天线基础知识(全)

1、天线与电波传播3/7/202213/7/20222教材教材：天线与电波传播王增和 卢春兰 钱祖平 等编著机械工业出版社参考书：参考书：天线原理2003年7月第一版主 编：江贤祚出版社：北京航空航天大学出版社Antennas: For All Applications1993年第一版主 编：John D. Kraus出版社：the McGraw-Hill Companies出版时间：2002天线编著：美John D.Kraus Ronald J. Marhefka出版社：电子工业出版社2004年4月 第一版Radio Propagation for Modern Wireless Systems

2、编著： 美 John D.Kraus出版社：电子工业出版社Ronald J. Marhefka2002年8月 第一版天线与电波传播天线与电波传播3/7/20223第1章 天线基础知识第2章 窄带天线第3章 宽带天线第4章 口径天线第5章 天线新技术第6章 电波传播概论3/7/202241.1 1.1 天线概述天线概述 天线是任何无线电系统的基本组成部分 天线是一种用来发射或者接收电磁波的器件 天线是将传输线中的导行电磁波转化为空间电磁波 IEEE：发射或者接收系统的一部分，为发射或者接收电磁波而设计 发射天线的作用是将发射机的高频电流（或波导系统中的导行波）的能量有效地转换成空间的电磁能量。而

3、接收天线的作用则恰恰相反。因此天线实际上是一个换能器换能器。高频电流高频电流发射机发射天线接收机接收天线Wave3/7/20225天线的作用天线的作用 发射天线应能使电磁波的能量集中辐射到所规定的方向或区域内，并抑制对其它不需要方向或区域的辐射。接收天线应对某个方向的来波接收最强，而抑制其它方向来波的干扰。也就是说天线应该有一定的方向性方向性。发射天线接收天线wave避免能量损耗避免能量损耗防止干扰防止干扰3/7/20226天线的作用天线的作用3/7/20227天线的方向性天线的方向性3/7/20228天线的方向性天线的方向性3/7/20229D=0.32 , S=0.25 , N=10天线的

4、方向性天线的方向性3/7/202210频段2音频8基低频4低 频（VF)） （VLF） （LF）5中 频（MF）6高 频7甚高频8特高频9超高频10极高频（HF） （VHF ） （UHF） （SHF） （EHF）11121314超长波长波中波超短波分米波厘米波毫米波3Hz30Hz300Hz3kHz30kHz300kHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz3THz30THz300THz105km 104km 103km102km 10km1km100m10m1m10cm1cm1mm10010 1 （公里）（米）（厘米）（毫米）（微米）短波（VLW） （LW） （MW） （

5、SW） （VSW）（米波）音频雷达频率微波频率红外视频无线电广播、通信、遥测、遥控以及导航等无线电系统都是利用无线电波来传递信号的，而无线电波的发射和接收都通过天线来完成。因此天线设备是无线电系统中重要的组成部分。图1.和图2.指出了天线设备在两种典型的无线电系统中的地位。3/7/202211 天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。 这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与发射机或接收机匹配。 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性。 天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当的极化。 天线应有足够的工作频

6、带。 3/7/202212 由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样就产的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样就产生了电磁波。生了电磁波。B BE EB BE EB B 如广播电台如广播电台声声电电电磁波发射电磁波发射电视台电视台声光声光电电电磁波发射电磁波发射E E3/7/202213天线的理论基础天线的理论基础最早的发射天线是赫兹在1887年为了验证麦克斯韦根据理论推导所作关于存在电磁波的预言而设计的。它是两个约为30厘米长、位于一直线上的金属杆，其远离的两端分别与两个约40厘米2的正方形金属板相连接

7、，靠近的两端分别连接两个金属球并接到一个感应线圈的两端，利用金属球之间的火花放电来产生振荡。当时，赫兹用的接收天线是单圈金属方形环状天线，根据方环端点之间空隙出现火花来指示收到了信号。 3/7/202214最早的天线最早的天线19091909年马可尼获得诺贝尔物理学奖，后来享有年马可尼获得诺贝尔物理学奖，后来享有“无线电之父无线电之父”的美誉。的美誉。19331933年年1212月月7 7日至日至1212日，马可尼曾到我国访问，并在南京停留，宣传普及无线电知识，他特别日，马可尼曾到我国访问，并在南京停留，宣传普及无线电知识，他特别讲到：讲到：“贵国地大民众，无线电最有用处，望贵国人士深明此意，

