天线原理与设计 讲义
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
天线原理与设计_讲义7
由此式可见，与侧射阵相比，波束最大值发生偏移时半功率波瓣宽度将变宽。
5、副瓣位置和副瓣电平
(1)副瓣位置
指副瓣最大值对应的角度。可由 dF (ψ ) / dψ = 0 解得，这种做法很烦琐。考
察
F (ψ
)
=
sin( Nψ N sin(ψ
/ 2) / 2)
，其分子变化比分母快得多，因此，副瓣最大值发生在分
|N
>>1
≈
1 1.5π
= 0.212
2N
得： SLL = 20 lg | F (ψ s1) |= −13.5 (dB)
(5.31)
6、方向性系数 D
由方向性系数公式
∫ ∫ ∫ D =
2π dϕ
4π π F 2(θ )sinθ dθ
=
2 π F 2(θ ) sinθ dθ
=
2 I
0
0
0
∫ 式中， I = π F 2 (θ ) sinθ dθ 0
f (ψ ) = sin(Nψ / 2) sin(ψ / 2)
，ψ = β d cosθ −α
式中，θ 为阵轴与射线之间的夹角；
α 为相邻单元之间的馈电相位差。
其最大值条件为ψ |θ =θm = β d cosθm − α = 0 ，得：α = β d cosθm
可得：
ψ = β d (cosθ − cosθm )
(rad) = 107.72
λ L
(o) ≈ 108
λ L
(o)
(5.21)
■扫描阵( 0 < θm < π / 2 )
由式(5.18)得
cosθ1
−
cosθm
=
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。
天线原理与设计
天线原理与设计天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的设计和原理对于无线通信的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。
本文将介绍天线的基本原理和设计方法，帮助读者更好地理解和应用天线技术。
首先，天线的基本原理是什么呢？天线是将电磁波转换为电信号或者将电信号转换为电磁波的装置。
在接收模式下，天线接收到的电磁波会转换成电信号，而在发送模式下，电信号会被天线转换成电磁波进行传输。
因此，天线的设计需要考虑到频率范围、辐射效率、方向性等因素，以确保其在特定的应用场景下能够实现高效的信号传输。
其次，天线的设计方法有哪些呢？天线的设计需要根据具体的应用需求来确定。
一般来说，天线的设计包括结构设计、材料选择、匹配网络设计等方面。
在结构设计方面，需要考虑天线的形状、尺寸、辐射器的布局等因素，以确保天线能够实现所需的辐射特性。
在材料选择方面，需要选择合适的材料来制作天线，以确保天线具有足够的机械强度和耐候性。
在匹配网络设计方面，需要设计合适的匹配网络来确保天线与传输线的匹配，以提高天线的辐射效率。
最后，天线的设计需要注意哪些问题呢？在天线设计过程中，需要注意考虑以下几个问题。
首先，需要考虑天线的频率范围，以确保天线能够在所需的频段内正常工作。
其次，需要考虑天线的辐射效率，以确保天线能够实现高效的信号传输。
此外，还需要考虑天线的方向性，以确保天线能够实现所需的辐射方向。
最后，还需要考虑天线的机械强度和耐候性，以确保天线能够在各种环境条件下正常工作。
综上所述，天线是无线通信系统中的重要组成部分，其设计和原理对于无线通信的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。
天线的设计需要考虑频率范围、辐射效率、方向性等因素，以确保其能够在特定的应用场景下实现高效的信号传输。
希望本文能够帮助读者更好地理解和应用天线技术。
天线基本原理及常用天线介绍ppt课件
3、天线的工作频率范围(带宽)
无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的 频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能 输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将 减小，据此可定义天线的频率带宽。
有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。
.
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成本
3G（1710～2170MHz）频段的超宽频天线
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成本
峰值 - 3dB点
Peak - 3dB
10dB 波束宽度 - 10dB点
120° (eg)
峰值
- 10dB点
Peak - 10dB
15° (eg)
Peak
32° (eg)
Peak
Peak - 3dB
俯仰面即. 垂直面方向图
Peak - 10dB
方向图旁瓣显示
上旁瓣抑制 下旁瓣抑制
.
