天线原理与设计—第一章天线参数
《天线原理参数简介》课件
本课件旨在介绍天线原理及其在通信领域中的重要性。通过深入探讨天线的 类型、特点、参数解释和性能评价，我们将帮助您理解天线设计和选择的原 则，并通过实际案例分析揭示天线在不同应用领域中的应用。
天线原理基本概念
1 信号接收与发射
2 电磁波传播
天线是无线通信的关键组件，负责接收 和发射无线信号。
天线的应用领域和案例分析
无线通信
• 移动通信网络 • 卫星通信 • 无线局域网 • 蓝牙
雷达系统
• 航空雷达 • 气象雷达 • 交通雷达
无线电广播
• 电视广播 • 调频广播 • 卫星广播
结论和要点
1 天线原理关键
天线是无线通信系统 中不可或缺的核心组 件。
2 多种天线选择
根据应用场景，选择 适合的天线类型和性 能。
距离
天线的工作距离决定了信号 传输的范围。
带宽
描述天线在频率范围内能够 传输信号的能力。
天线的选取和设计原则
1
需求分析
明确通信需求和预期性能，包括覆盖类型、性能和可行性，选择最适合的天线。
3
仿真和优化
使用仿真软件和优化算法对天线进行设计和调整，以达到最佳性能。
适用于户外环境，具备耐久性和抗恶劣天 气的特点。
天线参数的说明和解释
增益
频率响应 驻波比 方向性
衡量天线将输入功率转化为辐射功率的能 力。 描述天线在不同频率下的性能表现。 反映天线输入输出阻抗匹配的好坏。 表示天线辐射功率在空间上分布的特性。
天线性能的评价指标
灵敏度
衡量天线对弱信号的接收能 力。
天线通过辐射电磁波，将电信号转化为 空间中的无线信号，从而实现远距离通 信。
天线的基本参数
天线的基本参数1.1天线的基本参数从左侧的传输线的⾓度看，天线是⼀个阻抗（impedance）为Z的2终端电路单元（2-terminal circuit element），其中Z包含的电阻部分（resistive component）被称为辐射电阻（radiation resistance，R r）；从右侧的⾃由空间⾓度来看，天线的特征可以⽤辐射⽅向图（radiation pattern）或者包含场量的⽅向图。
R r不等于天线材料⾃⼰的电阻，⽽是天线、天线所处的环境（⽐如温度）和天线终端的综合结果。
影响辐射电阻R r的还包括天线温度（antenna temperature，T A）。
对于⽆损天线来说，天线温度T A和天线材料本⾝的温度⼀点都没有关系，⽽是与⾃由空间的温度有关。
确切地说，天线温度与其说是天线的固有属性，还不如说是⼀个取决于天线“看到”的区域的参数。
从这个⾓度看，⼀个接收天线可以被视作能遥感测温设备。
辐射电阻R r和天线温度T A都是标量。
另⼀⽅⾯，辐射⽅向图包括场变量或者功率变量（功率变量与场变量的平⽅成正⽐），这两个变量都是球体坐标θ和Φ的函数。
1.2天线的⽅向性（D，Directivity）和增益（G，Gain）D=4π/ΩA，其中ΩA是总波束范围（或者波束⽴体⾓）。
ΩA由主瓣范围（⽴体⾓）ΩM+副瓣范围（⽴体⾓）Ωm。
如果是各向同性的（isotropic）天线，则ΩA=4π，因此D=1。
各向同性天线具有最低的⽅向性，所有实际的天线的⽅向性都⼤于1。
如果⼀个天线只对上半空间辐射，则其波束范围ΩA=2π，因此D=4π/2π=2=3.01dBi。
简单短偶极⼦具有波束范围ΩA=2.67πsr，和定向性D=1.5（1.76dBi）。
如果⼀个天线的主瓣在θ平⾯和Φ平⾯的半功率波束宽度HPBW都是20度，则D=4πsr/ΩA sr=41000 deg2/(20 deg)*(20 deg)≈103≈20dBi(dB over isotropic)。
第1章天线基础知识2
0.5 ＝ 0°
主轴
后瓣 第一 副瓣
第1章
天线基础知识
(2)半功率点波瓣宽度：
主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707 倍（或等于最大功率密度的一半）的两辐射 方向之间 的夹角，又称为3分贝波束宽度。用 2θ0.5E 或 2θ0.5H表示。
0
主瓣 20 20 .5
0.5 ＝ 0°
主轴
天线基础知识
0 0 π/6 0.5 π/3 0.866 π/2 1 2π/3 0.866 5π/6 0.5 π 0
0 1
π/2 1
π 1
3π/2 1
2π 1
注意： 所取角度间隔可根据需要确定，角度间隔 越小，画出的方向图越精确，但一定要找出发 生零值和最大值的角度。
第1章
天线基础知识
F ,
Pin Pin 0
ASmax
S0Pr Pr 0（1―2―28） （1―2―29）
第1章
天线基础知识
可见，天线增益系数是方向系数与天线 效率的乘积。 可将式（1-2-12）改写为：
Emax 60PinG 60Pr D r r
（1―2―30）
增益系数也可以用分贝表示为
Ｇ（dB）＝10lgG
第1章
天线基础知识
(4)前后比 主瓣最大值与后瓣最大值之比。 通常也用分贝表示。 0
主瓣 20 20 .5
0.5
后瓣 第一 副瓣
＝ 0°
主轴
图1―2―5 天线方向图的一般形状
第1章
天线基础知识
方向特性—— 4．方向系数
