[科普中国]-调谐天线

调谐天线又称调谐定向天线，是指仅在一个很窄的频带内才具有预定方向性的天线。宽频带天线和调谐天线相反，其方向性、阻抗和极化特性在一个很宽的波段内几乎保持不变。1

概念仅在一个很窄的频带内才具有预定方向性的天线，称为调谐天线或称调谐的定向天线。通常，调谐天线仅在它的调谐频率附近5%的波段内，其方向性才保持不变，而在其它频率上，方向性变化非常厉害，以致使通信遭到破坏。调谐天线不适于频率多变的短波通信。同相水平天线、折合天线、曲折天线等均属于调谐天线。1

宽频带天线方向性、阻抗和极化特性在一个很宽的波段内几乎保持不变的天线，称为宽频带天线。早期的宽频带天线有菱形天线、V形天线、倍波天线、盘锥形天线等，新的宽频带天线有对数周期天线等。1

天线的方向性天线的方向性是指天线向一定方向辐射或者接收来自某一方向无线电波的能力。

某一天线向空问辐射无线电波时，并不是向任何一个方向辐射的强度都一样。不同的天线，向各方向辐射的场强也不同。这说明天线发射无线电波具有方向性。

为了表达天线的方向性，在离天线等距离的地方，不同的方向上测量天线辐射电波的电场强度，并将其值按比例标在以方向为坐标(极坐标)的图上，就得到了天线的方向图。在绘制方向图时，一般是以最大辐射方向的场强作为1，其他方向的数值，是该方向场强与最大场强的比值。因此，方向图只表征天线的方向特性，并不表示某一点的具体场强数值，即与发射功率无关。一个平面只能表示出天线在一个平面的方向图。天线在空间的方向性，通常要用两个平面来表示。对架设在地面上的天线来说，采用的是水平平面方向图(与大地平行)和垂直平面方向图(与大地垂直)。与测向运动结合较紧密的是水平平面方向图。2

天线的阻抗与调谐天线将传输线送来的高频电能大部分转换成无线电波的形式辐射到空间，少部分消耗在自身存在的电阻、天线绝缘子的漏泄和周围环境的吸收上。这些能量都是由发射机提供的，天线是发射机的负载，是将高频电能转换为电磁能的元件，可等效为一个阻抗，称为天线的输入阻抗。根据欧姆定律，其值由输入端的电压与电流的比值确定，即：。

输入阻抗不是一个纯电阻，而是由输入电阻()和输入电抗()两部分组成。

天线的输入阻抗随天线长度或频率的变化而变化。天线的直径越大，天线长度与直径之比越小，天线输入阻抗随频率的变化也就越缓慢，即天线的频带宽度加宽了。

因此发射机(或馈线)与发射天线连接时必须注意：

①阻抗匹配；

②天线回路谐振。

这样才能获得最大的功率输出。工业产品的80 m波段测向信号源其天线是现成的，输人电阻已定，工作时必须将调谐指示调到最大(即谐振)就是这个道理。

接收机的天线与电路连接时，同样应注意匹配与调谐。2

天线的调谐天线性能是确保可靠无线电通信的重要因素。天线可以看做神秘的艺术。附近任何原料及尺寸的改变都会影响天线的性能。天线设计是非常必要的，通常也需要调节，在这个过程中有很多技巧。除了理论的分析和计算，考虑到周围物体等冈素对天线性能的影响，有必要在实际产品设计中对天线进行测试和调谐，使其具有最好的
性能表现。

网络分析仪通常用来测量天线的阻抗和驻波比(VSWR)。许多具有接近50Ω阻抗的天线可以通过查看发射和衰耗的损失或VSWR显示来调节。低阻抗的天线需要使用史密斯图来调节以达到好的效果。此时．天线应被调至纯阻抗线的一点。3

天线的初步调谐矢最网络分析仪(VNA)用于实现天线的初步调谐．如图1所示。

(1)PCB天线的走线在天线匹配网络处被切断，用来隔离滤波器部分以及待测部分，如图2所示。

(2)同轴电缆用来连接VNA和待测产品的PCB印刷电路板，如图3所示，导体被焊接到PCB尽可能接近天线匹配网络输入端的接地平面处，同轴电缆的内导体悬空。同轴电缆最好有具有铁氧体磁珠套在同轴电缆的外套，铁氧体磁珠用以避免帮助RF电流流人同轴电缆的外侧(这会干扰量的结果)。

(3)对VNA的单端口进行开路、短路、标准负载的校准。

(4)同轴电缆的内导体被焊接到天线匹配网络的输入端。

(5)天线是通过调节“匹配网络”组件中任何可能的值，以及天线或天线的长度来实现调谐，直到S11的轨迹线(在VNA中显示)上的反馈点位于史密斯图的中心中频频率2441MHz(见图4)。3

基于可调谐微波应用的BST器件制造工艺BST以及微电子机械系统技术是当今最具竞争力的适用于低成本可调谐电路板生产的技术。成本的降低通过运用价格便宜的基板以及进行高容量沉积技术所获得。图5列举了几项制作可调谐电容器的技术。生产BST变容二极管更加便宜，而MEMS的配套系统提供了出色的功率处理容量。

BST变容二极管在可调谐微波设备中的应用是多样的。并且需要精确的优化以及薄膜电容器的设计。BST薄膜提供低成本制备可伸缩变容二极管技术，也是最为广泛研究的可调谐RF和微波系统。图6所示为BST目前的应用范围。4

可调谐天线由于它们重量轻，结构紧凑，可以贴合在平面和非平面表面；生产工艺简单，可利用现代印刷电路技术廉价制得，所以微带天线被广泛用于无线通信系统。但是，微带天线的主要缺点在于其工作宽带狭隘。在对较高的瞬
时带宽没有要求时，像跳频手机系统，可以通过提高天线的工作频率范围进行调整。在散热方面具有多层载荷的变容器微带天线在散热边缘需要重新设计装配并测量。相比于带有BST的复合电绝缘层，其具有更大的可调范围。

图7所示为安装在夹具上的集成电子扫描天线。4

可调谐滤波器可调谐滤波器广泛应用于接收器前端，它在军事和卫星通信系统上有潜在的应用前景。目前，多数可调谐滤波器是基于机械调节或半导体变容二极管。机械调谐的缺点是调节速度低以及尺寸大。半导体变容二极管虽具有更快的调谐响应速度，但承载功率低。BST变容器可以克服这些困难并可应用于低通和带通滤波器(参照8)。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学