8、联络民众，交换情感，可贵国地大民众，无线电最有用处，望贵国人士深明此意，联络民众，交换情感，可造成一强大无匹之国家造成一强大无匹之国家”。马可尼，意大利人，第一个采用大型天线实现远洋通信的，所用的发射天线由30根下垂铜线组成，顶部用水平横线连在一起，横线挂在两个支持塔上。这是人类真正付之实用的第一副天线。自从这副天线产生以后，天线的发展大致分为四个历史时期。3/7/202215马可尼马可尼 在无线电获得应用的最初时期，真空管振荡器尚未发明，人们认为波长越长，传播中衰减越小。因此，为了实现远距离通信，所利用的波长都在1000米以上。倒L形、T形、伞形天线等。由于高度受到结构上的限制，这些天线的尺

9、寸比波长小很多，因而是属于电小天线的范畴。 后来，业余无线电爱好者发现短波能传播很远的距离，A.E.肯内利和O.亥维赛发现了电离层的存在和它对短波的反射作用，从而开辟了短波波段和中波波段领域。这时，天线尺寸可以与波长相比拟，促进了天线的顺利发展。 这一时期除抗衰落的塔式广播天线外，还设计出各种水平天线和各种天线阵，采用的典型天线有：偶极天线（见对称天线）、环形天线、长导线天线、同相水平天线、八木天线（见八木-宇田天线）、菱形天线和鱼骨形天线等。这些天线比初期的长波天线有较高的增益、较强的方向性和较宽的频带，后来一直得到使用并经过不断改进。 3/7/202216线天线时期：线天线时期：19301

10、930年之前年之前在这一时期，天线的理论工作也得到了发展。H.C.波克林顿在1897年建立了线天线的积分方程，证明了细线天线上的电流近似正弦分布。由于数学上的困难，他并未解出这一方程。后来E.海伦利用函数源来激励对称天线得到积分方程的解。同时，A.A.皮斯托尔哥尔斯提出了计算线天线阻抗的感应电动势法和二重性原理。R.W.P.金继海伦之后又对线天线作了大量理论研究和计算工作。将对称天线作为边值问题并用分离变量法来求解的有S.A.谢昆穆诺夫、H.朱尔特、J.A.斯特拉顿和朱兰成等。3/7/202217线天线时期线天线时期虽然早在1888年赫兹就首先使用了抛物柱面天线，但由于没有相应的振荡源，一直到

11、30年代才随着微波电子管的出现陆续研制出各种面天线。这时已有类比于声学方法的喇叭天线、类比于光学方法的抛物反射面天线和透镜天线等。这些天线利用波的扩散、干涉、反射、折射和聚焦等原理获得窄波束和高增益。第二次世界大战期间出现了雷达，大大促进了微波技术的发展。为了迅速捕捉目标，研制出了波束扫描天线，利用金属波导和介质波导研制出波导缝隙天线和介质棒天线以及由它们组成的天线阵。在面天线基本理论方面，建立了几何光学法，物理光学法和口径场法等理论。当时，由于战时的迫切需要，天线的理论还不够完善。天线的实验研究成了研制新型天线的重要手段，建立了测试条件和误差分析等概念，提出了现场测量和模型测量等方法。在面天

12、线有较大发展的同时，线天线理论和技术也有所发展，如阵列天线的综合方法等。3/7/202218面天线时期：面天线时期：1930-19451930-1945微波中继通信、对流层散射通信、射电天文和电视广播等工程技术的天线设备有了很大发展，建立了大型反射面天线。这时出现了分析天线公差的统计理论，发展了天线阵列的综合理论等。1957年美国研制成第一部靶场精密跟踪雷达AN/FPS-16，随后各种单脉冲天线相继出现，同时频率扫描天线也付诸应用。在50年代，宽频带天线的研究有所突破，产生了非频变天线理论，出现了等角螺旋天线、对数周期天线等宽频带或超宽频带天线。3/7/202219面天线时期：面天线时期：19

13、45-19591945-1959人造地球卫星和洲际导弹研制成功对天线提出了一系列新的课题，要求天线有高增益、高分辨率、圆极化、宽频带、快速扫描和精确跟踪等性能。从60年代到70年代初期，天线的发展空前迅速。一方面是大型地面站天线的修建和改进，包括卡塞格伦天线的出现，正副反射面的修正，波纹喇叭等高效率天线馈源和波束波导技术的应用等；另一方面，沉寂了将近30年的相控阵天线由于新型移相器和电子计算机的问世，以及多目标同时搜索与跟踪等要求的需要，而重新受到重视并获得了广泛应用和发展。3/7/2022205050年代年代-70-70年代年代无线电频道的拥挤和卫星通信的发展，反射面天线的频率复用、正交极化