在同一距离及相同辐射功率的条件下,某天线在 最大辐射方向上的辐射功率密度Smax （或场强|Emax| 的平方）与无方向性天线(点源)的辐射功率密度S0 （或场强|E0|的平方）之比。记为D
天线工作的基本原理和关键参数介绍
天线的关键参数介绍-反射系数
电磁波遇到障碍物就会产生反射。 如果终端所接负载阻抗与传输线特性阻抗不相等，在线路终端， 不仅有入射波，还会有反射波。通常把反射波V反（电压）与入 射波V入（电压）之比称为反射系数，用ρ来表示。 ρ=V反/V入……………(1) 从传输功率的观点来看，因阻抗不匹配使信号源送到负载的 功率返回去一些，称之为部分反射，若全部返送回去，就称为 全反射。对于上述的反射现象，假设传输线特性阻抗为ZC，终 端阻抗为ZX，则反射系数ρ又可表示为 ρ=( ZX- ZC)/( ZX+ ZC) ………(2) 如果ZX等于ZC，就没有反射；ZX 与ZC相差越远，反射就 越严重。
天线的分类—吸顶天线
室内吸顶天线 室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。 现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造 几乎都是一样的。这种吸顶天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由 于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用 网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的 驻波比要求，按照国家标准，在很宽的频带内工作的天线其驻波比 指标为VSWR ≤ 2 。当然，能达到VSWR ≤ 1.5 更好。顺便指出， 室内吸顶天线属于低增益天线, 一般为 G = 2 dB 。
天线的基本工作原理
天线的基本工作原理
天线的基本工作原理
天线的基本工作原理
天线的基本工作原理
天线的极化方式(Polarization)-单极化
天线的基本工作原理
天线的极化方式(Polarization)-双极化
V/H (Vertical/Horizontal)
Slant (+/- 45°)
天线的基本工作原理
第1章 天线的基本参数
1.3 对方向图的要求
根据各种不同应用场合的要求，天线方向图有很多类型，但最常用的有以下 4类：全向（水平面）波束、笔形波束、扇形波束和赋形波束。
全向波束方向图
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《天线原理》讲义
邹艳林 郭景丽
全向波束天线广泛用于移动通信（基台及移动台）、电视、广播系统中。它 的水平面方向图是一个圆，而垂直面内有一定方向性以提高天线的增益，如图 1-9(a)所示。
天线方向系数：定量表示天线辐射的电磁能量集中程度以描述方向特性的一 个参数，也称方向性系数。
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《天线原理》讲义
邹艳林 郭景丽
2.1 辐射功率
若空间媒质无耗，天线的辐射功率为流出包围天线的封闭曲面的功率。描述 功率与电磁场的关系往往采用坡印亭矢量，其定义为
S = 1E×H∗ 2
（1.10）
式中， S 为坡印亭矢量，单位为 瓦 / m2 ； E 为电场强度矢量，单位为V/m； H
一般情况下，紧靠主瓣的第一副瓣的电平值最高。例如，图 1-4(a)和图 1-4(b)中
的副瓣电平约为 SLL = SLL1 = −8.5dB 。
副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。因此，天线副瓣电平越低， 表明天线在不需要方向上辐射或接收的能量越弱，或者说在这些方向上对杂散的 来波抑制能力越强，抗干扰能力就越强。
图 1-7 沿 z 向（θ = 0 ）辐射最强的定向天线的二维场波瓣图
主瓣（Major lobe, main lobe）：包括最大辐射方向的波瓣。
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《天线原理》讲义
邹艳林 郭景丽
副瓣（Minor lobe）：除主瓣外的所有波瓣。 后瓣，背瓣（Back lobe）：位于主瓣相反方向的副瓣。 半功率波瓣宽度（HPBW,half power beamwidth）、3dB 波瓣宽度：在包
天线设计原理
射电磁波的电场平行于圆柱振子长度方向，则其 E 面为 yz 平面，H 面为 xy 平面。
表 0-1 给出了这两个天线的 E 面和 H 面及其方向图函数表示。
表 0-1 图 0-3 所示的八木天线和角锥喇叭天线的 E 面和 H 面及其方向图函数表示
5
《天线原理与设计》讲稿
王建
(a) 极坐标幅度方向图
(a) 直角坐标幅度方向图
(c) 极坐标分贝方向图
(d) 直角坐标分贝方向图
图 0-2 七元八木天线xy平面(H面,θ=90o)内的二维场强幅度和分贝表示的归一化方向图
天线方向图一般呈花瓣状，称之为波瓣或波束。其中包含最大辐射方向的波
