第一章天线基础知识
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天线基础知识课件
重新安装
修复完成后，重新安装天线， 确保安装牢固。
天线的升级与改造方案
升级方案
根据实际需求和技术发展，对天线进 行升级改造，提高天线的性能和功能 。
改造方案
根据实际场景和需求，对天线进行改 造，如改变天线结构、增加天线数量 等。
方案实施
制定详细的实施方案，包括改造计划 、时间安排、人员分工等，确保改造 顺利进行。
04
天线的应用领域
通信领域
移动通信
01
手机、无线电对讲机等移动通信设备使用天线接收和发送信号
。
卫星通信
02
卫星地面站使用天线与卫星进行通信。
无线局域网
03
路由器、电脑等设备通过天线连接无线网络。
雷达领域
天气预报雷达
用于监测天气状况，如风切变、降水等。
导航雷达
用于飞机、船舶等导航。
军事雷达
用于探测目标、制导武器等。
05
天线的设计与制作
天线的设计原则与方法
匹配原则
天线应与发射和接收设 备相匹配，以确保信号
的最佳传输。
效率原则
天线应具有高效率，以 减少信号的损失和干扰
。
抗干扰原则
天线应具有抗干扰能力 ，以减少外部信号的干
扰。
多功能性原则
天线应具有多功能性， 以满足不同的应用需求
。
天线的制作材料与工艺流程
01
电磁波在空间中以波的形 式传播，其传播速度等于 光速。
电磁波的特性
电磁波具有频率、波长、 振幅等特性，不同特性的 电磁波具有不同的传播方 式和性质。
天线辐射原理
天线的作用
天线是用来发射或接收电 磁波的设备，其作用是将 电信号转换为电磁波或将 电磁波转换为电信号。
修复完成后，重新安装天线， 确保安装牢固。
天线的升级与改造方案
升级方案
根据实际需求和技术发展，对天线进 行升级改造，提高天线的性能和功能 。
改造方案
根据实际场景和需求，对天线进行改 造，如改变天线结构、增加天线数量 等。
方案实施
制定详细的实施方案，包括改造计划 、时间安排、人员分工等，确保改造 顺利进行。
04
天线的应用领域
通信领域
移动通信
01
手机、无线电对讲机等移动通信设备使用天线接收和发送信号
。
卫星通信
02
卫星地面站使用天线与卫星进行通信。
无线局域网
03
路由器、电脑等设备通过天线连接无线网络。
雷达领域
天气预报雷达
用于监测天气状况，如风切变、降水等。
导航雷达
用于飞机、船舶等导航。
军事雷达
用于探测目标、制导武器等。
05
天线的设计与制作
天线的设计原则与方法
匹配原则
天线应与发射和接收设 备相匹配，以确保信号
的最佳传输。
效率原则
天线应具有高效率，以 减少信号的损失和干扰
。
抗干扰原则
天线应具有抗干扰能力 ，以减少外部信号的干
扰。
多功能性原则
天线应具有多功能性， 以满足不同的应用需求
。
天线的制作材料与工艺流程
01
电磁波在空间中以波的形 式传播，其传播速度等于 光速。
电磁波的特性
电磁波具有频率、波长、 振幅等特性，不同特性的 电磁波具有不同的传播方 式和性质。
天线辐射原理
天线的作用
天线是用来发射或接收电 磁波的设备，其作用是将 电信号转换为电磁波或将 电磁波转换为电信号。
第1章 天线基础知识(课件)
螺旋天线、喇叭天线和反射面天线等。
第1章 天线基础知识
天线的分析方法:麦克斯韦电磁场方程(“场”分析法)
“路”分析法: 将系统看成由分立元件及连接导线组成.
“场”分析法: 将系统看成分布系统. “场”:在全部或部分空间里的每一个点,都对应某个物理 量的一个确定的值,称为在这个空间确定了该物理量的 场.
