天线技术基础第1章天线基础概要
天线-第1章-天线基础微波技术与天线
第一章 基本振子天线基本振子是最基本的辐射源，是研究和分析各类线天线的基础，它包括基本电振子和基本磁振子。
而研究面天线的基本辐射源是惠更斯源。
§ 1 基本电振子（Electric Short Dipole ）1． 定义一段理想的高频电流直导线，长度λ<<l ，半径l a <<，沿线电流均匀分布（等幅同相）。
又称电流源。
2．空间场分布假设电流源位于坐标原点，沿着z 轴放置，长度为l ，其上电流等幅同相分布，即z a I I0=，这里0I 是常数。
基本电振子示意图为求其空间的场分布，首先求出其矢量磁位A ，再由A求出电场E 和磁场H。
根据电磁场理论，电流分布()z a I z y x I ˆ,,0'''= 的电流源，其矢量磁位A可以表示为：()()'''',,,4,,dl re z y x I z y x A jkr e l-⎰=πμ（2-1）()z y x ,,--观察点坐标()''',,z y x --源点坐标r --源点到观察点的距离由于基本电振子的长度l 远小于波长λ和距离r ，因此式（2-1）可以表示成：()jkrz l l jkr z e rl I a dz e r I a z y x A ---==⎰πμπμ4ˆ4ˆ,,0'2/2/0 （2-2）引用直角坐标与球坐标的变换关系，将（2-2）式改写为： θπμθcos 4cos 0r le I A A jkrz r -==θπμθθsin 4sin 0r le I A A jkrz --=-=0=ϕA依据()⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂-∂∂=⨯∇=θμμθϕr A rA r r a A H 1ˆ10 ，得到磁场表达式：jkr e r r k j l I H -⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=2014sin πθϕ （2-3）0=r H 0=θH由H j E ⨯∇=ωε1可得电场表达式为： jkrr e jr rk l I E -⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=320012cos πωεθ （2-4） jkre r j rr k jl I E -⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=32200114sin πωεθθ （2-5）0=ϕE由此可见，基本电振子的场强矢量由三个分量ϕH 、r E 、θE 组成。
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、
天线技术基础第1章天线基础概要
第一章天线基础内容提要本章首先说明天线的作用和本质，接着简述单位制和电磁场方程，最后着重讲述电磁辐射的基础——电流元的辐射、磁流元的辐射和面元的辐射。
1.1 天线的作用和分类1.1.1 天线的作用和本质当今社会已进入信息社会。
随时随地、快速方便的进行信息交换，已成为社会生活的一大需求。
利用无线方式即空间电磁波传送信息（语音、图像、数据等），已为人们广泛接受。
而要进行这种传送，发方必须有一个把包含传送信息的高频信号变换为空间电磁波辐射出去的设备，收方则要有一个接收空间电磁波并把它变换成电路中的高频电信号的设备。
这种能有效地辐射或接收电磁波的设备，称为天线。
其中辐射电磁波的，称为发射天线；接收电磁波的，称为接收天线。
因此，天线本质上是一个换能器。
它完成电路中的高频电流（或导波）能量与空间电滋波能量的相互转换。
1.1.2 天线的分类及其分析方法天线种类繁多。
分类方法也不少。
其中有按工作波段（或频段）分的，如长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。
有按用途分的，如电视接收天线、电视发射天线、通信天线、雷达天线等。
有按几何形状分的，如螺旋天线、环形天线、喇叭天线、蝙蝠翼天线等。
有按性能分的，如按增益分的高增益天线、低增益天线，按方向特性分的定向天线、全向天线，按极化特性分的园极化天线、线极化天线，按带宽分的宽带天线、窄带天线等等。
我们这里从分析研究方便出发，将天线分成两类。
一类称为线天线，它是指由直径远小于工作波长的金属导线组成的天线。