瓣称之为主瓣，其它的称为副瓣或旁瓣，并分为第一副瓣、第二副瓣等，与主瓣
■三维方向图
以图 0-1(a)所示的典型七元八木天线为例，其辐射电场幅度的球坐标三维方 向图和直角坐标三维方向图如图 0-1(b)(c)所示。它们是以天线上某点为中心，远 区某一距离为半径作球面，按球面上各点的电场强度模值与该点所在的方向角 (θ ,ϕ )而绘出的。三维场强方向图直观、形象地描述了天线辐射场在空间各个方 向上的幅度分布及波瓣情况。但是在描述方向图的某些重要特性细节如主瓣宽 度、副瓣电平等方面则显得不方便。因此，工程上大多采用二维方向图来描述天 线的辐射特性。
图数据并绘出方向图。大多线极化天线的远区辐射电磁场一般可表示为如下形式
Eθ
=
E0
e− jβr r
f (θ ,ϕ )
(0.1)
Hϕ
=
Eθ η0
(0.2)
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《天线原理与设计》讲稿
天线设计的主要知识点
引言概述：天线是无线通信系统中至关重要的组成部分，它的设计直接影响到无线信号的传输效果和通信质量。
本文将介绍天线设计的主要知识点，包括天线的基本原理、天线参数的选择和调试方法、常见的天线类型及其特点、天线设计的局限性以及新兴的天线设计技术。
正文内容：一、天线的基本原理1.1辐射原理1.2辐射功率和效率1.3反射和折射现象1.4天线的辐射场型二、天线参数的选择和调试方法2.1工作频率的选择2.2天线增益的衡量2.3驻波比和输入阻抗的匹配2.4天线方向性的调节方法2.5天线效率的优化三、常见的天线类型及其特点3.1线性天线3.1.1偶极子天线3.1.2螺旋天线3.1.3带状天线3.2矩形天线3.2.1长线天线3.2.2切角天线3.2.3槽天线3.3常用宽带天线3.3.1偶极子带宽天线3.3.2螺旋带宽天线3.3.3钻孔带宽天线四、天线设计的局限性4.1空间限制4.2材料特性4.3多路径效应4.4天线与环境的互动4.5干扰与干扰抑制五、新兴的天线设计技术5.1智能天线设计5.2多天线阵列设计5.3天线与射频芯片的集成设计5.4毫米波天线设计5.5天线在物联网和5G通信中的应用总结：天线设计是无线通信系统中至关重要的一项技术。
本文介绍了天线设计的主要知识点，包括天线的基本原理、天线参数的选择和调试方法、常见的天线类型及其特点、天线设计的局限性以及新兴的天线设计技术。
了解这些知识点有助于工程师更好地设计和优化天线，提高无线通信系统的性能和可靠性。
未来随着无线通信技术的不断发展，天线设计将面临新的挑战和机遇，需不断研究和创新，以满足不断增长的通信需求。
天线原理与设计(王建)1PDF版
可见，天线方向图是在远区球面上的场强分布。
●归一化方向图
f (θ ,ϕ ) F (θ ,ϕ ) = f (θ m ,ϕ m )
(0.3)
式中，(θm ,φm)为天线最大辐射方向；
f (θm ,φm)为方向图函数的最大值。
由归一化方向图函数绘制出的方向图称为归 一化方向图。由式(0.1)和(0.2)可以看出，天线远 区辐射电场和磁场的方向图函数是相同的，因 此，由方向图函数和归一化方向图函数表示的方 向图统称为天线的辐射场方向图。
为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下 几大类：
(1～6)章 (1) 线天线(Wire Antennas) —— ——(1
(8～10章) (2) 口径天线(Aperture Antennas) —— ——(8
(3) 阵列天线(Array Antennas) —(1章部分，5章)
(4) 透镜天线(Lens Antennas) —(10章部分)
六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这 个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用 方面都在突飞猛进的发展。
(1)在天线理论方法方面
■几何绕射理论 ■平面波谱展开法 ■时域有限差分法 ■天线近场测量理论 ■矩量法 ■有限元法 ■时域积分方程法 ■阵列分析与综合理论
这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础， 随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自动 化设计软件。
■ HFSS软件 ■ CST软件 ■ FEKO软件
■ IE3D软件 ■ FIDELITY软件
(2)在天线技术应用方面
卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线 的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面 天线馈源。 雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉 冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。 半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波 甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带 化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、 印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。 微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便 于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发 展，其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频 谐振等。
（完整word版）天线基本原理
（完整word版）天线基本原理第⼀讲天线基本原理⼀、天线的基本概念1．天线的作⽤在任何⽆线电通信设备中，总存在⼀个向空间辐射电磁能量和从空间接收电磁能量的装置，这个装置就是天线。
天线的作⽤就是将调制到射频频率的数字信号或模拟信号发射到空间⽆线信道，或从空间⽆线信道接收调制在射频频率上的数字或模拟信号。
2．天线问题的实质从电磁场理论出发，天线问题实质上就是研究天线所产⽣的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的电特性。
空间任何⼀点的电磁场满⾜电磁场⽅程——麦克斯韦⽅程及其边界条件。
因此，天线问题是时变电磁场问题的⼀种特殊形式。
从信号系统的⾓度出发，天线问题可以理解为考察由⼀个电磁波激励源产⽣的电磁响应特性。
从通信系统的⾓度出发，天线可以理解为信号发射和接收器，收发天线之间的⽆线电信号强度满⾜通道传输⽅程和多径衰落特性。
3．对天线结构的概念理解采⽤不同的模型，对天线可以有不同的理解。
典型的模型⽐如：●开放的电容[思考] 野外电台或电视发射塔，⽆线电视或电台接收机，为什么能构成⼀个天线，其电流回路在什么地⽅？●开放的传输线从传输线理论理解，天线可以看做是将终端开路的传输线终端掰开。
●TM mn型波导将天线辐射看做是在4π空间管道中传输的波导，则对应的传输波型是TM型波，但在传输过程中不断遇到波导的不连续性，因此不断激励⾼次模。
由电磁波源和电磁波传输媒质形成电磁波传输的机构波的形成都需要波源和传输媒质。
在⼀盆⽔中形成机械波纹，可以使⽤点激励源产⽣波，并在⽔⾯上传播。
波的传播特性只与媒质特性有关⽽与波源⽆关。
将⼀个⾁包⼦扔出去，这个⾁包⼦可能产⽣不同的结果，或者被狗吃了，或者掉在什么地⽅了，都与扔包⼦的⼈不再有任何关系。
⽽对天线来说，馈点的激励源就是这种波源，天线导体和外界空间就是传输媒质。
不过电磁波的传输媒质可以是真空。
[思考] 电磁波具有波粒⼆象性。
频率越低，波动性越强；频率越⾼，粒⼦性越强。
所以光波主要表现出粒⼦性，⽽长波表现出波动性。
天线工作原理与主要参数
天线工作原理与主要参数天线是一种用于传输与接收无线电波的设备，广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。
天线的工作原理及其主要参数对于无线通信的效果和性能具有重要影响。
一、天线工作原理天线的工作原理基于电磁场的相互作用，它将电能转换为无线电波或者将无线电波转换为电能。
具体地说，天线通过电流的流动形成一个辐射场，这个辐射场会使得电磁波以特定的形式从天线中发射出去，或者是将接收到的无线电波转换为电流。
天线主要通过以下两个过程实现工作原理：1.辐射：当电流通过天线时，它会在天线中产生一个辐射场，即电磁场。
这个辐射场会按照天线的几何形状和电流的强弱，以特定的形式从天线中发射出去。
这个过程是将电能转换为无线电波的过程。
2.接收：当无线电波通过天线时，它会激发天线中的电磁场，使其产生感应电流。
这个感应电流会被送到接收器中进一步处理，从而将无线电波转换为电能。
这个过程是将无线电波转换为电能的过程。
二、天线的主要参数天线的性能和特点可以通过以下主要参数来衡量和描述：1.频率：天线可以工作的频率范围。
不同频率的天线会有不同的结构和特性。
常见的频率包括低频、中频、高频、超高频和甚高频等。
2.增益：天线辐射或接收信号能力的衡量，是指天线辐射功率或接收灵敏度相对于参考天线（如全向辐射器）的相对值。
增益值越大，表明天线转换能力越好。
3.方向性：即天线辐射或接收信号的主导方向。
具有方向性的天线可以将信号辐射或接收更集中，提高通信距离和工作性能。
4.谐振频率：天线的共振频率，通常与操作频率相同。
在该频率下，天线性能最佳，将最大限度地转换信号。
5.阻抗：天线内部电流与电压之间的相对比例。
阻抗匹配对于电磁波的传输至关重要，它决定了天线与信号源或接收器之间的能量传输效率。
6.波束宽度：天线辐射或接收信号的有效立体角范围。
波束宽度越小，表明天线的方向性越强。
7.驻波比：反映天线传输线的阻抗匹配程度，即天线输入端的阻抗与信号源或接收器之间的阻抗之间的比值。