第1章 天线基础知识
对于线性媒质,某点的电极化强度P正比于该点的电场强
度E。在各向同性媒质中某点的P和E方向相同,即
P xe 0 E
式中χ e为电极化率,它是没有量纲的纯数,不同的介质
就有不同的χ e。
D 0 E xe 0 E 0 (1 xe ) E 0 r E E
(3)Eθ 和Hφ 的比值为常数，称为媒质的波阻抗，记
为η。对于自由空间 E
0 120 H 0
(1―4―6)
第1章 天线基础知识
(4)Eθ 和Hφ 与sinθ成正比，说明电基本振子
的辐射具有方向性，辐射场不是均匀球面波。
因此，任何实际的电磁辐射绝不可能具有完全
的球对称性，这也是所有辐射场的普遍特性。 电偶极子向自由空间辐射的总功率称为辐 射功率Pr，它等于坡印廷矢量在任一包围电偶 极子的球面上的积分，即
第1章 天线基础知识
(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) 按馈电方式分，有对称天线和非对称天线。 (6) 按天线上的电流分，有行波天线和驻波天线。 (7) 按天线外形分，有V形天线、菱形天线、环行天线、
天线原理与设计—第一章天线参数
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。
天线基础知识(馈电原理)
天线输入阻抗与特性阻抗不一致时，产生 的反射波和入射波在馈线上叠加形 成驻波，其相邻电压最大值和最小值之比就是电压驻波比。电压驻波比过 大，将 缩短通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放 管，影响通信系统正常工作。
2. 前后比（F/B）
天线的后向180°±30°以内的副瓣电平与最大波束之差，用正值表示。一 般天线的前后比在18～45dB之间。对于密集市区要积极采用前后比大的天 线，如40dB。
天线知识
目录
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天线知识 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 天线基础知识 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1 天线增益 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 方向图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 极化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 天线其它技术指标 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5 天线的种类 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 天线技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1 天线分集技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 赋形波束技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3 智能天线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3 天线选型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1 各种天线的应用原则 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2 各种无线环境下的天线选择原则 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4 天线倾角规划 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.1 天线倾角设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.2 实际运用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5 天线的安装 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.1 天线支架安装 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.2 天线安装 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
