第一章天线基本原理与技术

1、第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*姓名：屈世伟姓名：屈世伟电话：电话：1582829638215828296382邮箱：邮箱：副教授副教授博导博导主要感兴趣的研究方向：宽带主要感兴趣的研究方向：宽带/ /超宽带天线及超宽带天线及阵列、相控阵天线、太赫兹天线等阵列、相控阵天线、太赫兹天线等第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*2010 至今，副教授，电子科技大学2009-2010，博士后，日本东北大学2007-2009，博士，香港城市大学电子工程系2006-20

2、07，研究助理，香港城市大学2003-2006，硕士，电子科技大学物电学院1997-2001，学士，电子科技大学电工学院地址：清水河校区科研楼C507第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*第一部分第一部分课程设置课程设置第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*先修课程先修课程电磁场与波、电磁场与波、微波技术、微波技术、天线原理与设计天线原理与设计第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*本书教学目的本书教

3、学目的 天线是各种无线系统必不可少的天线是各种无线系统必不可少的重要重要部件部件，其指标直接影响着系统性能。本课，其指标直接影响着系统性能。本课程的目的是使学生程的目的是使学生了解天线领域的现状及了解天线领域的现状及发展方向发展方向，并且力争反映出天线领域的最，并且力争反映出天线领域的最新研究动态。课程讲授既注重新研究动态。课程讲授既注重理论分析理论分析，也注重也注重工程实际工程实际应用，提高研究生分析与应用，提高研究生分析与解决天线及相关领域问题的能力，为以后解决天线及相关领域问题的能力，为以后研究工作打下坚实的理论基础。研究工作打下坚实的理论基础。 第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理

4、论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*教学内容及重难点教学内容及重难点 1电磁辐射问题的解析方法与数值方法电磁辐射问题的解析方法与数值方法 2加载天线加载天线 3天线综合天线综合 4微带天线微带天线 5相控阵列天线相控阵列天线 6信号处理天线信号处理天线 7天线领域的最新进展天线领域的最新进展 第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*教材及参考书教材及参考书近代天线理论，谢处方，电子科技大学出版社。C. A. Balanis, Antenna theory, analysis and design, se

5、cond edition, John Wiley & Sons, Inc., 1997.W.L. Stutzman, and G.A. Thiele, Antenna Theory and Design. New York: Wiley, 1998. SDrabowitch, A. Papiernik, H. Griffiths, and J. Encinas, Modern Antennas, London: Chapman & Hall, 1998.J.R. James, and P.S. Hall, Handbook of Microstrip Antennas, IEE

6、: Peter Peregrinus Ltd., 1989.R.J. Mailloux, Phased Array Antenna handbook, London: Artech House, 1993.IEEE Transactions on Antennas and Propagation 等相关期刊。第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*本课程的特点本课程的特点l 知识点多，但较零碎；l 涉及面广，如“电磁理论”、“天线基础”、“微波电路”等；l 综合性强，需要将多方面知识综合在一起加以学习；l 第一章 课程设置及天线基

7、本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*第二部分第二部分天线的基本理论天线的基本理论第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*天线基本原理与技术天线基本原理与技术 在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波（发射），或者将无线电波转换为导波能量（接收）电波（发射），或者将无线电波转换为导波能量（接收）, , 用来辐用来辐射和接收无线电波的装置称为天线射和接收无线电波的装置称为天线。天线应具有以下性能：。天线应具有以下性能：

8、一、天线的功能一、天线的功能信 息 源信 号 变 换发 射 机接 收 机受 信 者信 号 变 换 尽可能多地将导波能量互相转电磁波能（高效率）尽可能多地将导波能量互相转电磁波能（高效率） 具有适当的方向性具有适当的方向性 有适当的极化有适当的极化 有足够的工作频带有足够的工作频带 对传递的信息进行一定的加工和处理（未来发展趋势）对传递的信息进行一定的加工和处理（未来发展趋势）第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*一些常用天线形式一些常用天线形式第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程

