天线理论与设计
全息天线理论研究与设计
全息天线理论研究与设计全息天线理论研究与设计引言随着无线通信技术的迅猛发展，人们对于更快速、更高效的信号传输和接收需求不断提高。
传统天线技术已经无法满足这一需求，而全息天线作为一种新型的天线技术，具有更小巧、更高效的特点，因而备受关注。
全息天线是基于光学全息的概念设计的一种新型天线，它将场景信息直接投影到天线表面上，实现天线的快速可调整和软件定义。
全息天线通过控制电磁波的相位和幅度来达到信号的传输和接收，其天线的尺寸与工作波长相当，因此可以实现更高的方向性、更高的频率选择性和更低的副瓣水平。
全息天线理论全息天线的理论基础是光学全息理论，它利用光的波动特性，通过干涉、衍射和散射等光学效应来实现信息的存储和重建。
光学全息将三维信息编码到二维的光学波前上，通过光的传输和光的干涉效应来实现信息的高效传输。
在电磁波领域中，全息天线可以实现类似的效果。
通过使用人工结构化介质的天线超表面，全息天线可以实现在天线表面上存储和控制电磁波的相位和幅度，从而实现波的重建和调制。
例如，通过改变超表面上各个单元的相位，可以实现波束的形成和调控。
全息天线可以有效地减小天线的尺寸，提高天线的性能指标。
全息天线设计全息天线的设计需要考虑多个因素，包括工作频率、天线尺寸、方向性和频率选择性等。
首先，根据工作频率选择合适的超材料。
超材料是通过结构化介质实现的，可以调控电磁波的传播特性。
选择合适的超材料可以实现更好的波束控制效果。
其次，根据天线尺寸确定合适的天线类型。
全息天线的尺寸与工作波长相当，因此需要根据波长选择适合的天线类型，如微带天线、天线阵列等。
再次，考虑天线的方向性和频率选择性。
全息天线具有较高的方向性，可以实现波束的形成和调控，从而实现对目标的精确定位和跟踪。
此外，全息天线还具有较高的频率选择性，可以在多径干扰较强的信道中提供更好的通信质量。
总结全息天线作为一种新型的天线技术，具有更小巧、更高效的特点，正在引起广泛的关注和研究。
《天线理论与设计》大纲
《天线理论与设计》研究生课程教学大纲课程类别：专业基础课课程名称：天线理论与设计开课单位：信息与通信工程学院课程编号：总学时：20 学分：1适用专业：电子与通信工程先修课程：大学物理、矢量分析与场论、电磁场与电磁波一、课程在教学计划中地位、作用天线理论与设计主要研究无线电波传播的辐射与接收，从理论上阐述天线的基本原理，天线的类型与应用范围，常用天线的形式，结构，性能，以及测试与设计方法，通过本课程的学习和实践，使学生能够比较系统和全面地掌握天线理论与设计的基本概念、原理和主要先进而实用的技术，了解天线理论与设计的技术特点、发展和实际应用情况，具备一定的天线理论与设计理论基础。
为今后从事天线理论与设计打下基础。
二、课程内容、基本要求第1章天线基础知识1．了解天线在无线系统中的作用、天线的分类2．掌握电流元、磁流元的辐射3．掌握发射天线的电参数、互易定理与接收天线的电参数，理解各项参数的基本概念4．掌握对称振子的基本特点、理解天线阵的方向性、对称振子阵的阻抗特性，学会天线阵的参数分析方法5．了解无限大理想导电反射面对天线电性能的影响第2章简单线天线1．理解水平对称天线的方向性、输入阻抗、方向系数、尺寸选择，掌握常用水平对称天线的设计方法2．掌握不同直立天线的基本特点与设计方法3．理解环形天线的基本特性与设计方法4．理解引向天线与背射天线的工作特点第3章行波天线1．理解行波单天线及菱形天线的工作原理与应用场合，掌握此类天线的参数分析方法2．理解螺旋天线的工作原理与应用场合，掌握螺旋天线的参数分析方法第4章非变频天线1．掌握非变频天线的基本概念2．理解阿基米德螺旋天线的工作原理与设计方法3．理解对数周期天线的工作原理与设计方法第5章缝隙天线与微带天线1．理解缝隙天线、缝隙天线阵的工作原理与设计方法2．理解矩阵微带天线、双频微带天线的工作原理与设计方法第6章面天线1．理解等效原理与惠更斯元的辐射2．掌握平面口径的辐射一般计算公式、同相平面口径的辐射、同相平面口径方向图参数、相位偏移对口径辐射场的影响3．理解矩形喇叭天线的口径场与方向图4．理解圆锥喇叭、馈源喇叭、旋转抛物面天线几何特性与工作原理以及抛物面天线的方向系数和增益系数，掌握此类天线的分析设计方法5．掌握卡塞格伦天线的工作原理6．理解喇叭抛物面天线第7章智能天线1．掌握智能天线的基本原理2．了解自适应数字波束形成3．理解多波束天线。
