高頻微波天線和高頻微波天線陣列是所有無線系統(tǒng)的“眼睛和耳朵”。1-6根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)（145-1983），7天線可以簡單地定義為“用于發(fā)送和接收無線電波的裝置”。天線用作發(fā)射機(jī)與自由空間之間或介質(zhì)與接收機(jī)之間的換能器。從廣義上講，天線可以分為三類，即各向同性，全向和定向（見圖1）。各向同性天線是在所有方向上單位增益的假設(shè)概念。3它作為衡量實際天線元件的基準(zhǔn)。全向天線是在一個參考平面（方位角或仰角）中具有幾乎恒定增益的各向同性天線的最接近實現(xiàn)，3在廣播應(yīng)用中得到廣泛使用。定向天線具有較高的定向增益和較窄的輻射方向圖（波束），是諸如無線電檢測和測距（雷達(dá)）以及點(diǎn)對點(diǎn)通信之類的應(yīng)用所希望的。1-6

1830年，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）引入環(huán)形天線作為他研究電場和磁場耦合的實驗的一部分。8后來，海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）8發(fā)現(xiàn)了電磁波并設(shè)計了偶極天線。1901年，Guglielmo Marconi 8使用多條垂直接地線在大西洋上發(fā)送了信息。這是天線陣列的首次使用。3 Maxwell 3，8寫了第一篇有關(guān)EM理論的論文集，由Oersted，F(xiàn)araday，Gauss和其他人假定，被普遍認(rèn)為是Maxwell方程（參見圖2））。麥克斯韋（Maxwell）表示，任何加速電荷都會輻射，因此，天線可以定義為控制時變電流流動的EM設(shè)備。從而產(chǎn)生電磁輻射。

高頻微波天線結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為具有三個部分，即電磁發(fā)生器，引導(dǎo)結(jié)構(gòu)和過渡區(qū)域（見圖3）。圖3是喇叭天線的有限元方法（FEM）仿真的結(jié)果，顯示了相應(yīng)部分中的射頻能量流。EM發(fā)生器將EM波輸入到導(dǎo)向結(jié)構(gòu)（喇叭形喇叭的輸入）中，然后將其導(dǎo)向過渡區(qū)域。過渡區(qū)域是一個匹配的變壓器，將導(dǎo)線的阻抗與377歐姆（自由空間阻抗）匹配。EM波從過渡區(qū)域逸出到自由空間，因此導(dǎo)致天線輻射。

盡管現(xiàn)有的天線類型列表太多，無法在此處進(jìn)行總結(jié)，但還是根據(jù)它們的商業(yè)和軍事應(yīng)用來選擇和討論其中的幾種。

高頻微波天線基礎(chǔ)

天線合格參數(shù)（AQP）

可以根據(jù)空間和電路參數(shù)定量地描述天線（參見圖4）。AQP分別定義了天線的輻射特性和阻抗特性，并列出如下：3

1.天線增益，G和方向性（方向性增益），D

2.天線溫度，T

3.耐輻射性，R

4.半功率波束寬度，帶寬3dB

5.指向，觀察方向或掃描角度

6.旁瓣電平（SLL）特性，例如峰值SLL（PSLL），平均SLL（ASLL）。

7.交叉極化（x-pol）特性

8.軸比（AR）

G參照各向同性天線（G = 1）測量天線方向圖的方向性，因此可以dBi（對于各向同性i）進(jìn)行測量。它與D的不同之處在于，它考慮了導(dǎo)體，空間（輻射）和導(dǎo)線（電介質(zhì)或空氣）的各種損耗，3不包含在定向增益D中。因此，G始終小于D。BW 3dB是距輻射圖主光束的最大值或峰值的兩個– 3 dB點(diǎn)之間的角距離。視線方向定義了陣列以機(jī)械方式（使用伺服電機(jī)）或電子方式（通過對陣列元素進(jìn)行數(shù)字施加的相移）掃描時，天線方向圖的主波束指向的方向。4 圖5圖1示出了定向天線的典型輻射方向圖。除了所需的主波瓣（ML）外，還有其他比ML幅值小得多的不需要的波瓣，稱為旁波瓣，以SLL為特征。

理想的高頻微波天線沒有旁瓣。然而，由于天線接地平面的有限性質(zhì)，由于在正向和反向方向上流動的電流之間的相長和相消干擾，在天線孔徑上傳播的電流會從其有限邊緣反射，從而導(dǎo)致旁瓣形成。該旁瓣包絡(luò)（參見圖5）可以通過參考ML測量的PSLL，ASLL和均方根（RMS）SLL來表征。交叉極化（x-pol）級別定義了與所需極化平面正交的平面中的輻射強(qiáng)度級別；因此，對于水平極化天線，x-pol是垂直極化。極化平面定義了包含電場矢量的平面（請參見圖6）。）。AR量化天線的極化，極化可以是橢圓，圓形（AR?0 dB）或線性（AR?∞）。

高頻微波天線分類

圖7顯示了各種天線幾何形狀的分類。它包括有線天線，行波天線，反射器天線，微帶天線，對數(shù)周期天線，孔徑天線以及其他諸如近場通信（NFC）天線和分形天線的天線。取決于類型，單個天線元件的增益可能從0 dBi（單極）到10-12 dBi（例如，錐形縫隙天線和螺旋形天線）。