9、学院电子工程学院*二、天线的分类二、天线的分类l按用途按用途：通信天线、：通信天线、 广播电视天线、雷达天线等广播电视天线、雷达天线等l按工作波长按工作波长：长波天线、：长波天线、 中波天线、中波天线、 短波天线、短波天线、 超短波天超短波天线和微波天线等线和微波天线等l按辐射元的类型按辐射元的类型：线天线、面天线：线天线、面天线线天线线天线：由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长：由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长 波、中波和短波波段波、中波和短波波段面天线面天线：由尺寸大于波长的金属或介质面构成的，主要用：由尺寸大于波长的金属或介质面构成的，主要用 于微波波段于微波波段三、天线

10、的分析方法三、天线的分析方法l 天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件l 工程上往往将条件理想化，通过近似处理得到近似结果工程上往往将条件理想化，通过近似处理得到近似结果l 利用电磁场理论的数值计算方法利用电磁场理论的数值计算方法第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院* 电流元也称电流元也称电基本振子电基本振子，它是一段，它是一段长度远小于波长长度远小于波长, , 电流电流I I振幅均匀分布振幅均匀分布、 相位相同相位相同的的直线直线电流。电流。1.1 电流元的辐射场一、电流元一、

11、电流元 注：电流元线天线的基本组成部分注：电流元线天线的基本组成部分, , 任意线天线均可看成任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。是由一系列电基本振子构成的。 二、电流元的辐射场二、电流元的辐射场rjrerjrIdljE)1(cos2230rjerrjrIdljE)1(sin42230rjerjrIdlH)1(sin420E0rH0HPrzyxlOPrzyxlOdl第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院* 在在天线远区（天线远区（rr）rjerIdljEsin420rjerIljHsin400urrr11123则：则：r

12、jrjerIljHerIdljEsin2sin60 说明：说明：1 1）远区场电场、磁场相互正交，相位相同：）远区场电场、磁场相互正交，相位相同：横电磁横电磁 (TEM)(TEM)波波2 2） 电磁波电磁波沿径向传播沿径向传播raveHES213 3）远区场为）远区场为球面波球面波4 4）电流元的辐射是）电流元的辐射是有方向性有方向性的的第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*三、电流元辐射方向特性三、电流元辐射方向特性 方向函数方向函数 ：描述天线辐射场与方位角：描述天线辐射场与方位角 的关系。的关系。),( 电流元的方向函数：

13、电流元的方向函数：sin),(F 方向图：由方向函数作出的图形，即为天线方向图。方向图：由方向函数作出的图形，即为天线方向图。 依据方向函数作出电流元的方向图为：依据方向函数作出电流元的方向图为：),(F60sinj rIdlEjer第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*zrdSyxnOdydxHxEyzrd SyxnOd yd xHxEysxHsyEn 一、惠更斯元定义一、惠更斯元定义 口径面内尺寸远小于波长的一个平面可视作惠更斯元，其口径面内尺寸远小于波长的一个平面可视作惠更斯元，其上的幅度和相位可视作均匀分布。它是二次辐射

14、源。上的幅度和相位可视作均匀分布。它是二次辐射源。二、惠更斯元的辐射特性二、惠更斯元的辐射特性 设平面口径上一个惠更斯元设平面口径上一个惠更斯元dS=dxdy, dS=dxdy, 其上切向电场为其上切向电场为E Esysy, , 切向磁场为切向磁场为H Hsxsx。 由等效原理，场分布可等效为相应由等效原理，场分布可等效为相应的面电流和面磁流，故惠更斯元可视作的面电流和面磁流，故惠更斯元可视作电流元电流元 和磁流元和磁流元 叠加而成：叠加而成：sJmsJssyxJnHe HmssxyJnEe E 1.2 基本口径面辐射源基本口径面辐射源惠更斯元的辐射惠更斯元的辐射第一章 课程设置及天线基本原理

15、近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院* 由电磁场相关理论，可得等效电流元和磁流元产生的辐由电磁场相关理论，可得等效电流元和磁流元产生的辐射场，进而求得射场，进而求得惠更斯元的远区辐射合成场惠更斯元的远区辐射合成场为为: : sin (1cos )cos (1cos )2yj rE dsdEjaaer 两个方向上的辐射方向函数为两个方向上的辐射方向函数为: : )cos1 (sin),()cos1 (cos),(FF 总的辐射方向函数为总的辐射方向函数为: : 22),(),(),(FFFcos1 归一化方向函数为归一化方向函数为: : ),(f2cos1第一

