天线原理与设计3解读
天线原理与设计3.2.2 T形天线、 Γ形天线及斜天线
图 3-2-18 h较低，l较长时Γ形天线水平平面方向图
(3) 当水平臂长l较长而h较低时，水平臂受其地面负镜像 的影响而对高空辐射弱，天线仍然沿地面方向辐射最强，但 与鞭状天线不同之处在于这种Γ 的方向性。其水平平面方向图如图3-2-18所示，垂直平面方 向图如图3-2-17(d)
且一般使l≥h，尽量让h高些。超长波T形天线的电高度 h/λ一般都小于0.15。T形天线电流分布如图3-2-11所示，直立 部分电流分布比较均匀，但水平部分两臂的电流方向则相反。
T形天线结构简单，架设也不困难，其高度h可以比普通 的鞭状天线高。为了提高T形天线的效率，其水平部分可用 多根平行导线构成，如图3-2-12所示，也可以附设地网来减
由于Ez与水平臂有一夹角，水平臂感应电动势将减小。故这 种Γ形天线在水平平面有一定的方向性，在使用时应注意。
若水平臂很短，其感应电动势很小，对水平平面方向性
图 3-2-10 T形天线
图3-2-11 T形天线的电流分布
图 3-2-12 宽T形天线
2. 把直立软天线倾斜架设就成为斜天线，如图3-2-13所示， 这种天线架设比较方便，把单导线一端挂在树木或其它较高
由于地面波传播中有波前倾斜现象(参考9.2节)，因而在 水平平面内具有微弱的方向性， 如图3-2-14(a)所示。在垂直 平面内的30°～60°方向上有较明显的方向性，如图3-214(b)
3.2.2 T形天线、 Γ形天线及斜天线
T形天线、Γ形天线是超长波天线的基本形式。 1. T形天线 T形天线结构如图3-2-10所示，它由水平部分(称为顶容 线)、 下引线和接地线组成，由图可知，T形天线类似于加辐 射叶的鞭状天线，只是其顶部的辐射叶较长罢了。T形天线
天线设计原理
天线设计原理天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的设计原理直接影响着通信系统的性能和稳定性。
在进行天线设计时，需要考虑到天线的频率范围、增益、方向性、阻抗匹配等因素，以确保天线能够有效地传输和接收信号。
本文将就天线设计原理进行详细介绍，希望能够帮助大家更好地理解和应用天线设计原理。
首先，天线的频率范围是天线设计的重要考虑因素之一。
不同频率的信号需要不同类型的天线来进行传输和接收，因此在进行天线设计时，需要根据实际应用的频率范围来选择合适的天线类型。
例如，对于手机通信系统，需要设计能够覆盖移动通信频段的天线，而对于无线局域网系统，则需要设计能够覆盖无线局域网频段的天线。
其次，天线的增益是衡量天线性能的重要指标之一。
天线的增益决定了天线在特定方向上的辐射能力，通常情况下，天线的增益越高，其辐射范围也越大。
在进行天线设计时，需要根据实际需求来确定天线的增益，以确保天线能够满足通信系统的覆盖范围和传输距离要求。
另外，天线的方向性也是天线设计中需要考虑的重要因素之一。
天线的方向性决定了天线在特定方向上的辐射能力，不同应用场景需要不同方向性的天线来进行覆盖和通信。
在进行天线设计时，需要根据实际应用需求来确定天线的方向性，以确保天线能够实现期望的覆盖范围和通信效果。
此外，天线的阻抗匹配也是天线设计中需要重点考虑的因素之一。
天线的阻抗匹配直接影响着天线与传输线之间的匹配程度，阻抗不匹配会导致信号的反射和损耗，降低通信系统的性能。
在进行天线设计时，需要通过合适的天线匹配网络来实现天线与传输线之间的阻抗匹配，以确保信号能够有效地传输和接收。
综上所述，天线设计原理涉及到频率范围、增益、方向性、阻抗匹配等多个方面，需要综合考虑各种因素来进行设计。
只有充分理解和应用天线设计原理，才能设计出性能稳定、效果优良的天线，从而提高通信系统的性能和可靠性。
希望本文能够帮助大家更好地理解和应用天线设计原理，为无线通信系统的设计和应用提供参考。
天线的原理与设计
天线的原理与设计天线可以说是现代无线通讯不可或缺的组成部分，从电视、广播到无线通讯、卫星通讯，各种无线通讯设备都需要天线才能传输信号。
那么天线的工作原理是什么？如何设计一款好的天线呢？本文将从理论和实践两个方面阐述天线的原理与设计。
天线的原理天线是一种电子设备，它能将电磁波进行有效放射和接收。
天线的结构一般由导体和绝缘体两部分组成，导体是天线的主体，而绝缘体则用于支撑和隔离导体。