第一讲天线基本知识
第一讲天线基本知识第一讲天线基本知识1.1天线的作用与地位无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。
电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。
可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。
天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。
对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。
1.2对称振子对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。
两臂长度相等的振子叫做对称振子。
每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子,见图1.2 a 。
另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子，见图1.2 bS12a1.3天线方向性的讨论发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。
垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈”形的立 体方向图（图1.3.1 a ）。
立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1 b 与图1.3.1 c 给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。
从图1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。
《天线与电波传播(第二版)》学习指导-第1章
m
H
E 120π
1.6
10 105 π
6.29
106
A
m
第1章 习题与解答
1-1-3 一基本振子密封在塑料盒中作为发射天线， 用另 一电基本振子接收， 按天线极化匹配的要求， 它仅在与之极 化匹配时感应产生的电动势为最大， 你怎样鉴别密封盒内装的 是电基本振子还是磁基本振子？
解 根据极化匹配的原理及电基本振子与磁基本振子的方 向性和极化特点来确定。
Em
j Imlm
2r
sin
e jkr
e
同样， 由题设条件可得
60πIele Imlm
r 2r
第1章 习题与解答
所以， 远区场点P的合成场为
EH
j 60πIele
r
(1 sin ) e jkr
e
由此可以求得E面和H面的归一化方向函数均为
FE
(
)
FH (
)＝1 2
1
sin
组合天线E面和H面的归一化方向图见题1-1-4解图(三)所示。
第1章 习题与解答
题1-1-4解图(三)
H
j Il
2r
sin
e jkr
E
j 60πIl
r
sin e jkr
Hr H Er E 0
可见， Eθ、 Hj与电流I、 空间距离r、 电长度l/λ以及子午角 θ有关。
第1章 习题与解答
(6) 从电基本振子辐射场的表达式可知， 当θ=0°或 180°时， 电场有最小值0； θ=90°时， 电场有最大值。 因 此， 电基本振子在θ=0°或180°方向的辐射最小， 为0， 在 θ=90°方向的辐射最大。
(2) 电基本振子辐射的是线极化波。 (3) 由于过M点的等相位面是一个球面， 所以电基本振子 的远区辐射场是球面波； 又因为Eθ, Hj与sinθ成正比， 所 以该球面波又是非均匀的。 (4) M点的电场与磁场之间有如下关系：
天线基本知识点总结
天线基本知识点总结引言天线作为无线通信系统中的重要组成部分，起着收发电磁波信号的重要作用。
它的性能直接影响到无线通信系统的传输质量和覆盖范围，因此对天线的基本知识进行深入了解对于理解和设计无线通信系统至关重要。
一、天线的基本概念1. 天线的定义天线是指用于传输和接收无线电波的设备，通常由一个或多个导体制成。
它可以将射频信号转换成电磁波，或者将电磁波转换成射频信号，是无线通信系统中不可或缺的组成部分。
2. 天线的主要功能天线主要功能是将射频信号转化为电磁波并进行辐射，或者将接收到的电磁波转化为射频信号。
其次，天线还具有指向性和增益调节的功能。
3. 天线的分类根据使用场景和结构特点，天线可以分为室内天线和室外天线；根据辐射方式，天线可以分为定向天线和非定向天线；根据频段，天线可以分为宽频天线和窄带天线。
二、天线的基本参数1. 天线的增益天线的增益是指天线在特定方向上辐射功率与参考天线（一般为同种条件下的理想点源天线）辐射功率之比。