天线理论与设计—第4章
第四章 图 1.4 基本磁振子的辐射
第四章
稳态场有这种特性, 时变场也有这种特性。 小电流环的 辐射场与磁偶极子的辐射场相同。
基本磁振子是一个半径为r的细线小环, 且小环的周长满足 条件：2πr<<λ, 如图 1.4所示。假设其上有电流i(t)=Icosωt, 由 电磁场理论, 其磁偶极矩矢量为
cos kL cos cos kL
2
2
s in
方向图 函数
cos kL cos cos kL
f 2
2
s in
第四章
电性能
归一化场强方向图
F
f fm
k
f
L
3 2
时
k
f
m
1
0
0.7148
半波振子归一化方向图
cos cos
F 2
s in
k
1
fm
带宽
对称振子是谐振式结构，频带宽度窄
10%左右，VSWR<2.0
第四章
方向性系数
D
2
4 fm 0 2 f 2 sindd
00
2
4
F , 2 sindd
00
2 fm 0 2 f 2 sind
0
Pr
1 2
I
2 m
60
0
f
2
s in d
1 2
I
2 m
Rrm
1
Pm az Ib2 az pm
磁振子： I M l jPm
根据电与磁的对偶性原理,
问题a 电流元
J1
E1
H1
理想导电体
问题b 磁流元
M2=J1
天线理论与设计—第一章
第一章
1.5 电流元的辐射
1.电流元(电振子) 电振子是一段长度l远小于波长, 电流I振幅均匀分布、 相 位相同的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天线 均可看成是由一系列电振子构成的。 下面首先介绍电振子的辐射特性。
在电磁场理论中, 已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电
的横电磁波, 所以远区场又称辐射场; 2 1 1 kI l ˆ ˆ S1 E H r E H r sin 2 2 2 4r Eθ/Hφ=η=
u0 / = 0 120π（Ω）是一常数, 即等于媒质的本征
阻抗, 因而远区场具有与平面波相同的特性;
远场区
R1
辐射近场区
图1.2 天线场区划分示意图
第一章
1.2 场区划分 对式（ 1-63、64 ）进行分析可知: (1) 近区场（r<<）
Er j Il cos 3 2kr
Il E j sin 3 4kr Il H sin 3 4r 在近区（r<<）, 电场Eθ和Er与静电场问题中的电偶极子的 电场相似, 磁场Hφ和恒定电流场问题中的电流元的磁场相 似, 所以近区场称为准静态场; 电场与磁场相位相差90°, 说明玻印廷矢量为虚数, 也就是 说, 电磁能量在场源和场之间来回振荡, 没有能量向外辐射, 所以近区场又称为感应场。
1，感应近场区 （0RR1） 2，辐射近场区 （R1RR2） 3，远场区 （R2R）
R2 2D /
2
R1 0.62 D /
3
s
第一章
1.4 辐射问题的麦克斯韦方程的解
已知辐射源分布J，求解辐射场E和H，
天线理论与设计1
天线的使用
传输电磁能可以利用传输线和天线。对收发距离为R， 传输线的功率损耗是 ( e-,R其)2中α是传输线的衰减常 数。如果天线被用于视距组合中，其功率损耗正比于 1/R2。
一般而言，在低频和短距离时，用传输线是现实的。 但是，由于可用带宽的缘故，高频有吸引力。
当距离变长，频率升高时，使用传输线的成本和信号 损失变得很大，因此，人们更愿意使用天线。
旁瓣电平 -旁瓣方向图峰值与主瓣方向图值
的比。整个方向图的最大的旁瓣电平就是最 大(相对)旁瓣电平，往往缩写成SLL。用分贝 表示时，它由下式给出
F ( SLL) SLLdB 20log f (max)
半功率束宽HP -是主波束功率方向图等
于最大值一半的两点间的夹角：
HP HPleft H Pright
感应近场
0到0.62 (1-100a)
辐射近场
0.62到2 (1-100b)
远场
2到∞
(1-100c)
辐射场的推导步骤
求A。选择一个最适合于天线的几何形状的 坐标系统，采用图1-8的标记。一般地，采 用(1-58)且令幅度因子中R≈r，并以式(1-96) 平行射线近似来确定天线上的相位差。在 这些条件下得到
然后，使用一些可视的手段如信号旗、烟火 等。当然，这些光通信器件应用了电磁谱的 光部分。
只是在人类历史的很近代，通过使用无线电， 才将可见光区域以外的电磁谱用于通信。
