第5章 天线基础

物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）第5章

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天线概述5.1基本振子的辐射5.2天线的电参数5.3对称振子天线5.4天线阵5.5物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）其他类型天线简要介绍

5.6点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）

天线概述5.1点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.1.1天线的定义

凡是利用电磁波来传递信息和能量的，都依靠天线来进行工作，天线是用来发射或接收无线电波的装置和部件。

天线是无线通信系统的第一个器件和最后一个器件。点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.1.2天线的分类 1.天线按照波段分类 2.天线按照结构分类

（1）线状天线

（2）面状天线

（3）缝隙天线

（4）微带天线 3.天线按照用途分类

点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.1.3天线的研究方法 1.叠加原理

天线的辐射符合叠加原理。 2.研究天线的三个方法

（1）解析解

（2）数值解

（3）仿真软件 Ansoft公司的HFSS，CST公司的MWS等

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基本振子的辐射5.2点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）

各种天线都可以分割成无限多个基本元，每一个基本元上电磁流的振幅、相位和方向均假设是相同的。基本元是一种基本的辐射单元，实际天线可以看成是无穷多个基本元的叠加，如果掌握了基本元的辐射特性，可以按照电磁场的叠加原理，得出各类天线的辐射特性。RFID天线主要由电基本振子和磁基本振子这两种基本元构成。

点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.2.1电基本振子的辐射

电基本振子是为分析线天线而抽象出来的天线最小构成单元。电基本振子是一段长度

远小于波长的细短导线，导线上电流的振幅和相位都认为是恒定的，电流为等幅同相分布。设该电基本振子位于坐标原点，并沿

轴放置在自由空间，如图5.2所示。点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）1.天线近区场

近区场的条件为

(5.2)低频和高频RFID工作在天线的近区。近区电磁场为(5.3)点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）2.天线远区场

远区场的条件为

(5.5)微波RFID工作在天线的近区。远区电磁场为(5.6)点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.2.2磁基本振子的辐射

实际上，并不真正存在磁基本振子，但它可以与一些实际波源相对应，用此概念可以简化计算。半径远小于波长的小电流环，辐射场与电基本振子相对偶，小电流环可以等效为一个磁基本振子。点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）天线的电参数5.3点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.3.1发射天线的电参数1.天线的效率

天线在工作时，并不能将输入天线的能量全部辐射出去。天线的效率定义为天线的辐射功率

与输入功率

的比值，即：（5.15）上式中，

是天线的总损耗能量，包括天线导体的损耗和天线介质的损耗。点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）2.输入阻抗

天线的输入阻抗定义为天线输入端电压与电流的比值，即：（5.17）天线的输入端是指天线与馈线的连接处。天线作为馈线的负载，通常要求做到阻抗匹配。点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）3.方向性函数

天线的方向性函数，是指以天线为中心，在相同距离

的条件下，天线辐射场与空间方向的关系，是天线辐射场的相对值。

例如，电基本振子的电场为方向性函数为

。点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）4.方向图

（1）立体方向图

（2）E面方向图

（3）H面方向图

（4）主瓣宽度

（5）旁瓣电平

（6）前后比

点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.方向性系数

在离开天线某一距离处，天线在最大辐射方向上产生的功率密度，与天线辐射出去的能量被均匀分到空间各个方向（即理想无方向性天线）时的功率密度之比，称为天线的方向性系数。

电基本振子的方向性系数为1.5。

点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）6.增益

增益定义为当天线与理想无方向性天线的输入功率相同时，两种天线在最大辐射方向上辐射功率密度之比。增益同时考虑了天线的方向性系数和效率。

点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）7.有效长度

很多天线上的电流分布是不均匀的。天线有效长度的定义是，在保持实际天线最大辐射方向上场强不变的前提下，假设天线上的电流为均匀分布，电流的大小等于输入端的电流，此假想天线的长度。

点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）8.极化

天线的极化是指在天线最大辐射方向上，电场矢量的方向随时间变化的规律。极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。

天线不能接收与其正交的极化分量，例如，垂直线极化天线不能接收水平线极化波。接收天线要保持与发射天线极化匹配，例如，左旋圆极化天线不能接收右旋圆极化波。点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）9.频带宽度

天线的所有电参数都与频率有关。当频率偏离中心频率时，会引起电参数的变化。将天线的电参数保持在规定技术指标要求之内的频率范围，称为天线的工作频带宽度，简称为天线的带宽。窄频带天线的相对带宽只有百分之几，宽频带天线的相对带宽可以达到百分之几十，超宽频带天线的相对带宽可以达到几个倍频程。

点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.3.2互易定理和接收天线的电参数

某一天线作为接收天线的电参数，与作为发射天线的电参数相同，符合互易定理。

任何天线用作接收时，它的方向性、阻抗、极化和有效长度等，均与用作发射天线时相同。点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）对称振子天线5.4点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）

对称振子天线的结构如图5.8所示。对称振子天线是一种应用广泛的基本线形天线，它既可以单独使用，又可以作为天线阵的单元。点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.4.1对称振子天线的电流分布

要计算天线的辐射场，首先需要知道天线上的电流分布。（5.28）点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.4.2对称振子天线的辐射场与方向图1.对称振子天线的辐射场

对称振子天线的辐射电场为（5.29）点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）2.对称振子天线的方向图

点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.4.3对称振子天线的辐射电阻

电基本振子的辐射功率曾用一个等效电阻的消耗来等效，这个等效电阻称为辐射电阻。

（1）半波对称振子的辐射电阻为

（2）全波对称振子的辐射电阻为点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.4.4对称振子天线的输入阻抗

点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）天线阵5.5点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）

用许多单元天线按一定方式排列构成一个辐射系统，这个辐射系统称为天线阵，构成天线阵的每个单元称为阵元。天线阵的辐射特性取决于阵元的结构、数目、排列方式、间距、阵元上电流的振幅和相位等。按阵元的排列方式，天线阵有直线阵、平面阵和立体阵等。点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.5.1二元阵与方向性乘积原理

二元阵由两个相距较近、取向一致的阵元组成。下面讨论由对称振子构成的二元阵，如图5.11所示。

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天线阵在观察点产生的辐射电场为

（5.39）归一化方向性函数

等于阵元归一化方向性函数

与阵因子归一化方向性函数

的乘积，称为方向性乘积原理。点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.5.2均匀直线阵

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物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）其他类型天线简要介绍

5.6点击此处结束放映物联网-射频识别（RFID）核心技术详解（第2版）5.6.1引向天线

引向天线又称为八木天线，是一种广泛应用于米波和分米波的天线。引向天线是一个紧耦合寄生振子端射阵，它由一个有源振子、一个反射振子（稍长于有源振子）和若干个引向振子（稍短于有源振子）构成，除有源振子通过馈线与信号源或接收机连接外，其余振子均为无源振子。

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图5.13引向天线

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