16、章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院* 惠更斯元远区辐射特性：惠更斯元远区辐射特性：1 1、辐射场为、辐射场为TEMTEM波波（球面波）；（球面波）；2 2、为、为单向辐射单向辐射，辐射方向图绕法线轴，辐射方向图绕法线轴旋转对称旋转对称；3 3、最大辐射方向为其、最大辐射方向为其正法线正法线方向；方向； 第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*1.3 天线的电参数1.3.1 1.3.1 天线方向性特性参数天线方向性特性参数一、方向函数一、方向函数 方向函数：描述天线的辐

17、射强度与空间坐标之间的函数关系，分方向函数：描述天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系，分场强方向函数场强方向函数和和功率方向函数功率方向函数。 场强方向函数场强方向函数 ：由辐射场电场表达式中与方位有关的表达：由辐射场电场表达式中与方位有关的表达式组成。如电流元场强方向函数为：式组成。如电流元场强方向函数为：sin),(F),(F 功率方向函数功率方向函数 ：由坡印廷矢量表达式，知由坡印廷矢量表达式，知2),(),(FP),(P2Re212ESHES第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院* 归一化方向函数归一化方向函数 ：为便于

18、对不同天线方向性进行比较，往：为便于对不同天线方向性进行比较，往往将方向函数对其最大值进行归一化，即：往将方向函数对其最大值进行归一化，即：),(fmFFf),(),(归一化方向函数的最大值等于归一化方向函数的最大值等于1 1。 用于描述天线辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变用于描述天线辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线或曲面图。化的曲线或曲面图。二、方向图二、方向图电流元电流元方向图方向图第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院* 微波天线方向图通常由与场矢量相平行的两个平面表示：微波天线方向图通常由与场矢量相平行

19、的两个平面表示：E E平面：平面：通过最大辐射方向，通过最大辐射方向，与电场矢量平行的平面；与电场矢量平行的平面；H H平面：平面：通过通过最大辐射方向，最大辐射方向，与磁场矢量平行的平面；与磁场矢量平行的平面；E平面平面H平面平面 方向图可由极坐标表示，也可用直角坐标表示：方向图可由极坐标表示，也可用直角坐标表示：极坐标极坐标直角坐标直角坐标电流元方向图电流元方向图第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*三、主瓣宽度三、主瓣宽度 主瓣宽度是衡量天线的主瓣宽度是衡量天线的最大辐射方向的能量集中程度最大辐射方向的能量集中程度的物的物

20、理量。理量。 半功率主瓣宽度半功率主瓣宽度 ：功率方向图中：功率方向图中两个半功率点两个半功率点之间的角之间的角宽度，或场强方向图中最大场强的宽度，或场强方向图中最大场强的 两点之间的角宽度；两点之间的角宽度； 零功率波瓣宽度：方向图由最大值点两边零功率波瓣宽度：方向图由最大值点两边第一个零点第一个零点间的角间的角宽。宽。21半功率主瓣宽度半功率主瓣宽度零功率主瓣宽度零功率主瓣宽度5 . 02第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*四、旁瓣电平四、旁瓣电平SLLSLL电平电平最高最高的波瓣电平与主瓣电平的比值的波瓣电平与主瓣电平的

21、比值, , 一般以分贝表示。一般以分贝表示。主瓣：其方向为天线辐射主向主瓣：其方向为天线辐射主向第一副瓣第一副瓣maxmaxlg20EESLL注：副瓣电平反映了天线方向性的好坏注：副瓣电平反映了天线方向性的好坏maxE1maxE离主瓣离主瓣最近最近:?:?第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*1.3.2 1.3.2 天线的极化天线的极化天线的极化与其辐射的电磁波的极化方式相同。天线的极化与其辐射的电磁波的极化方式相同。 天线的极化包括：天线的极化包括：垂直极化垂直极化、水平极化水平极化，圆极化圆极化。 注：实际工程中，不存在理想

