天线原理与设计3.1 水平对称天线
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
微波与天线-对称阵子天线
实例分析：某型号对称阵子天线设计过程展示
馈电方式选择
采用偏心馈电方式，通过微带线 将信号引入阵子中心，实现宽带
匹配。
阵子结构设计
选择半波振子作为阵子结构，阵 子长度为1/4波长，直径为1/50 波长。阵子间距设置为1/2波长
，以获得较好的辐射特性。
设计目标
设计一款工作于2GHz频段，具 有较宽带宽和良好辐射特性的对
提高信号传输效率
对称阵子天线具有较高的辐射效 率和较宽的带宽，能够快速地将 信号辐射到空间中，从而提高信
号的传输效率。
增强信号接收能力
对称阵子天线具有较好的方向性和 增益特性，能够准确地接收来自特 定方向的信号，并增强信号的接收 能力。
降低系统成本
相对于其他类型的天线，对称阵子 天线具有较低的成本和较小的体积， 便于集成到各种通信设备中，从而 降低整个系统的成本。
偶极子天线
由两个相同且平行的半波振子 组成，具有宽频带、中等增益 和方向性可调等特点。
垂直阵子天线
由多个垂直排列的半波振子组 成，具有高增益、窄波束和垂 直面内方向性可调等特点。
环形阵子天线
由多个环形辐射元组成，具有 全向辐射、低剖面和宽频带等 特点。
微带阵子天线
利用微带传输线技术实现阵子 天线的平面化设计，具有低剖 面、轻量化和易于集成等特点 。
雷达系统
雷达系统需要实现远距离的目标探测和定位，对称阵子天线具有较好的方向性和较高的增益，能够提高 雷达系统的探测距离和定位精度。同时，对称阵子天线还能够适应各种复杂环境和气候条件，保证雷达 系统的稳定性和可靠性。
06
未来发展趋势预测与挑战分析
技术创新方向预测
01
02
03
天线原理与设计习题集
30
π
∫
2π
0
dϕ ∫ f 2 (θ , ϕ ) sin θ dθ 计算
0
π
1 − cos x dx = C + ln(2π ) − Ci (2π ) ， x
式中，C=0.577, Ci (2π ) = −0.023 ) 2.2 利用下式求全波振子的方向性系数 D(θ , ϕ ) = 120 f 2 (θ , ϕ ) Rr ， f (θ , ϕ ) =
2.8 用方向图相乘原理草绘图 10 所示理想地面上的同相位水平半波三元天线阵 的 H 面方向图，计算阵列的总辐射电阻和 H 面的方向性系数，三个阵元的电流 幅度关系为 I 2 =2 I 1 =2 I 3 。 2.9 理想地面上架设的水平半波天线阵，如图所示，各单元的激励幅度和相位也 已标注在图中。要求： (1) 用方向图相乘原理画出天线阵在 yz 平面和 xy 平面内的方向图； (2) 计算振子 I 的辐射阻抗； (3) 若希望最大辐射方向为 Δ m = 15o ，试问天线应架设多高？
η1 = 0.6， η 2 = 0.8 。
1
1 如果二者的输入功率相等，求它们在最大辐射方向上相同距离处的电场 ○ 振幅之比。 2 如果二者的辐射功率相等，求它们在最大辐射方向上相同距离处的电场 ○ 振幅之比。的辐射功率 ○ 比值 Pr1 / Pr 2 和输入功率比值 Pin1 / Pin 2 4π 0.8 利用方向性系数的计算公式: D = 2π π 2 ∫ ∫ F (θ , ϕ ) sin θ dθ dϕ
5
第三章
接收天线
3.1 已知半波对称振子天线的有效长度 l e = λ / π ，试求其有效面积。 3.2 两微波站相距r，收发天线的增益分别为G r 、G T ，有效面积分别为S r 、S T ， 接收天线的最大输出功率为Pr，发射天线的输入功率P T 。试求证不考虑地面影 响时的两天线间的传输系数为
天线原理与设计复习
U (θ0,ϕ0 ) 与理想点元天线在同一方向射强度 U0 (θ0,ϕ0 ) 的比值。
D
(θ
0
,ϕ0
)
=
U (θ0,ϕ0 ) U0 (θ0,ϕ0 )
(a)
定义 2：在某方向产生相同电场强度的条件下，理想电源辐射功率 Pro
与某天线的输入功率
Pr
的比值。即：
D (θ0,ϕ0
)
=
Pro Pr
∫ ∫ 具体表达式： D(θ0,ϕ0 ) =
f (θ ) = cos(β l cosθ ) − cos β l
