偶极子天线及其应用
磁偶极子天线辐射场
磁偶极子天线辐射场磁偶极子天线是一种用来辐射电磁波的天线类型。
它由一个磁体偶极子和一根导线构成，通过电流的流动在天线上产生磁场，从而辐射出电磁波。
磁偶极子天线辐射场具有一定的特性和特点。
磁偶极子天线辐射场具有方向性。
由于磁偶极子天线是通过电流产生磁场来辐射电磁波的，因此其辐射场的方向与电流流动的方向相关。
根据右手定则，当电流流动方向与磁偶极子天线的轴线方向相同时，辐射场沿着轴线方向辐射；当电流流动方向与轴线方向相反时，辐射场则沿着轴线相反方向辐射。
这使得磁偶极子天线可以实现辐射方向的控制。
磁偶极子天线辐射场的辐射强度与频率有关。
根据辐射功率的表达式，辐射功率与电流的平方成正比。
而电流的大小与频率有关，当频率较低时，电流较大，辐射功率也较大；当频率较高时，电流较小，辐射功率也较小。
这说明磁偶极子天线辐射场的强度与频率之间存在一定的关系。
磁偶极子天线辐射场的辐射范围也是有限的。
根据辐射场的传播特性，辐射场的功率密度随着距离的增加而减小。
当距离远离天线时，辐射场的强度会逐渐减小，直至无穷远处，辐射场的强度非常微弱。
因此，在实际应用中，磁偶极子天线的辐射范围是受限的，需要根据需求进行合理的布置和设计。
磁偶极子天线辐射场还具有极化特性。
极化是指电磁波的电场振动方向。
对于磁偶极子天线辐射的电磁波来说，其电场和磁场振动方向垂直于辐射方向，因此其极化方式为垂直极化。
这种极化特性在通信和雷达等领域中具有重要应用价值。
磁偶极子天线辐射场具有方向性、与频率有关、辐射范围有限以及具有特定的极化特性等特点。
在无线通信、雷达系统等领域中，磁偶极子天线的辐射场特性对于信号的传输和接收起着重要的作用。
因此，对于磁偶极子天线辐射场的研究和应用具有重要意义。
第3章 偶极子天线 ppt课件
2L = 3/2
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f
()
c
os 32π
c
os
sin
2L = 2
f()c
o 2πsc o s1 s in
20
3.3 偶极子天线
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21
3.3 偶极子天线
形成天线不同方向性的主要因素： • 基本元的方向性； • 天线上电流的振幅和相位分布； • 各基元到远区观察点的射线间的行程差。
r0
l
j 60Im cos(klcos) coskl e jkr0
r0
sin
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——偶极子天线辐射场表示式 17
3.3 偶极子天线
1）方向性函数
E 6r0 Im 0c
o kcslo () sc s in
k o ls6Im 0f()
r0
f()c
okscl(o )sc s in
oksl
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22
3.3 偶极子天线
偶极子天线的辐射功率和辐射电阻
P
r2 2
2
d
0
0
E2
sin
d
P
30
I
2 m
2
2
d
0
0
cos kl cos cos
sin
kl
2
d
P
1 2
I
2 m
R
R
30
2
d
0
0
cos
kl
cos
sin
cos
kl
2
d
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R1
2W t
W
Wt 1
第3章 偶极子天线
l
j
sh2kl
ch2
a
l
c
os
2k
l
RA jX A
3.3 偶极子天线
3.3 偶极子天线
在偶极子天线长度确定的情况下，随着频率的变化， 方向图或最大辐射方向会改变，副瓣电平可能增大， 阻抗匹配将变坏等。因此，对一个特定的偶极子天线 就应该具有通频带的概念。 阻抗随频率的变化很大，因此经常以阻抗特性来定义 偶极子天线的通频带。天线输入阻抗的变化会引起天 线电压驻波比的变化，通常根据一个天线的工作条件 和要求给出一个允许的最大电压驻波比来定义天线的 通频带。
c
osk
l
c
os
s in
c
os
k
l
2dLeabharlann P1 2I
2 m
R
R
30
2
d
0
0
c
osk
l
cos
s in
c
os
k
l
2
d
3.3 偶极子天线
l , ka 0.1
R 20kl4
3.3 偶极子天线
前面求得的辐射电阻是在远区积分得到的，没有 考虑近区场。如果作一闭合面紧靠振子表面，这 时波印廷矢量沿表面的积分所得的功率应既有实 部又有虚部。实部功率产生脱离振子电流和电荷 的辐射场，虚部表示无功功率，它表示受振子电 流和电荷牵制的，并与电流和电荷形成统一体， 不能分割开的储能场。