当电磁波经过导体时，电场和磁场会被导体反射、吸收或透过。
导体的形状和大小会对电场和磁场的反射、吸收和透过产生影响，因此导体形状和大小的变化会对天线的性能产生影响。
在理论上，天线的控制方程式为弱形式的麦克斯韦方程式，它描述了电磁波在真空和介质中的传播规律。
麦克斯韦方程式包括电场和磁场的方程式，其中电场方程式描述了电荷和电荷分布产生的电场规律，磁场方程式描述了电流和电流分布产生的磁场规律。
通过这些方程式，我们可以计算天线的电场和磁场分量，从而推导出天线的电磁特性。
天线的设计天线的设计是一个复杂的过程，需要考虑众多的因素，包括频率、辐射模式、天线天线天线输入阻抗等。
不同的应用场景需要不同的天线，因此在设计天线时需要先明确天线的具体使用场景。
一般来说，天线设计的过程可以分为三个步骤：第一步是确定天线类型。
常用的天线类型包括单天线、贴片天线、微带天线和功率天线等。
不同的天线类型适用于不同的场景，选择合适的天线类型可以提高天线传输效率。
第二步是确定天线形状和大小。
天线的形状和大小直接影响天线的传输性能。
在确定天线形状和大小时，一般需要考虑天线频率、传输距离以及功率损耗等因素。
第三步是确定天线输入阻抗。
输入阻抗是天线传输的基础，它的大小和匹配直接影响天线的传输效率。
在设计天线时，一般需要先预估天线输入阻抗，然后通过调整天线长度、形状和结构等参数来匹配输入阻抗。
总结天线是无线通讯的核心部分，其工作原理和设计需要深入掌握。
天线的原理可以通过麦克斯韦方程式来推导，而天线的设计需要考虑众多因素，包括天线类型、天线形状和大小以及天线输入阻抗等。
天线设计原理
天线设计原理
天线是无线通信系统中至关重要的组成部分，它的设计原理直接影响着通信系统的性能和稳定性。
本文将介绍天线设计的基本原理，包括天线的基本结构、工作原理和设计要点。
首先，天线的基本结构包括辐射器和馈电系统。
辐射器是天线的主体部分，它负责将电磁波转换为空间电磁波，并与外界空间进行能量交换。
馈电系统则是将无线电频率的能量传送到辐射器上，使其产生电磁波。
辐射器的形状和尺寸、馈电系统的设计方式都直接影响着天线的性能。
其次，天线的工作原理是基于电磁场的辐射和接收。
当天线被接收到电磁波时，其中的电磁场激发辐射器产生感应电流，从而产生感应电磁场。
这个过程是天线接收信号的基本原理。
而当天线被激发电流时，辐射器产生电磁场，从而将电磁波辐射到外界空间，这个过程是天线辐射信号的基本原理。
最后，天线的设计要点包括频率选择、辐射模式和阻抗匹配。
频率选择是指天线要适应的工作频段，不同的频段对天线的设计有不同的要求。
辐射模式是指天线在空间中的辐射特性，包括辐射方
向、辐射功率分布等。
阻抗匹配是指天线的输入阻抗要与馈电系统的输出阻抗匹配，以确保能量传输的有效性。
综上所述，天线的设计原理涉及到天线的结构、工作原理和设计要点。
了解这些原理对于设计和优化天线至关重要，只有深入理解天线的工作原理，才能设计出性能优良的天线产品，满足不同应用场景的需求。
希望本文能够帮助读者更好地理解天线设计的基本原理，并在实际应用中发挥更大的作用。
天线原理与设计33 环形天线
8 1.053 (0.38
1)
11.62Ωຫໍສະໝຸດ 单匝环的辐射效率为A
0.788 0.788 1.053
42.8%
8匝环的辐射效率为
A8
50.43 50.43 11.62
81.3%
提高小环天线效率的另一种方法是在环线内插入高磁导 率铁氧体磁芯，以增加磁场强度，从而提高辐射电阻，这种 形式的天线称为磁棒天线，如图3-3-2所示。磁棒天线的 辐射电阻Rr′
Rr
20(k 2S)2
320π4
S2
4
(3-3-3)
图 3-3-1 环形天线坐标
当电尺寸很小时，小环天线实际上相当于一个带有少量 辐射的电感器，它的辐射电阻很小，其值通常小于导线的损 耗电阻Rl，因而天线辐射效率很低，其效率由下式计算:
A
Rr Rr
Rl
(3-3-4)
通常假设小环的损耗电阻与长度为环周长的直导线的损
Rr
Rr
0
2
(3-3-9)
图 2-3-2 磁棒天线
解 单匝环的辐射电阻为
Rr
320π4
S2
4
320
π4
π 252
0.788 Ω
8匝环的辐射电阻为 Rr8=0.788×82=50.43 Ω
单匝环的损耗电阻为
Rl
b a
0 2
1 25 104
π 108 4π 10-7 5.7 107
1.053 Ω
8匝环的损耗电阻为