天线的定义
IEEE官方对天线的定义是：“发射或接收系 统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分。
天线是一个装置，它为辐射和接收无线电波 提供了手段。它提供了从传输线上的导波到 “自由空间”波的转换。这样，信息可以在 异地间传输而不需任何中介结构。
天线原理与设计
H 面
H面 E面
表0-1 上图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
■ 七元八木天线的H面方向图
返回
(a) 极坐标幅度方向图
(b) 直角坐标幅度方向图
(a) 极坐标分贝方向图
(b) 直角坐标分贝方向图
图中是以八木天线的H面归一化方向图函数
FH(φ)＝F(θ,φ)|θ=90 计算并绘制的。
五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现后，人类进入了宇宙空 间时代，航空航天技术的发展对天线的研究又提出了许多新的课题， 这时要求解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速扫描和精密跟踪 等问题。
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
的函数图形。大多情况下，天线方向图是在远场 区确定的，所以又叫做远场方向图。
天线辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位 和极化。因此，天线方向图又分为：
■场强方向图 ■功率方向图 ■相位方向图 ■极化方向图
●天线方向图形式
二维方向图
三维方向图
极坐标方向图 直角坐标方向图 球坐标方向图 直角坐标方向图
(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。
到了80年代，由于电子计算机和超大规模集 成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相 器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束 形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及 智能化理论和技术的不断发展，使得80年代成为 国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制 了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国 也不例外，到1993年，我国的相控阵雷达不仅在 军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经 从军用扩展到了民用。
天线理论与设计—第5章
2
Fa cos cos 2
第五章
阵因子 示意图
x
y
过排列轴
垂直排列轴
第五章
草画图 根据相位差分析确定，主要涉及两 个因素，激励相位差，波程差引起的相差。 如果
d
时
Fa cos cos
定性考虑 d大于 时产生多瓣性。
第五章
d
j n
等间距，相邻距离都是
z n nd
相位线性渐变，即相邻单元间相对相位相同， 第n+1单元比第n单元相位超前
n n
I n An e jn
称为步进相位
', xn ,
' yn
第五章
二，阵因子
f a , I n e
n 0
', xn ,
N 1
' ' ' jk xn sin cos yn sin sin z n cos
1 e
jk0
1 e
jkd cos
1 e
e
f a e
j
jkd cos
kd cos j cos j kd 2 e 2 e
j
kd cos 2
kd cos 2
kd 2 cos cos 2
第五章
B,等幅反相二元阵
滞后 超前 1 -1
f a e
j kd cos 2
z
e
j
kd cos 2
kd 2 j sin cos 2
当d
2
kd Fa sin cos 2
天线原理与设计_讲义6
(4.16)
即折合振子的总辐射阻抗为单个半波振子辐射阻抗的4倍。
对于半波振子，其辐射电阻就是其输入电阻，则有 (4.17) Rin 4 R11 4 73.1 292.4 300
