聯(lián)系，而且在微波網(wǎng)絡(luò)中能直接測(cè)量的是耦合系數(shù)（或稱為散射系數(shù)）。

2.4.3互耦對(duì)相控陣天線增益的影響

2.4.4確定微帶天線元之間互耦的方法??兩種方法：一是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，二是利用分析和計(jì)算方法得出a).實(shí)驗(yàn)測(cè)定法確定各元之間互耦的一種最符合實(shí)際的的方法是直接在陣中進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際上，利用散射系數(shù)的互易性，以及陣結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性可以使測(cè)量次數(shù)大大減小。同時(shí)，對(duì)于大陣，在陣中除靠邊緣的陣元外，對(duì)位于陣中間的單元可近似認(rèn)為它們所處的陣環(huán)境相同。因此，可以認(rèn)為它們的反射系數(shù)相同，這樣只要選擇在陣中不同位置的幾個(gè)典型單元，確定它們的反射系數(shù)就可以反映整個(gè)陣的反射特性。通常在設(shè)計(jì)陣時(shí)，往往只用兩個(gè)陣元，只需要實(shí)測(cè)這兩個(gè)陣元之間的耦合系數(shù)，而忽略其它陣元對(duì)它們的影響。因此，只要測(cè)出這兩個(gè)元在不同取向和位置時(shí)的耦合系數(shù)，據(jù)此計(jì)算陣的反射系數(shù)，并設(shè)計(jì)匹配措施。但要注意一點(diǎn)，對(duì)于波導(dǎo)型、縫隙或振子陣元，這樣的測(cè)量只要在一塊較大的金屬板（作為接地平面）上放置陣元即可。對(duì)微帶特性元除了接地平面外，還必須考慮它們之間有介質(zhì)基片，這是不能忽略的。元間距在幾個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的耦合系數(shù)變化的一般規(guī)律：1）隨著元間距的加大，耦合系數(shù)減小，在E面耦合系數(shù)近似按1/d減小；在H面耦合系數(shù)減小更快，近似按1/d²減小。而耦合系數(shù)的相位滯后基本上按kd成直線變化。這意味著在微帶基片較薄和間距不太大時(shí)，耦合主要取決于空間輻射波，表面波耦合不占主要部分。2）E面和H面耦合曲線是不同的，因此微帶元的相對(duì)取向位置不同，它們之間的耦合也不相同。3）考慮其它陣元存在對(duì)互耦的影響時(shí)，法線它對(duì)E面耦合影響稍大，使耦合系數(shù)比只有兩元時(shí)要大一些，而相位滯后要變小一些。其它陣元存在對(duì)H面耦合的影響較小。因此作為一種近似計(jì)算，利用兩元間的互耦系數(shù)來(lái)計(jì)算陣中的反射系數(shù)和輸入阻抗還是可行的，特別對(duì)較小的陣。b).用反應(yīng)原理計(jì)算互耦

c).無(wú)限周期陣列概念與波導(dǎo)模擬器???上面討論的是先用實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)來(lái)確定各元間的互導(dǎo)納或散射系數(shù)，然后再將所有元的互耦影響一一疊加起來(lái)，從而得到陣中單元的輸入阻抗或反射系數(shù)的方法稱為逐元法，該法的優(yōu)點(diǎn)是直觀，可以預(yù)測(cè)出再陣中不同位置的陣元性能，方法不僅適用平面陣也適用共形陣。所以，逐元法再中小尺寸的平面陣和共形陣中應(yīng)用最廣泛。但對(duì)于大陣，由于陣元數(shù)目多，使計(jì)算或?qū)嶒?yàn)工作量大大增加，這時(shí)，常采用無(wú)限周期陣列的概念，因?yàn)榇箨囍虚g部分的單元再陣中所處的環(huán)境基本相同，所以再陣中間不同位置的單元的性能基本一致，因此，預(yù)測(cè)大陣性能可用無(wú)限陣列來(lái)近似，在無(wú)限陣中每個(gè)陣元所處的環(huán)境完全相同，陣中各元的性能也完全相同。分析無(wú)限陣列，不是先求各元間的互耦而是直接建立求陣中單元輸入阻抗或反射系數(shù)的方程。由于無(wú)限陣是一個(gè)周期結(jié)構(gòu)，因而可利用弗洛蓋特（Floquet）定理來(lái)建立陣的場(chǎng)方程。常用的解法有場(chǎng)匹配法、復(fù)功率法、積分方程法（用矩量法求解）、變分法和留數(shù)法等。利用無(wú)限周期陣列模型與逐元法相比有很多優(yōu)點(diǎn)。首先它已將所有陣元存在的互耦影響全部自動(dòng)考慮在內(nèi)，所以方法比較嚴(yán)格。其次，它也考慮了陣元上的場(chǎng)分布受互耦的影響，特別是場(chǎng)分布隨掃描方向而變化的影響。因此，用無(wú)限陣列模型可以預(yù)測(cè)出陣在掃描時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)“盲點(diǎn)”，所以這種方法已在分析波導(dǎo)型、縫隙型和振子型陣天線中廣泛應(yīng)用。對(duì)于微帶天線元組成的大陣，原則上也可以利用這種方法。

基于無(wú)限陣列概念還發(fā)展了一種實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)用來(lái)預(yù)測(cè)相控陣天線的反射特性。這種技術(shù)是利用波導(dǎo)模擬器來(lái)完成的。

2.5?輻射單元、排列柵格和陣形2.5.1微帶天線陣元的類型

可根據(jù)陣的帶寬、極化、方向圖特性（或掃描范圍）、增益和效率等要求以及陣在結(jié)構(gòu)上的要求來(lái)選擇最合適的微帶天線元。微帶天線元大致可分為三類：貼片式、縫隙式和不均運(yùn)行微帶線等。

1．貼片式微帶天線

按工作原理可分為諧振式和行波式。諧振式貼片微帶天線作為陣元具有以下一些主要特點(diǎn)。單元本身具有一定的方向性系數(shù)，典型數(shù)據(jù)可達(dá)6dB左右。其效率較高，一般在90％以上。其半功率波束寬度大致在80^o～100^o之間。對(duì)于相控陣而言比較適合于最大掃描角在±50^o以內(nèi)。該形式的天線可工作在線極化、圓極化或變極化。對(duì)方形和圓形貼片，利用相互正交的雙端饋電，在利用功率分配器和移相器以改變兩端激勵(lì)的相對(duì)振幅和相位，就可以構(gòu)成圓極化或變極化。對(duì)接近方形的貼片和橢圓形貼片，利用單端饋電也可以做成圓極化陣元，但不能作成變極化陣元。諧振式貼片具有以下一些缺點(diǎn)。阻抗匹配帶寬較窄，通常在輸入端駐波系數(shù)小于2的帶寬只有百分之幾。當(dāng)掃描范圍大于±60^o時(shí)，單元方向圖的波束顯得窄了一些，同時(shí)，當(dāng)要求較大掃描范圍時(shí)，為了避免在掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)柵瓣，要求單元間距要較小，這樣貼片尺寸也稍嫌大。這對(duì)將陣元和饋電網(wǎng)絡(luò)都集成在同一介質(zhì)基片上的單面陣就顯得空間擁擠。因此，為了展寬波束或縮小天線尺寸，也常采用λ/4短路矩形貼片作為陣元，它相當(dāng)于矩形貼片的一個(gè)輻射邊短路，而尺寸縮小了1/2。此外，規(guī)則形狀的諧振式貼片單元可以一哦能夠較為準(zhǔn)確的方法分析，已經(jīng)導(dǎo)出各種較為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)公式，所以設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)便，且減少調(diào)試工作量。

行波式貼片微帶天線一端激勵(lì)，另一端接匹配負(fù)載以保證貼片上電流或其內(nèi)空間場(chǎng)按行波分布。這種天線的特點(diǎn)是阻抗匹配帶寬較寬，但波束最大值指向隨頻率變化。這種天線最大值輻射方向可以設(shè)計(jì)成接近邊射到端射的任一方向。它既可以輻射線極化波，也可以輻射圓極化波，但由于其一部分功率消耗在終端負(fù)載上所以效率較低。

2．縫隙式微帶天線

縫隙天線利用微帶傳輸線激勵(lì)，是在微帶傳輸線接地面上開(kāi)縫，故其輻射是向兩邊的，如果需要單方向輻射，可在離縫高度為λ/4處加金屬反射板。

這種天線的特點(diǎn)是它的阻抗匹配帶寬比諧振式貼片天線要寬，特別是寬矩形縫。這種縫隙天線一般輻射線極化波，對(duì)制造公差要求比貼片式要小，用于陣元時(shí)量輻射元之間的隔離比貼片式要好，但當(dāng)要求單方向輻射時(shí)，這種天線的厚度比貼片式天線要大。同時(shí)分析和設(shè)計(jì)這種天線要比貼片式困難一些，其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星廣播接收陣的陣元。

3.不均勻性微帶線

微帶線不均勻性是另一大類廣泛應(yīng)用的天線陣元。它通常是利用在微帶傳輸線上進(jìn)行切割、突變或彎曲等方式形成輻射。

這類天線用作陣元的特點(diǎn)是阻抗匹配頻帶較寬，快點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而緊湊。構(gòu)成陣的波束指向一般可設(shè)計(jì)在任何方向上。其缺點(diǎn)就是波束指向隨頻率變化較靈敏。由于是行波饋電，陣的效率不高。

2.5.2排列柵格和陣形

柵格一般有兩種排列方式：一是矩形柵格排列；二是三角形柵格排列。在矩形柵格的單元位置中，只有當(dāng)（m＋n）為偶數(shù)的位置中放置輻射單元，才組成三角形柵格。

對(duì)于同樣的柵格抑制，矩形柵格排列比三角形柵格排列單元數(shù)多（比柵格為等邊三角形時(shí)多16％）。輻射單元少，意味著成本降低。另外柵格間距的增加，有利于輻射單元的安裝。因此，三角形排列采用的較多。

外觀形狀為矩形或正方形的陣列最常見(jiàn)，計(jì)算比較簡(jiǎn)單，其尺寸大小由主瓣寬度決定。均勻幅度的矩形陣，第一旁瓣電平可高達(dá)－13.2dB，抗干擾性能不好，這是最大的缺點(diǎn)。

把矩形陣改為圓形陣，在均勻幅度時(shí)，第一旁瓣電平可降至－17.6dB，圓形陣多采用正方形柵格。

用三角形柵格可排列成正六角形陣，這樣的排列可有效的減少相控陣天線單元數(shù)目，降低雷達(dá)的造價(jià)。

當(dāng)掃描角θ≥60^o時(shí)，平面陣會(huì)受到柵瓣的影響而難以實(shí)現(xiàn)，利用球面的自然對(duì)稱性，能在較寬的角度范圍內(nèi)保持天線方向圖和增益的均勻性，同時(shí)可克服寬角度下阻抗失配的影響。因此，將陣列單元排列在一個(gè)球面上構(gòu)成球形陣，可改善角掃描性能。

對(duì)于機(jī)載雷達(dá)，為了便于安裝，減小阻力和覆蓋盡可能寬的立體角，要求陣面的形狀與機(jī)體表面形狀一致，這就是所謂的共形陣。

圖2.5?三角形柵格

2.6?電磁波的極化

電場(chǎng)強(qiáng)度E的方向隨時(shí)間變化的方式稱為電磁波的極化。根據(jù)E矢量的端點(diǎn)軌跡形狀，電磁波的極化可分為三種：線極化、圓極化和橢圓極化。

兩個(gè)相位相差π/2，振幅相等的空間上正交的線極化波，可合成一個(gè)圓極化波；反之也成立。兩個(gè)旋向相反，振幅相等的圓極化波可以合成一個(gè)線極化波，反之亦然。

橢圓長(zhǎng)軸對(duì)x軸的夾角τ稱為極化橢圓的傾角，長(zhǎng)軸與短軸的比值稱為軸比，極化橢圓的軸比、傾角以及旋向是描述極化特性的三個(gè)特征量。線極化（軸比→∞）和圓極化（軸比等于1）都是橢圓極化的特例，旋向以傳播方向z為參考，它直接由相位差φ決定，若φ在第一二象限，則為左旋波，若φ在三四象限，則為右旋波。

