天线原理与设计2
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• 角形结构天线辐射的是TEM波。 • 角形结构的天线有双锥天线、V-锥天线、螺
旋天线、Bow-tie天线等。
2020/4/19
UESTC
14
角形结构天线
•
双圆锥天线
V-锥天线
2020/4/19
UESTC
ห้องสมุดไป่ตู้15
自补结构天线
• 互补天线就像照片的正负片一样，把金属换成介质（大
气），把介质换成金属就得到其互补结构，互补天线的输
UESTC
9
相对带宽-倍频程带宽
BW4
ln BW3 ln 2
• 倍频程带宽：BW4取值范围0≤BW4≤∞，倍频程带 宽BW4一般也是用在超宽带领域。
2020/4/19
UESTC
10
相对带宽-相对带宽之间的关系
定义
BW1
BW2
BW3
BW4
BW1 BW2 BW3 BW4
f
1
f0
f 2 f0
BW1/2
电磁波资源
频域电磁波资源 从HF～THz～到γ射线, 得到
充分开发了, 已经非常非常拥挤了!
时域电磁波资源
是尚待开发的电磁波资源!
2020/4/19
UESTC
4
频带宽度的定义
• 任何一个电子系统都占有一定的频谱资源，即一 定的频带宽度。频谱资源已经非常拥挤了。
–雷达 –通信 –电视
• 频带宽度的概念有两类：
入阻抗就为。
Z Z metal air
2
4
(120 )2
4
3600 2
• 自补结构：天线与其互补天线结构相同，称为自补
Z metal Z air 2 60
2020/4/19
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16
自补天线
V-锥天线
V-锥形槽天线
• 着色区域位金属，未着色区域为介质 • 张角为90度。
2020/4/19
Koch 分形天线
2020/4/19
Sierpinski分形天线
UESTC
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增大电流辐射面积
• 增大导电电流面积，用较厚较粗的金属材料。例 如，双锥天线是加粗了的对称振子天线，它的辐 射面积比一般的偶极子天线大得多，也比V-锥天 线的辐射面积大，所以它的辐射电阻比
• 偶极子天线小和V-锥天线大， V-锥天线输入电抗 比偶极子天线小。
7
相对带宽-百分比带宽
BW2
fh fh
fl fl
• 百分比带宽：BW2取值范围为0≤BW2≤1。这个定 义常用在超宽带领域。
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相对带宽-高低频之比带宽
BW3 f h / fl
• 高低频之比带宽：BW3取值范围1≤BW3≤∞，这个 定义也常用在超宽带领域。
2020/4/19
– 一类是绝对带宽，
– 另一类是相对带宽。
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绝对带宽
• fl为低端频率：即在f<fl范围内，系统传输的信号 能量小于总能量的1%；
• fh为高端频率：即在f<fh范围内，系统传输的信号 能量小于总能量的1%；
• f0为中心频率：f0=(fl+fh)/2，是高低端频率的算术 中值；
• fm fl fh 是几何中值。 • 绝对带宽： f fh fl
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相对带宽-分数带宽
BW1
fh fl f0
2
fh fl fh fl
• 分数带宽：在通信领域常用的相对带宽指 系统绝对带宽与中频之比。
• BW1取值范围为0≤BW1≤2。
2020/4/19
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33ns
1cm
mmw 30GHz
红外 33ps
10μm 可见光
30THz
33fs
10nm
波长
紫外光
频率
X射线
33as
周期
• 电磁频谱是一种有限的电磁波资源。 • 高端受量子理论和黑子辐射理论限制，有一个上限； • 电磁频谱的低端受天线辐射能力的限制，有一个下限。
2020/4/19
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3
电磁波资源
极化特性、相位中心、等等），保持在允许的范围内，可 以定义为天线带宽。 • 有很多类型得超宽带天线，它们在结构上有共同 性，这就是“超宽带天线原理”。
