《电磁波与天线仿真与实践》课件-电波与天线知识点12 天线的基本概念及参数

谭立容电话858422751号实训楼B511电子信息学院南京信息职业技术学院天线的基本概念及参数本次课内容天线的作用天线的分类

天线辐射的基本原理天线的主要特性参数

接收天线的基本原理天线的作用与分类天线在无线通信系统中的作用

天线是可以发射或接收电磁波的装置。通信是当今信息社会进行信息传输、信息交换、信息资源共享的不可缺少的重要手段。根据信息传递媒质的不同，可大致将通信系统分为两大类：一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息的有线通信,如电话、计算机局域网等有线通信系统；另一类是利用无线电波来传递信息的无线通信，如电视、广播、雷达、导航、移动通信、卫星等无线通信系统。天线设备在无线电通信系统中的应用

1发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线,通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量,并向所需方向辐射出去。2

到达接收点后,接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量转换为已调制的高频电流能量,经馈线输送至接收机输入端。3天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备,它的选择与设计是否合理,对整个无线电通信系统的性能有很大的影响,若天线设计不当,就可能导致整个系统不能正常工作。图无线电通信系统示意图从通信系统信息传递过程看，天线的作用主要有：

完成高频电流或导行波与空间无线电波能量之间的转换，因此称天线为能量转换器。

为了有效地完成这种能量转换,要求天线是一个良好的“电磁开放系统”，还要求天线与它的源或负载匹配，并应有足够的工作频率范围。

天线辐射的电磁波电磁波的激发当天线馈以随时间谐变的电流，谐变电流将在其周围激发出随时间简谐变化的磁场，谐变的磁场又将激发出谐变的电场。导线外部空间谐变电磁场相互激发并向外延伸传播，形成电磁波。源区天线的辐射原理：开放结构更易向外辐射天线的分类天线的种类很多，主要有以下一些分类方法:

(1)按用途可将天线分为通信天线、导航天线、广播电视天线、雷达天线和卫星天线等。

(2)按工作波长可将天线分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。

(3)按辐射元的类型可将天线分为两大类：线天线和面天线。线天线由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长波、中波和短波波段；面天线由尺寸大于波长的金属或介质面构成，主要用于微波波段。这两种天线都可用于超短波波段。

(4)按天线特性分类：按方向特性分，有定向天线、全向天线、强方向性天线和弱方向性天线；按极化特性分，有线极化(垂直极化和水平极化)天线、椭圆极化天线和圆极化天线；按频带特性分，有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。

(5)按天线外形分，有V形天线、菱形天线、环行天线、螺旋天线、喇叭天线和反射面天线等。天线的分类按照天线的外形分类：天线的分类按照天线辐射方向分类：定向全向天线的分类按照天线的极化方式分类：圆极化椭圆极化线极化（水平极化、垂直极化）在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，电视天线常采用水平极化该天线为线极化天线（例如，圆极化螺旋天线、圆极化微带切角天线等）微带天线电基本振子的辐射电基本振子的辐射电基本振子又称电流元，是一段载有高频电流的短导线，其长度l远远小于波长λ。沿导线各点的电流周期性发生变化，其规律为：它是构成各种线式天线的最基本单元。任何线式天线都可以看成是由许多基本振子组成的，天线在空间中的辐射场可以看作是由这些电基本振子的辐射场叠加得到的。因此，要研究各种天线的特性，首先应了解电基本振子的辐射特性。电磁场理论中已给出的在球坐标原点O沿z轴放置的电基本振子（如图2-1所示）在各向同性理想均匀无限大的自由空间产生的各个电磁场分量为(2-1-1)式中:β为相移常数，β=2π/λ=ω/ν（β也是媒质中电磁波的波数），在自由空间中，媒质的介电系数ε=ε0=10-9/36πF/m，导磁率μ=μ0=4π×10-7H/m;有关时间的因子ejωt被略去;r为坐标原点O至观察点M的距离;θ为射线OM与振子轴（即z轴）之间的夹角;φ为OM在xOy平面上的投影OM′与x轴之间的夹角，如图2-2所示;λ为自由空间波长;电场E的单位是V/m;磁场H的单位是A/m;下标r、θ和φ表示球坐标系中的各分量;I是振子上的电流，单位是A。图2-1电基本振子的辐射图2-2电基本振子与球坐标系统