兩個(gè)空間上正交的線極化波可以合成為一個(gè)橢圓極化波，反之亦然。兩個(gè)旋向相反的圓極化波可以合成一個(gè)橢圓極化波，反之亦然。

圓極化波具有兩個(gè)與應(yīng)用相關(guān)的重要特性：

1）當(dāng)圓極化波入射到對(duì)稱目標(biāo)（如平面、球面等）上時(shí)，反射波變?yōu)榉葱虻牟ǎ醋笮冇倚倚冏笮?）天線若輻射左旋圓極化波，則只接收左旋圓極化波而不接收右旋圓極化波，反之，若天線輻射右旋圓極化波，則只接收右旋圓極化波，這稱為圓極化天線的旋轉(zhuǎn)正交性。根據(jù)這些特性，在雨霧天氣里，雷達(dá)采用圓極化波工作將具有抑制雨霧干擾的能力。因?yàn)樗c(diǎn)近似球形，對(duì)圓極化波的反射是反旋的，不會(huì)被雷達(dá)天線所接收。而雷達(dá)目標(biāo)（如飛機(jī)、船艦、坦克等）一般是非簡(jiǎn)單對(duì)稱體，其反射波是橢圓極化波，必有同旋向的圓極化成分，因而能被收到。由于一個(gè)線極化波可分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波，這樣，不同取向的線極化波都可由圓極化天線收到，因此，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中都采用圓極化天線進(jìn)行電子偵察和實(shí)施電子干擾，同樣，圓極化天線也有很多民用方面的應(yīng)用。第三章?微帶天線的饋電方法天線是一種能量變換器，發(fā)射天線把發(fā)射機(jī)輸出回路的高頻交流電能變?yōu)檩椛潆姶拍埽醋優(yōu)榭臻g電磁波。相反，接收天線把到達(dá)的空間電磁波變?yōu)楦哳l交流電能，傳送到接收機(jī)的輸入回路。從發(fā)射機(jī)到天線以及從天線到接收機(jī)之間的連接是依靠饋線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳輸線（或饋電線）系指將高頻交流電能從電路的某一段傳送到另一段的設(shè)備。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)傳輸線有以下要求：1）傳輸線應(yīng)具有最小的能量損耗。這些損耗包括導(dǎo)線中電阻產(chǎn)生的能量輻射、導(dǎo)線間介質(zhì)中所產(chǎn)生的介質(zhì)損耗，以及發(fā)射到外部空間的輻射損耗。2）沿線路允許傳輸?shù)膸拑?nèi)高頻振蕩功率應(yīng)盡可能大3）傳輸線不應(yīng)改變天線的方向圖特性。因此必須消除傳輸線上的能量輻射。要消除這種“天線效應(yīng)”，必須在所給的工作波長(zhǎng)下選擇適當(dāng)?shù)膫鬏斁€形式和幾何結(jié)構(gòu)。4）傳輸線的電參量應(yīng)穩(wěn)定到這樣的程度，以至于外部媒質(zhì)的溫度、濕度和壓力的改變，以及機(jī)械振動(dòng)和其它不穩(wěn)定因素均不影響到天線設(shè)備的工作穩(wěn)定性。5）傳輸線應(yīng)有適當(dāng)?shù)某叽绾椭亓?）傳輸線應(yīng)有一定的機(jī)械強(qiáng)度，便于裝配。在制造上也要盡可能的簡(jiǎn)單，使用中要考慮到傳輸線的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)負(fù)載阻抗等于傳輸線的特性阻抗時(shí)，其工作在行波狀態(tài)，傳輸效率最高，功率容量也最大；且傳輸線的輸入阻抗呈電阻性，它的大小不會(huì)隨頻率而變化，這樣便于與發(fā)射機(jī)調(diào)諧匹配。因此，希望傳輸線工作在行波狀態(tài)。但是，在無(wú)線電收發(fā)設(shè)備中，傳輸線的終端負(fù)載是天線，而天線的輸入阻抗是隨頻率而變化的，在工作波段內(nèi)呈現(xiàn)為復(fù)阻抗性質(zhì)。因此就要在傳輸線末端與天線之間加上一個(gè)“匹配裝置”，使得天線阻抗經(jīng)過(guò)匹配裝置的變換作用后，與傳輸線的特性阻抗相等，從而使傳輸線工作在行波狀態(tài)或稱為匹配。3.1?微帶單元天線饋電兩種基本方式：一是用微帶線饋電；二是用同軸線饋電3.1.1微帶線饋電???用微帶線饋電時(shí)，饋線與微帶貼片是共面的，因而可方便光刻，制作簡(jiǎn)便。但是饋線本身也要引起輻射，從而干擾天線方向圖，降低增益。為此一般要求微帶線寬度w不能寬，希望w ＜λ。還要求微帶天線特性阻抗Ze要高些或基片厚度h要小，介電常數(shù)εr要大。天線輸入阻抗與饋線特性阻抗的匹配可由適當(dāng)選擇饋電點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)饋電點(diǎn)沿矩形貼片的兩邊移動(dòng)時(shí)，天線諧振電阻變換。對(duì)于TM10模，饋電點(diǎn)沿饋電邊（x軸）移動(dòng)時(shí)阻抗調(diào)節(jié)范圍很大。微帶線也可通過(guò)間隔伸入貼片內(nèi)部，以獲得所需阻抗。

饋電點(diǎn)位置的改變將使饋線與天線間的耦合改變，因而使諧振頻率有一個(gè)小的漂移，但是方向圖一般不會(huì)受影響（只要仍保證主模工作）。頻率的小漂移可通過(guò)稍稍修改貼片尺寸來(lái)補(bǔ)償。

在理論計(jì)算中，微帶饋源的模型可等效威嚴(yán)z軸方向的一個(gè)薄電流片，其背后為空腔磁臂，為計(jì)入邊緣效應(yīng)，此電流片的寬度d0比微帶寬度w寬（取有效寬度）。

微帶饋線本身的激勵(lì)往往利用同軸－微帶過(guò)渡。有兩種形式：垂直過(guò)渡（底饋）和平行過(guò)渡（邊饋）。

3.1.2同軸線饋電

用同軸線饋電的優(yōu)點(diǎn)有：1）饋電點(diǎn)可以選在貼片內(nèi)任意所需位置，便于匹配。2）同軸電纜置于接地板上方，避免了對(duì)天線輻射的影響。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不便于集成，制作麻煩。

這種饋源的理論模型，可表示為z向電流圓柱和接地板上同軸開(kāi)口處的小磁流環(huán)。其簡(jiǎn)化處理是略去磁流的作用，并用中心位于圓柱中心的電流片來(lái)等效電流柱。一種更嚴(yán)格的處理是把接地板上的同軸開(kāi)口作為傳TEM波的激勵(lì)源，而把圓柱探針的效應(yīng)按邊界條件來(lái)處理。

天線設(shè)備作為一個(gè)單口元件，在輸入端面上常體現(xiàn)為一個(gè)阻抗元件或等效阻抗元件，與相連接的饋線或電路有阻抗匹配的問(wèn)題。

微帶輻射器的輸入阻抗或輸入導(dǎo)納是一個(gè)基本參數(shù)，因此應(yīng)精確的知道輸入導(dǎo)納，以便在單元和饋線之間做到良好的匹配。

由于對(duì)大多數(shù)工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的傳輸線模型給出的結(jié)果已經(jīng)足夠滿意，很多文獻(xiàn)都給出了用傳輸線模型計(jì)算微帶天線輸入阻抗的方法，但由不同文獻(xiàn)給出的方法計(jì)算出的值相差較大。

3.1.3電磁耦合型饋電

結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是貼片（無(wú)接觸）饋電，可利用饋線本身，也可通過(guò)一個(gè)口徑（縫隙）來(lái)形成饋線與天線間的電磁耦合。因此可統(tǒng)稱為貼片式饋電。這對(duì)多層陣中的層間連接問(wèn)題，是一種有效的解決方法，并且大多數(shù)能獲得寬頻帶的駐波特性。

利用口徑耦合的電磁耦合型饋電結(jié)構(gòu)是把貼片印制在天線基片上，然后置放在刻蝕有微帶饋線的饋源基片上，二者之間有一帶有矩形縫隙的金屬底板。微帶線通過(guò)此口徑來(lái)對(duì)貼片饋電。口徑尺寸將控制由饋線至貼片的耦合，采用長(zhǎng)度上比貼片稍小的口徑一般可獲得滿意的匹配。

3.2 陣的饋電形式與設(shè)計(jì)
陣的饋電網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是保證各陣元所要求的激勵(lì)振幅和相位，以便形成所要求的方向圖，或者使天線性能各項(xiàng)指標(biāo)最佳。對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)的主要要求是阻抗匹配、損耗小、頻帶寬和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。陣的饋電形式主要有并饋和串饋兩種形式，也有這兩種形式的組合。

3.2.1并聯(lián)饋電

并聯(lián)饋電是利用若干個(gè)功率分配器，將輸入功率分配到各個(gè)陣元。功率分配器可以分成兩路、三路或多路。但為了使饋電結(jié)構(gòu)中最大和最小阻抗之比最小，通常采用兩路功率分配器。

對(duì)于并聯(lián)饋電陣，當(dāng)所有陣元相同時(shí)，各元所要求的振幅分布可以利用改變功率分配器的各路功率分配比來(lái)實(shí)現(xiàn)，而各陣元所要求的相位分布，可采用控制各路饋電線長(zhǎng)度或附加移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如對(duì)于同相陣，則可以利用各路饋線等長(zhǎng)或相差饋線波長(zhǎng)的整數(shù)倍來(lái)保證各元同相激勵(lì)。對(duì)于相控陣同相則要求采用電控移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)波束掃描所要求的相位分布。對(duì)功率分配器除要保證功率分配比外，還要求各路輸出端之間有較好的隔離。

并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是比較簡(jiǎn)單和直接的。當(dāng)選定陣元的形式和尺寸后，根據(jù)各元所要求的激勵(lì)振幅和相位，考慮到互耦的影響，可計(jì)算出各元的輸入阻抗。已知陣元的輸入阻抗，所要求的激勵(lì)振幅和相位后，就可以設(shè)計(jì)功率分配器和饋線的布局（要考慮長(zhǎng)度以保證相位）。

并聯(lián)饋電微帶天線陣的陣元較少時(shí)，通常可將微帶功率分配器和饋線與陣元都集成在同一塊介質(zhì)基片上，稱為單面陣。當(dāng)陣元數(shù)目較多或陣面空間較擁擠時(shí)，也可以將微帶功率分配器的一部分或全部放在陣面后面，組成多層陣。此時(shí)各元用同軸探針激勵(lì)，或者上下層功率分配器之間用同軸探針相連，為此必須要求各層具有金屬化孔，并要求各層之間嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。陣元數(shù)多時(shí)，需要采用多級(jí)功率分配器，為了減少損耗和提高功率容量，對(duì)靠近輸入端的前面幾級(jí)功率分配器也可采用波導(dǎo)、同軸線或板線式功率分配器和饋線。

并聯(lián)饋電具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，各元所要求的激勵(lì)振幅和相位可以通過(guò)設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)饋線等長(zhǎng)時(shí)，波束指向與頻率無(wú)關(guān)，所以頻帶寬度主要取決于阻抗匹配的頻帶，比較容易實(shí)現(xiàn)寬頻帶。這種饋電形式既適用于固定波束陣，又適用于利用電控移相器進(jìn)行波束掃描的相控陣。它的缺點(diǎn)是需要許多功率分配器，饋線總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，這不僅占據(jù)了空間，也大大增加了傳輸損耗。同時(shí)，使整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜。

3.2.2串聯(lián)饋電

串聯(lián)饋電是將天線陣元用微帶傳輸線串聯(lián)連接起來(lái)，此時(shí)，對(duì)饋電的主傳輸線來(lái)說(shuō)，每一天線陣元都等效為一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)。所以，從等效網(wǎng)絡(luò)觀點(diǎn)來(lái)看，這種饋電形式確切的說(shuō)是一種級(jí)聯(lián)形式的饋電。每一陣元的等效四端網(wǎng)絡(luò)可以有各種形式，它既可以是一個(gè)并聯(lián)導(dǎo)納，也可以是一串聯(lián)阻抗或更一般形式的T形、∏型或變壓器形式的等效網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于矩形貼片微帶天線元，就可等效為一并聯(lián)導(dǎo)納的四端網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)考慮了互耦影響時(shí)，此并聯(lián)導(dǎo)納又矩形貼片元的自導(dǎo)納加上其它各元的互導(dǎo)納。