Rl 8
8
Rl
Rp R0
1
RrN
20N 2 (k 2S)2
320π2N 2
S2
4
(3-3-7)
对于多匝环的损耗电阻，紧挨着的环的邻近效应引起的 附加损耗电阻可能大于趋肤效应引起的损耗电阻，N匝环总
天线的原理
天线的原理
天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的原理是通过接收或发射电磁波来进行无线信号的传输。
天线的原理涉及到电磁学和无线通信技术，下面将对天线的原理进行详细的介绍。
首先，天线的原理可以通过电磁学来解释。
根据麦克斯韦方程组的理论，当电流通过导体时会产生电磁场，而天线就是利用这一原理来进行信号的收发。
当天线接收到电磁波时，电磁波会感应导致天线中的电流产生变化，从而产生电压信号。
而当天线被用于发射信号时，电流通过天线会产生电磁波，从而进行信号的发射。
因此，天线的原理可以通过电磁学来解释，它是利用电磁场的感应和辐射来进行无线信号的传输。
其次，天线的原理还涉及到无线通信技术。
在无线通信系统中，天线是起到信号的收发作用的重要部分。
通过天线的接收和发射，可以实现无线信号的传输和通讯。
在接收端，天线接收到的电磁波会转化为电信号，然后经过解调等处理过程，最终转化为人们可以理解的语音、图像等信息。
而在发射端，电信号会经过调制等处理，然后通过天线转化为电磁波，进行无线信号的发射。
因此，天线的原理与无线通信技术密切相关，它是实现无线通信的重要环节。
总之，天线的原理涉及到电磁学和无线通信技术，通过利用电磁场的感应和辐射来进行无线信号的传输。
天线在无线通信系统中扮演着重要的角色，它的原理是实现无线通信的基础。
通过对天线原理的深入了解，可以更好地理解无线通信系统的工作原理，为无线通信技术的发展和应用提供理论基础。
希望本文对天线的原理有所帮助，让读者对天线的工作原理有更清晰的认识。
天线原理与设计(王建)3PDF版(优选.)
+
I1 I0
e− jβ r1 ]
r1
作远场近似：对幅度 1/ r1 ≃ 1/ r0
对相位 r1 = r0 − rˆ0izˆd = r0 − d cosθ
(1.89)
并设
I1 / I0 = me− jα
(1.90)
式中，m为两单元电流幅度比，α为两单元电流之间的相
位差，若α>0，则I1滞后于I0；若α<0，则I1超前于I0 ； 若α=0 ，则I1与I0同相位。式(1.89)可写作
(1.93)
合成相差
ψ = β d cosθ − α
(1.94)
由式(1.92)可见，二元阵总场方向图由两部分相乘而 得，第一部分f0(θ,φ)为单元天线的方向图函数；第二部 分fa(θ,φ)称为阵因子，它与单元间距d、电流幅度比值m、 相位差α和空间方向角θ有关，与单元天线无关。因此 得方向图相乘原理：
(1.106)
阵因子为
N −1
N −1
∑ ∑ = E0
e = E jn( β d cosθ −α ) 0
e jnψ = E0 fa (ψ )
n=0
n=0
+ 2 + e jβd sinθ sinϕ ]
=
j 60I r
e− jβ r
− jβ d sinθ sinϕ
f0 (θ ,ϕ )[e 2
+ e ] jβ d sinθ sinϕ 2
2
=
j 60I r
e− jβ r
f0
(θ
,ϕ
)4
cos2
(
βd 2
sinθsinຫໍສະໝຸດ )=j 60I r
e− jβ r
天线原理与设计3.1.2 笼形天线
笼形天线的方向性、尺寸的选择都与双极天线相同。笼形 天线用于移动式电台很不方便，在固定的通信台站应用较多
图 3-1-10 笼形天线结构示意图
笼形天线的等效半径ae可按下式计算:
ae
bn
na b
(3-1-14)
其中，a为单根导线半径； b为笼形半径； n为构成笼的 导线根数。若取a＝2 mm，b＝1.5 m，n＝8，则ae＝0.85 m， 上述64 m双极天线的特性阻抗为353.6 Ω。
2l a
1
120
ln
2 22 0.85
1
353.6
Z0A
120
ln
2l a
1
120
ln
44 0.002
1
1079
120
ln
2 22 0.85
1
353.6
为了进一步展宽笼形天线的工作频带，可将笼形天线改 进为分支笼形天线，如图3-1-11(a)所示，其等效电路如图31-11(b)所示，开路线3-5、 4-6与短路线3-7-4(分支)有着符 号相反的输入阻抗，调节短路线的长度，即改变3和4(参见图 3-1-11(a))在笼形上的位置，可以改善天线的阻抗特性，展宽