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。
天线理论与设计基本概念
天线理论与设计基本概念波导理论是天线理论与设计的核心内容之一、波导是一种能够传输电磁波的结构，它包括导体壳体和介质。
波导理论研究在导体壳体内的电磁波传输问题。
波导理论研究的是电磁波在导体壳体内的传输模式、传输特性以及与界面的相互作用。
波导理论对于天线的设计与优化起着重要的指导作用。
辐射场理论是天线理论与设计的另一个重要概念。
辐射场是指天线辐射电磁波的空间分布。
辐射场理论研究的是天线辐射电磁波的传播方向、辐射功率以及辐射场分布特性等问题。
辐射场理论对于天线的辐射效率、方向性以及覆盖范围等方面进行了研究与分析。
天线参数是天线理论与设计中的基本概念之一、天线参数包括辐射功率、辐射效率、增益、方向性、驻波比等。
辐射功率是指天线辐射的功率大小，辐射效率是指天线将输入的电能转换为电磁波辐射的能量百分比。
增益是指天线辐射功率与单极点辐射功率之比，可以衡量天线输出信号强度的大小。
方向性是指天线在一些方向上辐射功率明显大于其他方向的性质。
驻波比是指天线输入端反射波与传输波之间的电压或电流的比值，是天线工作状态的一个重要参数。
天线理论与设计的基本概念还包括阻抗匹配、谐振频率、辐射模式等内容。
阻抗匹配是指将无源天线的输入阻抗与信源的输出阻抗匹配，以提高天线的工作效果。
谐振频率是指天线工作时的频率，是天线设计中的重要参数。
辐射模式是指天线在不同方向上辐射功率分布的形态。
综上所述，天线理论与设计的基本概念包括波导理论、辐射场理论、天线参数等内容。
这些基本概念对于天线设计优化、无线通信系统优化等具有重要的指导作用。
在实际应用中，需要结合具体的需求和条件，综合考虑各个参数与要求，进行天线的设计与调试，以提高天线的性能与可靠性。
天线工作原理与主要参数
天线工作原理与主要参数一、天线工作原理与主要参数<BR>天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分。
合理慎重地选用天线，可以取得较远的通信距离和良好的通信效果。
(一)天线的作用<BR>各类无线电设备所要执行的任务虽然不同，但天线在设备中的作用却是基本相同的。
任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。
所以，天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。
当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。
例如任何高频电路，只要不是完全屏蔽起来的，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。
但是，任意一个高频电路并不一定能作天线，因为它辐射和接收电磁波的效率很低。
只有能够有效地辐射和接收电磁波的设备才有可能作为天线使用。
天线的另一个作用是”能量转换”。
大家知道，发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波，收信天线也不能直接把无线电波送入收信机，这里有一个能量的转换过程，即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端，天线要把高频电流转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射。
反之在接收时，也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后，再送给收信机。
显然这里有一个转换效率问题。
天线增益越高，则转换效率就越高。
(二)天线的分类<BR>天线的形式繁多，按其用途可以分为发信天线和收信天线；按使用波段可以分为长、中、短、超短波天线和微波天线、微带天线等。
此外，我们还可按其工作原理和结构来进行分类。
<BR>为便于分析和研究天线的性能，一般把天线按其结构形式分为两大类：一类是半径远小于波长的金属导线构成的线状天线，另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面构成的面状天线。
线状天线主要用于长、中、短波频段，面状天线主要用于厘米或毫米波频段；甚高频段一般以线状天线为主，而特高频段则线、面状天线兼用。
天线原理与设计讲义.ppt
简言之：天线的功能主要有两点： (1)能量转换 (2)定向辐射或接收 无线电通讯线路中的辐射和接收天线示意：
发射系统等效电路：
天线等效电路中最主要的一个参数——辐射电阻Rr。 可以认为天线辐射的电磁波能量全部由Rr吸收。
发射天线空间辐射方向图。
●典型的空间三维方向图
●典型的二维方向图
各种各样的方向图是由各种各样的天线实现的。
■ IE3D软件 ■ FIDELITY软件
(2)在天线技术应用方面
卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天 线的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反 射面天线馈源。
雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单 脉冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。
半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米 波甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、 宽带化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印 刷天线、印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线 等。
另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵 列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表 面的共形阵列天线等。
为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下 几大类：
(1) 线天线(Wire Antennas) ——(1～6)章
(2) 口径天线(Aperture Antennas) ——(8～10章)
(1)在天线理论方法方面
■几何绕射理论 ■平面波谱展开法 ■时域有限差分法 ■天线近场测量理论
■矩量法 ■有限元法 ■时域积分方程法 ■阵列分析与综合理论
这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础，
随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自 动化设计软件。
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天线原理与设计讲义图文
第一章天线的方向图天线的方向图可以反映出天线的辐射特性,一般情况下天线的方向图表示天线辐射电磁波的功率或场强在空间各个方向的分布图形。
而相位、极化方向图只在特殊应用中使用。
对不同的用途,要求天线有不同的方向图。
这一章介绍几种简单的直线天线和简单阵列天线的方向图,以及地面对天线方向图的影响。
简单天线涉及元天线、单线行波天线、对称振子天线等。
简单阵列天线涉及由同类型天线组成的二元阵、三元阵和多元阵,对简单阵列将介绍方向图相乘原理。
线天线的分析基础是元天线。
一个有限尺寸的线天线可看作是无穷多个元天线的辐射场在空间某点的叠加。
因此这里首先讨论元天线。
1.1元天线1.1.1 元天线的辐射场元天线又称作基本振子或电流元,它是一个长为的无穷小直导线,其上电流为均匀分布dz I 。
如果建立如图1-1所示坐标系,由电磁场理论很容易求得其矢量位A 为j 0ˆ4r z e z Idz zA rβμπ−=A ˆ= (1.1图1-1 (a 基本振子及坐标系 (b 基本振子及场分量取向在求坐标系中,A 的表示为ˆˆr rAA A ˆθϕθϕ=++A ,利用球坐标中矢量各分量与直角坐标系中矢量各分量的关系矩阵sin cos sin sin cos cos cos cos sin sin sin cos 0r x y z A A A A A Aθϕθϕθϕθθϕθϕθϕϕ⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡=−⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡−⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡ (1.2 因,可得0x y A A == cos sin 0r z z A A A A A θϕθθ⎡=⎡=−⎡⎡=⎡ (1.3由00j +j ωωμε∇∇=−A E A i 和01μ=∇×H A ,可得基本振子的电磁场各分量为 j j 02j 021j sin (14j 11j sin [1]4j (j 1cos (12j 0r rr r r Idz H e r r Idz E e r r r Idz E e r r E H Hβϕβθβϕθβθπββηθπββηθπβ−−−⎡=+⎡⎡⎡=++⎡⎡⎡=+⎡⎡⎡===⎡(1.4 式中,E 为电场强度;H 为磁场强度;下标、r θ、ϕ表示球坐标系中的各分量。
第一章 天线基础(2)—电基本振子、天线参数
• 电基本振子 • 天线参数
1
1.3 电基本振子
导线张开、辐射增强
辐射被束缚、辐射微弱
长度与波长相比拟，较 强辐射
2
1.3 电基本振子
3
1.3 电基本振子
Z矢量分解到r和θ方向
4
1.3 电基本振子
（Aθ与φ 无关） （Ar与θ 无关） 电基本振子辐射场中磁场只有φ 分量
5
1.3 电基本振子
31
常1见.天4线.5的增增益益