串聯(lián)饋電形式，根據(jù)傳輸線終端所接負(fù)載不同，可分為行波串聯(lián)饋電和諧振串聯(lián)饋電。串聯(lián)饋電陣設(shè)計(jì)比并聯(lián)饋電陣設(shè)計(jì)要復(fù)雜一些，特別在考慮各元間的互耦影響時(shí)，需要用迭代法來(lái)設(shè)計(jì)，以保證各元所要求的激勵(lì)振幅和相位。

串聯(lián)饋電陣各元所要求的激勵(lì)振幅和相位是通過(guò)改變各天線元尺寸來(lái)達(dá)到的，所以，一個(gè)具有幅度或相位加權(quán)的串聯(lián)陣，各天線元的尺寸一般是不相同的。諧振串聯(lián)饋電無(wú)論從阻抗匹配和方向圖特性來(lái)講，一般都是窄頻帶的。當(dāng)頻率變換時(shí)，由于相位的變化，使波束指向改變。但這種饋電形式效率較高，傳輸損耗也較小，饋電無(wú)論結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又緊湊。行波饋電的阻抗匹配頻帶較寬，但波束指向隨頻率改變，另一缺點(diǎn)是饋電效率較低，因?yàn)樵诮K端負(fù)載上要消耗一部分功率。

串聯(lián)饋電陣與并聯(lián)饋電陣相比，前者饋電電路簡(jiǎn)單，饋線總長(zhǎng)度較短，所以饋線損耗較小。因?yàn)椴恍枰β史峙淦鳎钥臻g利用也必并聯(lián)饋電要好。行波串聯(lián)饋電陣阻抗匹配頻帶寬。但串聯(lián)饋電陣設(shè)計(jì)要復(fù)雜一些。其波束指向隨頻率變化。如果采用中心串聯(lián)饋電，其波束指向?qū)⒉浑S頻率變化。

以上討論的主要是線陣的饋電形式，但也可以推廣應(yīng)用于二維平面陣。對(duì)于二維平面陣的饋電，可以全部采用并饋或串饋，也可以采用一維為并饋，另一維為串饋的組合形式，平面陣除上述饋電形式外，對(duì)于微帶天線元組成的平面陣，還有一種交叉饋電形式，這種饋電形式，還可以通過(guò)改變輻射元線寬度或饋線與輻射元的角度來(lái)達(dá)到幅度加權(quán)的目的。

3.3 相控陣天線的饋電方式

發(fā)射機(jī)輸出的信號(hào)，按一定的幅度分布和相位梯度饋送給陣面上的每一個(gè)天線單元。接收時(shí)，同樣必須將各個(gè)天線單元收到的信號(hào)按一定的幅度和相位要求進(jìn)行加權(quán)，然后加起來(lái)饋送給接收機(jī)。相控陣天線的饋電網(wǎng)絡(luò)，就是使陣面上眾多的天線單元與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)相連接的傳輸系統(tǒng)。各個(gè)天線單元所需要的幅度和相位加權(quán)也是在饋線系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的。

為了獲得低副瓣相控陣天線，饋線系統(tǒng)提供給每個(gè)天線單元的電流信號(hào)的幅度是不相等的，通常情況下，陣列中間天線單元的信號(hào)電流幅值最大，陣列邊緣單元的電流幅值最小，各天線單元的激勵(lì)電流按一定的幅度分布來(lái)確定。除了自適應(yīng)陣列天線外，對(duì)一般的相控陣，這一幅度分布是固定的，不應(yīng)隨天線波束掃描方向的變化而變化。信號(hào)沿陣列天線口徑的不等幅分布，通常采用不等功率的功率分配網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

饋線系統(tǒng)還要保證每個(gè)天線單元激勵(lì)電流的相位符合天線波束掃描指向要求。通常將饋電網(wǎng)絡(luò)向各個(gè)天線單元提供所需的信號(hào)相位稱之為“饋相”，即將對(duì)天線單元信號(hào)進(jìn)行復(fù)加權(quán)中的相位加權(quán)部分稱之為“饋相”，“饋相”的方式與饋電網(wǎng)絡(luò)的組成相關(guān)。

對(duì)相控陣的饋電系統(tǒng)有許多要求，其中之一是通過(guò)降低饋線系統(tǒng)的復(fù)雜性來(lái)降低成本。為此，減小移相器和每一移相器所需要的開(kāi)關(guān)組件的數(shù)目、簡(jiǎn)化移相器控制信號(hào)的產(chǎn)生方式以及壓縮移相器控制信號(hào)的數(shù)目等具有重要意義，而這些都是與饋相方式密切相關(guān)的。

由于可將整個(gè)平面陣分成若干個(gè)線陣，每一線陣都被當(dāng)成一個(gè)子天線陣，因此對(duì)平面陣列天線的饋相，可分解成對(duì)若干個(gè)相同子陣和另一子陣的饋相（一個(gè)線陣又可以相應(yīng)地分為若干子陣），這種饋相方式的移相器數(shù)目要增加一個(gè)線陣的單元數(shù)目，但移相器控制信號(hào)容易產(chǎn)生，控制信號(hào)的設(shè)備量也顯著的降低了。

同樣，也可以將“陣內(nèi)相位”矩陣分解為若干個(gè)小的正方形或矩形矩陣，即用若干個(gè)子平面天線陣來(lái)構(gòu)成總的平面陣列。

饋線系統(tǒng)在相控陣天線中占有特別重要的位置。低旁瓣天線對(duì)饋線系統(tǒng)幅度和相位精度的要求是很高的，此外，承受高功率的能力、饋線系統(tǒng)的損耗、測(cè)試和調(diào)整的方便性，以及體積、重量等要求，也是選擇饋電方式時(shí)必須考慮的因素。為了降低成本，還要充分考慮生產(chǎn)的一致性、提高成品率和便于加工等要求，至于是否全部功率分配器都要采用隔離式，還是部分采用隔離式、在哪一級(jí)采用隔離式，這可根據(jù)對(duì)系統(tǒng)駐波、功率隔離以及成本要求等進(jìn)行計(jì)算分析后決定，或?qū)@些要求進(jìn)行折衷考慮。皇捷通訊專業(yè)天線研發(fā)生產(chǎn)一體www.bgdkw.com

平面相控陣天線的饋電主要有強(qiáng)制饋電、空間饋電和光學(xué)饋電

3.3.1強(qiáng)制饋電

采用波導(dǎo)、同軸線、板線和微帶線等進(jìn)行功率分配。隨光電子技術(shù)的發(fā)展，也可以采用光纖作為相控陣饋線中的傳輸線，但只能在低功率電平上使用。波導(dǎo)和同軸線用于高功率陣列，低功率部分常用板線、帶線和微帶線。功率分配器有隔離式與非隔離式、等功率分配器與不等功率分配器等多種形式。隔離式功率分配器輸出支臂之間約有20dB隔離度，可以減小由于各傳輸組件之間的反射波引起的干擾，有利于整個(gè)饋線系統(tǒng)獲得低的駐波。當(dāng)隔離式功率分配器的一個(gè)支臂由于開(kāi)路或短路而出現(xiàn)全反射時(shí)，因一半反射功率被隔離臂的吸收負(fù)載所吸收，故有利于保證饋電網(wǎng)絡(luò)的耐功率性能。

3.3.2空間饋電

空間饋電的形式有透鏡式空間饋電和反射式空間饋電等形式。透鏡式空間饋電的天線陣，包括收集陣面和輻射陣面兩部分。收集陣面也稱為內(nèi)天線陣面，它由許多天線單元組成，這些天線單元又稱為收集單元。它們既可排列在一個(gè)平面上，也可排列在一個(gè)曲面上。在天線陣處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)由照射天線（如波導(dǎo)喇叭天線）照射到內(nèi)天線陣上的收集天線單元，這些收集單元接收照射信號(hào)后，經(jīng)移相器，再傳輸至輻射陣面上的天線單元（也叫輻射單元），然后向空間輻射，對(duì)于有源相控陣天線，經(jīng)過(guò)移相器相移后的信號(hào)，還要再經(jīng)過(guò)功率放大器放大，然后才送給輻射陣面的天線單元。當(dāng)天線陣處于接收狀態(tài)時(shí)，輻射陣面接收從空間目標(biāo)反射回來(lái)的回波信號(hào)，這些信號(hào)送移相器移相后，由收集陣面上的天線單元將其傳輸至陣內(nèi)的接收天線（如由波導(dǎo)喇叭組成的接收天線）。對(duì)于有源相控陣天線，每一輻射單元收到的信號(hào)，要先經(jīng)過(guò)低噪聲放大后再送給移相器，最后才輸入到收集單元，經(jīng)空間輻射到達(dá)陣內(nèi)接收天線。

這種空間饋電方式，實(shí)質(zhì)上采用空潰的功率分配/相加網(wǎng)絡(luò)，省掉了許多加工要求嚴(yán)格的微波高頻器件。這種饋電方式，對(duì)于高頻和雷達(dá)信號(hào)波長(zhǎng)較短的情況（例如S、C、X波段），與強(qiáng)制饋電方式相比，優(yōu)點(diǎn)更為明顯。

反射式空間饋電陣列與透鏡式空間饋電陣列不同，其收集陣面和輻射陣面是同一陣面。這一陣面上各天線單元收到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)移相器移相后，被短路傳輸線或開(kāi)路傳輸線全反射。對(duì)于這種陣列，作為初級(jí)饋源的照射喇叭天線，在陣列平面的外邊，即采用前饋方式對(duì)天線陣面進(jìn)行空間饋電。由于采用前饋，初級(jí)饋源的天線對(duì)天線陣面有一定的遮擋效應(yīng)，對(duì)天線口徑增益和對(duì)天線副瓣電平的性能有不利的影響。這種空潰方式，常見(jiàn)的大多是頻率很高（如X、Ku波段）的相控陣戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)。另外，在這種空間饋電陣列中，移相器提供的相移值起了兩次作用，故該值應(yīng)為一半移相器相移值的一半，移相器損耗也增加了一倍。自然，移相器是雙向傳輸型的。

在空間饋電系統(tǒng)中，初級(jí)饋源的照射方向圖為整個(gè)陣面提供了幅度加權(quán)。為了充分利用初級(jí)饋源能量，減小泄漏損失，透鏡內(nèi)天線陣面（收集陣面）的天線單元數(shù)目可適當(dāng)增加，在內(nèi)天線陣面的邊緣部分，可以將幾個(gè)收集單元接收到的信號(hào)相加，在經(jīng)過(guò)移相器相移后送至外天線陣面（輻射陣面）的輻射天線單元。

為了降低相控陣天線的副瓣電平，常采用密度加權(quán)方式，這時(shí)陣面上除有源天線單元外，還設(shè)置了相當(dāng)數(shù)量的無(wú)源單元，對(duì)于空間饋電的陣列天線，外天線也可以設(shè)計(jì)成密度加權(quán)的相控陣天線。

由于天線物理尺寸的限制，初級(jí)饋源與陣面的距離大體等于天線口徑的尺寸，因此，初級(jí)饋源輻射的電磁波是球面波。由球形波到平面波的準(zhǔn)直修正，由改變移相器上的控制碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，即用改變移相器的相移值來(lái)進(jìn)行修正，也可用準(zhǔn)直延遲線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3.3波束躍度與移相器的虛位技術(shù)

相控陣天線波束的相控掃描依靠的是天線陣中的大量移相器，因此，移相器是饋電系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵微波元件，與此相應(yīng)，控制移相器的電路也是一個(gè)重要的電路。

按照信號(hào)相位的基本定義：

移相器可在高頻實(shí)現(xiàn)，為便于用計(jì)算機(jī)控制天線波束掃描，計(jì)算機(jī)提供給移相器的控制信號(hào)是二進(jìn)制的經(jīng)過(guò)D/A變換成模擬信號(hào)后送入控制移相器。