增益值越大，天线的辐射方向性越强，传输距离越远。
2. 天线的方向特性天线的方向特性是指天线在空间中辐射电磁波的方向分布规律。
根据辐射特性，天线可以分为全向天线和定向天线。
全向天线在水平方向上的辐射方向性最小，而定向天线在特定方向上的辐射方向性最大。
3. 天线的频率特性天线的频率特性是指天线在不同频率下的辐射特性和阻抗匹配情况。
由于不同频率下的波长不同，因此同一天线在不同频段下的辐射特性和阻抗情况会有所不同，需要进行频率特性的设计和匹配。
4. 天线的阻抗天线的阻抗是指天线在工作频率下的输入阻抗。
天线的阻抗匹配对于信号的传输和接收至关重要，需要根据工作频率进行设计和调整。
阻抗匹配不佳会导致信号的反射和损耗，影响通信质量。
5. 天线的带宽天线的带宽是指天线在一定范围内能够正常工作的频率范围。
天线的带宽需要根据具体应用场景来选择，以保证在不同频率下的正常工作和性能表现。
三、天线的设计原理1. 天线的辐射原理天线的辐射原理是天线将射频信号转换成电磁波并进行辐射的物理过程。
第1章--天线基础知识
f ( , ) f ( ) l sin
第1章 天线基础知识
为了便于比较不同天线的方向性，常采用归一化 方向函数，用F(θ,φ)表示，即
F( , )
f ( , )
E( , )
fmax ( , )
Emax
第1章 天线基础知识
式中，fmax(θ,φ)为方向函数的最大值；Emax为最大辐射方 向上的电场强度;E(θ,φ)为同一距离(θ,φ)方向上的电场强 度。
归一化方向函数F(θ,φ)的最大值为1。因此，电基本 振子的归一化方向函数可写为
F(θ,φ)=|sinθ| 为了分析和对比方便，今后我们定义理想点源是无 方向性天线，它在各个方向上、相同距离处产生的辐射 场的大小是相等的，因此，它的归一化方向函数为
F(θ,φ)=1
第1章 天线基础知识
1.2.2 方向图 天线的方向函数，它与r及I无关。将方向函数用
y
图1―2―3 电基本振子E平面方向图
第1章 天线基础知识
z
x
y |sin 90°|＝ 1
图1―2―4 电基本振子H平面方向图
第1章 天线基础知识
但是要注意的是，尽管球坐标系中的磁基本振子方 向性和电基本振子一样，但E面和H面的位置恰好互换。
有时还需要讨论辐射的功率密度（坡印廷矢量模值） 与方向之间的关系，因此引进功率方向图（Power Pattern）Φ(θ,φ)。容易得出，它与场强方向图之间的关 系为
第1章 天线基础知识 z
Er
H
Ir
E
lO y
x
图1―1 电基本振子的坐标
第1章 天线基础知识
E Erer E e
H He
式中,E为电场强度，单位为V/m；
H为磁场强度，单位为A/m；
第1章 天线基础知识
为了便于比较不同天线的方向性，常采用归一化 方向函数，用F(θ,φ)表示，即
F( , )
f ( , )
E( , )
fmax ( , )
Emax
第1章 天线基础知识
式中，fmax(θ,φ)为方向函数的最大值；Emax为最大辐射方 向上的电场强度;E(θ,φ)为同一距离(θ,φ)方向上的电场强 度。
归一化方向函数F(θ,φ)的最大值为1。因此，电基本 振子的归一化方向函数可写为
F(θ,φ)=|sinθ| 为了分析和对比方便，今后我们定义理想点源是无 方向性天线，它在各个方向上、相同距离处产生的辐射 场的大小是相等的，因此，它的归一化方向函数为
F(θ,φ)=1
第1章 天线基础知识
1.2.2 方向图 天线的方向函数，它与r及I无关。将方向函数用
y
图1―2―3 电基本振子E平面方向图
第1章 天线基础知识
z
x
y |sin 90°|＝ 1
图1―2―4 电基本振子H平面方向图
第1章 天线基础知识
但是要注意的是，尽管球坐标系中的磁基本振子方 向性和电基本振子一样，但E面和H面的位置恰好互换。
有时还需要讨论辐射的功率密度（坡印廷矢量模值） 与方向之间的关系，因此引进功率方向图（Power Pattern）Φ(θ,φ)。容易得出，它与场强方向图之间的关 系为
第1章 天线基础知识 z
Er
H
Ir
E
lO y
x
图1―1 电基本振子的坐标
第1章 天线基础知识
E Erer E e
H He
式中,E为电场强度，单位为V/m；
H为磁场强度，单位为A/m；
天线基础知识篇
天线基础知识篇
表征天线性能的主要参数
5 .天线的增益
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，它是选择基站天线最重要的参数之一。 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。
