天线理论与工程设计
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2013-5-14 UESTC 34
输入阻抗
• 常用输入驻波比描述
2013-5-14
UESTC
35
天线参数—辐射方向图
• 极坐标方向图（指定坐标面） • 主瓣、副瓣、尾瓣 • 主瓣宽度、副瓣电平
2013-5-14 UESTC 36
辐射方向图 F(θ,φ)
• 在特定频率点上，天线的远区辐射场可以表示为
2013-5-14 UESTC 15
赫兹实验
• 实现无线传输：
• 信号源：火花放电器 • 辐射：天线 • 接收：天线
参见 IEEE MTT1986 年专刊
2013-5-14
UESTC
16
天线的功能
• 把闭合场转变为开放区域的辐射场。
• 参见“超宽带天线理论与技术”，p.48,是 1898年赫兹实验之后几年内所用天线。 • 科学发展的继承与创新。
• 19世纪，静电学的定量描述； • 1820年，奥斯特电流对磁针的作用；
2013-5-14
UESTC
9
电磁学简史（Electromagnetism History）
• 1831年法拉第(Faraday)用磁铁插入线圈产生电流， 1850年给出电磁感应定律；
• 1864年麦克思韦总结出Maxwell方程组，预言了电 磁波； • 1886-1889年赫兹（Hertz）实验验证了电磁波/火花 放电/UWB天线；
2013-5-14 UESTC 38
天线参数—天线方向性和增益
方向性D：
为了便于不同天线之间的比较，定义了天线
的方向性系数D。在同样距离和相同辐射功率条件
下，天线方向图上最大功率密度与全向天线（点源）
的辐射功率密度之比定义为天线方向性系数。
D
2013-5-14
Pmax E max Pomni E omni
2013-5-14 UESTC 17
天线与传输线
• 传输线（包括波导）起着从发射机到负载的能量
传输作用。
• 各种形式的天线都是由传输线（包括波导）演变
而来。
• 天线是一段特殊形式的传输线，起着从闭合场到
开放场转换的作用。
2013-5-14 UESTC 18
开路传输线演变为电偶极子天线
电场 电流 电荷
• 短路双线传输线
磁偶极子天线
末端张开
2013-5-14
UESTC
22
天线类型—角锥喇叭天线
• 开口矩形波导末端逐渐张开
角锥喇叭天线
2013-5-14 UESTC 23
天线类型—圆锥喇叭天线
• 开口圆波导末端逐渐张开
圆锥喇叭天线
2013-5-14 UESTC 24
天线类型—TEM喇叭天线
• 开路平行板传输线
e jkr E (r , , ) Kf ( , ) r
其中ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
f ( , )
为天线的方向性函数，用图形表示出来即天 线方向图。令方向性函数的最大值为1，画出
的天线方向图为归一化方向图。
2013-5-14 UESTC 37
不同形式的波束
• 定向的单波束或者多波束用于点对点通信 或者一点对多点通信； • 全向（在一个指定平面内有均匀辐射特性） 波束用于广播电视等场合； • 赋形主波束用于卫星通信和电视覆盖特定 区域的情况。
天线原理与设计
阮成礼 电子科技大学
2013-5-14 UESTC 1
参考文献
1. 阮成礼：超宽带天线理论与技术，哈尔滨工业大学出版社，
2005年（“十五”国防重点专著，获第二届全国出版物政
府奖提名奖），第一章至第六章，第九章； 2. W L Stutzing and G A Thiele：Antenna theory and design, 2nd edition。 3. IEEE Transactions on Antennas and Propagation
• 上课可以睡觉，可以早退，但不准讲话，因为讲
话要影响我的工作，影响别的同学学习；
2013-5-14 UESTC 4
学习方法
• 不希望是为了学分来上课。
• 可以提意见，如果大家不适应这种方法，也可以
退回到“灌输法”，只要大部分人同意。