另一类称为面天线，它是指由尺寸远大于工作波长的金属面或介质面组成的天线。
两者基本辐射原理相同，但分析方法不一样。
对于线天线，我们可以把它分成许多小段。
只要分得足够小，每一小段都可看成一个电流元。
这样，整个天线的辐射场，就可认为是所有电流元产生的辐射场的迭加。
因此对线天线，它的辐射特性可以直接从电流元的辐射场出发，通过线积分求出。
对于面天线，可以根据惠更斯原理，利用克希荷夫公式求解。
第一章天线基础知识
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。
微波技术与天线课程总结
1
《天线技术基础》要点
第二章 对称阵子 理解对称振子的概念、辐射场计算方法(叠加原理)； 电流分布公式与各种不同长度对称振子的电流分布图象； 方向性函数表达通式与各种不同长度对称振子的方向图、方向性系数和有效 长度； 随振子长度的逐渐增大，其方向性系数、旁瓣电平和半功率宽度如何变化； 熟悉天线的辐射场幅度与辐射功率、方向性系数及距离的关系； 输入阻抗的计算思路和随振子长度的变化曲线。
2
《天线技术基础》要点
第三章 阵列天线的方向性 二元阵的方向性函数与方向图(会描点绘图); 方向图相乘定理与应用； 均匀直线阵的方向性函数，会画阵因子的方向图，明确阵因子参数(半功率 宽度、零点位置，旁瓣电平等)的计算思路； 侧射阵、端射阵和斜射阵的实现条件、特性差异与原因； 可见区的概念、栅瓣抑制条件； 掌握地面影响的处理方法（镜像原理处理各种方向放置的单个与多个天线） 。
4 8
并联混和支节)。
6
《微波技术基础》要点
第三章 规则波导理论
TE10 模的场结构、管壁电流分布；
波导的单模传输条件、传输特性参数、等效阻抗； 波导中填充介质与否，波导的传输特性参数的计算。
7
《微波技术基础》要点
第四章 其它形式的微波传输线 同轴线、带状线、微带的特性阻抗随结构参数的变化规律； 同轴线、带状线：主模(高次模)、横截面场结构； 微带：主模(高次模)、横截面场结构，等效介电常数； 耦合线：等效电路、奇偶模方法、特性阻抗。
8
《微波技术基础》要点
第五章 微波谐振腔 为什么微波中不能用 LC 回路作为谐振器？ 微波谐振器与 LC 回路的异同点有哪些？ 品质因数的概念及公式； 传输线型谐振器，谐振波长的概念与计算。
9
《微波技术基础》要点
第1章 天线基础知识(高等教学)
第1章 天线基础知识
1.1 基本振子的辐射 1.2 发射天线的电参数 1.3 互易定理与接收天线的电参数 1.4 对称振子 1.5 天线阵的方向性 1.6 对称振子阵的阻抗特性 1.7 无限大理想导电反射面对天线电性能的影响
第1章 天线基础知识
第1章 概 述 “电波与天线”是通信及电子类专业学生的一门重要的技术 基础课，与“电路理论”一样，“电波与天线”是从事电气与电 子技术领域工作的科技工作者的必备知识。 任何无线电电子系统的信息传输既包含有电波能量的发射 和接收,也包含有电磁波在空间的传播过程。
第1章 天线基础知识
天线的种类:无线电通信系统的多样性使得天线的种类也多种多样。 按照用途的不同，可将天线分为通信天线、广播和电视天线、
雷达天线、导航和测向天线等；
按照工作波长，可将天线分为超长波天线(3--30KHz) 对潜 艇通信；长波天线(30--300KHz) 导航；中波天线(300KHz-3MHz) 广播、导航、海通；短波天线(3--30MHz) 广播、军用电 台、导航；超短波天线(30--300MHz) 广播、军用电台、导航。 以及微波天线:雷达：L波段（1--2GHz）;S波段（2--4GHz）;C 波段（4--8G Hz）;X波段（8--12GHz） 雷达、卫星通信:Ku波段（12--18G Hz ）;K波段（18--27G Hz ）; Ka波段（27--40G Hz）;U波段:（40--60GHz）;V波段 （60--80G Hz）;W波段（80--100G Hz）；
第1章 名称:八木天线
八木天线
HD-1920YAGI10 极化:H/V 水平波未宽度:50 垂直波未宽度:60 增益:10.0dB CONNECTOR:N-50K VSWR:1.5
第1章__天线基础知识
电基本振子E平面功率方向图也标示在E面方向图上。
天线方向图的一般形状
1.2.3 方向图参数
0
主瓣
0.5
后瓣
＝ 0°
20
20.5
主轴
第一副瓣