天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一 确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程， 增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相 对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益，所以dBi=dBd+2.15。 相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。
八木天线
天线基础知识篇
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---15 dB 。
基站天线的选型
三阶无源交调 IMD3(dBm) 输入阻抗(Ω) 最大功率 (W) 接头形式 雷电保护
824～896 ＞17 ＜1.35 ±45° 90 6.5 ≥25 ≥15 3 30
＜-107
50 500 7/16 DIN(F) 直流接地
机械性能指标
天线尺寸 (mm)
640×296×156
天线重量 (kg)
20
• 把导线上传来的电信号转化为无线电波发射到空间。 • 收集空间内的无线电波并将其转化为电信号。 • 将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁
表征天线性能的主要参数
5 .天线的增益
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，它是选择基站天线最重要的参数之一。 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。
天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一 确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程， 增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相 对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益，所以dBi=dBd+2.15。 相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。
八木天线
天线基础知识篇
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---15 dB 。
基站天线的选型
三阶无源交调 IMD3(dBm) 输入阻抗(Ω) 最大功率 (W) 接头形式 雷电保护
824～896 ＞17 ＜1.35 ±45° 90 6.5 ≥25 ≥15 3 30
＜-107
50 500 7/16 DIN(F) 直流接地
机械性能指标
天线尺寸 (mm)
640×296×156
天线重量 (kg)
20
• 把导线上传来的电信号转化为无线电波发射到空间。 • 收集空间内的无线电波并将其转化为电信号。 • 将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁
天线01_天线的基础知识
電流分佈
z=h
z=-h
I ( z )=I 0 sin k ( h z )
第一章 天線的基礎知識
36
§ 1-4-2 線型天線上的電流分佈
<2>半波天線的電流分佈
z= 4
i(t)
電流分佈
= =
2
z=-
I(z)=I 0 cos kz
i(t)
4
I ( z )=I 0 sin(
2
kz) I ( z )=I 0 cos( kz)
31
§ 1-3-3 天線參數(Antenna Parameters)
<5>增益(Gain)
G D
第一章 天線的基礎知識
32
§ 1-4 半波偶極天線
(Half-Wave Dipole Antenna) § 1-4-1 § 1-4-2 § 1-4-3 § 1-4-4 簡介 線型天線上的電流分佈 半波天線之求解 半波天線之重要參數
第一章 天線的基礎知識
33
§ 1-4-1 簡介
<1>短天線之三大問題 <2>線型天線之解題概念
LA
LA= HD
HD
第一章 天線的基礎知識
34
§ 1-4-1 簡介
<3>線型天線的三種表達方式
i(t)
(a)
(b)
(c)
第一章 天線的基礎知識
35
§ 1-4-2 線型天線上的電流分佈
<1>任意長度線型天線的電流分佈
CH1 天線的基礎知識
2
大綱
§ 1-1. 前言 § 1-2. HFSS11.0概述 § 1-3. 短偶極天線 § 1-4. 半波偶極天線 § 1-5. 線性天線的微型化技術 § 1-6. 參考文獻
z=h
z=-h
I ( z )=I 0 sin k ( h z )
第一章 天線的基礎知識
36
§ 1-4-2 線型天線上的電流分佈
<2>半波天線的電流分佈
z= 4
i(t)
電流分佈
= =