• 提问请写字条（本人耳朵听力下降）。
• 欢迎同学们提问题。
2013-5-14
2 2
E E E 2 ( s ) sE 0 t t
2 2
• 预言了电磁波！
2013-5-14 UESTC 13
波动方程的解
• 分离变量法（十九世纪）
– 频域电磁波，正弦波。 • 变量代换法（1980年代）
– 时域电磁波，瞬态电磁脉冲。
2013-5-14
UESTC
2
39
天线参数—天线方向性和增益
• 增益G：
– 在同样距离和相同输入功率条件下，天线方向 图上最大功率密度与理想全向天线（效率为 100%）的辐射功率密度之比定义为天线增益。
Pmax D Pomni
2013-5-14
输入功率相同
E max Eomni
2
输入功率相同
UESTC
40
天线效率
TEM喇叭天线
2013-5-14 UESTC 25
天线类型—微带天线
• 一段微带传输线的不连续边缘
馈线
辐射贴片
介质基片
接地平面
2013-5-14
UESTC
26
天线类型—高增益天线
• 反射面天线，包括馈源和反射面
2013-5-14 UESTC 27
天线类型—高增益阵列天线
2013-5-14
UESTC
磁场
λ λ /2 0
• 开路传输线
2013-5-14 UESTC 19
开路传输线演变为电偶极子天线
• 演变为半波振子天线
2013-5-14 UESTC 20
天线类型—电偶极子天线
• 开路双线传输线 末端张开
电偶极子天线
点源-Hertz偶极子，半波振子
2013-5-14 UESTC 21
天线类型—磁偶极子天线
2013-5-14 UESTC 32
理想天线
• • • • • • •
2013-5-14
输入阻抗 方向图 天线增益 极化特性 频带宽度 体积、重量 应用环境
UESTC 33
天线参数—输入阻抗
• 和传输线一样，传输线有“特性阻抗”， 天线有“输入阻抗”：天线馈电端口的电 压电流之比。 • 影响天线有“输入阻抗”的因素很多… • 天线有“输入阻抗”：实部是辐射电阻， 虚部是输入电抗； • 与主传输线匹配：尽可能消除输入电抗， 使辐射电阻等于传输线“特性阻抗”。
2013-5-14 UESTC 44
2 x 2 1
2 ey
天线参数—频带宽度
• 天线总是在一定频率范围内工作，在该频 率范围内，一个或者一组选定的天线参数 的变化不超出可以接受的允许值。 • 天线有多种形式的带宽，方向图带宽﹑增 益带宽﹑输入阻抗带宽、极化带宽等。 • 用得较多的是天线输入阻抗带宽。 • 在超宽带天线研究领域，天线带宽始终是 一个重要参数。
天线参数—极化特性
发射天线辐射时，其最大辐射方向上，随 着时间电场矢量（端点）在空间描出的轨迹。
极化形式分为线极化，圆极化和椭圆极化
三种，线极化和圆极化是椭圆极化的特例。
圆极化又分为正交的左旋和右旋圆极化。
椭圆极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波。 两种正交极化的电磁场可以在相同频率上 传输不同的信息（极化复用）。
天线参数—应用环境
• 环境：温度、湿度、降雨、腐蚀性、尘埃、运动 速度、运动加速度、 • • • • 地面环境 海洋环境 机载弹载环境 星载环境
2013-5-14
UESTC
48
天线参数—体积、重量
• 1887-1983年电磁波的百年奇迹(见MTT,1986专辑)；
• 1983-2013年UWB 快速发展的三十年。
2013-5-14 UESTC 10
Maxwell方程
• 1831年法拉第（Faraday）观察到电磁感应 现象用磁铁插入线圈产生电流，1850年给 出电磁感应定律：变化的磁场产生电场； • 安培（Ampere）环路定律：电荷流动产生 磁场； Maxwell的位移电流； • 电场的散度是电荷； • 磁场的散度是零，无源场。
• 学会利用学习资源（大家知道有哪些学习 资源？），学会提问，学会交流。
2013-5-14 UESTC 3
学习方法
• 并不是按部就班的讲，有一些重点讲一讲，有些
要求同学们自己看； • 不要求死记硬背，主要是掌握正确学习方法； • 掌握研究学问的方法，将来用到某一点所讲的知 识可以重新研究的方法，有所创新就更好了；