對(duì)移相器的要求主要有以下8項(xiàng)，在具體選用時(shí)必須進(jìn)行綜合考慮：

1）承受功率（包括峰值功率與平均功率）的能力2）頻率特性及帶寬性能3）低損耗4）幅度和相位精度、溫度特性和幅度穩(wěn)定性5）控制特性（對(duì)波束控制驅(qū)動(dòng)器的要求和控制的時(shí)間響應(yīng)）6）工藝性、一致性和可靠性7）低成本8）體積、重量要求由于移相器要受計(jì)算機(jī)控制，以便實(shí)現(xiàn)相控陣特性波束的高速、無(wú)慣性靈活掃描、因此，數(shù)字式移相器得到了廣泛的應(yīng)用。采用數(shù)字式移相器時(shí)，移相器的相移量以二進(jìn)制方式改變。當(dāng)數(shù)字式移相器的位數(shù)為K(K為正整數(shù))，則移相器的最小相移量（單位相移量）為ΔφBmin皇捷通訊專業(yè)天線研發(fā)生產(chǎn)一體www.bgdkw.com

因此，相控陣特性的波束指向是離散的，隨著掃描角度的增大，相鄰波束之間的間距（波束躍度）增大。這與天線波束隨掃描角度增加而展寬是一致的。為了降低波束躍度，使天線波束掃描接近于機(jī)械式連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)天線時(shí)的情況，需要增加移相器的位數(shù)K。

考慮到雷達(dá)天線波束寬度，波束躍度小于半個(gè)波束寬度是起碼的要求，由此出發(fā)，對(duì)于三坐標(biāo)雷達(dá)，因其波束寬度大體在1度左右，K≥8是完全必要的。對(duì)于相控陣單脈沖跟蹤雷達(dá)，為了能對(duì)目標(biāo)接近于連續(xù)跟蹤，K≥10也是很有必要的，若K＝10，則ΔφBmin=0.35°。顯然，要做這么多位數(shù)的移相器，要保證這樣高的移相精度是不切實(shí)際的。

為了節(jié)省數(shù)字移相器的位數(shù)，同時(shí)保證所需要的小的波束躍度，采用了“虛位技術(shù)”、采用虛位技術(shù)后，增大了移相器的相位量化誤差，對(duì)副瓣電平有不良影響。在同時(shí)要求節(jié)省移相器位數(shù)和降低副瓣電平的情況下，采用“隨機(jī)饋相”方法，當(dāng)移相器的位數(shù)為n時(shí)，對(duì)無(wú)限陣，可使寄生副瓣電平降低到－12×ndB。

為了降低成本，總是希望在不出現(xiàn)柵瓣或由柵瓣引起的寄生副瓣低于一定電平條件下，盡可能的減少天線陣中的移相器的數(shù)目。

縮小天線波束的掃描范圍，有利于減小天線陣中移相器的數(shù)目，因?yàn)樘炀€波束掃描范圍減小后，天線單元的間隔可以拉開(kāi)，此外，對(duì)于實(shí)際的雷達(dá)來(lái)說(shuō)，在某些應(yīng)用情況下，也不要求陣列天線的波束掃描范圍很寬，這時(shí)便可采用有限掃描相控陣天線或小區(qū)域相掃天線。

3.4 固態(tài)功率放大器的阻抗匹配

微波功率晶體管的輸入輸出阻抗很低，且是電抗性的，而功率相加器等傳輸線的特性阻抗通常都選定為50Ω，因此，只有將晶體管的輸入輸出阻抗在整個(gè)工作頻帶范圍內(nèi)變換為50Ω，才能獲得良好的阻抗匹配。對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)，不管是在集中式大功率發(fā)射機(jī)還是在分散式發(fā)射機(jī)中，功率放大器組件都工作在C類狀態(tài)，不需要電真空放大器中所必不可少的調(diào)制器，在高頻輸入信號(hào)到達(dá)晶體管放大器輸入端，并超過(guò)基極－發(fā)射極之間的反向偏置電壓后，該放大器才起放大作用，接待廳才導(dǎo)通。在輸入脈沖信號(hào)由上升前沿至脈沖頂部，在到達(dá)脈沖后沿的整個(gè)脈沖持續(xù)期間，放大器中晶體管的工作狀態(tài)是急劇變化的（由截止到線性、飽和、再截止），因而其輸入輸出阻抗也是變化的，因?yàn)閱渭?jí)放大器的增益只有7dB左右，所以，固態(tài)放大器通常由幾個(gè)單級(jí)放大器連接組成，后面一級(jí)放大器是前面一級(jí)放大器的負(fù)載，一個(gè)單級(jí)放大器的輸入輸出阻抗的變化，將影響其前后兩級(jí)放大器的匹配。

放大器負(fù)載阻抗的變化，與放大器輸入信號(hào)電平及電源電壓的變化一樣，將使放大器輸出信號(hào)的相位發(fā)生變化，因此，當(dāng)設(shè)計(jì)固態(tài)功率放大器時(shí)，再考慮其幅相一致性的公差要求情況下，應(yīng)對(duì)放大器的負(fù)載阻抗提出相應(yīng)的要求。

放大器末級(jí)輸出端通常接一個(gè)環(huán)流器，使末級(jí)功率放大器與天線負(fù)載之間隔離，以保證末級(jí)功率的負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定，這樣，再末級(jí)功放晶體管輸出端與環(huán)流器之間再加上一段匹配傳輸線，便可保證再工作頻帶寬度內(nèi)有良好的負(fù)載阻抗匹配。皇捷通訊專業(yè)天線研發(fā)生產(chǎn)一體www.bgdkw.com

在相控陣?yán)走_(dá)中，當(dāng)采用集中式大功率發(fā)射機(jī)或分布式子陣發(fā)射機(jī)方案時(shí)，從發(fā)射機(jī)輸出端至天線陣面都有一個(gè)發(fā)射饋電網(wǎng)絡(luò)，它包括功率分配器、移相器、環(huán)流器、相位微調(diào)和收發(fā)開(kāi)關(guān)等，發(fā)射饋電網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)輸出端口與各天線單元之間也不可能做到完全匹配。天線單元之間的互耦使各天線單元的輸入阻抗不完全一致，且互耦是隨天線波束掃描方向的變化而變化的；另外，在雷達(dá)工作頻帶寬度內(nèi)，饋線各節(jié)點(diǎn)的駐波及單元之間的互耦也是不同的，因此，天線單元的輸入阻抗隨天線單元的位置、天線波束指向和雷達(dá)信號(hào)的頻率而變化，而通常的饋電網(wǎng)絡(luò)中，除一部分相位微調(diào)及幅度微調(diào)器件外，并沒(méi)有可進(jìn)行阻抗匹配的自適應(yīng)調(diào)配器。除了天線單元之間存在互耦外，饋線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)端口或節(jié)點(diǎn)之間也可能存在互耦。皇捷通訊專業(yè)天線研發(fā)生產(chǎn)一體www.bgdkw.com

采用集中式發(fā)射機(jī)或子陣式發(fā)射機(jī)的相控陣?yán)走_(dá)，一部發(fā)射機(jī)要負(fù)責(zé)給整個(gè)發(fā)射相控陣天線或發(fā)射天線子陣饋電。從發(fā)射機(jī)輸出端到每一個(gè)天線單元，必須有一個(gè)發(fā)射饋線系統(tǒng)，將發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)功率分配至各個(gè)天線單元，對(duì)于接收相控陣天線，各個(gè)天線單元接收到的信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)一個(gè)接收饋線系統(tǒng)逐級(jí)相加，然后送至接收機(jī)輸入端，發(fā)射和接收饋線系統(tǒng)都由許多不同的饋線元件如功率分配器、移相器、傳輸線段、調(diào)諧元件、定向耦合器等組成，各個(gè)饋線元件的連接不可能做到完全匹配。這些連接點(diǎn)處，存在電磁波反射。各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的多次反射波，當(dāng)重新到達(dá)天線單元（對(duì)發(fā)射陣）或接收機(jī)輸入端（對(duì)接收機(jī)）時(shí)，這些反射波與主入射波疊加，對(duì)發(fā)射陣來(lái)說(shuō)，使各個(gè)天線單元輻射出去的信號(hào)的相位和幅度發(fā)生變化；對(duì)接收機(jī)而言，則使從各個(gè)天線單元接收到的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)輸入端時(shí)產(chǎn)生相位和幅度的起伏，因此，對(duì)于天線的饋電系統(tǒng)是必須要仔細(xì)調(diào)試的。

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隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，單一的傳統(tǒng)天線已經(jīng)不能滿足要求。而多天線設(shè)計(jì)雖然可以滿足新一代無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)天線的高要求，但是，天線數(shù)目的增多，會(huì)使設(shè)備成本、天線的空間布局等問(wèn)題凸顯出來(lái)。特別是在手持移動(dòng)設(shè)備上，由于空間有限，使得多天線的設(shè)計(jì)異常困難。

在這種情況下，可重構(gòu)天線就具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。它可在不改變天線的尺寸和結(jié)構(gòu)的情況下在天線的方向圖、工作頻率、極化特性等方面實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，從而使一個(gè)天線能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)天線的功能，適應(yīng)移動(dòng)終端不同的應(yīng)用環(huán)境和要求。

在天線的方向圖可重構(gòu)方面，目前的研究主要集中在采用八木形式的結(jié)構(gòu)上。即通過(guò)開(kāi)關(guān)控制來(lái)改變反射器或引向器的有效諧振長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)反射或者引向作用，使天線的輻射方向發(fā)生變化。但是，這種方式需要多個(gè)天線。故在手持終端有限的空間下，采用這種方式有很大的困難。另外，在天線極化方式可重構(gòu)方面，研究的重點(diǎn)也是單貼片的天線，即通過(guò)在天線上開(kāi)槽或者采用多條饋線，并在不同位置安裝開(kāi)關(guān)來(lái)改變開(kāi)關(guān)的狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)極化方式的變化，但是，這種天線的面積較大，同時(shí)采用多條饋線的結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，都不適用于實(shí)際的移動(dòng)設(shè)備。

皇捷通訊的gsm天線、wifi天線、uhf天線、vhf天線、電視天線、電子連接器生產(chǎn)線引進(jìn)日本、中國(guó)臺(tái)灣高端生產(chǎn)設(shè)備，保證產(chǎn)品具有穩(wěn)定、優(yōu)良的品質(zhì)。公司生產(chǎn)設(shè)備包括注塑成型設(shè)備、五金沖壓設(shè)備、自動(dòng)組裝設(shè)備、模具制造設(shè)備、RF剝線設(shè)備及品質(zhì)檢驗(yàn)設(shè)備等。我們擁有高端的技術(shù)研發(fā)和制造能力，可以根據(jù)客戶需求定制產(chǎn)品，并調(diào)整和提高生產(chǎn)效率。保證穩(wěn)定、精確的交貨期和快速的樣品確認(rèn)。

本文提出了一種用于手持移動(dòng)設(shè)備的可重構(gòu)天線．該天線在適當(dāng)位置安裝了RF-PIN開(kāi)關(guān)，可通過(guò)直流控制電路控制開(kāi)關(guān)的通斷，以使天線以兩種正交的線極化方式工作，同時(shí)也使天線的方向圖發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)極化方式和方向圖的重構(gòu)。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，面積小，易于制造，并具有在同一終端安裝多個(gè)天線來(lái)實(shí)現(xiàn)MIMO(多輸入多輸出系統(tǒng))的潛力，故在移動(dòng)終端中有良好的應(yīng)用價(jià)值。

天線可以與手持設(shè)備電路板集成在一起，安裝在電路板的左上角，其結(jié)構(gòu)和RF-PIN開(kāi)關(guān)控制電路示意圖如圖1所示。

通常的天線版圖位于介質(zhì)基片的底面，控制電路位于基片的頂面，圖l中的D1、D2為兩個(gè)RF-PIN開(kāi)關(guān)；Cl、C2為旁路電容，對(duì)高頻信號(hào)短路；L1、L2為電感，對(duì)高頻信號(hào)開(kāi)路。二極管和電容通過(guò)通孔與底面的天線連接。該天線基片采用厚度為0．8 mm，介電常數(shù)為4．4的FR4材料。水平與垂直的兩個(gè)微帶結(jié)構(gòu)通過(guò)RF-PIN開(kāi)關(guān)與電路板地相連，中間的微帶為饋線，并通過(guò)同軸電纜直接饋電。微帶天線的諧振頻率主要取決于微帶線的長(zhǎng)度，在一般情況下，在介電常數(shù)為εeff的基片上，微帶線的波導(dǎo)波長(zhǎng)約為：