2
z=-
I(z)=I 0 cos kz
i(t)
4
I ( z )=I 0 sin(
2
kz) I ( z )=I 0 cos( kz)
31
§ 1-3-3 天線參數(Antenna Parameters)
<5>增益(Gain)
G D
第一章 天線的基礎知識
32
§ 1-4 半波偶極天線
(Half-Wave Dipole Antenna) § 1-4-1 § 1-4-2 § 1-4-3 § 1-4-4 簡介 線型天線上的電流分佈 半波天線之求解 半波天線之重要參數
第一章 天線的基礎知識
33
§ 1-4-1 簡介
<1>短天線之三大問題 <2>線型天線之解題概念
LA
LA= HD
HD
第一章 天線的基礎知識
34
§ 1-4-1 簡介
<3>線型天線的三種表達方式
i(t)
(a)
(b)
(c)
第一章 天線的基礎知識
35
§ 1-4-2 線型天線上的電流分佈
<1>任意長度線型天線的電流分佈
CH1 天線的基礎知識
2
大綱
§ 1-1. 前言 § 1-2. HFSS11.0概述 § 1-3. 短偶極天線 § 1-4. 半波偶極天線 § 1-5. 線性天線的微型化技術 § 1-6. 參考文獻
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1 2 Pr I Rr 2 30 2 2 则 Rr f ( , ) sin d d
由
0
0
则方向系数与 辐射电阻之间 的联系为
120 f D Rr
2 max
若要提高天线效率，必须尽可能的减小损耗 电阻和提高辐射电阻。通常，超短波和微波 天线的效率很高，能够接近于1。
半功率点波瓣宽度 （HWFN） ，指主瓣最大 值两边场强等于最大值0.707倍的两辐射方向之 间的夹角，又叫3分贝波束宽度。
副瓣电平，指副瓣最大值与主瓣最大值之比，
一般以分贝表示,
前后比，指主瓣最大值与后瓣最大值之比。
30
（4）方向系数
方向图参数能从一定程度上描述天线方向图的 状态，仅能反映方向图中特定方向的辐射强弱程 度，未能反映全空间的分布状态。
理想点源归一化方向函数：
26
（2）方向图
方向图：将方向函数用曲线描绘出来，称为 方向图，就是与天线等距离处，天线辐射场大 小在空间中的相对分布随方向变化的图形。
工程上常采用两个正交平面方向图，自由空 间中两个最重要的平面方向图是E面和H面。E 面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的 平面，H面即磁场强度矢量所在并包含最大辐 射方向的平面。
z 电流元
H E H E
r
x
y
方向图立体模型
13
E面方向图
H面方向图
E面直角坐标方向图
H面直角坐标方向图 14
（4）中间区
（1）近区与远区之间，感应场与辐射场 相差不大； （2）电场 Er 和 E 不同相，相差接近90 度且振幅不等，一般在平行于传播方向的 平面内形成一旋转矢量，矢量端点的轨迹 为一椭圆； （3）辐射功率占主导地位。
s 2 0
0
2
Sav ( , )r 2 sin d d
0
Pr 0 S0 4 r 2
D Sav ,max S0 1 4
Pr 0 Pr
2
Pr 1 2 4 r 4
Sav ,max
0
Sav ( , )sin d d
0
0
Sav ( , )sin d d
40
增益系数
Smax G S0
G Emax E0
2 2
最大辐射方向上某点的辐射功率密度 理想点源天线在该距离上的辐射功率密度
P in P in0
天线最大辐射方向一点的电场强度 理想点源天线在相同距离同一点的电场强度 P in P in0
方向系数是从辐射功率出发的，而增益系数 则以输入功率作参考。
（6）增益系数 （7）有效长度 （9）天线的极化 （10）频带宽度
（2）方向图 （4）方向系数
（5）天线效率
（3）方向图参数 （8）输入阻抗与辐射阻抗
25
（1）方向函数
方向性，就是在相同距离的条件下天线辐 射场的相对值与空间方向的关系。
天线远场区：
方向函数： 归一化方向函数： 电基本阵子归一化方向函数：
质不消耗功率且在空间内无其它场源，所以辐
射功率与距离r无关。
17
1.1.2 对偶原理与磁基本振子
Hale Waihona Puke （1）对偶原理 （2）磁基本振子
18
（1） 对偶原理
电荷与电流是产生电磁场的唯一源。自然界中至今 尚未发现任何磁荷与磁流存在。但是对于某些电磁场 问题，引入假想的磁荷与磁流是有益的。
对偶原理
如果将上述电场及磁场分为两部分：一部分是由电荷及 电流产生的电场 Ee (r ) 及磁场 H e (r ) ；另一部分是由磁荷及 磁流产生的电场 Em (r ) 及磁场 H m (r ) ，即
15
（5）远区场辐射功率
辐射功率计算：
坡印廷矢量： S 1 Re[ E H * ] E av
2
2
240 r
e