8、方向图在移动组网中的应用
方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的 发射或接收电磁波的能力。
.
天线的主要技术指标
天线匹配指标
驻波比 隔离度
天线辐射特性指标
与国际接轨的 天性辐射特性
增益
主瓣波束宽度
第一副瓣抑制
前后比
交叉极化比
轴向 ±30
波束效率
3dB 10dB
杂散因子
3dB 10dB
.
≤1.4
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_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
第一章 天线的方向图(下)
1.5.1二元天线阵二元天线阵是由两个同类型，同尺寸的天线组成。
我们以点来表示这两个天线单元，单元间距为d ，两单元激励电流分别为0I 和1I ，如图1-14所示并建立坐标系。
它们到远区观察点的距离分别为r 0和r 1。
由于观察点很远，可认为两条射线r 0和r 1平行。
图1-14 二元阵及坐标系不失一般性，设天线单元为对称振子，它们在远区某点产生的电场分别为01j 0000j 111160j (60j (r r I E e f r I E e f r ββ,),)θϕθϕ−−⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩ (1.88) 设这两个对称振子等长，并且是平行或共轴放置，则10(,)(,)f f θϕθ=ϕ。
二元阵总场为：01j j 10100001j60(,)[r r T e I e E E E I f r I r ββθϕ−−=+=+ (1.89)作远场近似：对幅度1/，对相位101/r r 1000ˆˆcos r r rzd r d θ=−=−i 。
并设 j 10/I I me α−= (1.90)式中m 为两单元电流的幅度比，α为两单元电流之间的相位差，若0α>，则1I 滞后于0I ；若0α<，则1I 超前于0I ；若0α=，则1I 与0I 同相位。
此时式(1.89)可写作j j(cos )00060j(,)[1r d T I E e f me r ββθαθϕ−−=+] 0j 00060(,)(1)r j I je f me r βψθϕ−=+0j j /20060j r T I e e f r βψ(,)θϕ−= (1.91a) 其模值为 0060||||||(,)T T I E f r θϕ=a (1.91b) 式中， 0(,)(,)(,)T f f f θϕθϕθ=ϕ (1.92) 对于对称振子 0cos(cos )cos()(,)sin l l f βθβθϕθ−=j /2j /2(,)()a f e me ψψθϕ−=+ (1.93)cos d ψβθ=α− (1.94)ψ为两个单元辐射场之间的相干相位差，由波程相差和馈电相位差合成。
手机天线原理和设计PPT课件
右图为该天线 模型在 1.8GHz频 率下的增益 方向图。
• 最大增益～ 4dBi。
• 全向性可控 制
内置Planar Monopole vs 手机 结构设计
• 内置Planar Monopole天线可以比同样工作 频率的PIFA小。
Gain@ 6 dBi Patch 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi
EIRP 26 dBm 23 dBm 21 dBm 19 dBm 18 dBm 13 dBm 6 dBm
内置天线分类
• PIFA Planar Inverted F Antenna
• 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)
全向和定向
• 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。
• 右下图显示方向图被 “挤压”向一个方向， 辐射能量在一定角度 分布较大。而背面能 量分布少。
手机天线原理和设计ppt课件