sinθ x 轴和 y 轴放置时又如何表示：
■半波天线: 方向图函数
F
(θ
)
=
cos
(π cosθ
sinθ
/
2)
主瓣宽度 2ϕ0.5 = 78o
方向性系数 D = 1.64 (2.15dB)
辐射阻抗 Zr = 73.1 + j42.5 (Ω)
(dB)
●给定某天线辐射电磁场 E 、 H
坡印亭矢量 W = 1 E × H* 2
辐射功率
∫∫ ∫∫ Pr =
W ⋅ ds = 1
s
2
E × H* ⋅ nˆ ds
s
●方向性系数 D：是表征天线辐射能量集中程度的参数。
定 义 1： 相 同 辐 射 功 率 Pr 条 件 下 ， 某 天 线 在 给 定 方 向 上 的 辐 射 强 度
场方向图函数的最大值。
三、阵列的辐射阻抗
1、天线阵中，每个阵元的辐射阻抗都是由（阵元的自阻抗）与（阵元 间的互阻抗）两部分组成的。
⎧⎪Zr1 ⎪
=
Z11
+
I2 I1
天线基本原理及常用天线介绍
25
电压驻波比（VSWR）对网络的影响：
VSWR 反射功率比 辐射功率减少 减少百分比
3.0
25%
2.15dB
40%
2.0
11%
0.86dB
18%
1.8
8%
0.67dB
14%
1.5
4%
0.36dB
8.0%
1.4
2.8%
0.21dB
4.7%
1.3
1.7%
0.13dB
2.9%
1.2
0.8%
0.07dB
三个及三个以上工作频段（不同制式）的宽频
天线。正如前边所介绍的：
806~869 824～896 870～960
806～960MHz 一副天线
1710～1880 1850～1990 1920～2170
1710~2170MHz 一副天线
31
806~960MHz的超宽频天线
现在的一副天线相当于原来的三副天线， 并且具备电调功能，既提高了产品性能，又在很大程度上降低了天线的生产3成2 本
峰值
- 3dB点
Peak - 3dB
15° (eg)
Peak
10dB 波束宽度
- 10dB点
120° (eg)
峰值 - 10dB点 Peak - 10dB
32° (eg)
Peak
Peak - 3dB
俯仰面即垂直面方向图
Peak - 10dB 16
方向图旁瓣显示
上旁瓣抑制 下旁瓣抑制
17
8、方向图在移动组网中的应用
1.1%
26
多径传播与反射
27
用分集接收改善信号电平
28
二、几种常用天线的介绍
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(王建)6PDF版
(1) 传输线模式
见图(b)，由端口a-b或e-f向短路端看去的输入阻抗为
Zt = jZ0 tan(β l / 2)
(4.19)
式中，Z0是双线传输线的特性阻抗。b、e两点等电位， 则a-b两点的输入电流为
(2) 天线模式
U /2 It = Zt
(4.20)
见图(c)，由于c、d两点同电位，g、h同
f0
f0
π
RA
(4.12)
由此式可见，对称振子的频带宽度与它的平均特性阻抗
Z'0有关。如果RA不变，那么Z'0愈小带宽就愈宽。由Z'0的
表示
Z0′
= 120[ln(
2l ρe
)
− 1]
(4.13)
可见，减小Z'0的有效途径是增大振子的截面半径。在中、 短波波段，广泛采用架设在地面上一定高度的水平对称
天线原理与设计
教师： 王建 电子工程学院二系
第四章 双极与单极天线
双极天线就是前面提到的对称振子天线，这种天线 从馈电输入端看去有两个臂。所谓单极天线，就是从输 入端看去只有一个臂的天线，如导电平板上的鞭天线， 垂直接地天线等。
4.1 近地水平与垂直半波天线
1、近地水平半波天线
近地水平半波振子天线广泛应用于短波(λ=10~100 米)通信中，其振子臂可由黄铜线、钢包线和多股软铜线 水平拉直构成，中间由高频绝缘子连接两臂，可由双线 传输线馈电，如下图所示。
链接
4.2 对称天线的频带宽度
天线的电气参量大多数都是频率的函数。当工作频 率偏离中心频率(设计频率)时，可能使方向图发生畸变， 增益下降，馈电传输线上驻波增大等。因此，工程上往 往要规定一个频率范围。在此频率范围内，天线的电特 性变化不影响工作，这个频率范围就是工作频带宽度。