另一方面，因s很小，折合振子的两根线可等效为一 根线，其上电流振幅是2Im，由辐射功率
f a ( , ) 2 cos( H cos )
cos( cos ) 2 f 0 ( , ) , sin
cos( sin ) 2 cos
■E面内的方向图函数, 因θ= π/2-Δ，则
f E () 2 cos( 2
H sin )
(4.4)
近地水平天线的分析方 法前面已经介绍，可采用镜 像法和考虑地参数的反射系 数法，这里采用镜像法。求 如图问题yz平面和xz平面内 的方向图函数。 用镜像法求解时，可看作是等幅反相的二元阵。天 线轴在y方向，阵轴在z方向。
■上半空间辐射场的模
60 I m | E | | f T ( , ) | , 0 / 2 r
(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 2l Z 0 120[ln( ) 1] (4.13)
e
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 振子天线，增大半径，则重量增加，成本也增加。
(4.3)
链接
2、近地垂直半波天线 近地垂直半波振子如下图所示。用镜像法求解辐射场 时，可看作是等幅同相的二元阵，天线轴与阵轴重合。 ■上半空间辐射场的模
天线理论与设计—第二章
第二章
2.1 辐射强度 2.2 发射天线参数
2.2.1阻抗和辐射效率 2.2.2辐射方向图 2.2.3方向性系数和增益 2.2.4带宽 2.2.5极化
第二章
2.1 辐射强度 2.1.1 弧度和立体弧度 弧度是平面角的计量单位,顶点在圆心,弧长等于半径R的 圆弧所对的平面角定义为一弧度。
圆的周长C=2R， 2Rad。
以分贝表示为
SLLdB
20lg
Fs ,s Fm 0,0
第二章
第二章
2.2.3方向性系数和增益
方向性增益 定义：天线在某方向的辐射强度与参考天线的辐射强度之比。 参考天线：与实际天线具有相同的辐射功率，并且均匀辐射。
D , U , /Uav
U , Um F , 2
U av
Pr
4
1
4
U , d
20 40 60 80 100 120 140 160 180 / °
dB 0 －5 － 10
－ 15 － 20 － 25 － 30 － 35
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 / °
(b) 直 角 坐 标 H面 方 向 图
(c) 直 角 坐 标 H面 方 向 图
P , dB
F
,
2 dB
场强方向图和功率方向图分贝表示时值相等
第二章
第二章
采用不同坐标形式的方向图
12 0° 15 0° 18 0°
90° 1
60 ° 0.8
0.6
0.4
30 °
0.2
0°
21 0°
33 0°
24 0°
27 0°
30 0°
(a) 极 坐 标 表 示 的 H面 方 向 图
天线理论与设计—第三章
Aem
PR S
voc 2 8Rri S
物理意义：接收天线捕获电磁波的能力
最大条件：1，感应电压最大；2，无耗情 况。
第3章
电流元—最大有效口径的计算 假设电流元与来波电场 平行，则感应开路电压
voc El
来波功率密度： S E 2 2
电流元的辐射电阻可写为：
Rri
2 l 2 3
第3章
Pr
1 2
I in
2 RL
第3章
阻抗共轭匹配
zL zin* Rin jxin
最大功率输出给负载
PR
voc 2 8Rin
假设无损耗
PR
voc 2 8Rri
Rri 对应于输入阻抗的辐射电阻
第3章
3.2 接收天线的参数 方向图：开路电压或输送给负载的功率
随等强度 , 方向来波的相对变化 f , voc ,
3
8
2
4
2
Aem
D 4 2 Aem
G eD 4 2 eAem 4 2 Ae
Ae 称为有效口径 Ae eAem
第3章
极化失配 天线与入射波的极化不一定完全匹配， 天线与负载也不一定共轭匹配。 这两种失配将减少输送给负载的功率， 使最大有效口径减少。
极化失配因子
p eR* e2
eR* 和 e是天线和入射波的复单位矢量。
若 R 0 ， p 0 ，则极化失配，用 yˆ 极化发射，xˆ 极化接收；
第3章
例：如接收天线右旋圆极化， 来波为y向线 极化，求极化失配因 子。
解：
已知右旋圆极化则接收单位复矢量
中的 R 45
R 90
eR cos45 xˆ sin 45e j 2 yˆ