1．近区场当βr<<1时，由β=2π/λ可知近区场是指r<<λ/2π，即靠近电基本振子的区域，在此区域，与r-2及r-3项相比，r-1项可忽略，可认为e-jβr≈1。由于r很小，故只需保留式(2-1-1）中的1/r的高次项，得到电基本振子的近区场表达式为(2-1-2）分析式(2-1-2），可以得出以下结论：（1）场随距离r的增大而迅速减小。（2）电场滞后于磁场90°，由于电场和磁场存在π/2的相位差，因此坡印廷矢量是虚数，每周期平均辐射的功率为零。在此区域，电磁能量在源和场之间来回振荡，在一个周期内，场源供给场的能量等于从场返回到场源的能量，能量在电场和磁场以及场与源之间交换，而没有能量向外辐射，所以近区场也称为感应场。

2．远区场对于天线来说，有实用意义的是远区场，或称辐射场。当βr<<1时，r>>λ/2π，电磁场主要由r-1项决定，r-2和r-3项可忽略。由式(2-1-1）可得式(2-1-3）:(2-1-3）这里是同时将β2=ω2ε0μ0，ω=2πf=2πc/λ，c为光速即3×108m/s代入式(2-1-1）而得到式(2-1-3）的。分析式(2-1-3），可以看出电基本振子的远区场具有如下特点：（1）在远区场，只有Eθ和Hφ两个分量，它们在空间上相互垂直，在时间上同相位，所以其坡印廷矢量

是实数，且指向r方向；

三者构成右手螺旋关系，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，电磁能量离开场源向空间辐射，不再返回，所以远区场又称辐射场。（2）Eθ/Hφ=Z0==120π(Ω)，说明辐射场的电场强度与磁场强度之比是一常数，它具有阻抗的量纲，称为波阻抗，用Z0来表示。由于两者的比值为一常数，故在研究电基本振子的辐射场时，只需讨论两者中的一个量就可以了。例如讨论Eθ，由Eθ就可得出Hφ。远区场具有与平面波相同的特性。（3）辐射场的强度与距离成反比，即随着距离的增大，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，辐射能量分布到以r为半径的更大的球面面积上。（4）电基本振子在远区的辐射场是有方向性的，其场强的大小与函数sinθ成正比。在θ=0°和180°方向上，即在振子轴的方向上辐射为零，而在通过振子中心并垂直于振子轴的方向上，即θ=90°方向上辐射最强。图2-3电基本振子的方向图

(a)方向图的立体模型;(b)E面方向图;(c)H面方向图;(d)E面直角坐标方向图天线的主要特性参数天线的主要特性参数一、天线的方向特性及方向图天线辐射或接收无线电波时，一般具有方向性，即天线所产生的辐射场的强度在离天线等距离的空间各点，随着方向的不同而改变，或者天线对于从不同方向传来的等强度的无线电波接收的能量不同。换句话说，即天线在有的方向辐射或接收较强，在有的方向则辐射或接收较弱，甚至为零。天线的辐射与接收作用分布于整个空间，因而天线的方向性即天线在各方向辐射（或接收）强度的相对大小可用方向图来表示。以天线为原点，向各方向作射线，在距离天线同样距离但不同方向上测量辐射（或接收）电磁波的场强，使各方向的射线长度与场强成正比，即得天线的三维空间方向分布图。（注意：不同长度的矢量都表示不同方向但离天线同样远的各点的场强）。这样的方向图是一空间曲面，如图2-6（a）所示。

也可用场强振幅的方向性函数表示在以天线为中心，某一恒定距离为半径的球面（处于远区场）上辐射场强振幅的相对分布情况。场强振幅分布的方向性函数一般表示为

将方向性函数在坐标系描绘出来，就是方向图。这种方向图是一个三维空间的立体图，任何通过原点的平面，与立体图相交的轮廓线称为天线在该平面的平面方向图。工程上一般采用两个相互正交的主平面上的方向图来表示天线的方向性，这两个主平面常选E面和H面。E面是通过天线最大辐射方向并平行与电场矢量的平面；H面是通过天线最大辐射方向并垂直于E面的面图2-6天线空间与平面方向图(a)天线空间方向图;(b)E平面方向图;(c)H平面方向图（a）对称振子天线立体方向图;(b)E平面方向图图2-7用极坐标表示的天线方向图对于强方向性天线，其方向图可能包含有多个波瓣，它们分别被称为主瓣、副瓣及后瓣。图2-7表示一个极坐标形式的方向图。图2-8用直角坐标表示的天线方向图由图可见，主瓣就是具有最大辐射场强的波瓣。图中的主瓣正好在θ=0°的特殊方向上。方向图的主瓣也可能偏离这个特殊方向，而处于某一个角度方向上。除主瓣外,所有其他的波瓣都称为副瓣。把处于主瓣正后方的波瓣称为后瓣。当后向辐射及后瓣较大时，可能造成电路串扰。为此，我们定义了