❖ 三.八木定向天线 ❖ 八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等
优点。因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统 的室外接收天线的首选天线类型。 ❖ 八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用 6 - 12 单元 的八木定向天线，其增益可达 10-15dBi。
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.9GHz' Phi='20deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.9GHz' Phi='25deg'
dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.9GHz' Phi='30deg'
❖ 如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是dBd。半波对称 振子的增益为G=0dBd（因为是自己跟自己比，比值为1，取对数 得零值。）垂直四元阵，其增益约为G=8.15–2.15=6dBd。
通过阵列方式可以提高增益
26
1.4.5 增益
❖ 也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向，平面反射板放在阵 列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面 的作用------反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。
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1.2 天线主要的特性参数
圆极化和椭圆极化
对于两个相互垂直的线极化波，当他们幅度相同 相位相差 90°是形成圆极化波，当他们幅度不同 的时候，则形成椭圆极化波。他们根据旋转方向 不同，又分为左旋和右旋。
1.2 天线主要的特性参数
天线的极化
• 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致 时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极 化损失。 • 当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正 交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化 的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆 极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量， 这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。
辐射近场区的场以辐射场为主，但场随空间角度的分 布会随 R 的变化而变化，场的径向分量也有可能较大。 这一区域的范围一般定义为 （D > ）。 当天线的尺寸与波长相比很小时，这一区域可能不存 在。对于聚焦于无穷处的天线，这一区域也称为菲涅 耳(Fresnel)区。 远场区则是我们最关心的区域，我们的测量几乎都必 须在这个区域内进行。
1.1 空间源产生的场
L=lambda/2
L=3*lambda/2
1.1 空间源产生的场
一般根据R的变化可以将空间分为感应近场区、辐射近 场 区 （ 菲 涅 耳 区 Fresnel ） 和 远 场 区 （ 夫 琅 和 费 Fraunhofer）三个区，如图所示。
1.1 空间源产生的场
感应近场区的场主要是感应场，其外边界一般定义 为 ，其中，D为天线的最大尺寸，为 工作波长。如果天线是非常短的偶极天线，其外边界 定义为 。。
1.2 天线主要的特性参数
主瓣宽度
场强从主瓣最大值下降到最大值的0.707倍或功率从 主瓣的功率最大值下降到主瓣功率最大值一半时两 点之间的角度 主瓣宽度通常指方向 图某个截面内的主瓣 宽度。如果天线方向 图不是旋转对称的 ， 则各个截面内的主瓣 宽度不等。一般情况 下主要考虑 E 面和 H 面 内的主瓣宽度。
1.2 天线主要的特性参数
方向图
1.2 天线主要的特性参数 • 一般情况下主要考察两个平面内的天线方向图 （二维天线方向图），即 E 面和 H 面。 E 面表示与 电场平行的平面，有很多个，一般以通过某一或 某两个坐标轴并与电场平行的平面作为 E面。对于 旋转对称天线的方向图，所有E面内的二维方向图 都相同。H面则是与磁场平行的平面，与E面一样， H面一般是指通过某一或某两个坐标轴并与磁场平 行的平面。 • 与方向图密切相关的天线特性参数有：主瓣宽度， 副瓣电平，方向性系数。
1.2 天线主要的特性参数
1.2 天线主要的特性参数
方向图