14、等问题和多波束天线开始受到重视；无线电技术向波长越来越短的毫米波、亚毫米波，以及光波方向发展，出现了介质波导、表面波和漏波天线等新型毫米波天线。此外，在阵列天线方面，由线阵发展到圆阵；由平面阵发展到共形阵；信号处理天线，自适应天线、合成孔径天线等技术也都进入了实用阶段。同时，由于电子对抗的需要，超低副瓣天线也有了很大的发展。由于高速大容量电子计算机的研制成功，60年代发展起来的矩量法和几何绕射理论在天线的理论计算和设计方面获得了应用。这两种方法解决了过去不能解决或难以解决的大量天线问题。随着电路技术向集成化方向发展，微带天线引起了广泛的关注和研究，并在飞行器上获得了应用。同时，由于遥感技术和空

15、间通信的需要，天线在有耗媒质或等离子体中的辐射特性及瞬时特性等问题也开始受到人们的重视。这一时期在天线结构和工艺上也取得了很大的进展，制成了直径为 100米、可全向转动的高精度保形射电望远镜天线，还研制成单元数接近 2万的大型相控阵和高度超过500米的天线塔。3/7/2022217070年代以后年代以后3/7/202222常见的天线形式常见的天线形式3/7/202223常见的天线形式常见的天线形式3/7/202224常见的天线形式常见的天线形式3/7/202225常见的天线形式常见的天线形式3/7/202226常见的天线形式常见的天线形式3/7/202227常见的天线形式常见的天线形式3/7/

16、202228常见的天线形式常见的天线形式3/7/202229常见的天线形式常见的天线形式3/7/202230常见的天线形式常见的天线形式3/7/202231常见的天线形式常见的天线形式3/7/202232常见的天线形式常见的天线形式美国新墨西哥州的射电望远镜阵列是由27面直径25米的抛物面天线组成，甚大天线阵每个天线重230吨，架设在铁轨上，可以移动，所有天线呈Y型排列，每臂长21千米。该甚大天线阵隶属于美国国家射电天文台（NRAO），于1981年建成。3/7/202233常见的天线形式常见的天线形式3/7/202234常见的天线形式常见的天线形式3/7/202235常见的天线形式常见的天线形

17、式3/7/2022361.2 1.2 天线辐射机理天线辐射机理 天线辐射是电磁场中辐射源产生的一种扰动。天线辐射是电磁场中辐射源产生的一种扰动。 天线辐射是时变电流源产生，或者说是由作加速天线辐射是时变电流源产生，或者说是由作加速运动的电荷所激发。运动的电荷所激发。 取一细导线，则电流可以表示成 随时间变化，电流公式又可写为 假如导线的长度为l,则ZlzIqvzzllzdIdvqq adtdtzzllzdIdvllqlq adtdt3/7/202237天线辐射天线辐射 这个公式简单地说明要产生辐射就必须有一个时变的电流或者具有加速度的电荷。我们经常谈到的电流是在时谐状态下的，而电荷往往是讨论其

18、瞬间的情况。为了使电荷产生加速度，必须使导线弯曲或者使其成V形，还可将其表面制成非连续型或使其具有终端。当在时谐条件下振荡时，电荷就会产生周期性的加速度，或者产生时变电流。3/7/202238天线辐射天线辐射zzllzdIdvllqlq adtdt时域，可以得到如下结论： 1.假如没有电荷运动，就不可能产生电流，也不会有辐射。 2. 假如电荷在导线内作匀速运动： a.如果导线是笔直无限长的，就不会有辐射。 b.如果导线被弯曲或制成V形，使其具有终点或将其截断，以及将其表面制成非连续型都将产生辐射。 3.假如电荷在瞬时状态下振动，即便导线是笔直的也将产生辐射。3/7/202239天线辐射天线辐射

19、3/7/202240辐射导线的结构辐射导线的结构3/7/202241天线工作原理天线工作原理3/7/202242天线工作原理天线工作原理3/7/202243 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关； 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。天线工作原理天线工作原理3/7/202244天线工作原理天线工作原理3/7/202245天线工作原理天线工作原理3/7/202246天线工作原理天线工作原理天线的种类很多，按用途可将天线分为通信天线、 广播电视天线、雷达天线等; 按工作

20、波长, 可将天线分为长波天线、中波天线、 短波天线、 超短波天线和微波天线等； 按辐射元的类型可将天线分为两大类: 线天线和面天线。所谓线天线是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; 面天线是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, 超短波波段则两者兼用。 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线、同轴线传输线、波导或微带线等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密, 有时把天线和馈线系统看成是一个部件, 统称为天线馈线系统, 简称天馈系统。 3/7/2022471.3 1.3 天线概览天线概览研究天线问题,