图 3-1-14 平面片形对称振子
ae
b
n
na b
1.5
8
8 0.002 1.5
0.85m
假设有一64m (即2×10(高)＋2×22(长)=64 m)双极天线， 其导线直径为4 mm时，特性阻抗约为1 kΩ，若用增加直径的 办法，使特性阻抗为350 Ω
Z0 A
天线原理与设计直 立 天 线3.2 直立天线
许值。
上述问题中，对长波、中波天线来说，要考虑的主要
问题是功率容量、频带和效率问题；在短波波段，虽然 相对通频带２Δf/f0不大，但仍可得到较宽的绝对通频带 2Δf，加之距离近，电台功率小，故主要考虑效率问题； 对超短波天线来说，只要天线长度选择得不是太小，上 述这些问题一般可不考虑。
图 3-2-1 直立天线示意图
这类天线的共同问题是，因结构所限而不能做得太高，即使 在短波波段，在移动通信中，由于天线高度H(H为天线高度，区 别于架设高度H)受到涵洞、桥梁等环境和本身结构的限制，也不 能架设太高。这样，直立天线电高度就小，从而产生下列问题：
（1）辐射电阻小，损耗电阻与辐射电阻相比，相应地就比较 大，这样，天线的效率低，一般只有百分之几。
（2）天线输入电阻小，输入电抗大（类似于短的开路线）， 也就是说，储能高，耗能小，天线的Q值很高，因为带宽成反比， 因而工作频带很窄。
（3）易产生过压。当输入功率一定时，由于输入电阻小而输
入电抗高，使天线输入端电流很大（Pin=RinI2in/2），输入电压 Uin=Iin(Rin+jXin)≈jIinXin就很高，天线顶端的电压更高，易产生过 压现象，这是大功率电台必须注意的问题。所以电高度小，使得
3.2 直 立 天 线
由于地面波传播时，水平极化波的衰减远大于垂直极化 波，因此在长波和中波波段主要使用垂直接地的直立天线 (Vertical Antenna)，如图3-2-1所示，也称单极天线 (Monopole Antenna)。
在短波和超短波波段，由于天线并不长，外形像鞭，故 又称为鞭状天线。
天线原理与设计3.2.4 中馈鞭状天线
常用的鞭状天线是在底部馈电的直立单极天线，又称底 馈天线。在VHF频段其高度一般选在λ/4附近，故底部电流很 大。当这种天线安装在车辆上时，天线与车体之间存在较强 的电磁耦合，随着车型或在车上的安装位置的改变，天线的 输入阻抗也会随之变化，原来设计好的匹 配装置将失去原有效能。
图3-2-23为中馈鞭状天线示意图。天线由两部分组成， 一部分为辐射体，另一部分为基座。
图 3偶极天线
图3-2-23为中馈鞭状天线示意图。天线由两部分组成，一部 分为辐射体，另一部分为基座。辐射体是用同轴线“中间” 馈电的直立不对称偶极天线。因其直立，外观仍像一根 “鞭”，故称中馈鞭状天线。馈电点以上的部分为上辐射体， 又称上鞭，它是同轴线内导体的延伸；馈电点以下部分为下 辐射体，又称下鞭，它是馈电同轴线的外导体。相比于普通 的偶极天线，它的一臂终端是开路的，另一臂的终端则端接 一负载。辐射体的外部套有塑料壳或玻璃钢管，以增加其机 械强度并防止行进中辐射体直接与市电高压线碰撞而损坏电 台。
天线的原理与设计
天线的原理与设计天线是将电能（或者电磁波）转换为电磁场（或者电磁波）的装置，它在通信、雷达、无线电电视广播和无线电导航等领域起着重要作用。
天线设计的目的是通过合适的几何形状和材料选择，使其尽可能高效地辐射和接收电磁波。
天线的原理可以归纳为以下几个主要方面：1. 反射和辐射原理：天线将电能转换为电磁波的关键在于其几何形状。
几何形状不同，天线对电磁波的反射和辐射效果也不同。
一般来说，天线的形状需要与待处理信号的波长相匹配，以确保最佳的能量传输和辐射。
2. 功率匹配原理：设计天线需要考虑到待处理信号的功率，以及天线的能量传输效率。
天线设计需要合理选择天线尺寸、形状和材料，以确保尽可能高的信号接收和发射效率。
3. 波束方向性原理：天线的方向性是指其辐射或接收信号的方向性。
波束方向性天线的设计考虑到天线的几何形状、电流分布、波束宽度等因素，以使其增加信号的强度以及抑制不希望的信号干扰。
4. 阻抗匹配原理：阻抗匹配是天线设计中的关键要素之一。
天线的阻抗与发射或接收设备之间的阻抗必须匹配，以确保最大能量传输和最小信号损失。