(3)副Sa瓣v,ma(电x22和)平半Sav（功,maxS率分id别点e为L波最o瓣b大e副宽L瓣e度v和e（主r,S瓣HL的aLl功f）P率o:指密w度e副r最瓣B大e最值am；大EW值maxi2与d和th主Em,a瓣xH分P最别B为大W最）
对于电基本振子，由于归一化方向函数F(θ,φ)=|sinθ|，因此 其立体方向图如下。
z
I
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y x
基本振子立体方向图
工程上常常采用两个特定正交平面方向图。在自由空 间中，两个最重要的平面方向图是E面和H面方向图。
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。
近区场的特点
③ 电场和磁场之间存在π/2的相位差，坡印廷矢量的
平均值
Sav
1Re[EH]0 2
，能流密度的实部为零，
只存在虚部，可见近区场中没有能量的单向流动。能量在
电场和磁场以及场与源之间交换而没有辐射，近区场的能
量完全被束缚在源的周围，所以近区场也称为感应场、束
缚场，可以用它来计算天线的输入电抗。
必须注意，以上的讨论中我们忽略了很小的1/r项，下面将会看 到正是它们构成了电基本振子远区的辐射实功率。
2. 远区场
kr>>1即（r>>λ/(2π)）的区域称为远区，在此区域内
1 kr
(k1r)2
(k1r)3
天线技术第1章PPT课件
第1章 习题与解答
先求解E面方向图。 根据题1-1-4解图(一)(b)所示的等效 结构， E面应该是包含电基本振子， 并与磁基本振子相垂直 的平面， 即yOz平面。 在远区的某点P上， 电基本振子产生 的辐射场为
Ee j60πrIelesinejkre
磁基本振子产生的辐射场为
E m jI 2 m lm rs in 9 0 e jk re jI 2 m lm re jk re
r2
Pi n1Pi n2,r1r2
其中， Pin为天线输入功率。
第1章 习题与解答
(3)
由
Emax
60PrD r
60PinAD ,
r
可得
因此
Emax1 Emax2
60Pr1D1
r1
60Pr2D2
r2
r1r2
Pr1D1 1 Pr2D2
再由Pr=PinηA, 可得
Pr1 D2 1 Pr2 D1
Pin1 A1 1 Pin 2 A2
EmjI2m lm rsinejkrej
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
E Hj60πrIele(1sin)ejkrej
由此可以求得E面和H面的归一化方向函数均为
FE()FH()＝ 1 21sin
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。
再求H面方向图。 根据定义， H面应该是包含磁基本振 子， 并与电基本振子相垂直的平面， 即xOz平面。 在远区的 某点P上， 电基本振子产生的辐射场为
E e j6 0 π r Ie les in 9 0 e jk re j j6 0 π r Ie lee jk re j
天线基础1PPT课件
(2)传播方向上电磁场的分量为零，称其为横电磁波，记为TEM波。
(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
.
6
天线的作用与地位
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。
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。
无线电通信系统的基本方框图
.
7
发射天线的电参数
方向函数 方向图 方向图参数 方向性系数 天线效率 天线增益
天线的极化
有效长度
输入阻抗
辐射功率与辐射 电阻
天线的工作频率 范围（频带宽度）
.
8
方向函数
方向函数：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（子午角θ、方位角φ）的关系，分场强（幅值）方向函数 F(θ,φ)和功率方向函数 P(θ,φ) 。
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(,)fm fa(x(,,))EE (m,ax )
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。
.