21、 实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件,因此, 求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件,但这往往十分繁杂, 有时甚至是十分困难的。在实际问题中, 往往将条件理想化, 进行一些近似处理, 从而得到近似结果, 这是天线工程中最常用的方法； 在某些情况下, 如果需要较精确的解, 可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。 本书尽可能地绕过繁杂的推导、计算, 主要介绍天线的基本概念、基本理论及与现代 通信紧密相关的新技术及其应用。3/7/202248天线概览天线概览3/7/202249常见天线类型常见天线类型 电小天线 谐振天线 宽带天线 口径

22、天线3/7/202250常见天线类型常见天线类型3/7/20225123.0023.2523.5023.7524.0024.2524.5024.7525.00Freq GHz-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(St(1,1)Ansoft LLCPatch_Antenna_ADKv1Return LossCurve InfodB(St(1,1)Setup1 : Sweep1-200.00-150.00-100.00-50.00 0.0050.00100.00150.00200.00Theta deg-25.00-20.00-15.00-10.00-5.00-0

23、.005.0010.00Y1Ansoft LLCPatch_Antenna_ADKv1XY Plot 2Curve InfodB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq=24.125GHz Phi=0degdB(GainTotal)_1Setup1 : LastAdaptiveFreq=24.125GHz Phi=90deg主要电气参数主要电气参数3/7/202252主要电气参数主要电气参数-200.00-150.00-100.00-50.00 0.0050.00100.00150.00200.00Theta deg-40.00-30.00-20.00-10.0

24、00.0010.0020.00Y1Ansoft LLC18X1_array_new_feedline1XY Plot 3m1m2m3m4m5Curve InfodB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq=24.125GHz Phi=0degdB(GainTotal)_1Setup1 : LastAdaptiveFreq=24.125GHz Phi=90degNameXYm10.000018.0932m22.500014.6833m315.00000.5783m419.000018.2796m5-20.5000 18.8487电基本振子是线状天线的基本单元,因此

25、讨论电基本振子具有重要的实际意义。对电基本振子的分析,我们采用球坐标系。将电基本振子的中心放在坐标系原点。如下图所示所谓电基本振子是指一段载有高频电流的短导线,导线全长 l ,导线直径d l ，线上的电流振幅是相等的，线上各点的电流相位亦认为是同相的。3/7/2022531.4 1.4 电基本振子电基本振子3/7/202254IPzr电基本振子电基本振子reee利用矢量磁位A ，不难求得空间P点的场强。由于电流元的直径很小，可忽略，所以电流元上的电流可视为线电流，即设沿z轴方向，长为z的电基本振子，其电流分布为3/7/202255Ij tie/20/24j RzzzeAIdzR假设：, z0R

26、r 04j rzIdz eAr3/7/202256磁场强度：0000011111 =zzzzHAA zAzAzAz4j rI z eHzr 04j rzIdz eAr3/7/2022574j rI z eHzr 利用球坐标系中的梯度公式，可得144j rj rI zeI zeHrzjrzrrrr00( cossin )sin2rzrr 11sin2j rjI zeHj rr3/7/202258由方程 可以得到电场强度11sin2j rjI zeHj rr01EHj020222cos2111sin2j rrj rjI zeEj rrj rjI zeEj rrj r由上式可见,电基本振子的电场有r

27、和方向两个分量,而磁场只有方向分量。而且电场矢量和磁场矢量相互垂直。在Er，E和H分量中都含有1/r,1/r2和1/r3三 项或其中二项。现根据观察点P离元电辐射体的远近可分为三个区域:近区(r1)和中间区域。3/7/2022591)1) 近区场近区场3/7/20226011sin2j rjI zeHj rr020222cos2111sin2j rrj rjI zeEj rrj rjI zeEj rrj r1 rr或 203sin42cossin4j rnfj rnfI z eHrjI z eErr 23111rrr1j re近区场近区场: : 在近区, kr1, r，电场E和Er与静电场问题

28、中的电偶极子的电场相似, 磁场H和恒定电流场问题中的电流元的磁场相似, 所以近区场称为准静态场; 由于场强与1/r的高次方成正比, 所以近区场随距离的增大而迅速减小, 即离天线较远时, 可认为近区场近似为零。 电场与磁场相位相差90（电场滞后于磁场）, 说明玻印廷矢量为虚数, 也就是说, 电磁能量在场源和场之间来回振荡, 没有能量向外辐射, 所以近区场又称为感应场。 3/7/202261计算近区场的平均功率流密度矢量 此结果表明电偶极子的近区场没有电磁功率向外输出。应该指出，这是忽略了场表示式中的次要因素所导致的结果，而并非近区场真的没有净功率向外输出。202251sinsin 2232nfn