由于兩種工作狀態(tài)下，天線的接地端不同，因此，天線的有效輻射部分也有所不同。當(dāng)處于X模式時(shí)，天線結(jié)構(gòu)中垂直部分的微帶線接地，因此，天線的輻射部分應(yīng)該為水平部分的微帶，天線也相應(yīng)工作在水平極化方式。圖3所示為天線在2.44 GHz時(shí)的射頻電流分布圖。

從圖3可以看出，射頻電流主要集中在天線水平方向的微帶線上(這印證了前面的分析)。但同時(shí)，在中間部分的微帶以及天線其他部分也存在射頻電流，因此，天線仍會(huì)輻射部分垂直極化波。圖4所示為天線的兩種極化波在XY及YZ平面的方向圖。

圖4中，Theta表示水平極化方波，Phi表示垂直極化波，從圖中可以看出，在XY平面上，水平極化波的平均增益比垂直極化波高35 dB以上，而在YZ平面上，水平極化波具有良好的全向性，且平均增益比垂直極化波高約10 dB，因此可以判斷，水平極化波能量遠(yuǎn)大于垂直極化波能量，天線工作在水平極化方式下。

當(dāng)處于Y模式下時(shí)，天線結(jié)構(gòu)中水平部分的微帶線接地，因此，垂直部分的微帶線是天線的有效輻射體，此時(shí)天線也相應(yīng)工作在垂直極化方式下。圖3(b)所示為模式Y(jié)下天線在2．4 GHz的射頻電流分布圖，從圖中可以看出，此時(shí)的射頻電流主要集中在天線垂直方向的微帶線上，天線此時(shí)工作在垂直極化方式下。圖5所示為該模式下天線兩種極化波在XY和YZ平面的方向圖。

從圖5中可以看出，在XY平面上，垂直極化波的最大增益比水平極化波高37 dBi，同時(shí)在YZ平面上，垂直極化波也有良好的全向性。其最大增益比水平極化波高12 dB，說(shuō)明在該模式下，天線可良好地輻射垂直極化波，而交叉極化分量很低。

事實(shí)上，在兩種工作模式下，天線的總體方向圖會(huì)發(fā)生顯著變化。在YZ和XZ兩個(gè)平面上。天線方向圖具有良好的全向性，能盡可能的接受各個(gè)方向的來(lái)波信號(hào)；而在XY平面上，天線在兩種狀態(tài)下的方向圖顯著不同，最大輻射方向會(huì)發(fā)生明顯改變，并且在這個(gè)輻射平面上可以實(shí)現(xiàn)良好的互補(bǔ)。故在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)波的方向和強(qiáng)度的不同，來(lái)實(shí)時(shí)改變天線狀態(tài)，調(diào)整方向圖的最大輻射方向，以有效地提高天線信號(hào)的信噪比，提高通信速率和系統(tǒng)容量。

仿真結(jié)果表明，在兩種狀態(tài)下，該天線的-10 dB帶寬均可達(dá)到240 MHz。而且通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換，還可以使天線在水平和垂直線極化方式之間切換，并使天線輻射方向圖的主瓣方向也偏轉(zhuǎn)150°。

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通過(guò)長(zhǎng)期觀察、測(cè)試和研究，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)全向吸頂天線存在一些技術(shù)缺陷，如高頻信號(hào)向天線正下方聚集，信號(hào)分布不均勻、不穩(wěn)定等。高頻信號(hào)聚集效應(yīng)是導(dǎo)致3G 等高頻信號(hào)快速衰減和覆蓋半徑小的真正技術(shù)原因。經(jīng)過(guò)對(duì)寬帶天線的技術(shù)研究、反復(fù)實(shí)驗(yàn)和不斷改進(jìn)，我們研發(fā)出了寬帶、高效、節(jié)能和環(huán)保的新型全向吸頂天線。

新型全向吸頂天線拓寬了工作頻帶，降低了高頻信號(hào)電磁輻射，單天線覆蓋面積擴(kuò)大一倍以上，改善了信號(hào)覆蓋均勻度，克服了技術(shù)障礙，彌補(bǔ)了缺陷，提高覆蓋效率，大大簡(jiǎn)化了3G 室內(nèi)分布系統(tǒng)，改變了3G 室分建設(shè)基本原則，實(shí)現(xiàn)了全頻段、多網(wǎng)絡(luò)同步覆蓋，避免了重復(fù)建設(shè)，提高了室分資源的利用率，有效提升了整個(gè)室內(nèi)分布系統(tǒng)整體效率和室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，節(jié)約了大量的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)成本，降本增效、節(jié)能降耗、低碳環(huán)保，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

本文介紹新型全向吸頂天線主要技術(shù)特性，探討其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

二、新型全向天線吸頂天線主要技術(shù)特性

新型全向吸頂天線檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 1。在覆蓋半徑邊緣對(duì)應(yīng)的85°輻射角，天線高頻段增益比低頻段增益高1dB～2dB，對(duì)比傳統(tǒng)全向吸頂天線，平均增益提高了4.22dB，有效擴(kuò)大了高頻信號(hào)覆蓋范圍，加上3G 系統(tǒng)CDMA 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使2G、3G 信號(hào)覆蓋范圍基本一致，改變了“小功率、多天線”的3G 室分設(shè)計(jì)原則。

高頻信號(hào)輻射最強(qiáng)對(duì)應(yīng)天線下方30°輻射角，天線高頻段平均增益為-5.5dB，對(duì)比傳統(tǒng)全向吸頂天線，平均增益降低了10dB，有效降低了電磁輻射，提高了最小耦合損耗，因此，降低了輻射，提高了天線口饋入信號(hào)功率的允許值。

通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)天線覆蓋半徑，調(diào)整天線口饋入功率，可以使高、低頻段不同邊緣場(chǎng)強(qiáng)要求的通信系統(tǒng)同步覆蓋，解決了2G、3G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋不同步的技術(shù)難題，突破室內(nèi)分布系統(tǒng)多系統(tǒng)共享的技術(shù)障礙。

另外，新型全向吸頂天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，完全軸對(duì)稱，85°輻射角不圓度可控制在1dB 以內(nèi)，信號(hào)分布更均勻，而且工作帶寬更寬。新型全向吸頂天線主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)有：

（1）突破思維定式，首先發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了傳統(tǒng)天線存在的技術(shù)缺陷，找到了3G 信號(hào)快速衰減的真正技術(shù)原因。

（2）提出了輻射角增益和輻射角不圓度技術(shù)指標(biāo)，并定義30°和85°輻射角作為衡量全向天線下方和覆蓋邊緣技術(shù)性能的典型角度，更加準(zhǔn)確地反映了全向天線信號(hào)覆蓋均勻性和穩(wěn)定性，完善了全向天線指標(biāo)體系，豐富了天線

技術(shù)理論。

（3）在設(shè)計(jì)思路上，突破了傳統(tǒng)全向吸頂天線單純追求高增益的設(shè)計(jì)理念，將天線實(shí)際應(yīng)用中信號(hào)分布均勻、穩(wěn)定性和全頻段信號(hào)覆蓋邊緣場(chǎng)強(qiáng)的一致性作為全向天線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

（4）在寬帶天線技術(shù)上，將半波振子和雙錐天線巧妙結(jié)合起來(lái)，低頻段為半波振子、高頻段為雙錐天線，避免了偶極天線高、低頻率垂直方向圖差異過(guò)大問(wèn)題，并將高頻信號(hào)最大增益輻射角調(diào)整到70°左右，加強(qiáng)了目標(biāo)覆蓋半徑邊緣的信號(hào)，解決了高頻信號(hào)聚集問(wèn)題，擴(kuò)大了覆蓋范圍，提高了覆蓋效率，同時(shí)，有效緩解了天線近處電磁輻射。

（5）提出了更高的互調(diào)指標(biāo)要求，三階互調(diào)小于-140dBc，有效降低了多系統(tǒng)合路時(shí)系統(tǒng)間的互調(diào)干擾。

（6）設(shè)計(jì)精準(zhǔn)，取消了阻抗匹配片（線）和振子防雷接地，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)稱，無(wú)需阻抗調(diào)測(cè)，生產(chǎn)裝配容易，便于規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)品一致性、穩(wěn)定性好，不圓度指標(biāo)低。

（7）制定了明確的技術(shù)性能指標(biāo)、制造材質(zhì)和組件質(zhì)量要求，質(zhì)量可控，成本清晰。

（8）擴(kuò)展了工作帶寬（800MHz-3000MHz），比傳統(tǒng)天線高端擴(kuò)展了500MHz，利于WLAN 接入和網(wǎng)絡(luò)向LTE 演進(jìn)，避免再次改造。

三、室內(nèi)全向吸頂天線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)探討

GB/T 9410-2008《移動(dòng)通信天線通用技術(shù)規(guī)范》和 GB/T 21195-2007《移動(dòng)通信室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)天線技術(shù)條件》對(duì)我國(guó)室內(nèi)全向吸頂天線提出了技術(shù)要求，但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在以下不足：

（1）GB/T 9410-2008 中5.1 條表1 中提出了室內(nèi)全向吸頂天線電性能要求，但只規(guī)定了增益，沒(méi)有明確最大增益的方向，不圓度指標(biāo)高、低頻段采用不同的輻射角，不能真實(shí)反映室內(nèi)分布系統(tǒng)對(duì)全向吸頂天線信號(hào)覆蓋性能。實(shí)

際上，提高覆蓋邊緣對(duì)應(yīng)的高輻射角增益和圓度才是有益的，而低輻射角增益高卻是增強(qiáng)輻射，是無(wú)益的。

（2）GB/T 9410-2008 中4.1.3 條提到了天線材料要求，但實(shí)際上沒(méi)有相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)天線組件材質(zhì)和性能提出明確要求，導(dǎo)致移動(dòng)通信天線質(zhì)量參差不齊和惡性價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，不利于行業(yè)健康發(fā)展。

（3）GB/T 9410-2008 中4.1.4 條提出“天線設(shè)計(jì)應(yīng)有利于防雷”，GB/T21195-2007 中5.1.5 條提出“防雷要求：直接接地”，與YD/T 1059-2004《移動(dòng)通信系統(tǒng)基站天線技術(shù)條件》中5.1 條一致，室內(nèi)天線和室外天線防雷要求完全等同，顯然，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有考慮室內(nèi)、室外的差異。事實(shí)上，室外天線一般安裝在建筑和桿塔的頂部，天線尺度大，遭雷直擊概率大，因此，天線振子直接接地要求是合理的。但對(duì)室內(nèi)天線，天線振子體積小，且安裝于建筑物內(nèi)部，一般建筑都有防雷措施，室內(nèi)被雷擊的可能性極小，因此，振子接地要求意義不大。

為了更準(zhǔn)確描述室內(nèi)全向吸頂天線實(shí)際覆蓋性能，新型全向吸頂天線引入了輻射角增益和輻射角不圓度指標(biāo)，并根據(jù)室內(nèi)實(shí)際場(chǎng)景信號(hào)覆蓋分布情況，定義85°和30°輻射角作為天線高、低輻射角的典型角度，85°輻射角代表天線覆蓋半徑邊緣，30°輻射角代表天線下方最強(qiáng)輻射對(duì)應(yīng)角度。天線85°輻射角增益越高意味著覆蓋半徑邊緣信號(hào)越強(qiáng)，單天線覆蓋范圍更廣，85°輻射角不圓度越低意味著覆蓋半徑邊緣信號(hào)越穩(wěn)定；天線30°輻射角增益越低意味著

天線下方電磁輻射越小，室內(nèi)信號(hào)分布越均勻。

為了更確切反映室內(nèi)全向吸頂天線在室內(nèi)分布系統(tǒng)中實(shí)際覆蓋性能，統(tǒng)一產(chǎn)品性能和質(zhì)量要求，在GB/T 21195-2007 技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，我們制定了新型全向吸頂天線主要技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表2。對(duì)比天線整體技術(shù)性能，新型全向吸頂天線技術(shù)指標(biāo)中明確了不同覆蓋角增益和覆蓋邊緣不圓度，并把高、低頻段增益和不圓度控制指標(biāo)統(tǒng)一到85°輻射角，更容易體現(xiàn)信號(hào)分布的均勻性和穩(wěn)定性。對(duì)天線組件材質(zhì)及性能，新型全向吸頂天線也作了明確規(guī)定，利于產(chǎn)品的規(guī)范生產(chǎn)和統(tǒng)一質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