4. 电子科技大学图书馆，电子资源, IEEE Xplore, key words:
Antennas ，electromagnetic radiation。 5. 其它有关天线的学术刊物。
2013-5-14 UESTC 2
学习方法
• 从小学到中学，到大学，每个学习阶段都 有不同的学习方法；
• 大学是走向社会，或者是进入更高阶段的 学习，从老师指导下学习到完全独立自主 学习的过渡阶段。
2013-5-14
UESTC
7
电磁学简史
–时间和事件:黄帝战蚩尤
（Electromagnetism History）
• 黄帝发明指南车（ 2699B.C.）
–指南车，有两种可能(尚未定论)：
• 一种是利用机械原理（齿轮）造指南车；
• 另一种是利用磁石造指南车。
–考古学和历史学研究表明，在2699B.C.年代，中国不可 能造出齿轮； –我们采用“利用磁石造指南车”说法，是一家之言； – 这是利用“磁石”的最早记载。
2013-5-14 UESTC 45
驻波比带宽
2013-5-14
UESTC
46
天线波束扫描
• 辐射方向图在空间中的运动情况，或者机 械扫描，或者电扫描，或者二者结合起来 实现波束扫描。 • 对于阵列天线，除了可以提高天线增益以 外，另一个优点是有可能实现波束电扫描。
2013-5-14
UESTC
47
UESTC
14
Helmholtz - 柏林奖
• Maxwell的思想太超前了，无人可以理解！ • 赫姆霍兹（ Helmholtz ）提出，建立“柏林 奖”，无论是证明，还是推翻Maxwell理论 都可以获得此项奖； • 他认为，只有他的得意弟子赫兹（Hertz） 有能力完成此项工作； • 1886~1889，赫兹用实验方法证明了Maxwell 理论是正确的。
2013-5-14 UESTC 42
椭圆极化波
y E2
τ ex γ
E1
x
α ey
e
椭圆极化波，电磁波沿+z方向传播
2013-5-14 UESTC 43
椭圆极化波
ˆ ˆ e xex ye y
ex E1 cos(t )
e y E2 cos(t )
e ex e y 2 2 cos sin 2 E1 E 2 E E2
2013-5-14 UESTC 8
电磁学简史
（Electromagnetism History）
• 475-221B.C.战国时期《韩非子。有度篇》记载“先 王立司南以端朝夕”；
• 585B.C.,希腊哲学家塞利斯发现磨檫生电，
• 东汉王充(27～约97A.D.) 在《论衡》中记载“顿牟 掇芥”；
• 天线辐射功率总是比输入到天线的功率小 一些，也就是说天线有损耗。天线效率定 义为 Pr Pr •
Pin Pr PL
• 其中 Pr , PL , Pin 分别是天线的辐射功率、损耗 功率和输入功率。 • 天线损耗包括导体损耗、介质损耗和加载 电路中的损耗。
2013-5-14 UESTC 41
28
天线类型—
• 频域天线：常规窄带天线
• 时域天线：超宽带天线，通常带宽大于 30%
2013-5-14
UESTC
29
超宽带天线
V-锥天线
2013-5-14 UESTC 30
超宽带天线
双圆锥天线
2013-5-14 UESTC 31
超宽带天线
z
0 / 2
0 / 2
y x
非共面扇形天线
UESTC
5
从Maxwell方程说起
• 历史
• Maxwell方程
• Hertz第一次验证实验
• 天线与传输线 • 理想化天线
2013-5-14 UESTC 6
历史
• 为什么要研究历史？
– 从黄帝发明指南车（2699B.C。 ）到库伦定律 （ 1820A.D.) 之前大约4500年，属于感性知识 积累阶段； – 从库伦定律（1820年）到探测外太空时代（21 世纪），不足200年，属于科学发展阶段。
2013-5-14 UESTC 11
Maxwell方程组
B E t D H J t D
B 0
D Maxwell引入了位移电流，不仅是电流产 t 生磁场，变化的电场也可以产生磁场！
2013-5-14 UESTC 12
波动方程
Ek E 0