通过使用匹配网络或其他技术，可以实现天线和设备之间的阻抗匹配。
天线的设计过程可以基于理论分析、模拟和实验来完成。
具体的设计步骤包括：1. 确定设计需求和参数：根据特定应用的需求，确定所需天线的频率范围、增益、方向性、极化方式等参数。
2. 选择适当的天线类型：根据设计需求，选择适合的天线类型，如喇叭天线、螺旋天线、微带天线等。
3. 进行理论分析和模拟：利用电磁场理论和仿真软件，对天线进行理论分析和模拟，确定天线的几何结构和材料。
4. 进行实验验证：通过制作样品天线并进行实验验证，评估天线的性能和参数是否符合设计要求。
如果需要，进行调整和优化。
5. 优化和改进：根据理论分析、模拟和实验结果，对天线进行优化和改进，以提高天线的性能和效果。
天线设计中需要考虑的其他因素还包括天线的制造成本、安装要求、环境适应性等。
天线原理与设计3.4.3 半波折合振子
为什么半波折合振子能够具有较高的输入电阻呢？这与
它的特殊结构有关。对于等粗细的半波折合振子(图3-412(a))，IM1=IM2，折合振子相当于具有波腹电流IM=IM1+IM2 =2IM1的一个等效半波振子。因此，不仅它的方向性与半波振 子的相同，而且它的辐射功率也可以写成：
Pr
1| 2
IM
|22Βιβλιοθήκη RinIM IM1
Rr
(3-4-8)
计及IM=2IM1
Rin=4Rr
(3-4-9)
即等粗细半波折合振子的输入电阻等于普通半波振子输
入电阻的4倍。因此折合振子具有高输入电阻的突出特点。
实际工作中不一定刚好要求半波折合振子的输入电阻是
半波振子的4倍，这时可以采用图3-4-12(b)所示的不等粗细折
Rr
(3-4-6)
其中, Rr为以波腹电流计算的辐射电阻, 也刚好是等效半 波振子的输入电阻，一般约为70 Ω
对于半波折合振子来说，馈电点的输入电流实际上为IM1， 而不是IM
Pin
1 2
| IM1
|2
Rin
(3-4-7)
由于天线的效率η=1，半波折合振子的输入功率Pin等于 它的辐射功率Pr，令式(3-4-6)与(3-4-7)
图 3-4-12 半波折合振子
粗略地说，可以把半波折合振子看做是一段λ/2的短路线 从其中点拉开压扁而成，如图3-4-13所示。折合振子的两个 端点为电流节点，导线上电流同相，当D<<λ时，折合振子相 当于一电流为IM=IM1+IM2的半波振子，故方向图将和半波振 子的一样。
图 3-4-13 半波折合振子的构成及电流分布
3.4.3
天线原理与设计3.4.6 背射(返射)天线概述
背射天线是20世纪60年代初在引向天线基础上发展起来 的一种新型天线。
1. 背射天线(Back Fire Antenna) 在引向天线最末端的引向器后面再加一反射盘T，就构 成背射天线，如图3-4-22所示。
图3-4-22 背射天线
反射盘一般称为表面波反射器，它的直径大致与同一 增益的抛物面天线的直径相等； 反射盘与反射器之间的距离 应为λ/2的整数倍。如果在反射盘的边缘上再加一圈反射环 (边框)，则可使增益再加大2 dB左右。一个设计良好的背射
8 dB的增益，其 增益可用下式大致估算：
G 60 L
(3-4-13)
2. 短背射天线(Short BacБайду номын сангаас Fire Antenna) 这种天线由一根有源振子(或开口波导、 小喇叭)和两个 反射盘组成，如图3-4-23所示。
图 3-4-23 短背射天线
天线原理与设计_讲义3
βd
2
cosθ )
(1.96)
等幅反相)时 ■当m=1，α=π(即I1=－I0 ，等幅反相 时： ， 即 － βd f a (θ ,ϕ ) = 2sin( cosθ )
2
(1.97)
■当m=1，α=±π/2(即I1=I0e ， ± 即
π
m jπ/2)，且d=λ/4时： ， 时
cos θ − ) f a (θ , ϕ ) = 2 cos( ) = 2 cos( 2 2 2
ψ
βd
α
(1.95)
阵因子函数只与θ角有关，与φ角无关，说明阵因子 角有关， 角无关， 角无关 方向图关于阵轴旋转对称。下面讨论几种重要情况： 方向图关于阵轴旋转对称。下面讨论几种重要情况：
等幅同相)时 ■当m=1，α=0(即I1= I0 ，等幅同相 时： ， 即
60 I 0 − jβ r0 f 0 (θ , ϕ ) E0 = j r e 0 (1.88) 60 I1 − jβ r1 E1 = j e f1 (θ , ϕ ) r1