22、圆极化天线，一般为椭圆极化天线注：实际工程中，不存在理想圆极化天线，一般为椭圆极化天线 通信系统中，发射天线和接收天线的极化方式必须要匹配通信系统中，发射天线和接收天线的极化方式必须要匹配1.3.3 1.3.3 天线效率、辐射电阻、输入阻抗天线效率、辐射电阻、输入阻抗1PPPPPiA 天线效率天线效率 ：天线天线辐射功率辐射功率与与输入功率输入功率之比，即：之比，即：A式中：式中： 为天线辐射功率，为天线辐射功率， 为天线欧姆损耗功率。为天线欧姆损耗功率。1PPSSsdHEsdSPSsdHERe21第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工

23、程学院*RIPm221辐射电阻辐射电阻R R： 辐射电阻定义辐射电阻定义: : 某电阻上通过电流等于天线上的最大电流，某电阻上通过电流等于天线上的最大电流，若其损耗的功率等于天线的辐射功率若其损耗的功率等于天线的辐射功率 ，则该电阻值即为该天，则该电阻值即为该天线的辐射电阻。线的辐射电阻。P22mIPR天线的辐射电阻表示了天线辐射电磁波的能力，与馈电电流天线的辐射电阻表示了天线辐射电磁波的能力，与馈电电流的大小无关，是天线自身具有的属性。的大小无关，是天线自身具有的属性。输入电阻输入电阻R Rinin： 输入电阻定义输入电阻定义: : 在天线输入端点呈现的阻抗，天线端点处在天线输入端点呈现的阻

24、抗，天线端点处V/IV/I第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*1.3.4 1.3.4 天线方向系数与增益天线方向系数与增益一、一、 方向系数方向系数D D 定义：定义：0maxSSD 设天线辐射功率为设天线辐射功率为P Pr r，最大辐射方向电场为，最大辐射方向电场为E Em m, ,则：则：240),(),(21202maxmmmmmmEES204 rPSdrEdsdSPSsin240),(22002 在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度射功率流密度S Smax

25、max，与，与相同辐射功率相同辐射功率在理想无方向性天线在同一在理想无方向性天线在同一位置处的辐射功率流密度位置处的辐射功率流密度S S0 0之比：之比： 即即第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*dEdEDmmmsin),(),(420022dfdDsin),(42002二、二、 增益增益G G方向系数方向系数D D未考虑天线效率的影响。未考虑天线效率的影响。 增益定义增益定义: : 在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度上的辐射功率流密度S Smaxmax，与，与相同输

26、入功率相同输入功率在理想无方向性在理想无方向性天线在同一位置处的辐射功率流密度天线在同一位置处的辐射功率流密度S S0 0之比。之比。DGA第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*例例 确定沿确定沿z z轴放置的电基本振子的方向系数。轴放置的电基本振子的方向系数。 解解: : 电基本振子的归一化方向函数为电基本振子的归一化方向函数为: : sin),(f代入方向系数的表达式得代入方向系数的表达式得5 . 1sinsin42002 ddD)(76. 15 . 1lg10dBD分贝数表示为：分贝数表示为：第一章 课程设置及天线基本原理

27、近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*1.3.5 1.3.5 输入阻抗输入阻抗注：输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸、工作频率以及邻近天注：输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸、工作频率以及邻近天线周围物体等的影响。线周围物体等的影响。 天线有效长度定义：在保持实际天线最大天线有效长度定义：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下辐射方向上的场强值不变的条件下, , 假设天线假设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。1.3.6 1.3.6 有效长度有效长度h2hI0输入阻抗和输入电压输入阻抗和输入电压 和电流和

28、电流 的关系是的关系是inUinIinininininXRIUZ天线的有效长度愈长天线的有效长度愈长, , 辐射能力愈强。辐射能力愈强。第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*1.3.7 1.3.7 带宽带宽阻抗带宽阻抗带宽方向图带宽方向图带宽增益带宽增益带宽极化带宽极化带宽1.3.8 1.3.8 电磁能量的传播电磁能量的传播第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*为什么远距离传输要用天线传输？为什么远距离传输要用天线传输？天线传输的损耗包括哪些？天线传输的损耗包括哪

29、些？一个输入功率为一个输入功率为3W，增益为，增益为15dB的天线在距离的天线在距离10KM的地方产生的场是多少？能流密度有多大？的地方产生的场是多少？能流密度有多大？发射机发射机10dB，接收机灵敏度，接收机灵敏度-100dB，要传输，要传输10公里？公里？1公里？对天线增益有什么要求。公里？对天线增益有什么要求。 inPrPr1G2G第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*付里斯传输公式付里斯传输公式 inPrPr1G2GDAe42最大辐射方向上的功率密度为：最大辐射方向上的功率密度为：124GrPSrm接收天线接收到的功率密