输入阻抗
• 常用输入驻波比描述
2013-5-14
UESTC
35
天线参数—辐射方向图
• 极坐标方向图（指定坐标面） • 主瓣、副瓣、尾瓣 • 主瓣宽度、副瓣电平
2013-5-14 UESTC 36
辐射方向图 F(θ,φ)
• 在特定频率点上，天线的远区辐射场可以表示为
2013-5-14 UESTC 15
赫兹实验
• 实现无线传输：
• 信号源：火花放电器 • 辐射：天线 • 接收：天线
参见 IEEE MTT1986 年专刊
2013-5-14
UESTC
16
天线的功能
• 把闭合场转变为开放区域的辐射场。
• 参见“超宽带天线理论与技术”，p.48,是 1898年赫兹实验之后几年内所用天线。 • 科学发展的继承与创新。
• 19世纪，静电学的定量描述； • 1820年，奥斯特电流对磁针的作用；
2013-5-14
UESTC
9
电磁学简史（Electromagnetism History）
• 1831年法拉第(Faraday)用磁铁插入线圈产生电流， 1850年给出电磁感应定律；
• 1864年麦克思韦总结出Maxwell方程组，预言了电 磁波； • 1886-1889年赫兹（Hertz）实验验证了电磁波/火花 放电/UWB天线；
2013-5-14 UESTC 38
天线参数—天线方向性和增益
方向性D：
为了便于不同天线之间的比较，定义了天线
的方向性系数D。在同样距离和相同辐射功率条件
下，天线方向图上最大功率密度与全向天线（点源）
的辐射功率密度之比定义为天线方向性系数。
D
2013-5-14
Pmax E max Pomni E omni
2013-5-14 UESTC 17
天线与传输线
• 传输线（包括波导）起着从发射机到负载的能量
传输作用。
• 各种形式的天线都是由传输线（包括波导）演变
而来。
• 天线是一段特殊形式的传输线，起着从闭合场到
开放场转换的作用。
2013-5-14 UESTC 18
开路传输线演变为电偶极子天线
电场 电流 电荷
• 短路双线传输线
磁偶极子天线
末端张开
2013-5-14
UESTC
22
天线类型—角锥喇叭天线
• 开口矩形波导末端逐渐张开
角锥喇叭天线
2013-5-14 UESTC 23
天线类型—圆锥喇叭天线
• 开口圆波导末端逐渐张开
圆锥喇叭天线
2013-5-14 UESTC 24
天线类型—TEM喇叭天线
• 开路平行板传输线
e jkr E (r , , ) Kf ( , ) r
其中ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
f ( , )
为天线的方向性函数，用图形表示出来即天 线方向图。令方向性函数的最大值为1，画出
的天线方向图为归一化方向图。
2013-5-14 UESTC 37
不同形式的波束
• 定向的单波束或者多波束用于点对点通信 或者一点对多点通信； • 全向（在一个指定平面内有均匀辐射特性） 波束用于广播电视等场合； • 赋形主波束用于卫星通信和电视覆盖特定 区域的情况。
天线原理与设计
阮成礼 电子科技大学
2013-5-14 UESTC 1
参考文献
1. 阮成礼：超宽带天线理论与技术，哈尔滨工业大学出版社，
2005年（“十五”国防重点专著，获第二届全国出版物政
府奖提名奖），第一章至第六章，第九章； 2. W L Stutzing and G A Thiele：Antenna theory and design, 2nd edition。 3. IEEE Transactions on Antennas and Propagation
• 上课可以睡觉，可以早退，但不准讲话，因为讲
话要影响我的工作，影响别的同学学习；
2013-5-14 UESTC 4
学习方法
• 不希望是为了学分来上课。
• 可以提意见，如果大家不适应这种方法，也可以
退回到“灌输法”，只要大部分人同意。
• 提问请写字条（本人耳朵听力下降）。
• 欢迎同学们提问题。
2013-5-14
2 2
E E E 2 ( s ) sE 0 t t
2 2
• 预言了电磁波！