天线原理与设计3.1.3 V形对称振子
cos kl
sin
jcos
sin kl
e jkr
(3-1-16)
相应地, 可求出V形振子角平分线方向上的方向系数，如 图3-1-16所示。对应于最大方向系数的张角称为最佳张角 2θopt，一般来说，l/λ值愈大，2θopt值也就愈小。对于 0.5≤l/λ≤3.0 的V形天线, 有如下的经验公式：
图3-1-15 V形对称振子
为了求出V形对称振子的远区场，首先考虑振子的一个 臂。设线上电流按正弦分布，仿照1.4节由电基本振子的场通 过积分求对称振子场的方法，可求得这一驻波单导线的远区
E 1
(r, ,)
j 30 I m r
e jkl
cos
cos kl
sin
jcos
sin kl
(3-1-18)
V形天线的设计任务是选择适当的张角2θ0，使得两根直线段所产生 的波瓣指向同一方向。一般来说如果希望V形天线的最大辐射方向位 于V形平面的角平分线上，则张角的最佳值是单根直线天线轴与其主 瓣夹角的两倍。
3.1.3 V
在第1章我们学习了自由空间对称振子。对于这种直线 式对称振子，当l/λ=0.635时，其方向系数达到最大值Dmax =3.296。
如果继续增大l，由于振子臂上的反相电流的辐射，削弱 了θ=90°方向上的场，使该方向的方向系数下降。如果对称 振子的两臂不排列在一条直线上，而是张开2θ0， 构成如图 3-1-15所示的V形对称振子(Vee Dipole)，则可提高方向系数。 V形天线的设计任务是选择适当的张角2θ0，使得两根直线段 所产生的波瓣指向同一方向。
2opt
152
l
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)
4
《天线原理与设计》讲稿
天线原理与设计习题集解答_第34章
天线原理与设计习题集解答_第34章第三章接收天线(3-1) 已知半波对称振⼦天线的有效长度e l =λ/π，试求其有效⾯积。
解：半波振⼦的有效⾯积：（P56 已计算出）1.64D =，220.134D S λλπ== (3-2) 两微波站相距r ，收发天线的增益分别为G r 、G T ，有效⾯积分别为S r 、S T ，接收天线的最⼤输出功率为Pr ，发射天线的输⼊功率P T 。
试求证不考虑地⾯影响时的两天线间的传输系数为 222)4(rS S G G r P P T T r T r T r λπλ=== 并分析其物理意义。
解： 24r r G S λπ?= , 24T T G S λπ=r 24TT r P P G S r π∴=222444r T r T r TP G S G G T P r r λπππ??===? 22222444r T r T T r S S S S G G r r r λπππλλ??=?=?=费⾥斯传输⽅程是说明接收功率r P 与发射天线输⼊功率T P 之间的关系的⽅程，传输系数T 与空间衰减因⼦2()4rλπ和收发天线的增益r G 和T G 成正⽐；或与收发天线的有效⾯积r S 和T S 成正⽐，与距离和⼯作波长的平⽅2()r λ成反⽐。
(3-3) 如图中的两半波振⼦天线⼀发⼀收，均处于谐振匹配状态。
接收点在发射点的θ⾓⽅向，两天线相距r ，辐射功率为P T 。
试问：1）发射天线和接收天线平⾏放置时收到的功率是否最⼤？写出表⽰式。
当60=θ°，r=5km ，P T =10W 时，计算接收功率。
2）计算上述参数时的最⼤接收功率，此时接收天线应如何放置？解：(1) 平⾏放置时接收到的功率不是最⼤。
半波天线的⽅向图函数为：cos cos 2()sin f πθθθ?=所以，在θ=60o的⽅向上⽅向性系数为：o 260120()80| 1.094473.1f D Rr θθ==== 利⽤费利斯传输公式o 2222r 60120()()()|44T T r T r f P P G G P r r R θλλθππ=??=??=222.0034r λπ??=? ??? (2) 最⼤接收功率为：222120(60)120(90)Pr 4T r r f f P r R R λπ=??? ?让接收天线的轴向与来波⽅向垂直。
天线技术 课件(西电第二版)第4章
2! x
4!