手机天线原理和设计
天线基本概念
• Return Loss（回波损耗S1பைடு நூலகம்）
天线原理
• Directionality（方向性系数）
天线辐射方向性参数。天线据此可分全向（omnidirectional）和定向（directional）。
• Gain（增益）
天线增益定义为规定方向的天线辐射强度和参考天线之比。
XY平面为H面，YZ面E1面，XZ面E2面。
天线原理与设计_讲义8
2
=
β L (ξ +1) / 2 sin Z 4π 4π Z g (Z0 ) ( 0 )2 ∫ ( ) 2 dZ = βL β L sin Z 0 β L (ξ −1) / 2 Z
(6.9)
式中， g ( Z 0 ) = (
Si ( x ) = ∫
⎤ Z 0 2 ⎡ π cos(2 Z 0 ) − 1 ) ⎢ + + Si (2 Z 0 ) ⎥ sin Z 0 ⎣ 2 2Z0 ⎦
图 6-1 10 元端射阵不同附加相位 δ 的方向图(N=10， d = λ / 4 )
6.3.2 汉森—乌德亚德条件
当阵列单元数较大( N >> 1 )时，我们把式(6.1)改写作如下形式 F (ψ ) = sin( Nψ / 2) sin( Nψ / 2) sin( Z ) ≈ = N sin(ψ / 2) Nψ / 2 Z (6.3)
2θ 0.5 = 2 ×
0.2796λ λ o (rad) = 60.6 ( ) Nd Nd
(6.25b)
与普通端射阵的 2θ 0.5 = 108 λ / Nd (o)相比减小了 1/3 以上。
155
《天线原理与设计》讲稿
王建
由汉—乌条件 β ′L − β L π 及 ξ = β ′ / β = λ / λ ′ = c / v 可得最佳相速比 λ (6.26) ξ opt = 1 + 2L 或 Lopt =
(6.17)
式中， D = 4
L
λ
为普通端射阵的方向性系数。
6.3.4 强方向性端射阵的波瓣宽度
1. 主瓣零点宽度 2θ 0
由前面式(6.3)
N [ β d (1 − cos θ ) + δ ]} sin( Nu / 2) 2 F (θ ) = = 1 N sin{ [ β d (1 − cosθ ) + δ ]} N sin(u / 2) 2 sin{
天线原理与设计_讲义5
1 Le E i 天线有耗时： Rin = Rr + Pl ， Pre max1 = [ ]2 ( Rr + Rl ) 2 2( Rr + Rl ) 得
(3.21b)
ηa =
Pre max1 Rr = Pre max 0 Rr + Rl
(3.22)
与发射时一致。
4、增益 G (θ , ϕ )
接收天线在某个方向的增益定义为：从该方向接收时负载所接收到的功率 Pre (θ , ϕ ) 与一个理想的点源天线从该方向所接收的功率 P0 之比，即
←代入书上式(1.21)
=
1 30 β Le I in ηπ L [ F (θ , ϕ )]2 = 0 ( e ) 2 F 2 (θ , ϕ ) 1 r Rin λ | I in |2 Rin 2η0 2
4π r 2
(3.25)
由式(3.18)和(3.25)得 1 ( Le E ′) 2 2 E ′2 L2 E ′2 λ 2 2 e Pre (θ , ϕ ) = F (θ , ϕ ) = F (θ ,ϕ ) = ⋅ G (θ , ϕ ) 2 4 Rin 8 Rin 2η0 4π (3.26)
I1 = rE21 ˆ 21 30 β Le1F1 (θ , ϕ )e rE12 ˆ 12 30 β Le 2 F2 (θ , ϕ )e
(3.5)
(3.6) (3.7)
同理有：
I2 =
(3.8)
把式(3.7)和(3.8)代入(3.5)得
I12 ( Z1in + Z L1 )E21 I 21 ( Z 2in + Z L 2 )E12 = ˆ 21 ˆ 12 Le1F1 (θ , ϕ )e Le 2 F2 (θ , ϕ )e
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15