2013-5-14 UESTC 13
波动方程的解
• 分离变量法（十九世纪）
– 频域电磁波，正弦波。 • 变量代换法（1980年代）
– 时域电磁波，瞬态电磁脉冲。
2013-5-14
UESTC
2
39
天线参数—天线方向性和增益
• 增益G：
– 在同样距离和相同输入功率条件下，天线方向 图上最大功率密度与理想全向天线（效率为 100%）的辐射功率密度之比定义为天线增益。
Pmax D Pomni
2013-5-14
输入功率相同
E max Eomni
2
输入功率相同
UESTC
40
天线效率
TEM喇叭天线
2013-5-14 UESTC 25
天线类型—微带天线
• 一段微带传输线的不连续边缘
馈线
辐射贴片
介质基片
接地平面
2013-5-14
UESTC
26
天线类型—高增益天线
• 反射面天线，包括馈源和反射面
2013-5-14 UESTC 27
天线类型—高增益阵列天线
2013-5-14
UESTC
磁场
λ λ /2 0
• 开路传输线
2013-5-14 UESTC 19
开路传输线演变为电偶极子天线
• 演变为半波振子天线
2013-5-14 UESTC 20
天线类型—电偶极子天线
• 开路双线传输线 末端张开
电偶极子天线
点源-Hertz偶极子，半波振子
2013-5-14 UESTC 21
天线类型—磁偶极子天线
2013-5-14 UESTC 32
理想天线
• • • • • • •
2013-5-14
输入阻抗 方向图 天线增益 极化特性 频带宽度 体积、重量 应用环境
UESTC 33
天线参数—输入阻抗
• 和传输线一样，传输线有“特性阻抗”， 天线有“输入阻抗”：天线馈电端口的电 压电流之比。 • 影响天线有“输入阻抗”的因素很多… • 天线有“输入阻抗”：实部是辐射电阻， 虚部是输入电抗； • 与主传输线匹配：尽可能消除输入电抗， 使辐射电阻等于传输线“特性阻抗”。
2013-5-14 UESTC 44
2 x 2 1
2 ey
天线参数—频带宽度
• 天线总是在一定频率范围内工作，在该频 率范围内，一个或者一组选定的天线参数 的变化不超出可以接受的允许值。 • 天线有多种形式的带宽，方向图带宽﹑增 益带宽﹑输入阻抗带宽、极化带宽等。 • 用得较多的是天线输入阻抗带宽。 • 在超宽带天线研究领域，天线带宽始终是 一个重要参数。
天线参数—极化特性
发射天线辐射时，其最大辐射方向上，随 着时间电场矢量（端点）在空间描出的轨迹。
极化形式分为线极化，圆极化和椭圆极化
三种，线极化和圆极化是椭圆极化的特例。
圆极化又分为正交的左旋和右旋圆极化。
椭圆极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波。 两种正交极化的电磁场可以在相同频率上 传输不同的信息（极化复用）。
天线参数—应用环境
• 环境：温度、湿度、降雨、腐蚀性、尘埃、运动 速度、运动加速度、 • • • • 地面环境 海洋环境 机载弹载环境 星载环境
2013-5-14
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天线参数—体积、重量
• 1887-1983年电磁波的百年奇迹(见MTT,1986专辑)；
• 1983-2013年UWB 快速发展的三十年。
2013-5-14 UESTC 10
Maxwell方程
• 1831年法拉第（Faraday）观察到电磁感应 现象用磁铁插入线圈产生电流，1850年给 出电磁感应定律：变化的磁场产生电场； • 安培（Ampere）环路定律：电荷流动产生 磁场； Maxwell的位移电流； • 电场的散度是电荷； • 磁场的散度是零，无源场。
• 学会利用学习资源（大家知道有哪些学习 资源？），学会提问，学会交流。
2013-5-14 UESTC 3
学习方法
• 并不是按部就班的讲，有一些重点讲一讲，有些
要求同学们自己看； • 不要求死记硬背，主要是掌握正确学习方法； • 掌握研究学问的方法，将来用到某一点所讲的知 识可以重新研究的方法，有所创新就更好了；