四 結(jié)束語(yǔ)

新型全向吸頂天線改變了高頻段技術(shù)性能，突破了2G、3G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋不同步的技術(shù)障礙，解決了室內(nèi)分布系統(tǒng)多系統(tǒng)合路共享的技術(shù)難題，改變了3G 室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則，給3G 室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)帶來(lái)了根本性變革，是傳統(tǒng)全向吸頂天線的替代性產(chǎn)品。新型全向吸頂天線已在中國(guó)聯(lián)通推廣應(yīng)用，中國(guó)聯(lián)通已制訂新型全向吸頂天線技術(shù)指標(biāo)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在積極推動(dòng)盡快形成行業(yè)、國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)全球電信業(yè)的健康發(fā)展。

皇捷通訊的gsm天線、wifi天線、uhf天線、vhf天線、電視天線、電子連接器生產(chǎn)線引進(jìn)日本、中國(guó)臺(tái)灣高端生產(chǎn)設(shè)備，保證產(chǎn)品具有穩(wěn)定、優(yōu)良的品質(zhì)。公司生產(chǎn)設(shè)備包括注塑成型設(shè)備、五金沖壓設(shè)備、自動(dòng)組裝設(shè)備、模具制造設(shè)備、RF剝線設(shè)備及品質(zhì)檢驗(yàn)設(shè)備等。我們擁有高端的技術(shù)研發(fā)和制造能力，可以根據(jù)客戶需求定制產(chǎn)品，并調(diào)整和提高生產(chǎn)效率。保證穩(wěn)定、精確的交貨期和快速的樣品確認(rèn)。

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早在 3G 試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)初期，研究人員就發(fā)現(xiàn)：3G 信號(hào)衰減快、穿透損耗大、繞射能力差，在室內(nèi)分布系統(tǒng)中，2G、3G 信號(hào)覆蓋不能同步，3G 信號(hào)覆蓋范圍小、盲點(diǎn)和弱區(qū)多。這些問(wèn)題是3G 信號(hào)頻率高所致，通常被認(rèn)為是不可逾越的技術(shù)障礙。要獲得良好的3G 室內(nèi)信號(hào)，唯有增加天線密度。所以，對(duì)3G 室內(nèi)分布系統(tǒng)，業(yè)界普遍認(rèn)同“小功率、多天線”的設(shè)計(jì)原則。然而，這一原則雖然解決了3G 信號(hào)覆蓋問(wèn)題，卻帶來(lái)了建設(shè)投資成倍增加和大規(guī)模的2G 室內(nèi)分布系統(tǒng)改造，同時(shí)，還導(dǎo)致更嚴(yán)重的2G 信號(hào)泄漏。

通過(guò)長(zhǎng)期觀察、測(cè)試和研究，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)全向吸頂天線存在一些技術(shù)缺陷，如高頻信號(hào)向天線正下方聚集，信號(hào)分布不均勻、不穩(wěn)定等。高頻信號(hào)聚集效應(yīng)是導(dǎo)致3G 等高頻信號(hào)快速衰減和覆蓋半徑小的真正技術(shù)原因。經(jīng)過(guò)對(duì)寬帶天線的技術(shù)研究、反復(fù)實(shí)驗(yàn)和不斷改進(jìn)，我們研發(fā)出了寬帶、高效、節(jié)能和環(huán)保的新型全向吸頂天線。

新型全向吸頂天線拓寬了工作頻帶，降低了高頻信號(hào)電磁輻射，單天線覆蓋面積擴(kuò)大一倍以上，改善了信號(hào)覆蓋均勻度，克服了技術(shù)障礙，彌補(bǔ)了缺陷，提高覆蓋效率，大大簡(jiǎn)化了3G 室內(nèi)分布系統(tǒng)，改變了3G 室分建設(shè)基本原則，實(shí)現(xiàn)了全頻段、多網(wǎng)絡(luò)同步覆蓋，避免了重復(fù)建設(shè)，提高了室分資源的利用率，有效提升了整個(gè)室內(nèi)分布系統(tǒng)整體效率和室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，節(jié)約了大量的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)成本，降本增效、節(jié)能降耗、低碳環(huán)保，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

本文介紹新型全向吸頂天線主要技術(shù)特性，探討其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

二、新型全向天線吸頂天線主要技術(shù)特性

新型全向吸頂天線檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 1。在覆蓋半徑邊緣對(duì)應(yīng)的85°輻射角，天線高頻段增益比低頻段增益高1dB～2dB，對(duì)比傳統(tǒng)全向吸頂天線，平均增益提高了4.22dB，有效擴(kuò)大了高頻信號(hào)覆蓋范圍，加上3G 系統(tǒng)CDMA 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使2G、3G 信號(hào)覆蓋范圍基本一致，改變了“小功率、多天線”的3G 室分設(shè)計(jì)原則。

高頻信號(hào)輻射最強(qiáng)對(duì)應(yīng)天線下方30°輻射角，天線高頻段平均增益為-5.5dB，對(duì)比傳統(tǒng)全向吸頂天線，平均增益降低了10dB，有效降低了電磁輻射，提高了最小耦合損耗，因此，降低了輻射，提高了天線口饋入信號(hào)功率的允許值。

通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)天線覆蓋半徑，調(diào)整天線口饋入功率，可以使高、低頻段不同邊緣場(chǎng)強(qiáng)要求的通信系統(tǒng)同步覆蓋，解決了2G、3G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋不同步的技術(shù)難題，突破室內(nèi)分布系統(tǒng)多系統(tǒng)共享的技術(shù)障礙。

另外，新型全向吸頂天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，完全軸對(duì)稱，85°輻射角不圓度可控制在1dB 以內(nèi)，信號(hào)分布更均勻，而且工作帶寬更寬。新型全向吸頂天線主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)有：

（1）突破思維定式，首先發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了傳統(tǒng)天線存在的技術(shù)缺陷，找到了3G 信號(hào)快速衰減的真正技術(shù)原因。

（2）提出了輻射角增益和輻射角不圓度技術(shù)指標(biāo)，并定義30°和85°輻射角作為衡量全向天線下方和覆蓋邊緣技術(shù)性能的典型角度，更加準(zhǔn)確地反映了全向天線信號(hào)覆蓋均勻性和穩(wěn)定性，完善了全向天線指標(biāo)體系，豐富了天線

技術(shù)理論。

（3）在設(shè)計(jì)思路上，突破了傳統(tǒng)全向吸頂天線單純追求高增益的設(shè)計(jì)理念，將天線實(shí)際應(yīng)用中信號(hào)分布均勻、穩(wěn)定性和全頻段信號(hào)覆蓋邊緣場(chǎng)強(qiáng)的一致性作為全向天線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

（4）在寬帶天線技術(shù)上，將半波振子和雙錐天線巧妙結(jié)合起來(lái)，低頻段為半波振子、高頻段為雙錐天線，避免了偶極天線高、低頻率垂直方向圖差異過(guò)大問(wèn)題，并將高頻信號(hào)最大增益輻射角調(diào)整到70°左右，加強(qiáng)了目標(biāo)覆蓋半徑邊緣的信號(hào)，解決了高頻信號(hào)聚集問(wèn)題，擴(kuò)大了覆蓋范圍，提高了覆蓋效率，同時(shí)，有效緩解了天線近處電磁輻射。

（5）提出了更高的互調(diào)指標(biāo)要求，三階互調(diào)小于-140dBc，有效降低了多系統(tǒng)合路時(shí)系統(tǒng)間的互調(diào)干擾。

（6）設(shè)計(jì)精準(zhǔn)，取消了阻抗匹配片（線）和振子防雷接地，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)稱，無(wú)需阻抗調(diào)測(cè)，生產(chǎn)裝配容易，便于規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)品一致性、穩(wěn)定性好，不圓度指標(biāo)低。

（7）制定了明確的技術(shù)性能指標(biāo)、制造材質(zhì)和組件質(zhì)量要求，質(zhì)量可控，成本清晰。

（8）擴(kuò)展了工作帶寬（800MHz-3000MHz），比傳統(tǒng)天線高端擴(kuò)展了500MHz，利于WLAN 接入和網(wǎng)絡(luò)向LTE 演進(jìn)，避免再次改造。

三、室內(nèi)全向吸頂天線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)探討

GB/T 9410-2008《移動(dòng)通信天線通用技術(shù)規(guī)范》和 GB/T 21195-2007《移動(dòng)通信室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)天線技術(shù)條件》對(duì)我國(guó)室內(nèi)全向吸頂天線提出了技術(shù)要求，但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在以下不足：

（1）GB/T 9410-2008 中5.1 條表1 中提出了室內(nèi)全向吸頂天線電性能要求，但只規(guī)定了增益，沒(méi)有明確最大增益的方向，不圓度指標(biāo)高、低頻段采用不同的輻射角，不能真實(shí)反映室內(nèi)分布系統(tǒng)對(duì)全向吸頂天線信號(hào)覆蓋性能。實(shí)

際上，提高覆蓋邊緣對(duì)應(yīng)的高輻射角增益和圓度才是有益的，而低輻射角增益高卻是增強(qiáng)輻射，是無(wú)益的。

（2）GB/T 9410-2008 中4.1.3 條提到了天線材料要求，但實(shí)際上沒(méi)有相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)天線組件材質(zhì)和性能提出明確要求，導(dǎo)致移動(dòng)通信天線質(zhì)量參差不齊和惡性價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，不利于行業(yè)健康發(fā)展。

（3）GB/T 9410-2008 中4.1.4 條提出“天線設(shè)計(jì)應(yīng)有利于防雷”，GB/T21195-2007 中5.1.5 條提出“防雷要求：直接接地”，與YD/T 1059-2004《移動(dòng)通信系統(tǒng)基站天線技術(shù)條件》中5.1 條一致，室內(nèi)天線和室外天線防雷要求完全等同，顯然，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有考慮室內(nèi)、室外的差異。事實(shí)上，室外天線一般安裝在建筑和桿塔的頂部，天線尺度大，遭雷直擊概率大，因此，天線振子直接接地要求是合理的。但對(duì)室內(nèi)天線，天線振子體積小，且安裝于建筑物內(nèi)部，一般建筑都有防雷措施，室內(nèi)被雷擊的可能性極小，因此，振子接地要求意義不大。

為了更準(zhǔn)確描述室內(nèi)全向吸頂天線實(shí)際覆蓋性能，新型全向吸頂天線引入了輻射角增益和輻射角不圓度指標(biāo)，并根據(jù)室內(nèi)實(shí)際場(chǎng)景信號(hào)覆蓋分布情況，定義85°和30°輻射角作為天線高、低輻射角的典型角度，85°輻射角代表天線覆蓋半徑邊緣，30°輻射角代表天線下方最強(qiáng)輻射對(duì)應(yīng)角度。天線85°輻射角增益越高意味著覆蓋半徑邊緣信號(hào)越強(qiáng)，單天線覆蓋范圍更廣，85°輻射角不圓度越低意味著覆蓋半徑邊緣信號(hào)越穩(wěn)定；天線30°輻射角增益越低意味著

天線下方電磁輻射越小，室內(nèi)信號(hào)分布越均勻。

為了更確切反映室內(nèi)全向吸頂天線在室內(nèi)分布系統(tǒng)中實(shí)際覆蓋性能，統(tǒng)一產(chǎn)品性能和質(zhì)量要求，在GB/T 21195-2007 技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，我們制定了新型全向吸頂天線主要技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表2。對(duì)比天線整體技術(shù)性能，新型全向吸頂天線技術(shù)指標(biāo)中明確了不同覆蓋角增益和覆蓋邊緣不圓度，并把高、低頻段增益和不圓度控制指標(biāo)統(tǒng)一到85°輻射角，更容易體現(xiàn)信號(hào)分布的均勻性和穩(wěn)定性。對(duì)天線組件材質(zhì)及性能，新型全向吸頂天線也作了明確規(guī)定，利于產(chǎn)品的規(guī)范生產(chǎn)和統(tǒng)一質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

四 結(jié)束語(yǔ)