6!
x
du x
1 5
0
3!
5!
第 3 章 对称天线、折合天线和单极天线
3． 对称天线的输入阻抗
1） 特性阻抗 由传输线理论知，平行均匀双导线传输线的特性阻抗沿线 是不变化的， 它的值为
Z 0 120 ln D a
式中: D为两导线间距；a为导线半径。而对称振子两臂上对应 线段之间的距离是变化的，如图 3-7所示，因而其特性阻抗沿线
[cos( l cos ) cos( l )] sin
2
d
(3- 1-15)
0
积分过程很复杂，结果如下： RΣ=30［2(C+ln(2βl)-Ci(2)βl)+sin2βl(Si(4)βl-2Si(2)βl) +cos2βl(C+ln(βl)+Ci(4)βl-2Ci(2)βl)］
F ( , ) cos( l cos ) cos( l ) sin
第 3 章 对称天线、折合天线和单极天线 方向性函数F（θ，φ）不含φ，这表明对称振子的辐射场与φ 无关，也就是说对称振子在与它垂直的平面（H面时，方向图是一个圆，且与天线
另 外 ， 由 图 3-4 可 以 看 出 ， 对 远 区 场 而 言 ， 可 以 认 为
θ1=θ2=θ0，并假设它等于θ，则有
r1=r0-z cosθ 上臂(z>0)
r2=r0+z cosθ 下臂(z<0) 所以式(3- 1-5）可写成
E j 60 I m r0 e
j r0
(3- 1-6)
式中: C=0.5772为欧拉常数； Ci(x)和Si(x)分别为余弦积分和正弦
天线原理介绍
无线覆盖与小区划分
对于蜂窝小区的激励通常为中心激励与顶点激励，在每个小区中基站可设在小区 的中央，用全向天线形成圆形覆盖，这就是中心激励。也可将基站设计在每个小区六 边形的三个顶点上，每个基站采用三付相同120度上行定向天线实现覆盖，这就是顶点 激励。
无线覆盖与小区划分
区群的组成： 相邻小区不能用相同的信道，相同信道的小区之间应有足够的距离进行隔离，避
小区的形状可分为正三角形、正四边形、正六边形：
无线覆盖与小区划分
可看出，正六边形相邻区域中间间距最大，覆盖面积最大。在业务区域面积一定 的情况下，正六边形小区的形状最接近理想的形状，因为它所需的基站数最少，最经 济，由于它与蜂窝相同，故称蜂窝网。
无线覆盖与小区划分
蜂窝小区根据它的面积大小可分为：
免出现同频干扰，这些不同信道的小区组成一个区群，只有不同区群的小区才能进行 信道再用。
无线覆盖与小区划分
区群的组成应满足： (1) 区群之间可以邻接且无空隙、无重叠的进行覆盖； (2) 邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间距离相等。 满足上述条件的区群内的小区数不是任意的，可以证明，区群内的小区数应满足
天线振
⚫
子
极化方式
传播方向
极化方式
振 子
电场
磁场
电场 电波传输方向
磁场
电场
极化方式
极化方式
垂直极化 + 45度倾斜的极化
水平极化 - 45度倾斜的极化
极化方式
V/H (垂直/水平)
倾斜 (+/- 45°)
极化方式
极化方式
1000mW (即1W)
在这种情况下的隔离为 10log(1000mW/1mW) = 30dB
手机天线原理和设计讲解
手机结构(jiégòu) vs PIFA天线 （直板机）（一）
• 典型PIFA形 式,GSM/DCS (/PCS)
• 位于手机顶部 • 面向(miàn
xiànɡ)Z轴正 向，与电池同 侧。
精品资料
手机结构(jiégòu) vs PIFA天线 （直板机）（二）
short pin
w=15~25