2020/4/19
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超宽带天线原理—角形结构天线
• 理论模型：
– 无限长、天线结构与径向坐标无关、从顶点馈电。 – 和无限长传输线一样，其输入阻抗与频率无关。
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双锥天线是加粗了的对称振子天线
2020/4/19
UESTC
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补偿与加载
• 根据天线的传输线模型，应用传输线方法 对天线进行补偿和加载。
• 各种偶极子形式的电小天线都有相似的特 性（利用Papas和King给出的有限长圆锥天线输入阻抗公式，导出
BW3
1 1.1053 1.6667
2， 4 8, 16, n,
∞
BW4
0 0.1444 0.737
1， 2 3, 4, ln(n)/ln2, ∞
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天线带宽
• 天线辐射能力与天线电长度和结构形式有关。 • 有限尺寸天线的频带宽度总是有限的。 • 在工作频段内,关心的天线参数（辐射方向图、输入阻抗、
2 BW 4 1 2 BW 4 1 2 BW4
1
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各相对带宽的取值比较
点频
窄带
倍频程
超宽带
BW1
0 10% 50%
2/3， 6/5 14/9, 30/17，2（n-1）/(n+1) 2
BW2
0 5%
25%
1/3， 3/5 7/9, 15/17，（n-1）/(n+1) 1
fh/ft
2 BW1
2 BW1
ln(fh/ft)/ln2 ln( 2 BW1 ) / ln 2 2 BW1
UWB：BW3≥2
2 BW2
1
1 BW2 1 BW
ln(1 BW2 ) / ln 2 1 BW2
2 BW3 1 BW3 1
BW3 1 BW3 1 1
ln(BW3)/ln2
2 BW 4 1 2 2 BW 4 1
UESTC
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自相似天线
• 自相似性：局部与整体相似（分形几何学）。 • 天线结构上具有自相似性（角形结构的双锥天线、v-锥天
线、对数周期天线、螺旋天线都有自相似性） 。 • 典型代表是分形天线。已利用分形几何改善天线
的辐射特性，提高辐射电阻，扩展天线带宽。
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自相似分形天线
天线原理与设计
阮成礼
电子科技大学
2020/4/19
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1
主要内容
• 开拓电磁波资源 • 频带宽度的定义 • 超宽带天线原理 • 天线的电磁理论基础 • 电小天线、Hertz偶极子 • 对称振子
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电磁波谱
10km
10m
LF HF UHF
30kHz 33μs
30MHz 微波
旋天线、Bow-tie天线等。
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角形结构天线
•
双圆锥天线
V-锥天线
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ห้องสมุดไป่ตู้15
自补结构天线
• 互补天线就像照片的正负片一样，把金属换成介质（大
气），把介质换成金属就得到其互补结构，互补天线的输
UESTC
9
相对带宽-倍频程带宽
BW4
ln BW3 ln 2
• 倍频程带宽：BW4取值范围0≤BW4≤∞，倍频程带 宽BW4一般也是用在超宽带领域。
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相对带宽-相对带宽之间的关系
定义
BW1
BW2
BW3
BW4
BW1 BW2 BW3 BW4
f
1
f0
f 2 f0
BW1/2
电磁波资源
频域电磁波资源 从HF～THz～到γ射线, 得到
充分开发了, 已经非常非常拥挤了!
时域电磁波资源
是尚待开发的电磁波资源!