9
方向图
天线方向图 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。
第1章 天线基础知识5
FN (θ ) =
λ πd N sin cosθ λsinFra bibliotekNπd
cosθ
λ
Nd
≈2
λ
Nd
BW0.5 ≈ 0.89
λ
Nd
第一旁瓣电平： （4）第一旁瓣电平：-13.5dB
均匀直线阵： 均匀直线阵：
6.普通端射阵（ 6.普通端射阵（ξ = ±βd ）： 普通端射阵
d sin Nπ (cosθ −1) λ FN (θ) = d N sin π (cosθ −1) λ
D G
作业： 作业：
P298， 12、17、20题 P298，第12、17、20题
3.三种补偿： 3.三种补偿： 三种补偿 欠补偿： （1）欠补偿：| ξ |< βd
0 < θm <180
o o
完全补偿： （2）完全补偿： o o | ξ |= βd θm = 0 或 180 （3）过度补偿
| ξ |> βd
均匀直线阵： 均匀直线阵：
4.扫描特性（ 4.扫描特性（ | ξ |< βd ）： 扫描特性
π βd cosθ ) F2 (θ ) = cos + 2 4
均匀直线阵： 均匀直线阵：
阵因子：
Nψ N(ξ + βd cosθ) sin sin 2 = 2 fN (θ) = ψ ξ + βd cosθ sin sin 2 2
Nψ N(ξ + βd cosθ ) sin sin 2 = 2 FN (θ ) = ψ ξ + βd cosθ N sin N sin 2 2
相似阵的分类： 相似阵的分类：
天线基础知识
。这种同一天线收发参数相同的性质被称为天线的收发互易性
，它可以用电磁场理论中的互易定理予以证明。
• 1.2.2 有效接收面积 ;
•
有效接收面积(Effective Aperture)是衡量接收天线接收
无线电波能力的重要指标。接收天线的有效接收面积的定义为
：当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时，并且天线
化，若符合左手螺旋，则为左旋圆极化。
•
图6显示了某一时刻，以+z轴为传播方向的x方向线极化
的场强矢量线在空间的分布图。图7和图8显示了某一时刻，以
+z轴为传播方向的右、左旋圆极化的场强矢量线在空间的分布
图。要注意到，固定时间的场强矢量线在空间的分布旋向与固
定位置的场强矢量线随时间的旋向相反。椭圆极化的旋向定义
20
20. 5
主轴
图5 天线方向图的一般形状
•
(2)半功率点波瓣宽度（HalfPower Beam Width, HPBW
）2θ0.5E或2θ0.5H:指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
叫3分贝波束宽度。如果天线的方向图只有一个强的主瓣，其它
第1章 天线基础知识
• 1.1 天线的电参数 • 1.2 天线辐射基础 • 1.3 常见天线分类 • 1.4 阵列天线 • 1.5 智能天线
1.1 发射天线的电参数
•
描述天线工作特性的参数称为天线电参数(Basic Antenna
Parameters)，又称电指标。它们是定量衡量天线性能的尺度。我
，与传输线之间存在阻抗匹配问题。天线与传输线的连接处称
为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入 阻抗(Input Resistance)，即天线的输入阻抗Zin为天线的输入端 电压与电流之比：
1天线基础知识
电基本振子远区场的辐射功率
电基本振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 包围电基本振子的球面上的积分，即
Pr S Sav • ds
S
1 2
Re[
E
H
*]
•
ds
2π 0
d
0
15πI 2l
l2
2
sin
3
d
40 π
2
I
2
l
l
2
W
电基本振子电力线
§1.3 磁基本振子与对偶性原理
② 场强与1/r的高次方成正比，即随距离的增大而快速减小；
③ 电场和磁场的相差900，坡印廷矢量为虚数，能量振荡，感应区。
远场区(辐射场)
当kr>>1时，为远场区，辐射场（一般 r>=5l:感应
场比辐射场低30分贝）
其场分布为
Er 0
E
j
kIl
sin e jkr
4 r