29、fnfI zEHjrr S3/7/202262近区场近区场: : 的区域称为远区，在此区域中 整理得：1r23111rrr0sin2sin2rjrjrEEIzEjerIzHjer3/7/2022632) 远远区场区场3/7/202264由此可见远区场具有下列特点:(1)在远区, 电基本振子的场只有E和H两个分量, 它们在空间上相互垂直, 在时间上同相位,所以其玻印廷矢量 是实数,且指向 r 方向。这说明电基本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波,所以远区场又称辐射场;(2)远区场纵向分量ErE,而磁场分量只有横向分量H, E/H=0u0/0=120（）是一常数, 即等于媒质的本征阻抗,

30、 因而远区场具有与平面波相同的特性;故远区场近似为TEM波。12EHS(3) 远区场的相位随r的增加不断滞后,其等相位面为r等于常数的球面。辐射场的强度与距离成反比, 随着距离的增大, 辐射场减小。这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的,当距离增大时, 辐射能量分布到更大的球面面积上;(4)在不同的方向上, 辐射强度是不相等的。 这说明电基本振子的辐射是有方向性的。3/7/2022652*0221122 60sin2SEHHrI zrr3/7/20226622230022sin 60sin2 40SSSPS dsS rrd dI zddI z (5)辐射功率与辐射电阻：天线通过辐射场向外部空

31、间辐射电磁波,其辐射功率即为通过包围此天线的闭合曲面的功率流的总和,即由上式可见辐射功率与天线的结构,电尺寸以及激励电流有关。为了说明辐射体本身的特性,我们引入另一个参量辐射电阻R,定义为电基本振子的辐射电阻：3/7/20226722PRI2280zR(6) 方向性： 由式可以看出,电基本振子的辐射场强值在等r距离的球面空间各个方向上是不相同的。 方向性函数的坐标图形称为方向性图,它形象描写辐射体向空间不同方向上的辐射能力。由于方向性函数是坐标和的函数,因此三维坐标系统中的方向性图为立体图。3/7/2022680sin2sin2jrjrIzEjerIzHjer(7) 远区场的E和H两个分量中包

32、含了3个部分：比例系数方向性函数 F(,)=sin球面波因子3/7/2022690sin2sin2jrjrIzEjerIzHjer02Ilj rer3/7/2022701.6 1.6 磁基本振子磁基本振子在讨论了电基本振子的辐射情况后, 现在再来讨论一下磁基本振子的辐射。我们知道, 在稳态电磁场中, 静止的电荷产生电场, 恒定的电流产生磁场。那么, 是否有静止的磁荷产生磁场, 恒定的磁流产生电场呢？ 迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在。但是, 如果引入这种假想的磁荷和磁流的概念, 将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代,即将“电源”换成等

33、效“磁源”, 可以大大简化计算工作。3/7/202271小环天线：最大尺寸不超过十分之一波长的闭合电流环路“小”- 电尺寸，相对于工作波长而言磁基本振子：小环天线 （当交变电流通过小环天线时，其外界电磁场分布相当于一个极性N-S交替变化的条形磁铁分布，故小环天线也成为磁基本振子、磁流元），小电流环的辐射场与磁偶极子的辐射场相同，稳态场有这种特性, 时变场也有这种特性。磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射 磁基本振子又称为磁偶极子、磁流元，其实际模型是一个小电流圆环，它的周长远小于波长，且环上载有的时谐电流处处等福同相，表示为 cosRej ti tItIe8.3.1 小电流环及其等效磁矩3/7/2

34、02272 磁荷为： 磁极间的假想电流为： 根据电磁对偶原理，自由空间的磁偶极子与自由空间的电偶极子取如下的对偶关系： 0000,MEMEMMHEEHqqII0Misql0ddddMMsqiItlt3/7/202273对偶原理法对偶原理法3/7/202274设有一个电流密度为J1的电流源，其媒质参数为（1 1 1），其满足：1111111EjHHjEJ 设有一个磁流密度为M2的电流源，其媒质参数为（2 2 2），其满足：2222222HjEEjHM 1 1中变量中变量2 2中替代变量中替代变量J1M212 1 2E1H2H1-E23/7/202275磁基本振子完整场解磁基本振子完整场解2220