图 13-2 幅度比较单脉冲
若探测到一个目标，来自 A 方向，这时两波束收到的回波信号相位相同， 但幅度不等。两信号相减形成的差信号是目标方向的函数。这个差信号的大小， 表示了目标偏离天线轴向角度的大小，差信号的正负，则表示目标偏向哪一边。 由差信号驱动电机使天线转动而对准目标，则差信号为 0。从而实现了跟踪。 为了进行原理分析，设比幅单脉冲天线的馈源是由四个喇叭和比较电路构 成的。假如上图为俯仰面的话，另两个喇叭就构成方位面。四喇叭馈源及比较器 电路如图 13-3 所示。
图 13-3 幅度比较单脉冲天线的馈源和比较器
图 13-4 魔 T
注：魔 T（双 T）的工作特性： ■结构如图 13-5 所示。
295
296
<<天线原理与设计>>讲稿
■工作特性 接收时：当同频信号 E1 、 E2 由 1 口和 2 口输入时，3 口输出为两信号的和值 E1 + E2 。所以 3 臂称为和臂；4 臂输出两信号的差值 E1 − E2 ，所以称为 差臂。 发射时：信号由 3 臂输入 E3 ，则 1、2 两臂输出等幅同相信号 E1 = E2 = E3 2 。此 时 4 臂隔离，无输出。 即有“对臂隔离邻臂分”之特性。
a 坐标变换
b 计算次级和方向图的坐标
由初级口径场分布就可得到次级方向图为 FΣ (θ ,ϕ ) = ∫∫ f Σ ( x, y )e jk ( x sin θ cosϕ + y sinθ sin ϕ ) ds
S
式中，S 为主反射面圆口径面积。 ■方位、俯仰差波束方向图分析 波导为 TE10 模激励，馈源的口径场分布下图所示。其方位差口径分布为
四、工作原理
为了说明问题，先考虑一个平面(俯仰面)内单脉冲技术的工作原理。 当一个横向偏焦的喇叭，置于抛物面焦点附近时天线将产生一个偏离天线轴 的波瓣，其波束偏移角 θ s 正比于偏焦距离 +x 。为了获得两个对称于天线轴，并 有相同偏移角 θ s 的波瓣，可用两个对称于天线轴的横向偏焦喇叭来完成，如图 13-2 所示。
天线原理与设计讲义.ppt
简言之：天线的功能主要有两点： (1)能量转换 (2)定向辐射或接收 无线电通讯线路中的辐射和接收天线示意：
发射系统等效电路：
天线等效电路中最主要的一个参数——辐射电阻Rr。 可以认为天线辐射的电磁波能量全部由Rr吸收。
发射天线空间辐射方向图。
●典型的空间三维方向图
●典型的二维方向图
各种各样的方向图是由各种各样的天线实现的。
■ IE3D软件 ■ FIDELITY软件
(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。
另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵 列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表 面的共形阵列天线等。
为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下 几大类：
(1) 线天线(Wire Antennas) ——(1～6)章
(2) 口径天线(Aperture Antennas) ——(8～10章)
(1)在天线理论方法方面
■几何绕射理论 ■平面波谱展开法 ■时域有限差分法 ■天线近场测量理论
■矩量法 ■有限元法 ■时域积分方程法 ■阵列分析与综合理论
这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础，
随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自 动化设计软件。
■ HFSS软件 ■ CST软件 ■ FEKO软件
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。
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( xˆJ x + yˆJ y + zˆJ z )e jβr′cosψ ds′ ( xˆM x + yˆM y + zˆMz )e jβ r′cosψ ds′