新型全向吸頂天線改變了高頻段技術(shù)性能，突破了2G、3G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋不同步的技術(shù)障礙，解決了室內(nèi)分布系統(tǒng)多系統(tǒng)合路共享的技術(shù)難題，改變了3G 室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則，給3G 室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)帶來(lái)了根本性變革，是傳統(tǒng)全向吸頂天線的替代性產(chǎn)品。新型全向吸頂天線已在中國(guó)聯(lián)通推廣應(yīng)用，中國(guó)聯(lián)通已制訂新型全向吸頂天線技術(shù)指標(biāo)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在積極推動(dòng)盡快形成行業(yè)、國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)全球電信業(yè)的健康發(fā)展。皇捷通訊的gsm天線、wifi天線、uhf天線、vhf天線、電視天線、電子連接器生產(chǎn)線引進(jìn)日本、中國(guó)臺(tái)灣高端生產(chǎn)設(shè)備，保證產(chǎn)品具有穩(wěn)定、優(yōu)良的品質(zhì)。公司生產(chǎn)設(shè)備包括注塑成型設(shè)備、五金沖壓設(shè)備、自動(dòng)組裝設(shè)備、模具制造設(shè)備、RF剝線設(shè)備及品質(zhì)檢驗(yàn)設(shè)備等。我們擁有高端的技術(shù)研發(fā)和制造能力，可以根據(jù)客戶需求定制產(chǎn)品，并調(diào)整和提高生產(chǎn)效率。保證穩(wěn)定、精確的交貨期和快速的樣品確認(rèn)。

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1 傳統(tǒng)印制倒F型天線的分析

印制倒F型天線是上世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一種天線，目前其理論分析都趨于成熟，其應(yīng)用范圍也日趨廣泛。他具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、可共形、制造成本低、輻射效率高、容易實(shí)現(xiàn)多頻段工作等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此近幾年印制倒F型天線得到了廣泛的研究和發(fā)展。

印制倒F型天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由長(zhǎng)為L(zhǎng)的終端開(kāi)路傳輸線與長(zhǎng)為S的終端短路傳輸線并聯(lián)而成，當(dāng)傳輸線導(dǎo)體線寬d《H，傳輸線的特性阻抗Z0可以表示為：

由長(zhǎng)線理論可知終端短路和終端開(kāi)路傳輸線的輸入電抗分別為：

當(dāng)忽略損耗時(shí)，天線的輸入電阻即等于其輻射電阻，由文獻(xiàn)給出的倒F型天線的輻射電阻可得天線電阻為：

當(dāng)天線水平部分的長(zhǎng)度L=λ／4時(shí)，由式可知，天線的輸入電抗為0，天線處于諧振狀態(tài)，即：

此時(shí)天線的輸入電阻RPIFA為純電阻，與間距S無(wú)關(guān)，只與天線高度H有關(guān)，并隨天線高度H的增加而增加。

作為天線的諧振部分，天線水平部分長(zhǎng)度L對(duì)天線輸入阻抗的影響最為直接，當(dāng)其增加時(shí)，天線的輸入電阻減小，天線呈感性，反之亦然。通過(guò)調(diào)整L，可使天線的輸入阻抗呈純阻性，然后再調(diào)節(jié)天線高度H以使天線的輸入電阻接近50 Ω，即不需任何額外的電路即可完成阻抗匹配。

2 改善的印制倒F型藍(lán)牙天線

傳統(tǒng)印制倒F型天線雖然性能很高，但是其體積與工作頻率基本成正比，所以在日益小型化、超薄化的手機(jī)終端中還是顯的尺寸過(guò)大。

本文以一款支持藍(lán)牙功能的GSM手機(jī)為例，通過(guò)ANSOFT公司的HFSS 10.0進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)一款體積小、性能好的藍(lán)牙天線。手機(jī)主板尺寸為103 mm×41.5 mm，由于手機(jī)結(jié)構(gòu)造型的要求，藍(lán)牙芯片位于主板的右下方，從而限制了天線也只能位于手機(jī)的右下角。因?yàn)榘遄哟笮》浅Ｓ邢蓿艚o藍(lán)牙天線的尺寸只有16 mm×5 mm，所以很難采用傳統(tǒng)PIFA天線。考慮到目前單極子天線普遍采用蜿蜒形式來(lái)減少其物理尺寸，所以可將這種形式應(yīng)用于傳統(tǒng)印制倒F型天線，如圖2所示。

其中：d=0.5 mm，H=4 mm，S=2.3 mm，M=2 mm，N=3 mm，L=5 mm，h=1 mm。手機(jī)主板采用FR-4的材料，相對(duì)介電常數(shù)為4.2，天線饋點(diǎn)采用50 Ω微帶線。考慮到手機(jī)外殼對(duì)天線工作頻率的影響，我們?cè)诜抡娴臅r(shí)候?qū)⑻炀€的工作頻率提高，選擇在2.5 GHz。

3 試驗(yàn)測(cè)試

按照上述軟件仿真的結(jié)構(gòu)及尺寸制作天線，如圖5所示。為方便測(cè)量，將一特性阻抗為50 Ω的同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體焊接在與天線饋電點(diǎn)相連的50 Ω微帶線上，外導(dǎo)體就近接在手機(jī)主板的地上，在同軸電纜的另一端焊SMA接頭并連到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4622B。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，回?fù)p10 dB帶寬約為120 MHz，可完全覆蓋藍(lán)牙所工作的ISM頻段：2.400～2.483 GHz。

為評(píng)估該天線在室內(nèi)環(huán)境中的工作性能，本文做如下實(shí)驗(yàn)：分別采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的某廠家介質(zhì)諧振天線和本文的PIFA天線通過(guò)藍(lán)牙測(cè)試儀測(cè)試傳輸數(shù)據(jù)的誤包率。實(shí)驗(yàn)表明，二者性能相當(dāng)。而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，采用該P(yáng)IFA天線的GSM手機(jī)與NOKIA藍(lán)牙耳機(jī)HS-11W通話距離可以達(dá)到15 m以上，符合一般終端測(cè)試規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析及測(cè)試結(jié)果可知，改善后的PIFA天線性能符合廠家要求。同時(shí)該天線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、靈活，可先根據(jù)電路板實(shí)際尺寸大小選定L和H后，再確定S的大小。該方案成本低、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、饋電方便，完全適于藍(lán)牙應(yīng)用環(huán)境。

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天線綜合的設(shè)計(jì)流程

強(qiáng)大的設(shè)計(jì)算法和輸出模型允許工程師快速評(píng)估不同的天線形式，并為其當(dāng)前的工作選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此應(yīng)用文檔展示了如何在設(shè)計(jì)前期利用Antenna Magus對(duì)不同的天線形式進(jìn)行研究，并將符合要求的設(shè)計(jì)從Antenna Magus中導(dǎo)出并整合到Microwave Office/AXIEM中。

實(shí)例1：天線的預(yù)研和設(shè)計(jì)

此實(shí)例中設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用在WAN基站的天線。設(shè)計(jì)目標(biāo)是應(yīng)用一個(gè)基站為一個(gè)地區(qū)的多個(gè)家庭進(jìn)行足夠的信號(hào)覆蓋。若不應(yīng)用Antenna Magus，設(shè)計(jì)工程師需要從其所熟悉天線類型中選擇合適的一個(gè)。應(yīng)用Antenna Magus，設(shè)計(jì)工程師可查詢并對(duì)多種不同的天線形式進(jìn)行快速的研究、對(duì)比，當(dāng)然也包含不熟悉的天線形式。Antenna Magus還包含了一個(gè)工具箱，如：空間路徑損耗計(jì)算器（基于Friis公式）幫助設(shè)計(jì)者從系統(tǒng)指標(biāo)的角度為天線設(shè)定需求。應(yīng)用Antenna Magus選擇合適的天線拓?fù)鋪?lái)滿足工作頻率、增益、帶寬、阻抗、尺寸、成本等系統(tǒng)和天線要求。

本實(shí)例中的計(jì)算（圖1）顯示，如果距發(fā)射機(jī)1Km處有一增益為16dBi的接收天線，所需功率為-60dBm，發(fā)射機(jī)發(fā)射功率為5mW，若需獲得足夠的信號(hào)覆蓋，則發(fā)射天線的增益為18dBi。為獲得足夠的覆蓋，發(fā)射天線的方向性圖要具有特定的形式—高增益的扇形波束非常理想。可應(yīng)用關(guān)鍵詞“fan beam” 和“high gain”（一般增益大于15dBi）來(lái)選擇合適的天線拓?fù)洌翱谥袝?huì)立刻顯示6個(gè)不同的天線形式。圖2顯示了4個(gè)天線的性能信息。基于上述的信息頁(yè)，“l(fā)inear resonant waveguide slot array” 和“resonant series-fed rectangular microstrip patch array”看起來(lái)可提供足夠的增益和正確的方向性圖，可對(duì)這兩個(gè)天線進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

圖1

圖2

應(yīng)用Antenna Magus的信息瀏覽器，可以分兩側(cè)顯示并對(duì)比這兩個(gè)天線（圖3）。對(duì)比充分展示了各天線的優(yōu)缺點(diǎn)和性能，方便用戶做出最好的選擇。為了更加深入的研究天線，可一鍵獲得并對(duì)比更詳細(xì)的天線性能。波導(dǎo)縫隙陣的性能如圖4所示。下一步即可將模型導(dǎo)入到Microwave Office/AXIEM進(jìn)行進(jìn)一步的分析和優(yōu)化。

圖3

圖4

實(shí)例2：設(shè)計(jì)并導(dǎo)出天線

一般來(lái)講，設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)原始的天線設(shè)計(jì)沒(méi)有足夠的帶寬。解決此問(wèn)題的一般做法是構(gòu)建一個(gè)大的天線結(jié)構(gòu)，使之在整個(gè)頻帶諧振。但當(dāng)添加其他的限制，如波束、尺寸、加工成本時(shí)，問(wèn)題變得越來(lái)越復(fù)雜。在此實(shí)例中，我們?cè)俅螒?yīng)用Antenna Magus迎接挑戰(zhàn)。現(xiàn)需要設(shè)計(jì)一個(gè)增益為6dBi，工作頻率為2.4GHz—2.6GHz的天線。當(dāng)在Antenna Magus查找中等帶寬的天線時(shí)，軟件向我們推薦了幾種電磁耦合結(jié)構(gòu)的天線。其中一個(gè)天線為“capacitive disc-fed rectangular patch antenna”（圖5）。在此天線的信息頁(yè)中，feed-disc與貼片天線的輻射邊有電容耦合，在輸入阻抗處加一電容元件即可有效的抵消輸入端的電感效應(yīng)。這允許使用較厚的介質(zhì)（一般兩層），這減少了有效介電常數(shù)，因此增加了貼片天線的帶寬。

圖5

應(yīng)該注意到，若未使用Antenna Magus設(shè)計(jì)此天線將非常繁瑣，必須計(jì)算正確的介電常數(shù)并利用優(yōu)化算法對(duì)饋電距離進(jìn)行優(yōu)化。應(yīng)用Antenna Magus，用戶可以底層介質(zhì)的厚度和所有的介質(zhì)參數(shù)，幾秒種內(nèi)即可對(duì)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

使用Antenna Magus，用戶可以定義底層介質(zhì)的高度和所有頂層介質(zhì)的參數(shù)，并且天線可以用幾秒鐘就設(shè)計(jì)好。

天線的性能可以很容易的進(jìn)行評(píng)估，并且不同的設(shè)計(jì)結(jié)果可以在同一個(gè)圖中進(jìn)行比較。圖6顯示了當(dāng)最頂層的介質(zhì)屬性保持恒定，底層空氣介質(zhì)高度從6mm增加到10mm時(shí)，兩種不同設(shè)計(jì)方案的評(píng)估性能。反射系數(shù)圖中清楚的顯示出帶寬隨著底部基板厚度的增加而增加。在這一點(diǎn)上，工程師們可以確信天線將工作在指標(biāo)范圍內(nèi)，并且此設(shè)計(jì)可以導(dǎo)出到AWR Design Environment?。導(dǎo)出的模型（圖7）包括了電磁原理圖中的所有的參數(shù)值。定義網(wǎng)格的設(shè)置，以確定在一個(gè)合理的時(shí)間內(nèi)給出精確的結(jié)果。某些一般的圖形和測(cè)量結(jié)果，例如S11隨頻率的變化，增益隨頻率的變化關(guān)系等，是預(yù)定義的。改變工程的任意參數(shù)即可運(yùn)行得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。因?yàn)楣こ趟械膮?shù)都被定義在Microwave Office/AXIEM中，例如，如饋電的距離，可以直接在AWR設(shè)計(jì)環(huán)境模型中來(lái)編輯，來(lái)嘗試得到一個(gè)更高的輸入阻抗。