3.3 偶极子天线
柱面上的波印廷矢量的法向分量，z方向上的积分为零
Sx
1 2
Ez
H
*
Sz
1 2
Ex H*
l 2
P 2 0 Sxaddz
第四章 偶极子天线
l
60I z dz jkr j sin e r
I m sin k l z z 0 Iz I m sin k l z z 0
l
得：
E
0
60I m sin k l z j sin 1e jkr1 dz r1
0 l
几种典型偶极子天线上的电流分布
偶极子天线上电流分布的特点
• 振子的终端始终是电流的波节；
• 离终端/4处为电流的波腹，再经/4处为电流 波节，依次重复； • 在振子上的电流经过零值时，电流相位改变 1800；
• 振子输入端的电流值由电长度l/ 决定；
• 振子两臂相对应点的电流相等。
第二节 偶极子天线的辐射场
和方向性函数
一、偶极子天线的辐射场
在天线振子上取一小段
Z M
dz ，认为 dz 上电
流分布是均匀的，则 dz 所产生的场为：
dz 1
r1
z z
dz
0
2
r0 r2
60I z dz jkr dE j sin e r
天线在M点产生的场是无数
的场的积分：
E
代入：
l
dz 在M点产生
半波偶极子天线（ l 0.25 ）在子 午面内的方向性图
偶极子天线（l 0.625 ）在子午面 内的方向性图
各种不同长度的偶极子天线在子 午面内的方向性图
3）任何长度的偶极子天线在轴向
0 无辐射；
4）当
l l 0 .5 尖锐，且只有主瓣，主瓣垂直于振子轴；
时，随着
增大，波瓣越来越
5）当
消失； l
后，出现旁瓣；
0 .5
偶极子天线及其应用
⎠
sin θ
偶极子天线（Matlab仿真）
E面方向图
偶极子天线（Matlab仿真）
H面方向图
半波振子天线（HFSS仿真）
仿真频率为1GHz 振子直径为λ／30 激励电流为1A
半波振子天线（HFSS仿真）
E面方向图
半波振子天线（HFSS仿真）
H面方向图
半波振子天线（HFSS仿真）
立体方向图
天线上的电流分布
严格求解天线上的电流分布是一个复杂 的理论问题。即使是对于一个简单的对 称天线，计算它的电流分布也是相当困 难的。 工程上则采用近似方法。对于结构简单 的细长天线（天线直径远小于波长）的 电流分布，是假定与无损耗均匀传输线 上的电流分布相同。
天线上的电流分布
对于在中点馈电的对称天线可以看成是 将末端开路的均匀传输线张开而成，天 线上的电流分布是对称于中点的驻波。
元天线的方向图
元天线的方向图
元天线产生于远区的电场强度为
dEθ
=
j Idz η sinθe− jβr 2λr
元天线产生于远区的磁场强度为
dH φ
=
j Idz sinθe− jβr 2λr
元天线的方向图
E面方向图
元天线的方向图
H面方向图
元天线（HFSS仿真）
仿真频率为1GHz 偶极子长度取λ／150 偶极子直径为λ／300 激励电流为1A
cosθ
⎟⎞ ⎠
=
2 cos⎜⎛ ⎝
2πH λ
sin
∆ ⎟⎞ ⎠
负像时的阵因子为
2 sin⎜⎛ ⎝
2πH λ
cosθ
⎟⎞ ⎠
=
2 sin⎜⎛ ⎝
2πH λ
sin
偶极天线长度
偶极天线长度
偶极天线是一种常用的天线类型，其特点是在长度相同的情况下，与单极天线相比，具有更高的辐射效率和更低的电磁波反射损耗。
因此，偶极天线被广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。
偶极天线的长度是一个重要的参数，它决定了天线的频率响应和辐射特性。
一般地，偶极天线的长度应当为工作频率的半波长或者四分之一波长的整数倍。
如果天线长度过长或者过短，会导致天线谐振频率偏离工作频率，从而降低天线辐射效率。
偶极天线的长度可以通过以下公式计算：
L = λ / 2n
其中，L表示天线长度，λ表示工作波长，n为整数。
在实际应用中，常常使用四分之一波长的天线长度，即：
例如，在2.4 GHz的无线局域网中，工作波长为c / f = 0.125 m，因此偶极天线的长度为L = λ / 4 = 0.03125 m，即3.125 cm。
值得注意的是，偶极天线的长度不仅影响天线的谐振频率和辐射特性，还会对接收灵敏度和驻波比等性能产生影响。
因此，在实际应用中，需要根据具体需求和实际情况进行合理的设计和选择。
第四章-偶极子天线
• 短偶极子：
• 有限长度偶极子：偶极子天线，对称振子
偶极子天线是一种经典的、迄今为止使 用最广泛的天线，单个半波偶极子可简单地 独立使用或用作为抛物面天线的馈源，也可 采用多个半波偶极子天线组成天线阵。
标准半波偶极子天线
实际偶极子天线
用于电视接收 用于宽带通信
一、偶极子天线
二、输入阻抗的求解
1. 测量得到 2. 由辐射阻抗求输入阻抗 3. 由等效传输线法求输入阻抗
由辐射阻抗求输入阻抗
