[科普中国]-介质天线

介质天线是一根用低损耗高频介质材料（一般用聚苯乙烯）作成的圆棒，它的一端用同轴线或波导馈电。概述图所示的天线是用同轴线馈电的棒状介质天线。概述图中1是介质棒；2是同轴线的内导体的延伸部分，形成一个振子，用以激发电磁波；3是同轴线；4是金属套筒。套筒的作用除夹住介质棒外，更主要的是反射电磁波，从而保证由同轴线的内导体激励电磁波，并向介质棒的自由端传播。

介质天线的优点是体积小、方向性尖锐；缺点是介质有损耗，因而效率不高1。

介质天线的工作原理介质天线属于行波天线一类。下图表示介质天线的一种可能形式。由图可见，天线由插入振子激励的金属波导的介质棒构成。

严格地分析在有限长介质棒中激起的场分布是很困难的。但是我们可以近似地认为它的场分布与无限长介质波导中的场结构一样。在一般情况下，介质棒中激励有H波和E波，它们沿Z轴方向传播。在介质棒的终端刚产生反射。

介质天线所产生的场强可以通过流经介质棒的位移电流和激励器的电流来计算，也可以通过介质棒表面的电磁场来计算。

分析时经常应用下述原理，即把介电常数 内有电场强度为 的介质看成是介电常数为 内有某一等效电流的媒质。等效电流的密度为：

介质棒中每一体积单元可以看作是一个基本辐射器，在它上面有等效电流。整个介质天线所产生的场等于所有单元振子的场的总和2。

波型的选择介质天线的最大辐射方向和所有行波天线一样，是和天线轴一致的。想更好地利用行波天线的特性，最好把能量集中在轴向，以便使介质棒的每一个单元在这个方向上也有最强的辐射。如果在介质棒中所产生的等效电流具有横向分量(即和Z轴垂直的分量)，就有可能得到上述结果。此外，这个电流分量应该在横向平面上具有某一主方向。为了满足这些条件，在介质棒中所激励的波必须具有横向电场分量，同时这个分量应该具有某一主方向。在这方面最有利的波型是 ，它的电磁场分布如下图所示，它具有和X轴平行的横向分量。

对称波用在介质天线中是不适宜的，因为和对称波相对应的电流在Z轴方向没有辐射。

要得到一定极化的横向电场，仅仅保证能够激发HH波是不够的。还应保证不激起其它波型。为此，截面的半径应当选择得使其它所有波型的工作频率低于临界频率。用通常的激励方法不会在介质天线中产生较强的对称波，因此，选择介质棒的半径时只要能避免产生非对称波 和 就可以。 和 波的临界波长为：

d是棒的直径。

为了避免产生这些波，必须满足 下列条件：

非对称的H型波不可能单独存在。因此按上述不等式来选择棒的半径时，实际上在棒中将激发起两种波型和。波型的场分布如下图所示。

介质天线的方向性假定介质棒的表面波是规则表面波后，即可用下式近似计算介质天线的方向图。

这里是由于辐射和介质中的热耗而引起的棒表面波的衰减系数；是计及在介质棒的横截面上场分布的不均性的因子。

考虑到波型的场分布，因子可以近似地用下面的函数表示：

在E平面：

在H平面：

角由介质棒的轴线算起2。

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学