35、2011sin 2111sin 222 cos 2mj rmj rmj rjIzeEj rrjIzeHj rrj rjIzerj rrj r 3/7/202276磁基本振子的远区场解磁基本振子的远区场解220sin 2sin 2mj rmj rjIz eErjIz eHr 比较电基本振子的远区场E与磁基本振子的远区场E可以发现它们具有相同的方向函数|sin|, 而且在空间相互正交, 相位相差90。所以将电基本振子与磁基本振子组合后,可构成一个椭圆（或圆）极化波天线。3/7/202277直接积分法直接积分法参考课本第参考课本第1818页页3/7/2022781.7 1.7 天线的方向性天线的方向

36、性 天线辐射的方向性 辐射功率密度的方向性3/7/2022791.7.1 1.7.1 方向函数方向函数 电基本振子远区辐射场：2*0221122 60sin2SEHHrI zrr沿z轴方向无辐射，在与振子垂直的方向辐射最强。 功率密度S分布的不均匀性，并不是电基本振子的特有现象，它是一切矢量波辐射系统的共同特征。电磁波属于矢量波，所以任何形式的真实天线发出的功率密度S在空间的分布都是不均匀的（S的不均匀性源于远区电场E/远区磁场H的不均匀性）。3/7/202280可以证明，任何一个（相位中心和坐标原点重合的）实际天线（含天线阵列），必然满足如下远区电场分布通式： 0,j reEUVffr 式中

37、，U0()是与场点坐标(r,)无关的复常数，仅取决于场源的强度；f(,)为电场分布的方向函数。P.22，例1-4，给出了基本振子的远区电场通式的具体表达式22,fff 3/7/202281通式中，复常数U0()并没有唯一性，与方向函数的写法有关。 方向函数的写法，一般应兼顾数学和工程上的习惯： （1）电流分布具有围绕z轴旋转对称且沿z轴流动，则 （2）磁流分布具有围绕z轴旋转对称且沿z轴流动，则 （3）电流分布具有围绕z轴旋转对称且沿方向流动，则 0,j reEUVffr , 0fff , 0fff , 0fff垂直极化垂直极化水平极化水平极化水平极化水平极化3/7/202282P.22 P.

38、22 例例 1-51-5 线极化线极化 圆极化、椭圆极化圆极化、椭圆极化空间上空间上、正交的电场分量通式存在仅仅是圆正交的电场分量通式存在仅仅是圆/ /椭椭圆极化的必要条件，并非充要条件；充分条件是追加圆极化的必要条件，并非充要条件；充分条件是追加时间上正交分量相位相差时间上正交分量相位相差9090的条件。的条件。3/7/2022831.7.2 1.7.2 方向图方向图 辐射方向图简称为方向图，是方向函数f(,)的图示。 方向图形象、直观、弥补了方向函数的抽象性。 复杂天线系统，其很难求解出较为准确的方向图函数的解析表达式，此时必须借助测量得到的数据绘出方向图，以了解天线的辐射特性。3/7/2

39、022841. 1. 方向图的分类方向图的分类 空间维数：三维立体方向图、两维平面方向图 主截面：平面方向图 - E面方向图、H面方向图 坐标系：平面方向图 - 直角坐标方向图、极坐标方向图 坐标轴刻度：线性坐标、对数坐标 对象不同：场强方向图（方向图）、功率方向图3/7/2022852. 2. 立体方向图立体方向图 方向函数f(,)是在与天线保持固定距离情况下测量出来的，定量性差。归一化方向函数：max,fFf 3/7/2022863. E3. E面、面、H H面方向图面方向图E面方向图：由最大辐射方向(max,max)和该方向上远区电场E的方向所确定的E面，与立体方向图相截，所得的平面方向

40、图。H面方向图：由最大辐射方向(max,max)和该方向上远区磁场H的方向所确定的H面，与立体方向图相截，所得的平面方向图。P.26 P.26 图图 1-16 1-16 电基本振子电基本振子E E面、面、H H面方向图面方向图3/7/2022874. 4. 方向图的参数方向图的参数1.0半功率点主瓣轴0.50.5副瓣半功率波束宽度(HPBW)典型的功率方向图3/7/202288通常考虑以下几个参数： （1）主瓣宽度 主瓣轴线两侧的两个半功率点（即功率密度下降为最大值的一半或场强下降为最大值的 ）的矢径之间的夹角，称为主瓣宽度，表示为 （E面）或 （H面）。主瓣宽度愈小，说明天线辐射的能量愈集中

