表面波天線

表面波天線是指利用結構上的變化來截斷正在傳播的表面波，使其在不連續處產生功率輻射的天線。表面波是沿兩種媒質的交界面傳播、而在垂直於交界面方向的場是按指數律遞減的電磁波，其傳播速度小於自由空間的波速。傳輸表面波的結構是一種慢波結構，所以表面波天線又稱慢波天線。

基本介紹

• 中文名：表面波天線
• 外文名：surface-wave antenna
• 拼音：  biǎo miàn  bō tiān xiàn
• 結構：慢波結構
• 性質：電磁波
• 用途：通訊

特性和參數

基本特性

兩種不同材料的介質交界面、周期性結構的開放邊界、分層平面和柱狀分層結構的表面常常都會產生表面波。出於對表面波進行控制並設計新型表面波天線的目的，對於表面波的參數特性需要有充分的了解，例如表面波沿著導波阻抗面在傳播方向上的波長等。這一節將主要介紹表面波在天線設計方面的相關參數的定義和它們之間相互關係的公式，並簡單介紹當知道導波面的阻抗的情況下如何計算這些參數，最後還介紹了一種通過測量來確定這些參數的方法。

相關參數

在球面和圓柱弧面情況下，由於表面波不再完全被束縛在表面上，表面波的分析計算變的複雜。由於天線的曲率半徑通常相對比較大，為了方便我們一般將這種情況近似當作平面表面。

參數分析

表面波可以被認為是在一種開放波導中傳輸的波。在傳統閉合波導中，邊界值問題通常簡單的由橫截面的諧振條件確定，這需要橫貫整個波導的截面參數都是等值的根據表面波阻抗的知識解決了表面波傳播的邊界值問題。這可以幫助我們計算以下兩種情況下的阻抗：有金屬覆蓋的介質平板和波紋金屬平板。

特點

表面波天線的特點是能沿金屬面平裝。從電性能上說，它能在較寬的頻帶內保持一定的方向性和輸入阻抗，且具有中等增益（通常小於20分貝）。在方向圖的控制上，主波束可以工作在端射方向，也可以工作在邊射方向。當表面波天線工作在微波波段的低端且用作地面天線時，往往採用人工介質結構,它比固態介質輕得多;介質覆蓋的金屬面通常用作飛機或飛彈上的平裝天線。

發展歷程

在現代無線通信與信息技術蓬勃發展的社會，高速信傳技術的廣泛套用給人們的生活和社會的進步帶來了深遠的影響。無線通信系統以其成本低、受地理環境的約束小、支持用戶的移動性等諸多優點，在整個通信系統中占有舉足輕重的地位。而天線作為無線通信系統中用來傳送和接受電磁波能量的重要組成部分，是移動通信、無線電廣播、無線電導航、雷達、遙測遙控等無線通信系統中不可缺少的設備。天線的發明可以追溯到 100 多年前，當時任教於德國卡爾斯洛工學院的物理學教授赫茲設計了第一個天線，希望可以以此來驗證電磁波的存在。其發射天線是兩根 30cm 長的金屬桿，桿的終端連線兩塊 40cm 見方的金屬板，採用火花放電激勵電磁波，接收天線是環天線。以現在的天線系統看，這種接上金屬板的金屬桿是在偶極子天線的終端載入，而環天線則是一種諧振方環。到 1901 年，義大利波隆的物理學家馬可尼將赫茲的天線系統改為大型天線並加上了調諧電路，實現了首個跨越大西洋通信的遠洋天線。這是第一副真正付諸實用的單極天線，並實現了首次越洋通信，開創了無線電技術的新紀元。早期無線電主要套用在長波遠洋通信，自 1925 年後，中、長波無線電廣播和通信也開始實際套用，而天線作為實現無線電套用的關鍵系統，順應著通信、廣播等無線電套用系統的發展需要而不斷的發展。到 1940 年前後，有關長、中、短波線狀天線的理論已經基本成熟，主要的天線形式一直沿用至今。第二次世界大戰中，對雷達和高效通信系統的需求使得對天線的研究進入了新的頻段，促進了微波天線的發展，許多新型小天線被設計並且提供較高的指向性。第二次世界大戰後的 30 多年是無線電電子學飛速發展的時代，特別是人類進入太空時代後，對天線提出了許多新的要求，出現了許多新型天線，組成了龐大的天線家族，並突顯出線天線、面天線及陣列天線這三條平行的發展軌跡。隨著現代科學技術的發展，各種新型先進的飛行器上一般都有幾副甚至十幾副天線，但是飛行器的空氣動力學特性是一個需要重點分析的因素。早期安裝在飛行器上的天線通常需要安裝在外部艙體等裝置上，這些為了安裝天線而增加的飛行器結構對於天線的動力和隱身等方面的設計產生了極大的影響。而且為了保護天線不受氣流影響，還要用更大的天線罩進行保護，這些都嚴重影響了飛行器上天線的套用。為了降低天線的影響，希望三維空間的“體型”天線結構變為二維平面的“表面型”天線，本文所研究的表面波天線，以其低剖面、小體積、易於平裝等特點特別適用飛行器天線。例如其航標天線和方位角掃描天線都可以由表面波天線來實現。

