平板天线的设计原理

《卫视周刊》近日刊登出一些有关平板天线的译文资料，引起不少读者的关注。其实平板天线在国外及国内早已有所研究和开发，只是由于种种原因，尚未达到十分普及的程度，特别是成本价格下不来，技术指标尚需改善。1998年底，国内已有某厂家研制出来样品，去年有线电视展会上，也曾有个国外厂商，拿来了样品供展览，试用的结果也不是令人很满意。是什么原因制约着平板天线这么多年来，迟迟不见广泛使用，我们不妨从其结构、工作原理、工艺技术等方面来谈谈。

应该说，平板天线与我们现在已大量使用的抛物面式天线有很大的不同。抛物面天线是采用一次或二次反射式的接收天线，而平板天线是直接接收式天线，前者的天线面是起反射作用的，后者的天线面就是直接接收的天线，因此二者有本质的不同。

一、 平板天线结构的揭秘

如果我们将平板天线的天线面纵向切开的话，我们就会见到这个天线面是由五层结构组成。如图一。

第一层和第五层为天线保护层，又称天线罩，是用耐腐蚀介质做成。它起到防止氧化、衰减紫外线对印刷板电路的影响、防雨、雪侵蚀的作用。图一的结构图中未画这二层。

第二层为接收天线层。是一层印刷电路板金属层，其上面印刷着许许多多排列整齐的单元振子天线阵，故可称天线基板层。这一层决定着平板天线的技术质量。单元振子天线可以是多样的。

第三层为印刷电路板的介质层，它支撑着第二层。

第四层为接地导体层，它是一层金属箔板，既起到对天线阵的反射作用，又可以是馈线的另一导体，组成微带传输线。天线阵的输出，与装在平板天线板后的高频头联接。

由此我们可以看出，平板天线有一个较为复杂的结构，又使用着微波技术中的微带电路技术，对其要求的工艺又很高，特别是天线阵中的相位的同相性要求极其严格，它和反射式抛物面天线的结构相差很大，因此设计与制造都有较大的难度。平板天线理论的提出已有十余年的历史，至今未见质优价廉的平板天线的大量出现于国内市场，其原因恐怕就在如此。

二、 平板天线及其工作原理

卫星直播电视的出现，使频率提高到12GHz，波长变短达到2.5cm，这为平板天线的出现提供了可能。
实际上平板天线是从雷达和通信常用的阵列式天线移植到Ku波段卫星电视接收天线上来的。

所谓阵列式天线，是将许许多多半波振子单元天线进行有规律地排成行和列而形成。如图二。通常每个相邻半波振子单元之间，包括行距与列距，相隔半个波长的整数倍，从而构成一个天线阵。半波振子的单元的数量取决于平板天线的增益要求，增益要求愈高，其采用的半波振子单元也就愈多。例如，平板天线增益要求达到34dB，那么平板天线的半波振子单元，就得有480个之多。因此振子单元愈多，增益愈高，平板天线的面积也就愈大。

何谓半波振子单元天线呢？如图三（1）这是一付对称天线，其每一端臂长1/4波长，两端全长为1/2波长，这种天线称半波振子天线。此时的半波振子为谐振状态，阻抗为纯阻且最小，（75）无电抗，损耗最小故辐射最大。其辐射图如图三（2），即以半波天线为轴，向垂直于轴线的四周辐射，从剖面看形成8字形辐射。如果再在半波振子天线平行一侧加一反射板，其辐射方向就成为图三（3）所示，辐射成了单方向性的。除主瓣辐射之外，增加了二个副瓣辐射，即有了其它方向辐射，尽管较小。

当我们明白了单一的半波振子天线的辐射特性后，就可以分析由若干个半波振子天线单元形成的天线阵，即陈列式天线的特性了。由垂直于天线阵的方向来看，由于入射电波距各个振子的行程相同，电波的相位都相等，天线阵的辐射能量为各个半波振子辐射相加，因此天线阵辐射为单个振子的倍数。
而从天线阵的行与列的平面的方向来看，入射波到每个半波振子的行程不等，相差半个波长，因此每个半波振子电波相位都差半分波长，即相差180°，故半波振子间相位相仅，辐射相互抵消，总的辐射为零。这就意味着，天线阵的平面方向无辐射。

对于其它方向而言，如图四，各振子间在该方向电波行程差为L。不难看出，由于不同方向电波，即不同入射角θ的电波，所形成的行程差L也不相同，在该方向形成的辐射也不相同，因此会出现一些不同的辐射，即旁瓣。旁瓣辐射的数量和强度与半波振子的数量相关，振子越多，旁瓣越多，越弱。

由此上分析我们得知，阵列式天线在接收垂直于天线面方向上电波能量最强，而来自天线面平行方向上电波是接收不到的。对于接收其它方向的电波能力，也有一点，而这是我们所不欢迎的，可以通过加大天线阵中半波振子的数量，来加以消除。因此我们可以说，平板天线