方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为F/B。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F/B的计算十分简单F/B=10Lg{（前向功率密度）/（后向功率密度）。前后比(Front-BackRatio)前后比表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在25－30dB之间，应优先选用前后比为30的天线。判断题：天线前后比越大方向性越好（）天线前后比越大增益越大（）天线原理—天线基本概念前后比较差前后比较好

1．主瓣宽度主瓣集中了天线辐射功率的主要部分。所谓主瓣宽度，就是主瓣最大辐射方向两侧、半功率点之间的夹角，即辐射功率密度降至最大辐射方向上功率密度一半时的两个辐射方向间的夹角，以2θ0.5表示。对场强来说，主瓣宽度是指场强降至最大场强值的

1/=0.707时的两个方向间的夹角。主瓣最大方向两侧的第一个零辐射方向间的夹角，称为零点波瓣宽度，并用2θ0表示。主瓣宽度越窄，天线的方向性就越强。

根据天线理论，天线在某一平面内的主瓣宽度与天线在这一平面内的最大尺寸和波长的比值成反比，即与L/λ成反比。

米波的引向天线的主瓣宽度约为几十度到十几度，厘米波段的抛物面天线为几度或一度以下。天线辐射参数－波束宽度10dB波瓣宽度120°(eg)峰值峰值-10dB峰值-10dB60°(eg)峰值峰值-3dB峰值-3dB3dB波瓣宽度

2．副瓣电平副瓣(又称旁瓣)电平的定义是：最大副瓣的极大值与主瓣最大值之比的对数值，即式中：S1和S0分别代表副瓣和主瓣的功率通量密度；E1和E0分别代表副瓣和主瓣的场强。副瓣代表天线在不需要的方向上的辐射或接收。必须尽可能地使方向图中的副瓣小些。有了副瓣不仅会使一部分辐射能量白白向空间不必要的方向散失，而且在接收时，外部干扰信号会从副瓣进入接收机，影响设备的正常工作。方向性系数、天线增益、天线效率

方向性系数方向图虽然可以形象地表示天线的方向性，但是不便于在不同天线之间进行比较。为了定量地比较不同天线的方向性，引入了“方向性系数”这个参数，它表明天线在空间集中辐射的能力。在确定方向性系数时，通常我们以理想的无方向性天线作为参考的标准。无方向性天线在各个方向的辐射强度相等，其方向图为一球面。我们把无方向性天线的方向性系数取为1。方向性系数的定义是：设被研究天线的辐射功率PΣ和作为参考的无方向性天线的辐射功率PΣ0相等，即PΣ=PΣ0时，被研究天线在最大辐射方向上产生的功率通量密度（或场强的平方）与无方向性天线在同一点处辐射的功率通量密度之比，称为天线的方向性系数D，即

(2-2-2)由定义可以看出，比较是在两天线的总辐射功率相等，观察点对天线的距离相等的条件下进行的。一个天线的方向性系数的大小，表示为在辐射功率相同的条件下，有方向性天线在它的最大辐射方向上的辐射功率密度与无方向性天线在相应方向上辐射功率密度之比，如式(2-2-2）所示。D可以用分贝表示，即D（dB）=10lgD。方向性系数D也可以表示在辐射场中同一点要获得相同的场强EΣ=EΣ0时，有方向性天线的辐射功率PΣ比无方向性天线的辐射功率PΣ0节省的倍数,即

一般来说，米波引向天线的方向性系数为几十，米波同相水平天线阵为几百，微波抛物面天线可达几千、几万或更高。由方向性系数的定义可得其中，r为空间任意一点距天线的距离。天线的效率

天线效率定义为：天线辐射功率PΣ与输入到天线的总功率Pi之比,记为ηΑ,即式中，Pi为输入功率,PL为欧姆损耗功率。

PL是由天线的铜耗、介质损耗、加载元件的损耗以及接地损耗等产生的。实际中常用天线的辐射电阻RΣ来度量天线辐射功率的能力。天线的辐射电阻是一个虚拟的量，定义为:设有一个电阻RΣ，当通过它的电流等于天线上的最大电流Im时，其损耗的功率就等于其辐射功率。显然，辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标，即辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。