H
j kIl sin e jkr 4 r
A0 4
J (r)e jkrd r
ez 4
Ile r
jkr
ez Az
对于球坐标，有
Ar Az cos ; A Az sin ; A 0
则磁场为：
er
H 1
A
1
r2 sin
r
Az cos
re
rAz sin
r sine
0 0
1
r2 sin
r
sin e
r
rAz
sin
Az
cos
t
t
➢ 对称性，求解一个即可 ➢ 与场矢量的波动方程比较，优点：矢量位可能与电流的方向一致
第1章--天线基础知识
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；
天线技术课件(西电第二版)第1章
雷达天线用于跟踪和引导导弹攻击目标。
射电天文领域的应用
天体观测
射电望远镜天线用于接收来自宇宙空间的射电波，研究天体的物 理特性和演化。
射电干涉仪
多个射电望远镜组成射电干涉系统，通过相位干涉原理提高观测分 辨率。
射电谱线研究
射电望远镜用于观测天体的射电谱线，研究天体的化学成分和物理 状态。
卫星通信领域的应用
天线的阻抗匹配决定了天线与传输线之间 的能量传输效率，良好的阻抗匹配可以降 低信号的反射和损耗。
02
天线的发展历程
早期天线的发展
19世纪末
无线电报机的出现，用于远程通 信。
20世纪初
无线广播的兴起，无线电波用于传 送声音信号。
1920年代
收音机普及，天线作为接收无线信 号的重要部件。
现代天线技术的进步
天线技术课件(西电第二版)第 1章
• 天线基础知识 • 天线的发展历程 • 天线的基本类型 • 天线的应用场景
01
天线基础知识
天线的定义与分类
天线的定义
天线是一种可将传输线或自由空间的电磁波转换为接收机可接收的电 信号，或将电信号转换为传输线或自由空间的电磁波的设备。
按工作频段分类
可分为长波、中波、短波、超短波、微波等类型。
方向性图为心形，水平面无方 向性。
引向天线
01
由一根或数根导线加装 反射器和辐射器组成。
02
反射器将电磁波反射至 辐射器，辐射器再将电 磁波辐射出去。
03
增益高，方向性强，常 用于定向通信。
04
结构复杂，成本较高。
螺旋天线
由一根长度为四分之一波长的导线绕成螺旋形状构成。 结构简单，成本低，常用于移动通信和卫星通信。
天线01_天线的基础知识
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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第一章天线基础内容提要本章首先说明天线的作用和本质，接着简述单位制和电磁场方程，最后着重讲述电磁辐射的基础——电流元的辐射、磁流元的辐射和面元的辐射。
1.1 天线的作用和分类1.1.1 天线的作用和本质当今社会已进入信息社会。
随时随地、快速方便的进行信息交换，已成为社会生活的一大需求。
利用无线方式即空间电磁波传送信息（语音、图像、数据等），已为人们广泛接受。
而要进行这种传送，发方必须有一个把包含传送信息的高频信号变换为空间电磁波辐射出去的设备，收方则要有一个接收空间电磁波并把它变换成电路中的高频电信号的设备。
这种能有效地辐射或接收电磁波的设备，称为天线。
其中辐射电磁波的，称为发射天线；接收电磁波的，称为接收天线。
因此，天线本质上是一个换能器。
它完成电路中的高频电流（或导波）能量与空间电滋波能量的相互转换。
1.1.2 天线的分类及其分析方法天线种类繁多。
分类方法也不少。
其中有按工作波段（或频段）分的，如长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。
有按用途分的，如电视接收天线、电视发射天线、通信天线、雷达天线等。
有按几何形状分的，如螺旋天线、环形天线、喇叭天线、蝙蝠翼天线等。
有按性能分的，如按增益分的高增益天线、低增益天线，按方向特性分的定向天线、全向天线，按极化特性分的园极化天线、线极化天线，按带宽分的宽带天线、窄带天线等等。
我们这里从分析研究方便出发，将天线分成两类。
一类称为线天线，它是指由直径远小于工作波长的金属导线组成的天线。
另一类称为面天线，它是指由尺寸远大于工作波长的金属面或介质面组成的天线。
两者基本辐射原理相同，但分析方法不一样。
对于线天线，我们可以把它分成许多小段。
只要分得足够小，每一小段都可看成一个电流元。