30、度为：接收天线接收到的功率密度为：emrASP221244GGrPrrPGGr212)4(Friis公式公式第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*第三部分第三部分简单天线的分析与设计简单天线的分析与设计第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*1.1 对称振子天线 由两根由两根粗细和长度都相同粗细和长度都相同的直导线构的直导线构成，中间为馈电端。成，中间为馈电端。一、结构一、结构zrrImd zzhh二、对称阵子上的电流分布二、对称阵子上的电流分布电流分布电流分布-辐

31、射场辐射场I(a)(b)II(c) 工程上近似认为对称阵子天线视作终工程上近似认为对称阵子天线视作终端开路传输线两端逐渐张开形成的。端开路传输线两端逐渐张开形成的。第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院* 其上电流分布为：其上电流分布为：)(sin)(zlIzIm 4422半波振子半波振子 全波振子全波振子 三、对称阵子的辐射场三、对称阵子的辐射场 在距中心点为在距中心点为z z处取电流元段处取电流元段dz, dz, 则它对远区场的贡献为则它对远区场的贡献为1sin)(601rjedzzIrjdEzrrImdzzhh1r1ll1

32、1、dzdz段线元的辐射场段线元的辐射场第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院* 对于远区辐射场，场点距离远大于对于远区辐射场，场点距离远大于天线尺寸，可有如下近似：天线尺寸，可有如下近似：11/,/rrcoscos2221zrrzzrr2 2、对称振子天线的辐射场、对称振子天线的辐射场zrrImdzzhh1r1ll 整个天线的远区辐射场为：整个天线的远区辐射场为：llrjmlldzrezlIjdEE11)(sinsin60llzrjmdzezlIrj)cos()(sinsin60dzzzhreIjlrjm)coscos()(si

33、nsin2600第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*sincos)coscos(60llerIjrjmsincos)coscos(),(llF 则则对称振子天线的辐射方向图对称振子天线的辐射方向图为：为：结论：结论：对称振子天线的方向函数与方位角对称振子天线的方向函数与方位角 无关，其方向图是无关，其方向图是以振子轴线为基准的旋转对称图形以振子轴线为基准的旋转对称图形对称振子的臂长会影响到方向图对称振子的臂长会影响到方向图二维二维三维三维 对称振子天线最常用的为对称振子天线最常用的为半波振子天线半波振子天线和和全波振子天线全波

34、振子天线。第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*sin)cos2cos(),(),( fF半波振子天线的辐射特性：半波振子天线的辐射特性： 1 1）将）将 代入，得半波振子天线的方向函数：代入，得半波振子天线的方向函数：4,2l 2 2）由方向系数求解公式，得：）由方向系数求解公式，得：64. 1D3) 3) 方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解: : 21sin)cos2cos()(F7825 . 04 4）半波振子的辐射电阻为）半波振子的辐射电阻为R=73.1 ()第一章 课程设置及天线基本原

35、理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*sin1)coscos(),(F全波振子天线的辐射特性：全波振子天线的辐射特性： 1 1）将）将 代入，得半波振子天线的方向函数：代入，得半波振子天线的方向函数：2,2l 2 2）由方向系数求解公式，得：）由方向系数求解公式，得：41. 2D3) 3) 方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解: : 8 .4725 . 04 4）半波振子的辐射电阻为）半波振子的辐射电阻为R=199 ()sin21)coscos(),(f21sin21)coscos(),(f第一章 课程设置及天线基本原理近代

36、天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*1.2 阵列天线 将多个天线组合起来，可增强或减小某方向天线辐射，将多个天线组合起来，可增强或减小某方向天线辐射，从而实现对天线方向图的控制。从而实现对天线方向图的控制。电流元电流元半波振子半波振子振子天线振子天线 阵列天线：将多个阵列天线：将多个相同类型天线相同类型天线按一定按一定规律排列规律排列、馈电馈电而而形成的天线系统。形成的天线系统。第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*美国（美国（VLAVLA，2727个个2525米口径天线组成）米口径天线组成）第