41、，定向性愈好。电偶极子的主瓣宽度为 。 （2）副瓣电平 最大副瓣的功率密度S1和主瓣功率密度S0之比的对数值，称为副瓣电平表示为 通常要求副瓣电平尽可能低。 120.520.520901010lgdBSSLLS3/7/202289（3）前后比 主瓣功率密度S0与后瓣功率密度Sb之比的对数值，称为前后比。表示为 通常要求前后比尽可能大。 010lgdBbSFBS3/7/2022901.7.3 1.7.3 方向性系数方向性系数p 在相等的辐射功率下，受试天线在其最大辐射方向上某点产生的功率密度与一理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度的比值，定义为受试天线的方向性系数。表示为 002maxmax

42、200PPPPrrrrSEDSE3/7/202291式中的Pr和Pr0分别为受试天线和理想的无方向性天线的辐射功率。故20222max0002222max00,1dd21,sin d d2,sin d d240rssEPsEFrErF 平均Ss2max22200240,sin d drPErF 3/7/202292而理想的无方向性天线的辐射功率为故则上式为计算天线方向性系数的公式。 222220000044260rEE rPSrr200260rPEr02max2220004,sin d dPPrrEDEF 3/7/202293例8.4.1 计算电偶极子的方向性系数解：电偶极子的归一化方向性函数

43、为故若用分贝表示，则为D=10lg1.5=1.76dB.,sinF 220041.5sinsin d dD 3/7/202294天线的效率定义为天线的辐射功率Pr与输入功率Pin的比值，表示为rrAinrLPPPPP1.7.4 1.7.4 效率效率式中的PL为天线的总损耗功率，通常包括天线导体中的损耗和介质材料中的损耗。若把天线向外辐射的功率看作是被某个电阻吸收的功率，该电阻称为辐射电阻Rr。同样，把总损耗功率也看作电阻上的损耗功率，该电阻称为损耗电阻。则有故天线的效率可表示为可见，要提高天线的效率，应尽可能增大辐射电阻和降低损耗电阻。 2211,22rrLLPI RPI RrrArLrLPR

44、PPRR3/7/2022951.7.5 1.7.5 增益增益 G G 在相同的输入功率下，受试天线在其最大辐射方向上某点产生的功率密度与一理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度的比值，定义为该受试天线的增益系数。表示为式中的Pin和Pin0分别为受试天线和理想的无方向性天线的输入功率 .考虑天线效率的定义可得:以及002maxmax200PPPPininininSEGSEAGDmax60inGPEr3/7/202296考虑天线效率的定义可得:以及AGDr0max60inPPGPEr对于无方向性天线， 故G=1,则例如，为了在空间一点M处产生某特定值的场强，若采用无方向性天线来发射需输入10W

45、的功率；但采用增益系数G=10的天线发射，则只需输入1W的功率。 r00max60inPPPEr1,1AD3/7/2022971.8 1.8 天线的电参数天线的电参数 方向特性：方向图（BW0.5、FSLL）、方向系数D、增益G 阻抗特性：输入阻抗Zin、效率A 带宽特性：带宽、上限频率fU、下限频率fL 极化特性：极化、极化隔离度 扫描特性3/7/2022981.8.2 1.8.2 阻抗特性阻抗特性1 1输入阻抗输入阻抗天线的输入阻抗定义为天线输入端的电压与电流的比值，表示为inininininUZRjXI式中的Rin表示输入电阻，Xin表示输入电抗。天线的输入端是指天线通过馈线与发射机（或

46、接收机）相连时，天线与馈线的连接处。天线作为馈线的负载，通常要求达到阻抗匹配。2222inininin ininininininin inininPjOUU IPZRjXII IIIinP3/7/2022992 2辐射阻抗辐射阻抗Z与输入阻抗与输入阻抗Zin的区别与联系的区别与联系 两者归算电流不尽相同：输入阻抗Zin必须用输入电流Iin归算；辐射阻抗不是一个电路量，可以自由选择归算电流。 即使都使用相同的Iin进行归算，Z和Zin两者还是不同,因为存在着损耗功率，所以天线效率不是100%。 若天线效率是100%，Z和Zin两者是否相等？ 借助数值方法求解，Z和Zin之间是否可以完全逼近？3/

47、7/20221003. 3. 辐射电阻辐射电阻R R与方向系数与方向系数D D的联系的联系电基本振子或者线电流源，其远区电场为式中，Im是辐射电阻R R的归算电流。则，辐射电阻辐射电阻R R与方向系数与方向系数D D的乘积为：的乘积为：m60I,j reEjfr 2max120,RDf 3/7/20221011.8.3 1.8.3 带宽特性带宽特性300350400450500Frequency (MHz)-60-50-40-30-20-100102030405060s11 (dB)上限频率 fU 下限频率 fL 中心频率 fC 相对带宽 倍频带宽 100%ULpCffBfUrCfBf3/7/