4. 电子科技大学图书馆，电子资源, IEEE Xplore, key words:
Antennas ，electromagnetic radiation。 5. 其它有关天线的学术刊物。
2013-5-14 UESTC 2
学习方法
• 从小学到中学，到大学，每个学习阶段都 有不同的学习方法；
• 大学是走向社会，或者是进入更高阶段的 学习，从老师指导下学习到完全独立自主 学习的过渡阶段。
2013-5-14
UESTC
7
电磁学简史
–时间和事件:黄帝战蚩尤
（Electromagnetism History）
• 黄帝发明指南车（ 2699B.C.）
–指南车，有两种可能(尚未定论)：
• 一种是利用机械原理（齿轮）造指南车；
• 另一种是利用磁石造指南车。
–考古学和历史学研究表明，在2699B.C.年代，中国不可 能造出齿轮； –我们采用“利用磁石造指南车”说法，是一家之言； – 这是利用“磁石”的最早记载。
2013-5-14 UESTC 45
驻波比带宽
2013-5-14
UESTC
46
天线波束扫描
• 辐射方向图在空间中的运动情况，或者机 械扫描，或者电扫描，或者二者结合起来 实现波束扫描。 • 对于阵列天线，除了可以提高天线增益以 外，另一个优点是有可能实现波束电扫描。
2013-5-14
UESTC
47
UESTC
14
Helmholtz - 柏林奖
• Maxwell的思想太超前了，无人可以理解！ • 赫姆霍兹（ Helmholtz ）提出，建立“柏林 奖”，无论是证明，还是推翻Maxwell理论 都可以获得此项奖； • 他认为，只有他的得意弟子赫兹（Hertz） 有能力完成此项工作； • 1886~1889，赫兹用实验方法证明了Maxwell 理论是正确的。
2013-5-14 UESTC 42
椭圆极化波
y E2
τ ex γ
E1
x
α ey
e
椭圆极化波，电磁波沿+z方向传播
2013-5-14 UESTC 43
椭圆极化波
ˆ ˆ e xex ye y
ex E1 cos(t )
e y E2 cos(t )
e ex e y 2 2 cos sin 2 E1 E 2 E E2
2013-5-14 UESTC 8
电磁学简史
（Electromagnetism History）
• 475-221B.C.战国时期《韩非子。有度篇》记载“先 王立司南以端朝夕”；
• 585B.C.,希腊哲学家塞利斯发现磨檫生电，
• 东汉王充(27～约97A.D.) 在《论衡》中记载“顿牟 掇芥”；
• 天线辐射功率总是比输入到天线的功率小 一些，也就是说天线有损耗。天线效率定 义为 Pr Pr •
Pin Pr PL
• 其中 Pr , PL , Pin 分别是天线的辐射功率、损耗 功率和输入功率。 • 天线损耗包括导体损耗、介质损耗和加载 电路中的损耗。
2013-5-14 UESTC 41
28
天线类型—
• 频域天线：常规窄带天线
• 时域天线：超宽带天线，通常带宽大于 30%
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超宽带天线
V-锥天线
2013-5-14 UESTC 30
超宽带天线
双圆锥天线
2013-5-14 UESTC 31
超宽带天线
z
0 / 2
0 / 2
y x
非共面扇形天线
UESTC
5
从Maxwell方程说起
• 历史
• Maxwell方程
• Hertz第一次验证实验
• 天线与传输线 • 理想化天线
2013-5-14 UESTC 6
历史
• 为什么要研究历史？
– 从黄帝发明指南车（2699B.C。 ）到库伦定律 （ 1820A.D.) 之前大约4500年，属于感性知识 积累阶段； – 从库伦定律（1820年）到探测外太空时代（21 世纪），不足200年，属于科学发展阶段。
2013-5-14 UESTC 11
Maxwell方程组
B E t D H J t D
B 0
D Maxwell引入了位移电流，不仅是电流产 t 生磁场，变化的电场也可以产生磁场！
2013-5-14 UESTC 12
波动方程
Ek E 0