振子的输入阻抗：
PA
1 2
I
2 0
Z
A
辐射功率：
P
1 2
I
2 m
Z
设振子没有损耗，则 PA P
I
2 m
Z
I
2 0
Z
A
ZA
Im I0
2 Z
设天线振子上的电流近似按正弦规律分布，则
I0 Im sin kl
流分布是均匀的，则 dz 所产生的场为：
Z
M dz 1 r1
r0
z 0 r2 z 2
dE
j
60I zdz sine jkr r
dz
天线在M点产生的场是无数 dz 在M点产生
的场的积分：
E
l j 60I zdz sine jkr l r
代入：
Iz
I m I m
sin sin
k l k l
X
30sin
2kl c
ln
1 ka
ci4kl
2 ci2kl
cos2klsi4kl 2si2kl
2si2kl
当a 0, l 时，
4 R 73.1
赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线
赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线1. 引言1.1 概述赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线作为无线通信领域中常见的天线类型，具有广泛的应用和重要的研究价值。
赫兹偶极子是一种基本的辐射器件，由两个相等并且反向振荡电流构成，产生球面辐射场。
而四分之一波长单极子天线则是一种以悬浮地平面为结构特点的天线，主要通过单根导体来实现信号的发射和接收。
本文将从定义和原理、构造和特性以及应用领域等方面对这两种天线进行深入探讨。
1.2 文章结构本文将分为五个部分进行介绍与分析。
首先，引言部分将给出赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线的概述，并阐明文章所采用的结构与目标。
其次，在第二部分中，我们将详细探讨赫兹偶极子的定义、原理、构造和特性以及应用领域。
紧接着，在第三部分中，我们将详细介绍四分之一波长单极子天线在定义、原理、构造和特性以及应用领域方面的相关信息。
接下来，在第四部分中，我们将对这两种天线进行比较和联系，主要包括相似点、不同点以及相关性分析。
最后，在第五部分中，我们将总结前文所讨论的要点，并对这两种天线提出评价与展望。
1.3 目的本文旨在全面介绍赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线的原理、特性和应用领域，并通过比较与联系阐明它们之间的关联性。
通过对这两种天线进行深入研究，有助于读者更加清晰地理解和掌握它们在无线通信系统中的应用价值和工作原理。
此外，文章还将对这两种天线进行评价，并给出未来在技术发展方向上的展望。
通过本文的阅读，读者可以获得关于赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线方面的基础知识，并且能够更好地了解它们在无线通信领域中所扮演的重要角色。
2. 赫兹偶极子2.1 定义和原理赫兹偶极子是由德国物理学家海因里希·赫兹于19世纪末发明的一种天线。
它是由一个导体构成的，导体两端呈V形或者倒V形排列。
赫兹偶极子的工作原理基于电磁辐射产生的原理，通过在电流中引入突变或变化频率，就能够产生辐射，并将电能转化为无线电波能量。
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航空天线技术
第三讲 偶极子天线及其应用
偶极子天线
元天线的方向图 天线上的电流分布 偶极子天线 地面对天线方向图的影响 应用
元天线
关于近场与远场距天线距离的近似划分。 以电偶极子为例。
电偶极子的物理模型为一个小尺寸均匀 线电流元I(ω)dl, 其中I(ω)为线电流 频谱，dl为长度(dl<<λ)。
地面对天线方向图的影响
天线和天线像构成一个二元天线阵，对 于水平天线，它们之间的相位差180°， 称为负像。对于垂直天线，当天线的长 度为半波长的奇数倍时，相位差为0，是 正像；当天线的长度为半波长的偶数倍 时，相位差180°，是负像。
地面对天线方向图的影响
正像时的阵因子为
2 cos
2H
cos
元天线的方向图
振荡电流是产生辐射的源，辐射的强弱 与电流的大小有关。 天线上电流分布的情况对天线辐射的方 向图有决定性的作用。 用一最简单的元天线为例，来求它的方 向图与电流的关系。所谓元天线是指长 度极短的一小段天线，这段天线上的电 流可以假定为均匀的。
元天线的方向图
元天线的方向图
元天线产生于远区的电场强度为
E
jIdl 4k
sin
k2 r
jk r2
1 r3
e jkre
jIdl 2k
cos
r
jk
2
1 r3
e
e jkr r
