介质天线

天线的一个类别

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。天线是用同轴线馈电的棒状介质天线。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。

介质天线的工作原理

介质天线属于行波天线一类。图1表示介质天线的一种可能形式。由图1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。

分类

由于特定介电常数的低损耗介质材料可以储存电磁波能量，储存的能量在介质中来回反射形成电磁振荡继而可以用来辐射和接收电磁波，利用这一原理可以设计介质天线。介质天线主要包含介质谐振器天线（DRA）和介质棒天线两种。介质天线结构简单、成本低、重量轻、性能可靠，是一种新兴的天线形式。

DRA

DRA是在接地板上加介质谐振器，通过特定的馈电方式对谐振器激励形成天线。随着频带资源的不断利用，如今毫米波成为研究的热点，在毫米波段，金属天线导体损耗严重，大大降低了天线的辐射效率，DRA由于不存在导体和表面波损耗，因而具有较高的辐射效率，一般能达到90%以上；同时，使用高介电常数介质设计 DRA 可以减小天线体积，有利于天线的小型化设计；此外，DRA可以由多种馈电方式激励，常见的有微带馈电，同轴馈电，缝隙耦合馈电，共面波导馈电等，馈电方式多样的特点可以增加微波电路的集成度，现已广泛应用于GPS车载导航，移动终端，通信基站等设备。

介质棒天线

介质棒天线是由介质棒和馈电结构组成，介质棒设计成渐变结构，电磁波在介质波导里传输过程中随着介质棒横截面积的减小，电磁波相速增加，当到达介质棒末梢时相速接近光速继而可以辐射至自由空间，因此介质棒天线具有良好的定向性及较低的副瓣电平。相比于喇叭天线和卡塞格伦天线，介质棒天线具有更小的体积，因而适合用于高频天线阵列的组阵。鉴于以上优点，介质棒天线已经得到广泛应用，如测控系统、毫米波成像系统等。

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，它的电磁场分布如图2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。波型的场分布如图3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。