⎩
s
s
由直角坐标矢量到球坐标矢量的转换公式
⎡ ⎢ ⎢
Ar Aθ
⎤ ⎥ ⎥
=
⎡sinθ ⎢⎢cosθ
cosϕ cosϕ
⎣⎢ Aϕ ⎦⎥ ⎢⎣− sinϕ
求解口面天线的辐射场，须先求得开口面上的场分布，然后按惠更斯—菲涅 尔原理，把开口面分割成许多小面元。根据面元的辐射场，并在整个开口面 S 上 积分，最后可求得口面天线的辐射场。
要按照这个过程求解口面天线的辐射场，还有一个问题必须解决，因为我们 知道，要求解一个辐射系统的辐射场，是根据振荡源(电流源 J 和磁流源 M(Jm ) ) 来求解的，而不是直接由场来求场。根据等效原理，就可将口面天线口径面上的 电磁场等效为电、磁流。
以口径面 S 上的次级源分布代替实际源分布以后，封闭面内的场 E = H = 0 ，
但封闭面外的场不变，口径面 S 上的电磁场的切向分量 nˆ × Hs 和 nˆ × Es 也不变。 在新的分析系统中(见图 b)，口径面 S 的内外侧，电磁场由 0 值跃变为 Hs 和 Es ， 即发生了不连续，这种不连续只有在存在相应的面电流 Js 和面磁流 Ms 时才能发 生。因此证明了口径面 S 上的 Js 和 Ms 分别为：
⎩
s
∫∫ ⎧
⎪
Lθ
=
⎨
s
⎡⎣M x cosθ cosϕ + M y cosθ sinϕ ⎤⎦ e jβ ( xcosϕ + ysinϕ )sinθ dxdy
∫∫ ⎪Lϕ = ⎡⎣−M x sinϕ + M y cosϕ ⎤⎦ e jβ ( xcosϕ + ysinϕ )sinθ dxdy
⎩
s
2、 圆口径
204
《天线原理与设计》讲稿
且 Jz = M z = 0 ，则式(8.8)和(8.9)可写作：
∫∫ ⎧
⎪
Nθ
⎨
=
s
⎡⎣ J x cosθ cosϕ + J y cosθ sinϕ ⎤⎦ e jβ dxdy ( x cosϕ + ysinϕ )sinθ
∫∫ ⎪ Nϕ = ⎡⎣−J x sinϕ + J y cosϕ ⎤⎦ e jβ ( xcosϕ + ysinϕ )sinθ dxdy
sinθ sinϕ cosθ sinϕ
cosϕ
cos − sin
θ θ
⎤ ⎥ ⎥
⎡ ⎢ ⎢
Ax Ay
⎤ ⎥ ⎥
0 ⎥⎦ ⎢⎣ Az ⎥⎦
可得：
⎧
∫∫ ⎪
Nθ
⎨
∫∫ ⎪ Nϕ
= =
s
⎡⎣J x cosθ cosϕ + J y cosθ sinϕ − J z sinθ ⎤⎦ e jβr′cosψ ds′ ⎡⎣−J x sinϕ + J y cosϕ ⎤⎦ e jβr′cosψ ds′
由式(8.1)得面元上的电磁流分别为：
=
E Aθ
+
EFθ
=
− jω ( Aθ
+ηFϕ )
=
− j e− jβr 2λr
( Lϕ
+ηNθ )
⎪ ⎪
Eϕ
⎪
⎪ ⎨
Hθ
⎪
= =
EAϕ + EFϕ = − jω ( H Aθ + H Fθ = − jω
Aϕ −ηFθ ) =
( Fθ
−1 η
Aϕ
)
j e− jβ r 2λr
( Lθ
−ηNϕ
=
j e− jβ r 2λr
J
ϕ
⎥ ⎦
⎧x = ρ cosϕ ′
⎨ ⎩
y
=
ρ
sinϕ
′
，
dxdy = ρd ρdϕ′
将(8.21)、(8.22)代入(8.19) 、(8.20)得：
∫∫ ⎧
⎪
Nθ
⎨
=
s
⎡⎣J ρ cosθ cos(ϕ − ϕ ′) + Jϕ cosθ sin(ϕ − ϕ ′)⎤⎦ e jβρ sinθ ρd cos(ϕ −ϕ′) ρdϕ ′
口径场法步骤：
1、解内问题，即由场源求得口面上的场分布； 2、解外问题，即由口面上场分布求解远区辐射场。 由此可见，反射面天线也可用口径场法分析。 喇叭天线一类：口径场法； 反射面天线一类：口经场法，面电流法。（近似方法） 有的反射面天线如抛物环面，由于口径场不易确定，还只得用面电流法。 口径场法和面电流法都是近似的方法，它们只能求出口径面前方半空间的辐 射场，口面后方半空间的场无法求得。实际上口面天线的外表面及口径边缘 L 上均有感应电流。这部分电流就是对口面天线后向辐射的主要贡献。但通常的做 法是采用几何绕射理论，求由边缘 L 产生的绕射。 值得说明的是，口面天线的边缘绕射场与前方半空间的场相比是微不足道 的。 如果采用口径场法，那么，现在的问题是：能否用口径天线口面上的场分布 来确定天线辐射场？回答是肯定的，这就须由惠更斯—菲涅尔原理来说明。