37、一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*#11nI#221ijnnIMI e 设两个半波振子天线如图排列，设两个半波振子天线如图排列，则则1 1# #，2 2# #方向函数相同，均为方向函数相同，均为 sin)cos2cos(),(0F一、二元天线阵列一、二元天线阵列两个天线馈电电流：两个天线馈电电流： 11101160( , )nj rIEjFer 22202260(, )nj rIEjFer 则两个阵元在远区则两个阵元在远区p

38、 p点产生电场分别为：点产生电场分别为： 2r1r12第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*2r1r12场点位于远区，可引入如下近似：场点位于远区，可引入如下近似：12/rrcos12drr1212注意注意： 为场点与为场点与天线单元轴向天线单元轴向夹角；夹角； 为场点与为场点与天线阵轴向天线阵轴向夹角；夹角；11060( , )nj rIEjFer 2(cos )20160( , )cosnjr dIEjFerd 1cos060( , )ijnj rj dM IejFeer cos1ijj dM E ee第一章 课程设置及天线

39、基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*则则p点总的叠加场为：点总的叠加场为：12EEE(cos )11ijdEMe第一阵元辐射场第一阵元辐射场与阵列组成有关的因子与阵列组成有关的因子cosdi令令两单元天线在两单元天线在p点辐射场的总相位差点辐射场的总相位差其中其中i是由馈电电流相位差所引起是由馈电电流相位差所引起cosd是由波程差所引起的相位差是由波程差所引起的相位差则：则：1jMesin21cos12cosMjarctgMMMe( )jFe第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*则则

40、p点总的叠加场为：点总的叠加场为：1060( , ) ( )njj rIEjFFe er 两个天线合成波的方向图为：两个天线合成波的方向图为：0( , )( , ) ( )FFF 阵元方向图阵元方向图阵列因子阵列因子 方向函数乘积定理：相似元所构成的天线阵列的方方向函数乘积定理：相似元所构成的天线阵列的方向性函数等于各阵元单独存在时的方向性函数（称之向性函数等于各阵元单独存在时的方向性函数（称之为为元因子元因子）和阵方向函数（称之为）和阵方向函数（称之为阵因子阵因子）的乘积。）的乘积。 第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*1

41、1、阵因子、阵因子 只与只与天线阵结构参数天线阵结构参数（阵元间距（阵元间距d d、阵元间、阵元间馈电电流幅值比馈电电流幅值比M M、馈电相位差、馈电相位差 ）有关。）有关。关于阵因子的讨论：关于阵因子的讨论：( )Fi2 2、当天线阵等幅馈电时（、当天线阵等幅馈电时（M=1M=1），则：），则：( )1 12cos2 cos2F 3 3、通过调整天线阵的、通过调整天线阵的排列排列及及馈电方式馈电方式，可实现对天线阵最，可实现对天线阵最终方向图的控制。终方向图的控制。4 4、在阵元间距固定，且阵元等幅馈电时，通过改变馈电相、在阵元间距固定，且阵元等幅馈电时，通过改变馈电相差差 即可改变天线阵方

42、向图即可改变天线阵方向图相控阵天线工作原理相控阵天线工作原理。i第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*第五章第五章 天线理论基础天线理论基础阵元间距及馈电方式对阵因子的影响分析：阵元间距及馈电方式对阵因子的影响分析：若阵元等幅馈电：若阵元等幅馈电：1 1、 时：时：,02d d IjIe12cos( )cos2dfcoscos2 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800最大辐射方向在阵侧向最大辐射方向在阵侧向侧射阵侧射阵2 2、 时：时：,2dcos( )cos2dfcos

43、cos()22 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800最大辐射方向在阵轴向最大辐射方向在阵轴向端射阵端射阵第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*3 3、 时：时：,42d cos( )cos2df(cos1)cos4 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800单向端射阵单向端射阵。4 4、 时：时：,42dcos( )cos2df(cos1)cos4 0.2 0.4 0.6 0.8 130210602409027012