1 辐射总功率：P r s S av d s s 2 Re[E H ] d s 2 15 I 2 l 2 3 d sin d 2 0 0
D
4
2
0
0
sin 3 d d
1.5
说明在垂直于天线轴线方向产生相等电场强度的条件下，元
天线的总辐射功率比点源天线的总辐射功率小1.5倍。若两天 线效率相等，则元天线需要的输入功率比点源天线需要的输入 功率小1.5倍。换一种说法，在相等辐射功率下，元天线在垂 直于天线轴线方向产生的电场强度比点源天线在该方向所产生 35 的电场强度大 倍。
41
增益系数
有耗情况下： G
Smax S0
Pin Pin 0
A Smax
S0
Pr Pr 0
G AD
E max
60Pr D r
60PinG r
增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向 特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积。
42
增益系数
用高增益天线可以在维持输入功率不变的条件下， 增大有效辐射功率。频率越高天线越容易得到高 增益。
21
（2）磁基本振子
磁基本振子（Magnetic Short Dipole）：
又称磁流元、磁偶极子，可由小电流环等效或
由切向磁场等效，其实际模型是小电流环。
由对偶关系：
22
磁偶极子的辐射总功率 1 2 s 2 4 Pr S av d s Re[ E H ] d s 160 I m ( ) s s2 磁偶极子的辐射电阻
Pr Pr 0
理想点源天线在该距离上的辐射功率密度
天线最大辐射方向一点的电场强度 理想点源天线在相同距离同一点的电场强度 Pr Pr 0
理想点源天线：是指没有方向性的天线，它的辐射
方向图为一球形，即在各方向的辐射强度相等，其方 向系数为1 。 32
方向系数
E0 Pr 0 理想点源在r距离处产 S0 2 生的辐射功率密度为 4 r 240
H e Em Ee H m
这个对应关系称为对偶原理或二重性原理。 对偶原理建立了电荷及电流产生的电磁场和磁荷 及磁流产生的电磁场之间存在的对应关系。因此，如 果我们已经求出电荷及电流产生的电磁场，只要将其 结果表示式中各个对应参量用对偶原理的关系臵换以 后，所获得的表示式即可代表具有相同分布特性的磁 荷与磁流产生的电磁场。
39
（6）增益系数
方向系数是衡量天线定向辐射特性的参数，它 只决定于方向图；天线效率则表示了天线在能量 上的转换效能；增益系数表示了天线的定向收益 程度。
增益系数，在同一距离及相同输入功率的条 件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率 密度 （或场强 Emax 2 的平方）和无方向性 2 天线（点源）的辐射功率密度 （或场强 E0 的平方）之比，记为G。
（3） E 0 120 ，波阻抗； H 0
（4）辐射场有方向性。
11
远区场的坡印廷矢量
电基本振子远区场的坡印廷矢量平均值为
1 15 I l * 2 S av Re[ E H ] sin e 2 2 r 2 r
2 2
12
基本振子远区辐射场方向性
0 0 2 /
5
（2）近区场
kr 1即（r /(2 )）的区域称为近场区 1 1 1 此区域内有 2 3 kr (kr) (kr)
e jkr 1
6
特点
场强随r的增大而迅速减小；
电场和磁场之间存在 的相位差；
坡印廷矢量的平均值为0；
能量在电场与磁场以及场与源之间交换
E (r ) Ee (r ) Em (r ) H (r ) H e (r ) H m (r )
由于麦克斯韦方程是线性的，那么由电荷和电流产生的 电磁场方程，以及由磁荷和磁流产生的电磁场方程为：
含电源的麦克斯韦方程
含磁源的麦克斯韦方程
对偶原理
将上述两组方程比较后，可以获得以下对应关系：
同一天线其它方向上方向系数计算
由天线的归一化方向函数
S av ( , ) E 2 ( , ) 2 F ( , ) 2 S av ,max Emax
计算天线其它方向上的方向系数方法：
S ( , ) 2 D( , ) Dmax F ( , ) S0 P P
2
40 I ( )
2 2
l
16
辐射电阻计算
l 2 ) 辐射总功率： P r 40 I A (
2
等效关系： R 2P / I 2 r r A
辐射电阻： R
r
80(l / )
2
辐射功率取决于电偶极子的电长度，频率越高
或波长越短，辐射功率越大。已经假定空间媒
2
由方向性 系数定义
r Emax D 60 Pr
2
2
Emax
60 Pr D r
不同天线若辐射功率相等，在同是 Emax1 最大辐射方向且同一r处辐射场之比 E
max 2
D1 D2
33
若要求在同一r处观察 点辐射场相等，则要求
Pr1 D2 Pr 2 D1
方向系数
Pr Sav ( , ) ds