天线原理与设计_讲义8
《天线原理与设计》讲稿
王建
第六章 行波天线
什么是行波天线？用一句通俗的话说就是“波”在天线上以行波方式传播 的天线。行波天线分两类：
(1) 电流行波天线
指天线上的电流以行波形式传播的天线。 如长线行波天线、 “V” 形天线(P121 图 6-3)，菱形天线(图 6-4)等，以及为近似电流行波传播的偶极子加载天线(P119 图 6-1)，等角螺旋天线(P142 图 6-23)，平面阿基米德天线(图 6-24)等。这类天线 一般是宽频带天线
(6.20b)
取 A = 1 ，并把式(6.20a)代入 F (u ) =
sin( Nu / 2) 得第一副瓣最大值为 N sin(u / 2) 2 = 0.2122 3π
| Fs |=| F (u ) |u =3π / N =
N >>1
副瓣电平为
SLL = 20lg | Fs |= −13.5 dB
图 6-2 g(z0)随z0的变化曲线
取 ξ = β ′ / β ，则由上式可得汉森—乌德亚德条件为
β ′L − β L = 2.94
(6.14)
153
《天线原理与设计》讲稿
王建
(6.15) β ′L − β L π 此式表明，当电磁波从阵列的始端传播到末端时，以行波相速传播的相位 β ′L ， 与以光速传播时的相位 β L 的差为 π 时，阵列的方向性系数最大。 由式(6.5)和(6.15)可解得： δ =π /N (6.16) 当 N=10 时，正是图 6-1 中红线所示的端射阵方向图，这个方向图就是 10 单元 强方向性端射阵的方向图。 或近似写作
λ
Nd
(o )
(6.19b)
2. 副瓣位置 θ A 和副瓣电平 SLL
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。
天线理论与设计3
4、在径向线截取ψ。
由ψ到θ的非线性变换的图解法
5、重复3-4，直到所有所需在相应射线上的截点 都确定。
6、用光滑的曲线把这些截点连接起来，形成方 向图。
通过考察普遍阵因子表示式(3-18)，可以得出若干 普遍性质，从而有助于进行方向图作图。首先，阵 因子是以ψ为变量的周期函数，周期为2π。
与电路类似，天线领域也可分成数字处理和模拟 处理两类。连续的电大天线属于模拟部分，必须 用积分方法分析，往往难以计算。天线阵构成数 字部分，可以用简单的加法分析。
天线阵的辐射方向图取决于单个阵元的类型、指 向、在空间的位置、以及激励它们的电流的幅度 与相位。为简化我们对天线的讨论，我们先令天 线阵的每个元都是各向同性的点源。这样产生的 方向图称为阵因子。
定义相位因子
此阵因子是ψ的函数，而且是傅立叶级数。也称通用方向 图。该形式很便于计算，不过我们经常需要以极坐标角θ 作变量的场图。
由ψ到θ的非线性变换的图解法
1、画出作为ψ的函数的一个典型阵因子的幅度图。 2、下方作了个圆，半径等于βd，中心处于ψ=α。 3、对一给定值θ，将从圆心出发的径向线与半圆
3.2.1 阵因子的表达式 等间距直线阵的一个很重要的实际情况就是均匀
激励阵。这是阵元电流振幅相同的阵，所以 A0=A1=A2=…… 考虑由阵元间相移α引起的线性形式的阵元相位，
A ( 2 ) F A n e j ( n 2 ) A n e je n j 2 n A n e jn A ( )
沿z轴的直线阵的阵因子是θ的函数，但不是φ的函 数。即阵因子是以阵直线为轴旋转对称的方向图。 因此，其完整结构由如下区间中它的值所确定
这就是所谓的可见区。它相应于-1<cosθ<1或βd<βd cosθ<βd，或
天线理论与设计—资料
I z e
'
L 2 L 2
jkz' cos
dz
'
将直角坐标系转化到球坐标系
Ar Az cos ,
E jA
jkr
A Az sin
A 0
ˆjA sin E z
' e ' jkz cos ' ˆ j sin I z e dz 4r
L 0 z 2 L ' 0 z 2
'
L ' I m sin k z 2
z'
L 2
/4处波腹， /2处波节
第四章
辐射场 求解方法，边界问题求解，用矢量位法
' e jkR ' A J r dv 4R V
Pr
1 2 2 E r sin dd 2
1 2 2 2 60I m 0 0 f sin dd 2
1 2 2 I m 60 f sin d 0 2
第四章