44、03001503301800单向端射阵单向端射阵。第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*天线方向图乘积原理的应用：天线方向图乘积原理的应用： 天线阵的最终方向图由阵元方向图和阵因子方向图直接天线阵的最终方向图由阵元方向图和阵因子方向图直接相乘获得：相乘获得： （1 1）阵元或阵因子零点方向为方向图零点；）阵元或阵因子零点方向为方向图零点； （2 2）阵元和阵因子共同最大方向为方向图最大方向；）阵元和阵因子共同最大方向为方向图最大方向； （3 3）零点间存在波瓣（旁瓣）。）零点间存在波瓣（旁瓣）。第一章 课程设置及天线基本原理近代

45、天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*解：解：dMi, 0, 1已知已知单元天线为半波振子单元天线为半波振子0cos(cos )2( , )sinf 则此二元阵列天线的方向函数则此二元阵列天线的方向函数0( , )( , ) ( )fff coscos( cos )2fcos2cos did例例5-4：等幅同相二元半波振子阵，阵元中心距：等幅同相二元半波振子阵，阵元中心距 ，求作阵列天线在如图所示坐标系中求作阵列天线在如图所示坐标系中yoz，xoz及及xoy平面平面上的方向图。上的方向图。 1 2 x z y d 第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天

46、线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*coscos)(fzsin)cos2cos(),(0f第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*yozyoz面：面：动画演示动画演示xozxoz面：面：动画演示动画演示xoyxoy面：面：动画演示动画演示3 3维方向图：维方向图：第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院* 例例5-55-5：如图所示，求等幅反相二元半波振子阵三个：如图所示，求等幅反相二元半波振子阵三个主坐标平面的方向图，阵元间距主坐标平面的方向图，阵

47、元间距 。2d解：解：2, 1dMi已知已知 )cos2sin(2|1 |1 |)cos4(jjeMeFcos4cosdi单元天线为半波振子单元天线为半波振子sin)cos2cos(),(0F则此二元阵列天线的方向函数则此二元阵列天线的方向函数)(),(),(0FFF)(),(),(0fff归一化得：归一化得：第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*yz第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*例例5-65-6：绘出如图所示二元半波振子阵的方向图。阵列：绘出如图所示二元

48、半波振子阵的方向图。阵列结构参数为结构参数为 ， ， 。2i 4d1M解：解：cos22( )cos(cos )44f阵元在场点处的总相位差及阵函数分别为阵元在场点处的总相位差及阵函数分别为sin)cos2cos(),(0F第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*yoz:yoz:xoz:xoz:xoy:xoy:第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*二、二、N N 元均匀直线阵列元均匀直线阵列 工程上一般采用多个（工程上一般采用多个（N2)N2)阵元组成天线阵，以获得

49、更阵元组成天线阵，以获得更高的方向性。高的方向性。1 1、N N元直线阵的阵函数元直线阵的阵函数第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*以阵列中第一个单元天线作为相位基准：以阵列中第一个单元天线作为相位基准：1),(01rjeFEE第二个单元天线：辐射场的幅值差异不计，相位差为第二个单元天线：辐射场的幅值差异不计，相位差为 cosdi则第则第N N个单元天线的相位差为：个单元天线的相位差为：)cos)(1() 1(dNNiN N个相似元阵元在个相似元阵元在p p处的辐射场叠加，表示为处的辐射场叠加，表示为1 ),() 1(2011

50、NjjjrjNkkeeeeFEEE)2sin()2sin(1121NeeeNjjjN1 ) 1(2Njjjeee第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*整理可得远区辐射场表达式为：整理可得远区辐射场表达式为： )21(0)2sin()2sin(),(iNrjeNFEEcosid是相邻阵元至场点的辐射场总相位差是相邻阵元至场点的辐射场总相位差由上式得由上式得N N元均匀直线阵列的阵函数元均匀直线阵列的阵函数F()为为)cos(21sin)cos(2sin2sin2sin)(ddNNFii21sin2sin)cos(21sin)cos

51、(2sin2sin2sin)(iiiiNNdNdNNNf归一化得：归一化得：第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*1.1.当当 0 0时，阵函数有最大值时，阵函数有最大值2.2.主瓣宽度随主瓣宽度随N N的增加而变得尖锐，方向性增强的增加而变得尖锐，方向性增强N元均匀直线阵列归一化阵函数的通用曲线元均匀直线阵列归一化阵函数的通用曲线 说明：说明：第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*关于关于N N元直线天线阵辐射方向图的讨论：元直线天线阵辐射方向图的讨论：当当 0

