介質天線

介質天線屬於行波天線一類。圖1表示介質天線的一種可能形式。由圖1可見，天線由插入振子激勵的金屬波導的介質棒構成。

嚴格地分析在有限長介質棒中激起的場分佈是很困難的。但是我們可以近似地認為它的場分佈與無限長介質波導中的場結構一樣。在一般情況下，介質棒中激勵有H波和E波，它們沿Z軸方向傳播。在介質棒的終端剛產生反射。

介質天線所產生的場強可以通過流經介質棒的位移電流和激勵器的電流來計算，也可以通過介質棒表面的電磁場來計算。

分析時經常應用下述原理，即把介電常數

內有電場強度為

的介質看成是介電常數為

內有某一等效電流的媒質。等效電流的密度為：

介質棒中每一體積單元可以看作是一個基本輻射器，在它上面有等效電流。整個介質天線所產生的場等於所有單元振子的場的總和。

由於特定介電常數的低損耗介質材料可以儲存電磁波能量，儲存的能量在介質中來回反射形成電磁振盪繼而可以用來輻射和接收電磁波，利用這一原理可以設計介質天線。介質天線主要包含介質諧振器天線（DRA）和介質棒天線兩種。介質天線結構簡單、成本低、重量輕、性能可靠，是一種新興的天線形式。

DRA是在接地板上加介質諧振器，通過特定的饋電方式對諧振器激勵形成天線。隨着頻帶資源的不斷利用，如今毫米波成為研究的熱點，在毫米波段，金屬天線導體損耗嚴重，大大降低了天線的輻射效率，DRA由於不存在導體和表面波損耗，因而具有較高的輻射效率，一般能達到90%以上；同時，使用高介電常數介質設計 DRA 可以減小天線體積，有利於天線的小型化設計；此外，DRA可以由多種饋電方式激勵，常見的有微帶饋電，同軸饋電，縫隙耦合饋電，共面波導饋電等，饋電方式多樣的特點可以增加微波電路的集成度，現已廣泛應用於GPS車載導航，移動終端，通信基站等設備。

介質棒天線是由介質棒和饋電結構組成，介質棒設計成漸變結構，電磁波在介質波導裏傳輸過程中隨着介質棒橫截面積的減小，電磁波相速增加，當到達介質棒末梢時相速接近光速繼而可以輻射至自由空間，因此介質棒天線具有良好的定向性及較低的副瓣電平。相比於喇叭天線和卡塞格倫天線，介質棒天線具有更小的體積，因而適合用於高頻天線陣列的組陣。鑑於以上優點，介質棒天線已經得到廣泛應用，如測控系統、毫米波成像系統等 ^[1]  。

介質天線的最大輻射方向和所有行波天線一樣，是和天線軸一致的。想更好地利用行波天線的特性，最好把能量集中在軸向，以便使介質棒的每一個單元在這個方向上也有最強的輻射。如果在介質棒中所產生的等效電流具有橫向分量(即和Z軸垂直的分量)，就有可能得到上述結果。此外，這個電流分量應該在橫向平面上具有某一主方向。為了滿足這些條件，在介質棒中所激勵的波必須具有橫向電場分量，同時這個分量應該具有某一主方向。在這方面最有利的波型是

，它的電磁場分佈如圖2所示，它具有和X軸平行的橫向分量。

對稱波用在介質天線中是不適宜的，因為和對稱波相對應的電流在Z軸方向沒有輻射。

要得到一定極化的橫向電場，僅僅保證能夠激發HH波是不夠的。還應保證不激起其它波型。為此，截面的半徑應當選擇得使其它所有波型的工作頻率低於臨界頻率。用通常的激勵方法不會在介質天線中產生較強的對稱波，因此，選擇介質棒的半徑時只要能避免產生非對稱波

和

就可以。

和

波的臨界波長為：

d是棒的直徑。

為了避免產生這些波，必須滿足 下列條件：

非對稱的H型波不可能單獨存在。因此按上述不等式來選擇棒的半徑時，實際上在棒中將激發起兩種波型

和

。

波型的場分佈如圖3所示。

假定介質棒的表面波是規則表面波後，即可用下式近似計算介質天線的方向圖。

這裏

是由於輻射和介質中的熱耗而引起的棒表面波的衰減係數；

是計及在介質棒的橫截面上場分佈的不均性的因子。

考慮到

波型的場分佈，因子

可以近似地用下面的函數表示：

在E平面：

在H平面：

角由介質棒的軸線算起。