研究現狀

除了常用的 TEM 傳輸線及封閉的金屬波導之外，還有一類開放結構也可以用來引導電磁波傳播。這類開放結構可以引導一種波型，這種波型的特徵是場在結構的橫向方向隨著離開表面的距離呈指數衰減，而沿著結構的軸向規律傳播，這種波型被稱為表面波，而這類引導表面波的結構稱為表面波波導。電磁波沿著這個表面波波導的表面傳播到波導界面的終端最後輻射出去，這樣就形成了一個天線結構，這種結構的天線就稱為表面波天線。這種天線結構的輻射原理和喇叭天線等口徑天線非常類似，所以表面波天線也可以看作是一種口徑天線。表面波可能出現在各種不同的介質的交界面上，在有開放邊界的周期結構和分層平面的表面也可能會出現。表面波可以分為兩大類：一類是快波（或稱漏波），電波沿導波表面傳播的相速大於光速，這種導波系統是一路傳播一路輻射，另外一類是慢波（或稱作聚波），電波沿導波表面傳播的相速小於光速，這種導波系統在表面阻抗為常數的平面上，慢波只能攜帶能量沿表面傳播而不輻射，而僅在系統表面突然斷絕、突然接入另一阻抗面或有漸變的表面阻抗時才發生輻射。假使截斷的過程是緩慢的，也就是說不連續點的過渡是緩慢的，那么輻射的能量主要是端射式的（例如，橫截面積逐漸收小的介質棒天線）。假使截斷的過程是突然的，那么就會產生強大的側射輻射。而表面波天線就是使導波系統產生突然的彎折或者其他不連續結構，這樣導波系統上的一個或幾個慢波在遇到表面阻抗變化時產生輻射，也就是產生天線效應。表面波天線的方向性圖除了由表面阻抗不連續產生連續頻譜引起輻射以外，還應考慮由激勵源直接輻射的作用，這種輻射也包括導波系統的繞射作用, 即表面波天線的方向圖分別可以由改變天線表面的阻抗或分布激勵源的位置予以控制。利用調製的表面阻抗可以產生沿傳播方向有一定的振幅和相位分布的行波，這些沿傳播其振幅和相位均改變的行波可以用一定的頻譜來表征。每一個波產生一個方向性圖，總的方向性圖是所有這些波的個別方向性圖的總和，所以調製的表面阻抗和天線的方向性圖之間有一定的關係。最簡單的表面波天線由可以由饋源、傳播表面和導體屏三個部份組成， 饋源的結構多種多樣，一般情況下可以使用喇叭、隙縫或波導開口等,饋源激勵出表面波後在傳播表面上傳輸，最後在終端輻射出去，形成表面波天線。導波表面可以是帶有介質復層的金屬面，也可以是刻有溝紋的金屬面或其它截斷形式的金屬面，即形成漸變的或者突然截斷的表面阻抗。傳播表面下面的導體屏起著其他類型天線結構中地面的作用，即起著使天線只在傳播表面的上方和前方輻射能量的作用。