52、 0时，阵函数取最大值时，阵函数取最大值。cosid0dim cos0i1 1、当各阵元、当各阵元同相馈电同相馈电，即，即2m最大辐射方向在阵的两侧：最大辐射方向在阵的两侧：侧射阵侧射阵di2 2、当各阵元、当各阵元馈电相差满足馈电相差满足或0m最大辐射方向在阵两端：最大辐射方向在阵两端：端射阵端射阵 通过控制各阵元馈电电流相位差来补偿波程相位差，使通过控制各阵元馈电电流相位差来补偿波程相位差，使各阵元辐射场在固定方向同相叠加，从而形成最大辐射。各阵元辐射场在固定方向同相叠加，从而形成最大辐射。第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学

53、院* 在阵元间距和工作频率固定的条件下，通过改变阵元的在阵元间距和工作频率固定的条件下，通过改变阵元的馈电相差，可改变天线阵的最大辐射方向馈电相差，可改变天线阵的最大辐射方向相控阵天线工相控阵天线工作原理作原理。3 3、对于任意馈电相差、对于任意馈电相差)arccos(dim 功 分 器 移相器 相控阵雷达天线结构原理 第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*5.6 地面对天线特性的影响1 1、地面可视作导电媒质分界面，影响天线辐射特性；、地面可视作导电媒质分界面，影响天线辐射特性；2 2、实际地面起伏不平，且导电特性各不相同；、

54、实际地面起伏不平，且导电特性各不相同；3 3、本章分析将地面视作无限大理想导电平面。、本章分析将地面视作无限大理想导电平面。一、远离地面架设的天线一、远离地面架设的天线 （h h ） 天线远地架设时，地面的影天线远地架设时，地面的影响主要为电磁传播的响主要为电磁传播的多径效应多径效应。 若天线输入功率为若天线输入功率为 ，天线，天线效率效率 ，则最大辐射方向上，则最大辐射方向上 inPAinAmPGrE601第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*水平极化波水平极化波R R1 1LhhjinAefrPGE212)(160垂直（地面

55、）极化波垂直（地面）极化波R R1 1 LhhjinAefrPGE212)(160二、近地架设的天线二、近地架设的天线 ( (导电率较大导电率较大) ) 天线远地架设时，地面上存在感应的传导电流而形成天线远地架设时，地面上存在感应的传导电流而形成二次辐射源。远区辐射电场由天线和二次源共同形成。二次辐射源。远区辐射电场由天线和二次源共同形成。 二次辐射源可由二次辐射源可由原天线对地面的镜像原天线对地面的镜像代替。代替。第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*1 1、镜像电流、镜像电流 垂直电流垂直电流HEHE水平电流水平电流 HEH

56、E像电流像电流像电流像电流 2 2、垂直地面近地架设的天线、垂直地面近地架设的天线 半波天线半波天线全波天线全波天线正像正像负像负像第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院* 近地近地垂直架设垂直架设的天线，原天线与像天线可视作的天线，原天线与像天线可视作等幅馈等幅馈电电二元天线阵，二元天线阵，阵元间距为阵元间距为2h2h， 馈电相位：馈电相位： 1 1）天线长度等于半波长）天线长度等于半波长奇数倍时：同相奇数倍时：同相； 2 2）天线长度等于半波长）天线长度等于半波长偶数倍时：相差偶数倍时：相差。结论：结论： 例例5-95-9：半

57、波振子天线垂直架设在地表面上，：半波振子天线垂直架设在地表面上，架设高度架设高度 H = 0.25H = 0.25，0.50.5， 0.750.75, , ，做出这四种情况下天线子午面（过振子轴线与地做出这四种情况下天线子午面（过振子轴线与地面垂直的剖面）的方向图。面垂直的剖面）的方向图。解：本题实际上为求解等幅同相馈电二元阵解：本题实际上为求解等幅同相馈电二元阵在不同阵元间距下的方向图。在不同阵元间距下的方向图。第一章 课程设置及天线基本原理近代天线理论近代天线理论电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院*)coscos(sincos2cos),(Hf阵轴与振子轴重合即阵轴与振子轴重合即由前面讨论，二元阵方向函数：由前面讨论，二元阵方向函数