同理,有耗损电阻RL

天线功率为可见，要提高天线效率，应尽可能提高辐射电阻RΣ，降低耗损电阻RL。注意，上式中RΣ和RL应用同一个电流来计算。一般来说，长、中波以及电尺寸很小的天线，RΣ均较小，相对RΣ而言，地面及邻近物体的吸收所造成的损耗电阻较大，因此天线效率很低，可能仅有百分之几。这时需要采用一些特殊措施，如通过铺设地网和设置顶负载来改善其效率。而超短波和微波天线的电尺寸可以做得很大，辐射能力强，其效率可接近于1。如果计入传输系统的效率(设为ηφ)，则整个天馈系统的效率η为

(2-2-9)

天线增益天线的增益又称增益系数(G)。增益的定义是：在输入功率相等（Pi=Pi0）的条件下，天线在最大辐射方向上某点的功率密度和理想的无方向性天线在同一点处的功率密度（或场强振幅的平方值）之比,即也可以定义为：在天线最大辐射方向上的某点，辐射场强相同时，无方向性天线所需要的输入功率Pi0与所研究的实际天线需要的输入功率Pi之比,即对比对比增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积，记为G，即G=D·ηA

由上式可见：天线方向系数和效率愈高，则增益系数愈高。现在我们来研究增益系数的物理意义。将方向系数公式(2-2-3）和效率公式(2-2-4）代入上式得由上式可得一个实际天线在最大辐射方向上的场强为假设天线为理想的无方向性天线，即D=1，ηΑ=1，G=1，则它在空间各方向上的场强为可见，天线的增益系数描述了天线与理想的无方向性天线相比，在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。若不特别说明，则某天线的增益系数一般就是指该天线在最大辐射方向的增益系数。通常所指的增益系数均是以理想天线作为对比标准的，但有些厂家也采用自由空间半波对称振子作为对比标准。半波对称振子的方向性系数等于1.64。以它作为对比标准时所得的增益系数GA和用点源作为对比标准的增益系数G之间的关系为增益系数也可用分贝表示，即G（dB）=10lgG

dBd和dBidBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于半波对称振子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线的阻抗特性三、天线的阻抗特性

1．输入阻抗所谓天线输入阻抗，就是指加在天线输入端的高频电压与输入端电流之比，即通常，天线输入阻抗分为电阻及电抗两部分,即Zin=Rin+jXin。其中,Rin为输入电阻,Xin为输入电抗。对比电路理论，把输入到天线上的功率看作为被一个阻抗所吸收，则天线可以被看成是一个等效阻抗。天线与馈线相连，又可以把天线看成是馈线的负载。于是，天线的输入阻抗就成为馈线的负载阻抗。

要使天线效率高，就必须使天线与馈线良好匹配，也就是要使天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，这样才能使天线获得最大功率。天线的输入阻抗决定于天线的结构、工作频率以及天线周围物体的影响等。仅仅在极少数情况下才能严格地按理论计算出来，一般采用近似方法计算或直接由实验测定。为实现和馈线间的匹配，需要时可用匹配网络消去天线的电抗并使电阻等于馈线的特性阻抗。口面天线的阻抗特性可用馈电系统中某点的电压驻波比或反射系数Γ来表示，当|Γ|=0，驻波系数为1时，称作匹配。思考：匹配与SWR何关系匹配和失配要获得良好的电性能阻抗必须匹配 电缆

50ohms天线

50ohms 80ohms天线的频带宽度天线的频带宽度是一个频率范围。在这个范围里，天线的各种特性参数应满足一定的要求标准。当工作频率偏离设计频率时，往往会引起天线参数的变化，例如主瓣宽度增大、副瓣电平增高、增益系数降低、输入阻抗和极化特性变坏、输入阻抗与馈线失配加剧、方向性系数和辐射效率下降等等。天线的频带宽度的定义为：中心频率两侧，天线的特性下降到还能接受的最低限时两频率间的差值。因为天线的各个特性指标（均是工作频率的函数）随频率变化的方式不同，所以天线的频带宽度不是惟一的。对应于天线的不同特性，有不同的频带宽度，例如，根据天线方向性的变化确定的叫“方向性频宽”，根据天线输入阻抗的变化确定的叫“阻抗频宽”。在实际中应根据具体情况而定。例如，对于几何尺寸远大于波长的天线或天线阵，它们的输入阻抗可能对频率不敏感，天线的频带宽度主要根据波瓣宽度的变化、副瓣电平的增大及主瓣偏离主辐射方向的程度等因素确定；对于圆极化天线，其极化特性常成为限制频宽的主要因素。天线的频带宽度常用不同的定义------一种是指：在驻波比SWR≤1.5条件下，天线的工作频带宽度；一种是指：天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。在移动通信系统中，通常是按前一种定义的天线的频带宽度