根據(jù)功率處理，G，SLL，尺寸，重量和體積等規(guī)格，可以為某些應(yīng)用選擇類別。例如，天文射電望遠(yuǎn)鏡天線需要非常高的增益和高功率處理能力，并且需要在暴露于不同且經(jīng)常是嚴(yán)峻的拓?fù)浜铜h(huán)境條件的大區(qū)域中進(jìn)行開放安裝。這些要求通常通過反射器天線陣列來滿足。3適用于房地產(chǎn)有限的平臺，例如高空平臺（HAPS）2對于戰(zhàn)斗機(jī)而言，微帶天線非常有用，重量輕，外形小巧，并且在本質(zhì)上是合適的。行波天線和對數(shù)周期天線對于超寬帶和高功率處理應(yīng)用非常有用。分形天線可用于實現(xiàn)手機(jī)內(nèi)部的嵌入式天線結(jié)構(gòu)。平面倒置折疊天線（PIFA）是可穿戴式保形天線應(yīng)用的良好結(jié)構(gòu)。天線陣列可用于雷達(dá)等應(yīng)用，這些應(yīng)用需要較高的增益才能在更長的范圍內(nèi)進(jìn)行檢測，而定向波束則需要進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。4

高頻微波天線陣列

一些應(yīng)用要求天線具有高增益，窄帶寬3dB和電子波束控制。這些是單個天線無法輕松滿足的要求。對于這些應(yīng)用，必須使用稱為天線陣列的天線簇。3對于一個N元陣列，G等于單天線增益Go的N倍，即

BW 3dB與G成反比，即

通常用于同等饋送的數(shù)組元素。3

天線陣列可以分為三大類（參見圖8）：

線性天線陣列（LAA），由一維天線元件簇組成。

平面天線陣列（PAA），由天線元件的二維簇組成。

保形天線陣列（CAA），由一維或二維天線元件簇共形排列在一個表面上組成。

方向性的廣義表達(dá)式，D

高頻微波天線陣列的D可以定義為9

其中P o是平均輻射功率， 是給定方向上的最大輻射功率。

天線的方向性和增益與

 代表天線的反射系數(shù)（電路參數(shù)），該系數(shù)定義了天線過渡區(qū)域中的失配，該失配與引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特征阻抗與自由空間的阻抗匹配，以將能量最大程度地從天線結(jié)構(gòu)傳遞到空間。因此，由于導(dǎo)體，電介質(zhì)和失配損耗，G < D。3、9

天線的工作帶寬（OBW）可以定義為頻率點(diǎn)范圍，在該頻率點(diǎn)范圍內(nèi)，天線空間和電路參數(shù)（根據(jù)AQP可以測量）在用戶定義的期望范圍內(nèi)。OBW可以根據(jù)輻射帶寬和阻抗帶寬來分類。3

高頻微波天線與高頻微波天線陣列的研究趨勢

當(dāng)前的幾個研究領(lǐng)域包括但不限于：

1.微帶反射陣列

2.可重構(gòu)微帶天線

3.穿戴式天線

4.多輸入多輸出（MIMO）天線

5.超寬帶天線（UWB）

6.超材料天線

7.連接的陣列天線

8.擋風(fēng)玻璃天線

9.分形天線

10.智能天線

11.變形的地面結(jié)構(gòu)（DGS）/電磁帶隙（EBG）天線

12.保形天線陣列

13.共享孔徑天線

14.雷達(dá)天線

微帶反射陣列

這個概念是由Berry等人介紹的。1963年使用波導(dǎo)10，后來又使用微帶技術(shù)實現(xiàn)。11-16反射天線和相控陣構(gòu)成反射陣列天線的工作原理（請參見圖9）。平面天線元件的尺寸和幾何形狀的變化導(dǎo)致了等效的相移，模仿了拋物面反射器的行為。反射器攔截位于其焦點(diǎn)處的輻射器的入射波，并散射回能量，該能量由于其設(shè)計的幾何形狀而準(zhǔn)直，并形成輻射束。它具有相關(guān)的空間損失和溢出損失。另一方面，相控陣包括RF網(wǎng)絡(luò)，該RF網(wǎng)絡(luò)包括移相器，衰減器，放大器和用于接收/發(fā)送能量的饋電網(wǎng)絡(luò)。因此，存在相關(guān)的RF損耗。反射陣列天線克服了這些問題。反射陣列是一種相變結(jié)構(gòu)，其中的大多數(shù)元素都接近諧振。因此，它提供了傳統(tǒng)拋物面反射器天線的替代方案。

Samaiyar等。圖14討論了反射陣列在實現(xiàn)ISM頻帶中在5.8GHz的同時發(fā)送和接收操作中的應(yīng)用。深谷等。圖15描述了一種Tx和Rx反射陣列衛(wèi)星天線，其包括多個喇叭和單層平面反射陣列，該平面反射陣列通過極化和頻率沿方位角的不同方向輻射掃描束。使用緊密耦合偶極子陣列（TCDA）設(shè)計的反射陣列的工作頻率為3.4至10.6 GHz。16已經(jīng)證明，微帶反射陣列天線可以代替笨重的反射天線和昂貴的相控陣。