设这两个对称振子等长，并且是并排或共轴放置， 设这两个对称振子等长，并且是并排或共轴放置，则。 二元阵总场为： 二元阵总场为：
(1.91)
其模值为 式中
60 | I 0 | | ET |= | fT (θ , ϕ ) | r0
f T (θ , ϕ ) = f 0 (θ , ϕ ) f a (θ , ϕ )
(1.92)
cos( β l cosθ ) − cos( β l ) 共轴对称振子单元 f 0 (θ , ϕ ) = sin θ
链接
1.5.2 共轴和并排排列的对称振子二元阵
对称振子组成的二元阵，其排列方式通常有两种， 对称振子组成的二元阵，其排列方式通常有两种，如 下图所示。组成二元阵的对称振子单元一般为半波振子。 下图所示。组成二元阵的对称振子单元一般为半波振子。 1、共轴排列情况 、 总场方向图函数为
接收天线理论（精品）
第三章 接收天线理论天线接收电磁能量的物理过程是：天线在外场作用下激励起感应电动势，并在导体表面产生电流，该电流流进天线负载L Z (接收机)，使接收机回路中产生电流。
所以，接收天线是一个把空间电磁波能量转换为高频电流能量的能量转换装置。
其工作过程恰好是发射天线的逆过程，如图3-1所示。
图3-1 接收天线示意图一般情况下，接收天线与发射天线相距很远，作用在接收天线上的电磁波可认为是平面波。
设来波方向与振子轴夹角为θ，来波电场E 可分解为和两个分量，其中垂直于振子轴不起作用，只有i sin i E i E i E ⊥i E ⊥i i z E E θ== 才使振子上产生感应流I ，这个感应电流将产生散射场(s )I E ，它是以感应电流I 为未知的函数。
前面已介绍过，在接收状态下的天线与接收机负载共轭匹配的最佳情况下，传送至接收机的功率是天线感应或截获到的总功率的一半，另一半则被天线散射和热损耗消耗掉了。
如果不计天线热损耗，这喻示了要使截获到的功率的一半传送给接收机，则天线必定要将另一半散射掉。
这样，接收机接收的功率可用散射功率来等效。
具体做法是由来波电场与感应电流产生的散射场i E ()s I E 形成的总场在天线金属表面应满足切向电场为零的边界条件()0s i z z E I E += (3.1)来确定感应电流I 。
这个感应电流流过负载Z L 将被其接收。
上式实际上是一个含未知电流的积分方程(见书上P51式(2.86))，可采用矩量法等方法求解。
对于细线对称振子接收天线，其上感应电流分布也近似为正弦分布。
采用上述方法分析接收天线，数学计算复杂。
通常采用互易定理方法，它是利用收发天线的互易性，从发射天线的性能直接导出接收天线的性能。
这种方法是分析接收天线的最简洁、最有普遍意义的方法。
这里主要介绍这种方法。
3.1采用互易定理方法分析接收天线设有两个任意放置的天线1和2，彼此之间相距足够远，处于各向同性的无界均匀媒质中，除两天线外没有其它场源，如图3-2所示。
天线原理与设计3.3 环形天线
RrN
20N 2 (k 2S)2
320π2N 2
S2
4
(3-3-7)
对于多匝环的损耗电阻，紧挨着的环的邻近效应引起的 附加损耗电阻可能大于趋肤效应引起的损耗电阻，N匝环总
RlN
Nb a
RS
Rp R0
1
(3-3-8)
【例3-3-2】 设小环天线的半径为λ/25，导线半径为 10-4λ，匝间距为4×10-4λ，天线导线是铜制的，电导率为 5.7×107(S/m)。试求工作在f=100 MHz的单匝和8匝小圆环 天线的辐射效率(已知Rp/R0=0.38)
Rr
Rr
0
2
(3-3-9)
图 2-3-2 磁棒天线
Rl 8
8
Rl
Rp R0
1
8 1.053 (0.38
1)
11.62
Ω
单匝环的辐射效率为
A
0.788 0.788 1.053
42.8%
8匝环的辐射效率为
A8
50.43 50.43 11.62
81.3%
提高小环天线效率的另一种方法是在环线内插入高磁导 率铁氧体磁芯，以增加磁场强度，从而提高辐射电阻，这种 形式的天线称为磁棒天线，如图3-3-2所示。磁棒天线的 辐射电阻Rr′
Rr
20(k 2S)2
320π4
S2
4
(3-3-3)
图 3-3-1 环形天线坐标
当电尺寸很小时，小环天线实际上相当于一个带有少量 辐射的电感器，它的辐射电阻很小，其值通常小于导线的损 耗电阻Rl，因而天线辐射效率很低，其效率由下式计算:
天线原理与设计3.4.1 引向天线的工作原理
实际工作中，引向天线振子间的距离一般在0.1λ~0.4λ之 间，在这种条件下，振子“2”对振子“1”的电流相位差等 于多少才能使振子“2”成为引向器或反射器呢？下面作一 般性分析。 设I2=mI1ejα，间距d=0.1λ~0.4λ，则在M点E2对E1 的相位差Ψ=α+kd。根据d的范围, 36°≤kd≤144°。
图 3-4-7 (dr=d1=d2=…=0.15λ, 2a/λ=0.0025)
图 3-4-4 二元引向天线
考虑到天线阵的阻抗特性，振子“2”的电流由下式决 定：
式中
I2 Z21 me ja
I1
Z22
m
R221
X
2 21
R222Biblioteka X2 22
π arctan X 21 arctan X 22
R21
R22
(3-4-2) (3-4-3)
表3-4-1 电流比(2l1/λ=0.475)
图 3-4-5
(a) 2l1/λ=0.475, 2l2/λ=0.500; (b) 2l1/λ=0.475, 2l2/λ=0.450
3. 多元引向天线(Multiple Element Antenna) 为了得到足够的方向性，实际使用的引向天线大多数是 更多元数的，图3-4-6(a)就是一个六元引向天线，其中的有源
图 3-4-3 电流相位条件
由此可知，在d/λ≤0.4的前提下，振子“2”作为引向器
反射器：０ 180
引向器：－180
0
(3-4-1)
2. 二元引向天线(Two Element Yagi Uda Antenna) 实用中为了使天线的结构简单、 牢固、 成本低，在引 向天线中广泛采用无源振子作为引向器或反射器，如图3-4-4 所示。由于一般只有一个有源振子，在引向天线中无源振子
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集中参数分析法
• 电小天线是弱辐射电感性或电容性元件，最简单的方法是：
– 电感性天线可等效为电阻Rm及电感L的串联电路，Rm表示天线的 辐射电阻。 – 电容性天线可等效为电导Ge和电容C的并联电路，Ge表示天线辐 射电导。
• 集中参数分析法就是用集总参数元件的等效电路来描述天 线并分析其性能的方法。
3
V' 9 VS 2
4 VS 3
2
3
其中V=Ab为天线的体积；V’为有效体积；V’=Ka,bV；VS为弧度球的体积。
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集中参数分析法
(a)
(b)
(c)
(d) 线 环
（e）宽 条环
(f)多线环
• 扩展频带：降低整个天线系统的Q值。增大与负载之间的 耦合、增大天线尺寸以提高pe来实现。 • 结论是：虽然细导线和粗圆锥体实际尺寸大不相同，但有 效体积相差甚小。这是由于天线的有效体积受长度影响大， 受横向尺寸影响较小所致。
E r E n 1 jkr e 1 2 E a ( 1 ) P (cos ) n n kr n H E
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朱兰臣模式匹配法之四
• 依据方向系数定义
D( ) 4 E
2
天线原理与设计
阮成礼 电子科技大学
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主要研究内容
• 电小天线的分析方法
• 电小天线的宽带技术 • 加载线天线
– 优化算法GA – 折合单极子天线
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电小天线的分析方法
• 集中参数分析法，
• 模式匹配法， • 传输线模型法。
2018/12/3
2018/12/3
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辐射功率因子
• 谐振回路的Q值不仅与天线的辐射电阻有关， 也和天线回路的损耗电阻有关。
• “辐射功率因子”为电小天线实功率（辐 射功率）和虚功率（无功功率）之比。
– 对于容性天线辐射功率因子为 – 对于感性天线辐射功率因子为
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pe
Ge C