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4
频带宽度的定义
• 任何一个电子系统都占有一定的频谱资源，即一 定的频带宽度。频谱资源已经非常拥挤了。
–雷达 –通信 –电视
• 频带宽度的概念有两类：
入阻抗就为。
Z Z metal air
2
4
(120 )2
4
3600 2
• 自补结构：天线与其互补天线结构相同，称为自补
Z metal Z air 2 60
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自补天线
V-锥天线
V-锥形槽天线
• 着色区域位金属，未着色区域为介质 • 张角为90度。
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Koch 分形天线
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Sierpinski分形天线
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增大电流辐射面积
• 增大导电电流面积，用较厚较粗的金属材料。例 如，双锥天线是加粗了的对称振子天线，它的辐 射面积比一般的偶极子天线大得多，也比V-锥天 线的辐射面积大，所以它的辐射电阻比
• 偶极子天线小和V-锥天线大， V-锥天线输入电抗 比偶极子天线小。
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相对带宽-百分比带宽
BW2
fh fh
fl fl
• 百分比带宽：BW2取值范围为0≤BW2≤1。这个定 义常用在超宽带领域。
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相对带宽-高低频之比带宽
BW3 f h / fl
• 高低频之比带宽：BW3取值范围1≤BW3≤∞，这个 定义也常用在超宽带领域。
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– 一类是绝对带宽，
– 另一类是相对带宽。
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5
绝对带宽
• fl为低端频率：即在f<fl范围内，系统传输的信号 能量小于总能量的1%；
• fh为高端频率：即在f<fh范围内，系统传输的信号 能量小于总能量的1%；
• f0为中心频率：f0=(fl+fh)/2，是高低端频率的算术 中值；
• fm fl fh 是几何中值。 • 绝对带宽： f fh fl
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相对带宽-分数带宽
BW1
fh fl f0
2
fh fl fh fl
• 分数带宽：在通信领域常用的相对带宽指 系统绝对带宽与中频之比。
• BW1取值范围为0≤BW1≤2。
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33ns
1cm
mmw 30GHz
红外 33ps
10μm 可见光
30THz
33fs
10nm
波长
紫外光
频率
X射线
33as
周期
• 电磁频谱是一种有限的电磁波资源。 • 高端受量子理论和黑子辐射理论限制，有一个上限； • 电磁频谱的低端受天线辐射能力的限制，有一个下限。
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电磁波资源
极化特性、相位中心、等等），保持在允许的范围内，可 以定义为天线带宽。 • 有很多类型得超宽带天线，它们在结构上有共同 性，这就是“超宽带天线原理”。
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超宽带天线原理—角形结构天线
• 理论模型：
– 无限长、天线结构与径向坐标无关、从顶点馈电。 – 和无限长传输线一样，其输入阻抗与频率无关。
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20
双锥天线是加粗了的对称振子天线
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21
补偿与加载
• 根据天线的传输线模型，应用传输线方法 对天线进行补偿和加载。
• 各种偶极子形式的电小天线都有相似的特 性（利用Papas和King给出的有限长圆锥天线输入阻抗公式，导出
BW3
1 1.1053 1.6667
2， 4 8, 16, n,
∞
BW4
0 0.1444 0.737
1， 2 3, 4, ln(n)/ln2, ∞
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天线带宽
• 天线辐射能力与天线电长度和结构形式有关。 • 有限尺寸天线的频带宽度总是有限的。 • 在工作频段内,关心的天线参数（辐射方向图、输入阻抗、
2 BW 4 1 2 BW 4 1 2 BW4
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各相对带宽的取值比较
点频
窄带
倍频程
超宽带
BW1
0 10% 50%
2/3， 6/5 14/9, 30/17，2（n-1）/(n+1) 2
BW2
0 5%
25%
1/3， 3/5 7/9, 15/17，（n-1）/(n+1) 1
fh/ft
2 BW1
2 BW1
ln(fh/ft)/ln2 ln( 2 BW1 ) / ln 2 2 BW1
UWB：BW3≥2
2 BW2
1
1 BW2 1 BW
ln(1 BW2 ) / ln 2 1 BW2
2 BW3 1 BW3 1
BW3 1 BW3 1 1
ln(BW3)/ln2
2 BW 4 1 2 2 BW 4 1
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自相似天线
• 自相似性：局部与整体相似（分形几何学）。 • 天线结构上具有自相似性（角形结构的双锥天线、v-锥天
线、对数周期天线、螺旋天线都有自相似性） 。 • 典型代表是分形天线。已利用分形几何改善天线
的辐射特性，提高辐射电阻，扩展天线带宽。
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自相似分形天线
天线原理与设计
阮成礼
电子科技大学
2020/4/19
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主要内容
• 开拓电磁波资源 • 频带宽度的定义 • 超宽带天线原理 • 天线的电磁理论基础 • 电小天线、Hertz偶极子 • 对称振子
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电磁波谱
10km
10m
LF HF UHF
30kHz 33μs
30MHz 微波