按照远区电场强度大小与空间角度之间的关系绘 制而成的场强-角度变化图称为方向图。有时也用 功率方向图表示天线的方向特性，功率方向图是 功率与角度之间的关系图。功率方向图通常比场 强方向图“瘦”。归一化方向图是非归一化方向 图除以主瓣最大值后得到的方向图，归一化方向 图的主瓣最大值为1。
1）在辐射功率相等的情况下， 有方向性天线在最大方向上的 场强是无方向性天线场强的 D 2) 若要求在最大方向场点产生 相同的场强，有方向性天线辐 射功率只需无方向性天线的1/D 倍。
1.2 天线主要的特性参数 练习1：对于小电流环方向图函数为 F ( ) sin ，计算 其方向性系数D
1.1 空间源产生的场 • 远场区的场基本上是横向场，径向分量很小，并且 场随空间角度的分布规律不再随 R 而变化。这区域 范围一般为 。对于聚焦于无穷处的 天线，这一区域也称为夫琅和费(Fraunhofer)区。 • 在远场区，空间的场可表示为：
其中A是与电流幅度和空间距离有关的常数， 为 仅与空间角度有关的函数，叫做方向性函数，由它画 成的场随空间角度的分布图叫天线的方向图。有时 除以它的最大值得到的方向性函数，称为归一化方向 性函数，相应的方向图称为归一化方向图。
1.2 天线主要的特性参数
副瓣电平
副瓣最大值与主瓣最大值之比取以10为底的对数，再 乘10 (功率)或乘20 (场强) 通常希望副瓣电 平越低越好。但 一般情况下，某 个副瓣电平降低 则其它副瓣电平 升高。如果让所 有副瓣电平都相 等则可以得到较 低的副瓣。电平
1.2 天线主要的特性参数
方向性系数D
增益与方向性系数之间的关系为：
辐射电阻
天线的辐射功率除以输入电流有效值的平方
输入阻抗
天线的输入电压与输入电流之比
1.2 天线主要的特性参数
驻波比（VSWR）:
VSWR 1 | L | 1 | L |
反射系数：
Z L Z0 L Z L Z0
1.2 天线主要的特性参数 例：单极天线的输入阻抗：
1.2 天线主要的特性参数 若 f H : 带宽内最高频率；f L : 带宽内最低频率
1）绝对带宽： B f H f L 。
Br f H f L f0 。 f0 ：中心频率。 2）相对带宽：
3）比带宽：对宽频带天线而言，往往直接用比值
f H f L 来表示带宽。
• 一般讲相对带宽小于10%的天线称为窄带天线。 • 将 f H f L 大于2:1的称为宽带天线；大于3:1的称为
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练习 2 ：在小电流环所在的平面上距离 r=10km （远 区）某点测得其电场强度为 5mV/m ，问起辐射功率 有多大？若采用无方向性天线发射，使该点场强不 变，则需要多大的辐射功率？
1.2 天线主要的特性参数
天线效率a
为天线辐射的总功率与输入功率之比。
天线增益G
在相同输入功率的前提下，天线在某点产生的电场 强度的平方(E 2)与点源天线在同一点产生的电场强度 的平方(E02 )之比，用G表示：
特宽带天线，大于10:1以上的天线，通常称为超 宽带天线。
1.2 天线主要的特性参数
有效(等效)口径Ae
有效口径一般与接收天线相关，为天线接收的总功率 与入射场的功率密度之比。Ae与方向性系数之间有如 下关系：
口径效率ap
为有效口径与天线的物理口径Ap之比
1.2 天线主要的特性参数
天线的极化
天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和 磁场构成。电场的方向就是天线极化方向。
方向性系数也可用分贝表示：
1.2 天线主要的特性参数
天线的方向性系数也可定义为
D SM S0 1 1 E2 S (E H ) 2 2 120 1 EM 2 SM 2 120 P S0 r 2 4 r 2 2 EM r D 60 Pr 60 Pr D | E | M r
一、天线的基本参数
1
1.1 空间源产生的场
1.1空间源产生的场
z 场点
J,Jm V
r
y
x
1.1 空间源产生的场 空间的场可表示为
(1) 如果空间没有磁源，仅有电源，则有
1.1 空间源产生的场
如果空间没有电源，仅有磁源，则有 (3)
(4) 对于具体问题，方程(1) 可在圆柱坐标系下展开为： (5)
在相同辐射功率的前提下，天线在某点产生的电场 强度的平方(E 2)与点源天线在同一点产生的电场强 度的平方(E02 )之比，用D表示：
方向性系数还有用功率定义的，结果一样
1.2 天线主要的特性参数 在已知归一化方向性函数时，方向性系数可以由下式 求得：
通常所说的方向性系数是指最大辐射方向的方向性系 数，此时 ，
1000 FDTD(本文) 阻抗实部 500 实验值[34]
Z ()
0
－500
阻抗虚部
－1000
0
2
f (GHz)
4
6
1.2 天线主要的特性参数
天线带宽
为一个以谐振频率为中心的频率变化范围，在这个范 围内天线的某个特性参数的变化还在可容忍的程度内。 有以方向图定义、以阻抗定义以及以其它参数定义的 带宽。一般所说的带宽指阻抗带宽：为输入天线的功 率因阻抗不匹配降低到中心频率一半时工作频率的变 化范围，通常与反射系数、驻波系数相联系。 对线天线来说：天线越粗，带宽越宽。