这样，整个天线的辐射场，就可认为是所有电流元产生的辐射场的迭加。
因此对线天线，它的辐射特性可以直接从电流元的辐射场出发，通过线积分求出。
对于面天线，可以根据惠更斯原理，利用克希荷夫公式求解。
即先求出包围天线的任一闭合面上的场，然后再由此求出它在空间任一点产生的场。
许多情况下，闭合面上的场可近似用某一开口平面上的场代替。
而对开口面，我们可以把它分成许多小块。
只要分得足够小，每个小块都可以看成一个面元，整个天线的辐射场可认为是所有面元产生的辐射场的迭加。
因此面天线的辐射特性可以直接从面元的辐射场出发，通过面积分求出。
一般长波、中波、短波天线常用线天线，微波天线常用面天线。
超短波天线，则有的用线天线，有的用面天线。
1.2 单位制和电磁场方程本课程主要研究电磁波的辐射、传播与接收，属开放系统的宏观电磁现象范畴。
它实际上是求满足一定边界条件的电磁场方程的解，即天线所产生的空间电磁场的分布及其所决定的天线特性。
因此它的理论基础是电磁场理论。
1.2.1 单位制本书采用工程技术上惯用的国际单位制(SI。
在SI中最基本的单位是：m(米，长度单位、kg(千克，质量单位、s(秒，时间单位和A(安培，电流强度单位）。
有关电磁场的源量、场量、媒质特性参量的基本单位列举如下：源量：ρ(电荷密度：C/ (库仑/立方米(磁荷密度：T/m (特斯拉/米(磁流密度：V/ (伏特/平方米 J (电流密度：A/(安培/平方米场量：E (电场强度：V/m (伏特/米 H (磁场强度：A/m (安培/米D(电位移矢量：C/ (库仑/平方米 B (磁感应强度： T (特斯拉媒质特性参量：ε (介电常数：F/m (法拉/米μ (导磁率： H/m (亨利/米σ (导电率： S/m (西门子/米对自由空间1.2.2 电磁场方程电磁场方程即麦克斯韦方程(Maxwell's equations，是电磁现象变化规律的定量描述。
它是Maxwell从三个基本定律出发提出的。
1.一个是电荷守恒定律(或称电流连续性原理。
它揭示了电荷随时间的变化产生电流的变化规律：2.广义安培定律它是由麦克斯韦引入位移电流推广了的安培定律。
它揭示了运动的电荷(即传导电流和电场随时间变化(即位移电流时产生磁场的规律：3.法拉第电磁感应定律它揭示了磁场随时间变化时在同一空间产生与磁场有关的电场的变化规律：麦克斯韦方程由四个方程组成。
除了上面的两个方程外，还有揭示磁通连续即磁力线永远是闭合曲线的方程：以及高斯定律：麦克斯韦方程和电流连续性方程中共包括两个矢量方程和三个标量方程。
但只有两个矢量独立方程和一个标量独立方程（相当于七个独立标量方程），其余方程都可由此导出。
却包含五个矢量函数和一个标量函数(相当于16个标量函数。
因此这些方程是麦克斯韦方程的非限定形式。
要确定各量，还需要九个标量方程。
这便是媒质特性方程。
对各向同性的媒质空间，，存在如下的关系：因此在各向同性的媒质中，麦克斯韦方程可简化为对正弦电磁场，若所有场量均用复数形式表示，则在各向同性的媒质空间中，麦克斯韦方程可进一步简化为1.3 电流元的辐射1.3.1 电流元的含义所谓电流元是指载有等幅同相高频电流的细短直导线。
这里的短是指导线的全长远小于工作波长(通常要求小于五十分之一波长，细是指导线的半径远小于它的长度。
我们定义它为一个矢量，方向为导线上电流流的方向。
假设电流元的长度为l，电流强度的有效值为I，电流方向的单位矢量为，则电流元可用复数形式表示为。
通常为了简便，略去时间因子，简写成。
电流元又称为微小电偶极子或电基本振子。
它是构成一切复杂几何形体的天线特别是线天线的基本单元。
1.3.2 电流元产生的电磁场为了分析研究方便，我们需要选择一个合适的坐标系。
这里我们先假设电流元沿Z 轴正向放置、中心在原点，则电流元可写成。
对于电流元产生的电磁场，我们可以按照下面的思路简单的求出：(1先由电流分布求出矢量磁位；(2然后由矢量磁位求出磁感应强度；(3再由磁感应强度求出磁场强度；(4最后由磁场强度求出电场强度。
首先根据矢量位的概念，自由空间内距场源r远的观察点P(r,时刻t的矢量磁位是由t-r/v时刻的场源产生的。
略去时间因子，则矢量磁位为它的三个球坐标分量为磁感应强度可由下式求出由于于是磁场强度为注意到P点J=0，根据，得由于，于是式中，称为媒质空间的波阻抗。
对于自由空间，。
1.3.3 电流元的场区划分根据距离的远近可将电流元产生的场划分为三个区域来讨论。