( 2) a n P' n (cos )hn (kr) n
r 输入
Байду номын сангаас
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朱兰臣模式匹配法之三
• 式中an在目前是未知系数；Pn(cosθ)是n阶勒让德多项式； / P’n(cosθ)是第一类连带勒让德多项式； 是自由空间特 性阻抗；时间因子为exp（jωt）。在远区，场的纵向分量 趋于0，此时
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模式匹配法
• 模式匹配法即借助于位函数求解麦克斯韦方程得出辐射场 的表示式。 • 模式匹配法作为一种波导分析的方法应用到天线中来，在 分析各种双锥天线的辐射特性和输入阻抗特性获得了很好 的效果。 • 模式分析法从数学推导上说是严密的，由此得出的结论至 今仍作为电小天线经典依据。 • 除少数结构简单的天线外，要由此来得出某一具体天线的 电流分布及其具体性能指标仍然是非常困难的。
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朱兰臣模式匹配法之二
• 设在一半径为a的球体内，包含一个沿z轴放置的电偶极子 型天线。根据球面波函数理论，球外的场可用一组球面波 函数表示，此时为TM模式，其场分量可表示为
H ( 2) hn (kr) Er j a n n(n 1) Pn (cos ) n kr 1 d 1 ( 2) E j rhn (kr) a n Pn (cos ) n kr dr
4 3 a 3
4 VS 3 2
3
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磁偶极子
有
2 1 V A 2 1 2a pm ( 1 ) ( 1 ) ' VS '
3
对于理想磁芯（ ' ），在线圈内无磁场储能，此时
VA pm VS
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电偶极子
C Ka
A
b
2
2 Rre 20(kb) 2 20 b
2 A e pe Rr C 20 b K a b
K a Ab 6 2
3
2
K aV 6 2
0
2
0
E sindd
2
将 E代入，并借助于勒让德多项式的正交性
0
2n( n 1) P (cos sin d 2n 1
1 n 2
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0
Pn1 (cos )Pn1' (cos ) sind 0
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朱兰臣模式匹配法之五
D ( )
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朱兰臣模式匹配法之一
• 朱兰臣对轴对称TM场进行了分析。
• 采用串联电容和并联电感所构成的梯形等效网络 来表示天线，网络的节数和元件的参数均与波型 的阶数有关。 • 根据场表示式，求各个模式方向系数表示式，及 最大方向性系数及在最大方向系数条件下的Q值， 从而得出方向系数和带宽的上限。
Rm L
7
pm
磁偶极子
L 2 2 0 an2 (1 ) 1 3 '
4
2 m 2 2a 2 2 Rm Z0 n (1 ) 3 '
Z 0m 为远区的波阻抗。并考虑
kv
m Z0 0v 120
v
1
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VA
a
n
n ( 1) 2 a n n
n 1 2
2
Pn1 (cos )
在赤道平面(
1 Pn ( ) 0
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电小天线的等效电路
电容性天线
电感性天线
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早期天线研究方法
• 上世纪40年代，人们习惯于用等效电路来 分析天线，设计出了各种电小天线，惠勒 归这纳了 这种方法。 • 等效电路方法直观、简便，具有众所熟悉 的优点，但不够严格，难用于一些结构较 为复杂的天线。