1 2 1 I m 60c lnkL Ci (kL) sin kLSi2kL 2 SikL 2 2
1 kL coskLC ln Ci (2kL) 2Ci kL 2 2
其中C=0.57721，Si(x) 和Ci(x) 是正弦积分和 余弦积分
Si x
Ci x
x
x
sin
0
d
d
Ci x
由于 / k
kL kL cos cos cos e jkr 2 2 f j 60I m r sin
天线理论与设计2
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取代系统#2中的如下量 采用系统#1中的如下量
M2 2’ μ2 E2 H2
J1 μ1 1’ -H1 E1
远场
两种天线具有同样的辐射方向图，sinθ。理想电 偶极子的磁场分量Hφ很容易按右手法则记住。将 右手拇指指向偶极子电流流动方向，你的其他手 指的弯曲方向就是磁场方向。该表述已隐含在式 (2-28)的安培定律中。磁偶极子也有类似的关系， 例外的是要用左手定则，而且得到的电场分量是Eφ。这可由式(2-30)得到。除了小环外，另一种 实现磁偶极子的方法是地面上的窄缝，从沿缝长 轴的等效磁流可以求出场。
图2-7完纯导电地面上方的直立理想偶极子。 (a)物理模型；(b)采用镜象理论的等效模型。
2.3.2单极子
单极子天线以同轴线相对于接地面馈电
四分之一波长单极子的方向性是自由空间半波振 子的2倍，即
D=2(1.64)=3.28=5.16dB λ/4monopoleλ/4单极子 四分之一波长单极子的输入阻抗是
小环的阻抗特性并介绍多圈环及铁氧体芯环。
小环天线的阻抗与其对偶理想偶极子的阻抗很不 同，因为理想偶极子是电容性的，而小环是电感 性的。
2.5 通信系统中的天线
当天线被用于它最主要的应用领域通信链路时， 熟悉其在此所起的作用是很重要的。一个简单的 通信链路示于图2-17。首先讨论接收天线的性质。 具有阻抗ZA并接有终端阻抗ZL的接收天线，可以 建模如图2-18。入射到接收天线的总功率可通过 入射到整个接收天线“面积”(称为口径)的入射 功率密度的总和求得。一个天线如何把入射功率 转换成端口处的资用功率取决于所用天线的类型、 它的指向以及极化。
后面的材料将证明对尺寸大于一个波长的天线长度为l的线天线的方向性正比于l面积为ap的口径天线正比于ap对电小天线该比例关系失效因为当天线尺寸趋于零时方向性不可能趋于零破坏了方向性定义而是与实际小尺寸无关地代之以常数15
天线理论与设计基本概念
基本电振子(赫兹偶极子)电基本振子是一段长度l远小于波长, 电流I等幅同相的直线电流元i(t)=I cosωt, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。
立体角：定义：立体角是以圆锥体的顶点为球心，半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为“立体弧度”。
和平面角的定义类似。
在平面上我们定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角记作dθ=ds/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2π；与此类似，定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角记作dΩ=ds/r^2；由此可得，闭合球面的立体角都是4π。
单位：steradian->sr=stereos+radian球坐标系中计算：d= ds /R2= ds=sin *d * d (sr)辐射强度定义：给定方向上单位立体角辐射的功率。
计算：物理意义：反应在给定方向上辐射的大小辐射功率：定义：辐射效率定义：天线的输入功率仅有一部分转换为辐射功率，其余被天线及其附近结构所吸收。
辐射效率定义为天线的辐射功率与净输入功率之比。
其中：为辐射电阻，为损耗电阻。
场强方向图：定义：在固定距离r=r0的球面上，辐射电场强度随着角坐标的相对变化(函数)图形为场强方向图。
方向图函数作图二维平面图：○极坐标图○直角坐标图功率方向图：在固定距离r=r0的球面上，波印廷矢量的r分量随着角坐标的相对变化(函数关系)图形为功率方向图。
方向图函数记为按方向图特征的天线分类各向同性天线：天线向各个方向均匀辐射。