48、20221021.8.3 1.8.3 极化特性极化特性天线的极化特性是天线在其最大辐射方向上电场矢量的取向随时间变化的规律。正如在波的极化中已讨论过的，极化就是在空间给定上，电场矢量的端点随时间变化的轨迹。按轨迹形状分为线极化、圆极化和椭圆极化。3/7/2022103线极化线极化3/7/2022104如果电磁波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫做椭圆极化波。在旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。3/7/20221051.8.4 1.8.4 最佳接收条件最佳接收条件 接收天线的最大接收

49、方向对准来波方向； 接收天线的极化与来波的极化匹配； - 凡是正交极化，插入损耗为无穷大，信号阻断；用线极化天线接收椭圆极化天线，或者反过来，其插入损耗均为3dB 接收天线的负载与自身的阻抗匹配。3/7/20221061.9 1.9 接收天线理论接收天线理论一、一、天线接收的物理过程及收发互易性天线接收的物理过程及收发互易性 上图所示为一接收天线，它处于外来无线电波Ei的场中, 发射天线与接收天线相距甚远, 因此, 到达接收天线上各点的波是均匀平面波。 设入射电场可分为两个分量: 一个是垂直于射线与天线轴所构成平面的分量E1, 另一个是在上述平面内的分量E2。 只有沿天线导体表面的电场切线分量

50、Ez=E2sin才能在天线上激起电流, 在这个切向分量的作用下, 天线元段dz上将产生感应电动势e=-Ezdz。3/7/20221073/7/20221083/7/20221093/7/20221103/7/20221113/7/20221123/7/20221133/7/20221143/7/20221153/7/20221161.10 1.10 短振子与半波振子短振子与半波振子1.10.1 短振子 尺寸远小于一个波长的天线称为电小天线，一般要求其尺寸在工作波长的十分之一以下。 （电尺寸与物理尺寸的区别） 最简单的电小天线是短振子天线。3/7/2022117短振子电流与电场分布3/7/202

51、2118短振子天线模型： l。电流由中间最大值I线性地递降到端点的零应用k(h1+h2)1条件，得到 所以用电基本振子辐射场公式计算短振子天线的场，只要将l=h1+h2 以及I=I0/2 代入即可。z 短振子天线I0 xy0201(1) 0( )(1) 0zIhzIhzI zz21012 1( )( )d()2hhUI zzI hhO3/7/2022119短振子电流分布函数：hzIzI|1)(0h短振子电场分布函数：sin200rehIjErj3/7/2022120短振子性质：短振子性质：1.1.短振子天线与电基本振子的方向函数相同，均为短振子天线与电基本振子的方向函数相同，均为 ；2.2.短

52、振子仅相当于强度为短振子仅相当于强度为 的电基本振子，即短振子的电基本振子，即短振子的有效长度仅为几何长度的有效长度仅为几何长度 的一半，也就是说的一半，也就是说3.3.短振子的辐射电阻仅为同等长度电基本振子的短振子的辐射电阻仅为同等长度电基本振子的1/4 1/4 。 sinzhle21hI0z3/7/2022121可以看到：电流分布不均匀使得线天线的有效长度小可以看到：电流分布不均匀使得线天线的有效长度小于几何长度。于几何长度。想要提升短振子的辐射电阻，思路有两条：1）设法使电流分布变得均匀一些；2）设法让电荷相对集中于天线的两端。 在末端加载金属盘，称为电容极板天线、带帽天线 模拟电基本振

53、子的天线，加载传输线天线3/7/20221221.10.2 半波振子 从结构上看，半波振子与短振子无本质区别。 半波振子的长度L为二分之一波长，故曰半波振子。3/7/2022123z10.70778x, y半波振子天线E面方向图yzxl/2l/2II中心激励振子天线3/7/2022124zIzIzImmcos|4sin)(sincos2cos60 cossin604/4/cosreIjzdezreIjErjmzjrjmsincos2cos)()( fF半波振子电流分布函数：半波振子电场分布函数：3/7/20221251.11 1.11 天线阵的方向特性天线阵的方向特性 天线阵天线阵，又称为阵列天线阵列天线：由若干个单元天线按一定方式排列起来的辐射系统 阵元阵元：构成天线阵列的单元天线，阵元可以是线天线（半波振子）、环天线、微带天线、缝隙天线或其他形式的天线。 组阵目的组阵目的：为了增强辐射方向性或者为了得到既定的方向性。 天线阵