2．辐射阻抗如果把天线向外辐射的功率看作为被某个等效阻抗所吸收，则称此等效阻抗为辐射阻抗，即PΣ=I2RΣ。

I是电流的有效值。辐射阻抗的精确计算相当困难，通常也是采用近似方法计算。天线的极化特性四、天线的极化特性电磁波的极化是指沿电磁波的传播方向电场矢量随时间的变化轨迹。电磁波的极化有三种形式：线极化、圆极化和椭圆极化。按天线辐射电磁波的极化形式，可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。

1.线极化

当电场矢量只是大小随时间变化而取向不变，其端点的轨迹为一直线时，称为线极化。对于线极化波，电场矢量在传播过程中总是在一个确定的平面内，这个平面就是电场矢量的振动方向和传播方向所决定的平面，常称为极化平面。因此线极化又称为平面极化。当电磁波的电场矢量与地面垂直时，称为垂直极化，与地面平行时称为水平极化，如图2-11所示。图2-11垂直极化与水平极化(a)垂直极化；(b)水平极化

2.圆极化

当电场振幅为常量而电场矢量以角速度ω围绕传播方向旋转时，电场矢量端点的轨迹为一个圆，称为圆极化。矢量端点旋转方向与传播方向成右手螺旋关系的叫右旋圆极化波，成左手螺旋关系的叫左旋圆极化波。图2-12圆极化波在圆极化的情况下，如果在垂直于传播方向的某一固定平面上观察电磁波的电场矢量，则其端点随着时间变化在该平面上画出的轨迹是一个圆，如图2-12（a）所示。如果在某一时刻沿传播方向把各处的电场矢量画出来，则电场矢量端点的轨迹为螺旋线，如图2-12（b）所示。提问：图2-12（b）所表示的就是右旋还是左旋圆极化波？

3.椭圆极化在一个周期内，电场矢量的大小和方向都在变化，在垂直于传播方向的平面内，电场矢量端点的轨迹为一椭圆，则称为椭圆极化波。椭圆极化波可以看作是两个频率相同，但振幅不等、相位不同的互相垂直的线极化波合成的结果。

极化问题具有重要的意义。例如在水平极化电波的电磁场中放置垂直的振子天线，则天线不会感应出电流；接收天线的振子方向与极化方向愈一致(也叫极化匹配)，则在天线上产生的感应电动势愈大。否则将产生“极化损耗”，使天线不能有效地接收。不同极化形式的天线也可以互相配合使用，如线极化天线可以接收圆极化波，但效率较低，因为只接收到两分量之中的一个分量。圆极化天线可以有效地接收旋向相同的圆极化波或椭圆极化波；若旋向不一致则几乎不能接收。当圆极化波入射到一个对称目标上时，反射波是反向旋转的。在传播电视信号时，利用这一特性可以克服由反射所引起的重影。一般来说，圆极化天线难以辐射纯圆极化波，其实际辐射的是椭圆极化波，这对利用天线的极化特性实现天线间的电磁隔离是不利的，所以对圆极化通常又引入椭圆度参数。在通信和雷达中，通常采用线极化天线。但如果通信的一方是剧烈摆动或高速运动着的，例如在人造卫星、宇宙飞船和弹道导弹等空间遥测技术中，这些物体在空中沿一定轨道运动时，其天线的指向经常改变，考虑到地磁的影响，电波信号通过电离层后会产生法拉第旋转效应，极化平面会发生变化，因此为了提高通信的可靠性，发射和接收都应采用圆极化天线。如果雷达是为了干扰和侦察对方目标，也要使用圆极化天线。采用圆极化天线来跟踪，不会使目标丢失。采用圆极化天线，可以接收任意取向的线极化波。课堂练习垂直极化波要用具有

极化（垂直/水平）特性的天线来接收，否则天线就接收不到来波的能量水平极化波要用具有

极化（垂直/水平）特性的天线来接收，否则天线就接收不到来波的能量右旋圆极化波要用具有（右旋/左旋）圆极化特性的天线来接收，否则天线就接收不到来波的能量