方向性天线：天线在某些方向的辐射比其他方向的辐射强得多全向天线：天线在某个平面内的辐射为无方向性，在其正交面具有方向性波瓣：半功率波瓣宽度：定义：从方向图的原点过辐射强度是最大值一半(对应场强是最大值的)的点的矢量所夹的角度。
（3dB波瓣宽度）。
E面和H面的半功率波瓣宽度分别用2HPE 和2HPH 表示。
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3.轴向模螺旋天线上沿螺旋线行进的行波的相速度比在 自由空间时平面波的速度 （大或小），这种螺旋线 导行的波被称为 。 4.根据第六章宽带天线所学内容说出三种具有宽带特性的 天线型式： ， 和 。
10.天线辐射方向图,按不同辐射特性主要定义为 方向图,二者关系的数学表示是 。
概念原理复习
11.发射天线是垂直极化，接收天线为水平极化，则极化失配 因子等于 ；发射天线是圆极化，接收天线为水平极化， 则极化失配因子等于 。 12.均匀激励等间距线阵，当N较大时第一副瓣电平趋于 余弦渐削分布的旁瓣电平为 dB。 13.天线的远区场角分布与 无关,电场与磁场满随着振子长度的增加,方向性系数 方向图开裂,方向性系数急剧下降。 15．等幅同相二元阵间距大于
,但振子长度超过
方向图将出现多瓣。
概念原理复习
三、试叙述微带贴片天线的结构，辐射机理及其优缺点。 四、试叙述八木－宇田天线的结构及其工作原理。 五、试叙述对数周期振子阵的结构及辐射机理。
概念原理复习
相似原理（缩比原理）: 指天线的所有尺寸和工作频率（或波长）按相同的比例 变化，天线的性能将保持不变。（换言之，若天线的电 尺寸保持不变，天线的性能也将不变。）
方向性系数:最大辐射方向上的方向性值
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一、填空题
1.根据天线产生场的特性可以将离天线从近到远的空间 区域划分为 、 和 三个场区。一般天线方向图 是在 场区定义。
六、利用一在轨卫星上36 dB增益的天线，以点波束指向最远2000km外地 球上的用户，系统在频率3GHz时能发射的功率最大可达7W。如果用户的 2 dB增益天线指向卫星，为使其在最大距离处至少收到100dBm功率， 求卫星所需的发射功率，且系统发射功率是否满足所需功率要求？
Pr Pt Dt Dr 2 (4R) 2
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5.有一圆口径天线，其口径半径为1.5米，口径效率为70％， 工作中心频率为f=15GHz,那么该天线均匀口径照射的方向性 是 dBi，增益是 dBi。
6.理想导电地面上的四分之一波长细单极子的方向性是 输入阻抗是 。 dB；
7.如果组成八木－宇田天线的振子总数是7个，那么通常该天线 的寄生反射振子数是 ，寄生引向振子数是 。 8.对称振子的长度稍短于 时，输入电抗等于 ， 称其为谐振，此时的振子长度称为谐振长度。 9.一个天线阵的完整的方向图函数等于 称为阵列方向图乘积定理。 与 的乘积， 方向图和
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一、名词解释
天线：辐射或接收无线电波的装置。 辐射方向图： 天线的辐射特性随空间坐标的变化图形（函数）。 通常辐射方向图在远区场确定，并表示为方向坐 标的函数。辐射特性包括场强、辐射强度、相位 或极化。 H面: 包含天线辐射场的磁场矢量和最大辐射方向的平面。 方向性： 天线在某方向的辐射强度与平均辐射强度之比。 极化： 天线在给定方向的极化定义为“天线被激励时辐射波 的极化，或在天线输出端得到最大可用功率时的给 定方向上入射波的极化”未规定方向时，极化为最大 增益方向的极化。
概念原理复习
最大有效口径： 天线输送给负载的最大功率与入射波功率密度之比。
栅瓣：在可见空间，强度达到主瓣的附加大瓣称为栅瓣。 （在可见空间，出现不止一个等强度的主瓣，其 中的非设计主瓣为栅瓣。） 边射阵： 最大辐射方向沿线阵排列线法线（0＝90）的阵列。
端射阵： 所谓端射阵是最大辐射方向沿线阵的排列线， 即0＝0 0或0 ＝180 0 。 主瓣最大值方向或方向图形状主要由单元激励电流的 相控阵： 相对相位来控制的天线阵。 H面扇形喇叭: 若波导的宽壁尺寸扩展而窄壁尺寸保持不变形成的喇叭天线。