三同点与辐射场
简化
1 j
1
E
K
r
r 2
r
3
辐射波：第一项 凋落波：第二项 感应场：第三项
三同点（纯凋点） r 1 ，通过凋落波，
间接得到辐射场
元天线
E
jIdl sin 4k
dE
j Idz sine jr 2r
元天线产生于远区的磁场强度为
dH
j Idz sine jr 2r
元天线的方向图
E面方向图
元天线的方向图
H面方向图
元天线（HFSS仿真）
仿真频率为1GHz 偶极子长度取λ／150 偶极子直径为λ／300 激励电流为1A
元天线（HFSS仿真）
E面方向图
元天线（HFSS仿真）
2 cos
2H
sin
负像时的阵因子为
2 s in
2H Βιβλιοθήκη cos2 s in
2H
sin
应用
射频识别(RFID)系统
应用
侧射式四元半波天线阵H面方向图
应用
考虑地面影响的侧射式四元半波天线阵 H面方向图
应用
CST MWS
ANSOFT HFSS
作业
推导半波振子方向图函数
偶极子天线
可以看成是由一段末端 开路的双线传输线形成 的。
对称天线是最通用的天 线型式之一。
偶极子天线
天线一端馈电，另一端开路，线上电流 分布可表示为
I I m sin (l z)
代入元天线远区电场公式
dE
j 60 r
I m sin (l z) sine jr dz
偶极子天线
用 r0 表示从天线输入端以到观察点P的 距离，则当P点很远时，可近似认为 r 与 r0 平行，此时 r r0 z cos
k2 r
为远场，即辐射场。
1
以 E为例， E远 E近 远场与近场中 r 2 项 的幅度比为 rk 2r
r
λ/6 λ/4 λ/2
λ
1.5λ 2λ
比值
1
0.5π
π
2π
3π
4π
r/k dB 0 4 10 16 19.5 22
元天线
利用富利叶变换很容易得出场的时域表 达式。在远区
E r, ,t
dl 4r
对于在地面上的天线，工程上是采用镜像法来 进行分析。所谓镜像法是假定地面为理想导体， 然后用以位于地面下对称位置的天线像来代替 地面的作用。
假定地面是理想导体，则边界条件的要求是的 切线分量应该是零，也就是说，在地面上E的 方向与地面垂直。在用天线像代替地面时，这 一条件应该得到满足。所以，垂直元天线的天 线像的电流与元天线上的电流同相，而水平元 天线的天线像的电流与元天线上的电流反向。
代入上式
dE
60
j
r0
I m sin sin (l z)e dz j (r0 z cos )
偶极子天线
沿天线长度积分求得
E
j 60 r0
I m sine jr0
l sin (l z)e jz cos dz
0
60
j
r0
I m sin(180 )e jr0
l sin (l z)e jz cos(180 ) dz
H面方向图
元天线（HFSS仿真）
立体方向图
天线上的电流分布
计算实际天线的辐射场时，是将天线分 成无数个元天线，每段元天线上的电流 是相应实际天线中该段的电流值，然后 用积分求和的方法将各个元天线的辐射 场迭加起来。在迭加的时候，需考虑空 间方位和时间相位上的关系。 在求天线辐射场时，应先知道天线上的 电流分布情况。
sin
d dt
I
t
r c
H r. .t E r. .t Zo
元天线
从上面公式可总结出电偶极子发射场的如下主 要特性： ①在频域，远区辐射场强随频率增加而线性增 强。 ②在时域，远区辐射场时域波形正比于电流波 形的时间导数。 ③近区与远区场的空间衰减规律不同：在远区 电场与磁场皆按1/r规律衰减；而在近区电场 按1/r3规律衰减，而磁场则按1/r2规律衰减。
s in
偶极子天线（Matlab仿真）
E面方向图
偶极子天线（Matlab仿真）
H面方向图
半波振子天线（HFSS仿真）
仿真频率为1GHz 振子直径为λ／30 激励电流为1A
半波振子天线（HFSS仿真）
E面方向图
半波振子天线（HFSS仿真）
H面方向图
半波振子天线（HFSS仿真）
立体方向图
地面对天线方向图的影响
0
偶极子天线
将此式积分后取绝对值，可得远区电场 强度的公式。
| E
|
60 I m r0
cos(l cos ) cos l s in
式中 为对称天线的一臂长度。
l
偶极子天线
当 l / 4时（半波天线），
|
E
|
60I m r0
cos cos
2
sin
方向图函数
cos cos
f ( ) 2
天线上的电流分布
严格求解天线上的电流分布是一个复杂 的理论问题。即使是对于一个简单的对 称天线，计算它的电流分布也是相当困 难的。 工程上则采用近似方法。对于结构简单 的细长天线（天线直径远小于波长）的 电流分布，是假定与无损耗均匀传输线 上的电流分布相同。
天线上的电流分布
对于在中点馈电的对称天线可以看成是 将末端开路的均匀传输线张开而成，天 线上的电流分布是对称于中点的驻波。