圖6

圖7

結(jié)論

Antenna Magus非常適合在設(shè)計(jì)前期對(duì)天線快速選型，評(píng)估其性能并將模型導(dǎo)入到Microwave Office/AXIEM，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的編輯和仿真，從而可以為復(fù)雜問(wèn)題尋找最好的解決辦法。

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現(xiàn)有的802.11n產(chǎn)品對(duì)于每個(gè)發(fā)送或接收的信號(hào)使用一套固定的物理天線，在軟件部分進(jìn)行不同調(diào)制方式的速率選擇來(lái)達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果。在無(wú)線實(shí)際應(yīng)用中，AP或STA（Station，工作站）的物理方向會(huì)頻繁發(fā)生變化，發(fā)生邏輯上的空間角度變化，由于路徑發(fā)生改變，傳輸吞吐量很容易發(fā)生變化，造成性能波動(dòng)，不能發(fā)揮出WiFi網(wǎng)絡(luò)的最高性能。

為了克服以上困擾，部分設(shè)備廠家開(kāi)始將已在傳統(tǒng)移動(dòng)通信（如3G，LTE等）中廣泛應(yīng)用的智能天線技術(shù)引入到WiFi設(shè)備中，希望以此來(lái)提高WiFi用戶的使用體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)容量、提高頻譜利用率、提高基站接收靈敏度、提高信噪比、改善信號(hào)質(zhì)量等作用。

1、什么是智能天線？

智能天線技術(shù)前身是一種波束成形(Beamforming)技術(shù)。波束成形技術(shù)是發(fā)送方在獲取一定的當(dāng)前時(shí)刻當(dāng)前位置發(fā)送方和接收方之間的信道信息，調(diào)整信號(hào)發(fā)送的參數(shù)，使得射頻能量向接收方所處位置集中，從而使得接收方接收到的信號(hào)質(zhì)量較好，最終能保持較高的吞吐量。該技術(shù)又分為芯片方式(On-Chip) 和硬件智能天線方式(On-Antenna)的兩種。

1.1 ?芯片方式

芯片方式的波束成形是802.11n協(xié)議的一部分，在協(xié)議中被稱為TxBF(Tx Beamforming/固定發(fā)送波束成形)，其通過(guò)協(xié)議報(bào)文的交互，獲得信道的基礎(chǔ)信息(Channel State Information, CSI)，芯片根據(jù)CSI調(diào)整3根全向天線上發(fā)送信號(hào)的相位，使得接收端處信號(hào)疊加出較好的效果（如圖1至圖3所示）。

圖1 2個(gè)弱波谷和1個(gè)強(qiáng)波峰疊加出較差結(jié)果

圖2 調(diào)節(jié)第二根天線上的相位，使得3個(gè)信號(hào)同步，疊加出較好結(jié)果

圖3 TxBF形成的某種輻射圖

1.2 ?硬件智能天線方式

硬件智能天線方式又名“自適應(yīng)波束切換技術(shù)”，該技術(shù)利用具有多個(gè)硬件天線的天線陣列，智能的從中選擇多個(gè)天線陣子進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射和接收，不同天線的組合可以形成不同的信號(hào)輻射方向，從而可以為處于不同位置的STA選擇最佳的發(fā)送或接收天線，提高信號(hào)接收質(zhì)量，最終提升系統(tǒng)的吞吐量。

1、在天線陣列上的不同天線之間有一定的物理距離，從各天線上發(fā)出來(lái)的信號(hào)到達(dá)接收方的所經(jīng)歷的路徑有長(zhǎng)有短，從而到達(dá)接收方的信號(hào)具有時(shí)間差。如果接收的信號(hào)相位不一樣，硬件智能天線方式可以從多個(gè)天線中選擇一組信號(hào)疊加效果較好的天線組合，采取自適應(yīng)快速切換，獲得效果遠(yuǎn)好于“On-Chip”方式的信號(hào)覆蓋質(zhì)量。

2、 在天線陣列上的不同天線具有不同的定向性（如圖4所示），組合而成的定向天線具有比全向天線更大的組合增益，可以增加AP設(shè)備實(shí)際等效發(fā)射功率(EIRP：Effective Isotropic Radiated Power)。

圖4 天線陣列中的不同天線具有不同的定向性

1.3 ?硬件智能天線方式相對(duì)于芯片方式的優(yōu)勢(shì)

1、芯片方式會(huì)產(chǎn)生額外的干擾，如圖3中的由全向天線的TxBF形成的輻射圖所示，通過(guò)對(duì)全向天線調(diào)節(jié)相位難以形成單獨(dú)的指向STA的信號(hào)，可能會(huì)對(duì)其它的方向形成干擾，并且會(huì)浪費(fèi)能量；

2、芯片方式需要STA的支持，現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)卡基本都無(wú)法支持；

3、芯片方式有額外的吞吐量開(kāi)銷，芯片方式中AP和STA經(jīng)常需要進(jìn)行低速率的獲取信道信息的報(bào)文的交互，會(huì)影響整體的吞吐量。

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1、輻射近場(chǎng)測(cè)量

輻射近場(chǎng)測(cè)量是用一個(gè)已知探頭天線(口徑幾何尺寸遠(yuǎn)小于1λ)在離開(kāi)輻射體(通常是天線)3λ～5λ的距離上掃描測(cè)量(按照取樣定理進(jìn)行抽樣)一個(gè)平面或曲面上電磁場(chǎng)的幅度和相位數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)變換計(jì)算出天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的電特性。當(dāng)取樣掃描面為平面時(shí)，則稱為平面近場(chǎng)測(cè)量;若取樣掃描面為柱面，則稱為柱面近場(chǎng)測(cè)量;如果取樣掃描面為球面，則稱為球面近場(chǎng)測(cè)量。其主要研究方法為模式展開(kāi)法，該方法的基本思想為：空間任意一個(gè)時(shí)諧電磁波可以分解為沿各個(gè)方向傳播的平面波或柱面波或球面波之和;主要研究成果及進(jìn)一步要解決的問(wèn)題如下所述。

1.1、輻射近場(chǎng)測(cè)量的發(fā)展現(xiàn)狀

輻射近場(chǎng)測(cè)量的研究起始于50年代，70年代中期處于推廣應(yīng)用階段(商品化階段)。目前，分布在世界各地的近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)已有100多套[1]。該技術(shù)的基本理論[2～4]已基本成熟，這種測(cè)量方法的電參數(shù)測(cè)量精度比常規(guī)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法的測(cè)量精度要高得多，而且可全天候工作，并具有較高的保密性，因此，在軍用、民用中都顯示出了它獨(dú)特的優(yōu)越性。

1.2、輻射近場(chǎng)測(cè)量研究的主要成果

幾十年來(lái)，輻射近場(chǎng)測(cè)量的研究在以下4個(gè)方面取得了突破性的進(jìn)展：

(1)常規(guī)天線電參數(shù)的測(cè)量

天線近場(chǎng)測(cè)量可以給出天線各個(gè)截面的方向圖以及立體方向圖，可以分析出方向圖上的所有電參數(shù)(波束寬度、副瓣電平、零值深度、零深位置等)和天線的極化參數(shù)(軸比、傾角和旋向)以及天線的增益。

(2)低副瓣或超低副瓣天線的測(cè)量

天線方向圖副瓣電平在-28～-35 dB之間的天線稱為低副瓣天線;副瓣電平小于-40 dB的天線稱為超低副瓣天線。對(duì)它們的測(cè)量要用到“零探頭”技術(shù)[5]，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，副瓣電平在-40 dB以上時(shí)，測(cè)量精度為±3 dB，副瓣電平為-55 dB時(shí)，測(cè)量精度為±5 dB[6]。

(3)天線口徑場(chǎng)分布診斷

天線口徑場(chǎng)分布診斷是通過(guò)測(cè)量天線近區(qū)場(chǎng)的分布逆推出天線口徑場(chǎng)分布，從而判斷出口徑場(chǎng)畸變處所對(duì)應(yīng)的輻射單元，這就是天線口徑分布診斷的基本原理。該方法對(duì)具有一維圓對(duì)稱天線口徑分布的分析是可靠的，尤其對(duì)相控陣天線的分析與測(cè)量已有了充分的可信度[7]。

(4)測(cè)量精度及誤差分析

輻射近場(chǎng)測(cè)量的研究與誤差分析的探討是同時(shí)進(jìn)行的，研究結(jié)果表明：輻射近場(chǎng)測(cè)量的主要誤差源為18項(xiàng)，大致分為4個(gè)方面，即探頭誤差、機(jī)械掃描定位誤差、測(cè)量系統(tǒng)誤差以及測(cè)量環(huán)境誤差。對(duì)于平面輻射近場(chǎng)測(cè)量的誤差分析已經(jīng)完成，計(jì)算機(jī)模擬及各項(xiàng)誤差的上界也已給出;柱面、球面輻射近場(chǎng)測(cè)量的誤差分析尚未完成[8]。

1.3、輻射近場(chǎng)測(cè)量的可信域

對(duì)于平面輻射近場(chǎng)測(cè)量而言，由基本理論可知，在θ=-90°或90°(θ為場(chǎng)點(diǎn)偏離天線口面法線方向的方向角)時(shí)，這種方法的精度明顯變差，因此平面輻射近場(chǎng)測(cè)量適用于天線方向圖為單向筆形波束天線的測(cè)量，可信域(-θ，θ)中的θ值與近場(chǎng)掃描面和取樣間距有如下關(guān)系(一維情況)：

θ=arctg[(L-X)/2d]　，(1)

式中L為掃描面的尺寸;X為天線口徑面的尺寸;d為掃描面到天線口徑面的距離。

柱面輻射近場(chǎng)測(cè)量能夠計(jì)算天線全方位面的輻射方向圖，但在θ=-90°或90°時(shí)，柱面波展開(kāi)式中漢克爾函數(shù)已無(wú)意義，所以，柱面輻射近場(chǎng)測(cè)量適用于天線方向圖為扇形波束天線的測(cè)量。

球面輻射近場(chǎng)測(cè)量能夠計(jì)算除球心以外天線任意面上任意點(diǎn)的輻射場(chǎng)，但測(cè)量及計(jì)算時(shí)間都較長(zhǎng)[8]。

1.4、輻射近場(chǎng)測(cè)量需要解決的問(wèn)題

輻射近場(chǎng)測(cè)量的基本理論雖然已經(jīng)成熟，且在實(shí)用中也取得了較多的研究成果，但對(duì)以下問(wèn)題還應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的探討研究：

(1)考慮探頭與被測(cè)天線多次散射耦合的理論公式

在前述的理論中，所有的理論公式都是在忽略多次散射耦合條件下而得出的，這些公式對(duì)常規(guī)天線的測(cè)量有一定的精度，但對(duì)低副瓣或超低副瓣天線測(cè)量就必需考慮這些因素，因此，需要建立嚴(yán)格的耦合方程。

(2)近場(chǎng)測(cè)量對(duì)天線口徑場(chǎng)診斷的精度和速度

近場(chǎng)測(cè)量對(duì)常規(guī)陣列天線口徑場(chǎng)的診斷有較好的診斷精度，但對(duì)于超低副瓣天線陣列而言，診斷精度和速度還需要進(jìn)一步研究。

(3)輻射近場(chǎng)掃頻測(cè)量的研究

就一般情況而言，天線都在一個(gè)頻帶內(nèi)工作，因此，各項(xiàng)電指標(biāo)都是頻率的函數(shù)，為了快速獲得各個(gè)頻率點(diǎn)的電指標(biāo)，就需要進(jìn)行掃頻測(cè)量。掃頻測(cè)量的理論與點(diǎn)頻的理論完全一樣，只是在探頭掃描時(shí)，收發(fā)測(cè)量系統(tǒng)作掃頻測(cè)量。

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