8.2 等效原理
用图解说明这个问题，见图 8-3。该图说明的是：已知口径面 S 上的场 Es 和 Hs ，如何等效为电磁流 J 和 M ，进而求远区场？
图 8-3 口径天线等效原理示意图
201
《天线原理与设计》讲稿
王建
由惠更斯—菲涅尔原理我们已经说明了天线口径面上的每一点可看作一个
小振荡源。原来天线在空间某点产生的场等同于其口径面 S 上分布的所有次级源 在该点产生的场，而天线口径面上的次级源分布等效于原来天线内部的源分布。
图 8-5 矩形口径及坐标系
1、 矩形口径
见图 8-5，设惠更斯面元位于口径面上点(x，y)处，面元处的位置矢量为 ρ = xxˆ + yyˆ ，则式(8.3)表示的波程差为
r′cosψ = rˆ ⋅ ρ = (x cosϕ + y sinϕ ) sinθ
(8.18)
式中， rˆ = xˆ sinθ cosϕ + yˆ sinθ sin ϕ + zˆ cosθ
⎩
S
(8-24)
205
《天线原理与设计》讲稿
王建
8.4 惠更斯源的辐射
1、矩形口径面元
所谓惠更斯源就是天线口径面上电磁波传播波前的一个面元，设此面元为一 小矩形 ds = dxdy ，在此小面元上，口径场是均匀的。其口径电磁场分别为：
⎧⎪⎨⎪⎩EHss
= =
xˆH sx yˆEsy
，且
Esy = −ηH sx
s
由远场公式：
⎧E ⎨
A
⎩HF
≈ − jωA ≈ − jωF
，
EA 、 HF 分别为电流源和磁流源产生的场
及
E = ηH × rˆ
因
⎧⎪E = θˆEθ + ϕˆ Eϕ
⎨ ⎪⎩H
= θˆHθ
+ ϕˆ Hϕ
⇒
⎧⎪Eθ = ηHϕ
⎨ ⎪⎩
Eϕ
=
−η Hθ
式中，η = 120π 为自由空间波阻抗。由式(8.10) 得：
200
《天线原理与设计》讲稿
王建
8.1 惠更斯—菲涅尔原理
见 P181 图 8-7。经典波动光学指出，围绕振荡源作一封闭面，封闭面外任 意一点 P 处的场可看作是：把封闭面上每一点都看作是一个新的小振荡源，每个 小振荡源在 P 点处产生的场的总和构成了该系统在 P 点处的场。这就是惠更斯 —菲涅尔原理。
s
Jse
jβ r′cosψ
ds′
＝
μ0e− jβ r 4π r
N
∫∫ 同理： F = ε0e− jβr
4π r
s
Mse jβ r′cosψ ds′
=
ε0e− jβ r 4π r
L
⎧N =
∫∫ ∫∫ 式中，
⎪ ⎨
∫∫ ∫∫ ⎪L =
J se jβ r′cosψ ds′ =
s
s
Mse jβ r′cosψ ds′ =
⎩
s
(8.4) (8.5) (8.6)
(8.7) (8.8)
⎧
∫∫ ⎪
Lθ
=
⎨
∫∫ ⎪Lϕ =
s
⎡⎣M x cosθ cosϕ + M y cosθ sinϕ − M z sinθ ⎤⎦ e jβr′cosψ ds′ ⎡⎣−M x sinϕ + M y cosϕ ⎤⎦ e jβr′cosψ ds′
⎩
⎧J ⎨
s
⎩M
= nˆ × Hs s = −nˆ × Es
(8.1)
假设口面天线的口径场 Es 和 Hs 已知，口径面上的等效电流 Js 和等效磁流 Ms 由式(8.1)确定，由此等效电磁流就可借助矢量位求解辐射场。
8.3 矢位法
由电磁场理论可知，电流 Js 和磁流 Ms 产生的矢量位分别为：
⎧
∫∫ ⎪A
(8.9)
(8.10) (8.11) (8.12)
⎧EAθ = − jω Aθ
⎨ ⎩
E
Aϕ
=
− jω Aϕ
⎧H Fθ = − jω Fθ
⎨ ⎩
H
Fϕ
=
− jω Fϕ
由式(8.12)得 HA 和 EF ：
(8.13) (8.14)
203
《天线原理与设计》讲稿
王建
⎧ ⎪⎪H Aθ
=
−1 η
E Aϕ
=
jω
Aϕ η
⎨
⎪ ⎪⎩