• 看来Isotropic方 向图垂直方向收到 “挤压(jǐ yā)”，水 平方向则扩大了覆盖 范围。
• 增益越高，垂直方向 波束越窄，水平方向 覆盖面积越大。
侧视 (垂直方向图)
垂直波束
dipole (with Gain)
顶视 (水平方向图)
精品资料
全向和定向(dìnɡ xiànɡ)
• 右上图为一高增益全向 天线。垂直方向波束窄， 阴影为天线不能覆盖范 围。水平方向则覆盖面 积很大。
4.
Stamping热熔到Support上，连接用spring
5. Stamping + Support + Pogo pin (正、反)
6.
Stamping热熔到Support上，连接用Pogo Pin。
7.
正向使用(shǐyòng)Pogo Pin一般适合于带support的结构，反向使用(shǐyòng)都可以。
最大增益～ 4dBi。
全向性可控制
精品资料
内置Planar Monopole vs 手机 (shǒu jī)结构设计
• 内置Planar Monopole天线可以比同样 (tóngyàng)工作频率的PIFA小。
• Monopole必须悬空，平面结构下不能有 PCB的Ground。
• Monopole只需要一个Feed Point和PCB上的 Pad相连。
天线原理与设计
天线原理与设计绪论0.1 天线在无线电工程中的作用天线已随处可见，它已与我们的日常生活密切相关。
例如，收听无线电广播的收音机需要天线，电视机需要天线，手机也需要天线。
在一些建筑物、汽车、轮船、飞机上等都可以看见各种形式的天线。
收音机、电视机使用的天线一般是接收天线，广播电视台的天线则为发射天线。
而手机天线则收发共用，但须经过移动通信基站天线转收和转发。
实际上，一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、雷达、导航等系统)都是利用无线电波来进行工作的，而从几MHz的超长波到四十多GHz的毫米波段电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。
天线是这样一个部件，作发射时，它将电路中的高频电流或馈电传输线上的导行波有效地转换成某种极化的空间电磁波，向规定的方向发射出去；作接收时，则将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或传输线上的导行波。
综上所述，天线的作用主要有四点：(1) 能量转换对于发射天线，天线应将电路中的高频电流能量或传输线上的导行波能量尽可能多地转换为空间的电磁波能量辐射出去。
对于接收天线，天线应将接收的电磁波能量最大限度地转换为电路中的高频电流能量输送到接收机。
这就要求天线与发射机源或与接收机负载尽可能好的匹配。
一副好的天线，就是一个好的能量转换器。
(2) 定向辐射或接收对于发射天线，辐射的电磁波能量应尽可能集中在指定的方向上，而在其它方向不辐射或辐射很弱。
对于接收天线，只接收来自指定方向上的的电磁波，在其它方向接收能力很弱或不接收。
例如，就雷达而言，它的任务是搜索和跟踪特定的目标。
如果雷达天线不具有尖锐的方向性，就无法辨别和测定目标的位置。
而且如果天线没有方向性，或方向性弱，则对发射天线来说，它所辐射的能量中只有一少部分到达指定方向，大部分能量浪费在不需要的方向上。
对接收天线来说，在接收到所需要信号的同时，还将接收到来自其它方向的干扰信号或噪声信号，致使所需信号完全淹没在干扰和噪声中。
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。