这三个区域分别是近区、远区和中间区。
1.近区我们将<<1的区域，称为近区。
在这个区域中，由于1/r的高次项起主导作用，并且，于是电流元的电磁场可近似表示为其中的表达式与由毕奥-沙伐尔定律得到的恒定电流产生的磁场的表达式相似，而的表达式与等值正负电荷q相距l构成的电偶极子产生的静电场的表达式相似：上面的式子表明：近场区电场的两个分量(在时间上同相，它们与磁场的唯一分量(在时间上相位相差90°。
因此能流密度在数值上是个纯虚数。
说明能量只在场和源之间来回振荡，不能向外辐射。
因此近场区又称为感应场区。
2.远区我们将>>1的区域称为远区。
此时1/r的一次项起主导作用，电流元的电磁场可近似表示为式中本场区电场与磁场在空间互相垂直，时间上同相，能流密度，表示能量沿矢径方向向外传播(即向外辐射，故又称本场区为辐射场区。
天线和电波传播主要研究的就是这个区域。
天线远区辐射场的能流密度的大小又称为辐射密度。
它表示天线在某一方向、某一距离处单位面积上的辐射功率。
天线在给定方向单位立体角内所辐射的功率，又称为天线在该方向的辐射强度。
3.中间区介于远区和近区中间的区域(>1，但还达不到>>1，称为中间区。
在这个区域中，电流元的电磁场可近似表示为总电场为表示电场矢量在平行于传播方向的平面内旋转，通常称之为交叉场。
本场区分量在时间上也趋于同相，表明能量也沿径向向外辐射。
1.3.4 一般天线场区的划分对一般天线，我们也将围绕它的空间划分为三个区域：感应近场区、辐射近场区和辐射远场区。
假设场源点坐标为(，观察点的直角坐标为(x,y,z，球坐标为(，则场源点到观察点的距离为1.辐射远场区(Fraunhofer区，简称远区辐射远场区通常规定为R>>的区域。
式中l是天线的最大尺寸。
如果收、发天线的最大尺寸是。
对于面天线，天线的最大尺寸是指天线口面的最大尺寸。
对远区可以采用如下的所谓远场近似：(1径向矢量R与r平行；(2场幅度因子中的1/R=1/r；(3场相位因子中的^2.辐射近场区(Fresnel区辐射近场区通常规定为的区域。
式中l是天线的最大尺寸。
对辐射近场区可以采用如下的近似：(1径向矢量R与r平行；(2场幅度因子中的1/R=1/r；(3场相位因子中的^3.感应近场区(reactiv near-field区感应近场区通常规定为的区域。
式中l 是天线的最大尺寸。
对感应近场区，距离R不能近似：1.3.5 电流元任意放置时的远区辐射场上面我们求出了沿Z轴正向放置、中心在原点的电流元所产生的电磁场。
对于沿任意方向放置的电流元所产生的电磁场，也可以用同样的方法求出。
但也完全可以从上面的结果简单类推出。
根据上面的推导，注意上面电磁场表达式中的夹角、电场单位矢量和磁场单位矢量的物理含义，沿任意方向放置的电流元所产生的远区辐射场可以用下式表示:式中是矢径（单位矢量为）与电流元方向的夹角；是在矢径与电流元所在的平面内夹角增加方向的单位矢量；是以电流元方向为前进方向时右手螺旋旋转方向的单位矢量。
根据矢量分析，有于是沿任意方向放置的电流元所产生的远区辐射场为1.3.6 天线远区辐射场的特点不仅电流元，对任意天线，它们的远区辐射场都具有如下的特点：(1远区辐射场的电场和磁场，在空间互相垂直，时间上同相，沿传播方向无分量。
能量以球面波形式沿矢径向外传播。
(2远区辐射场的大小与距离成反比，与激励电流的大小成比例。
对远区辐射场有贡献的只是垂直于矢径方向的电流分量，平行于矢径的电流分量对远区辐射场完全没有贡献。
(3远区辐射场的电场和磁场的大小的比值为一常数。
由于具有阻抗的量纲，定义它为媒质空间的波阻抗。
(4远区辐射场的大小与方向有关，即具有方向性。
(5沿传播方向距离的微小变化对远区辐射场的幅度的影响很小，完全可以忽略。
而对相位的影响较大，一般不能忽略。
1.4 磁流元的辐射1.4.1 磁流元的含义所谓磁流元是指载有等幅同相高频电流的微小园环。
环的周长(C=2b，b为环半径远小于工作波长。
我们也定义它为一个矢量，方向规定为与环电流成右手定律的右手螺旋前进的方向。
磁流元可以用复数形式表示为，式中表示磁流元的单位矢量。
为了简便起见，经常略去时间因子，简写成。
磁流元又称为磁偶极子或磁基本振子。
1.4.2 磁流元产生的电磁场为了分析研究方便起见，我们需要选择一个合适的坐标系。
这里我们先假设电流环位于XY面，中心在原点，在X轴正向开口馈电，电流I逆时针方向流动，则磁流元可写成。