天线原理与设计2
天线工作原理
天线工作原理天线是无线通信系统中不可或缺的设备，它起到接收和发送无线信号的作用。
本文将详细介绍天线的工作原理及其相关知识。
一、天线的基本概念天线是将电信号转化为电磁波或将电磁波转化为电信号的设备。
它一般由导电材料制成，如金属，并根据特定的原理进行设计和调整。
天线可以分为接收天线和发射天线两种类型。
二、天线的工作原理天线的工作原理基于电磁波的发射和接收。
下面将分别介绍接收天线和发射天线的工作原理。
1. 接收天线的工作原理接收天线通过接收电磁波将其转化为电信号。
当电磁波经过天线时，它会激发天线中的电荷，产生电流。
这个电流会经过连接到天线的电路，从而实现信号的解调和放大。
最终，这个电信号可以被传递到无线接收器，用于进行进一步的处理和解码。
2. 发射天线的工作原理发射天线将电信号转化为电磁波，以便进行无线传输。
当电信号通过连接到天线的电路时，它会产生交变电流。
这个交变电流会导致天线上的电荷也发生交变，从而产生电磁波。
这些电磁波会在空间中传播，并被接收天线接收到。
同样地，接收天线会将电磁波转化为电信号，以进行进一步的处理和解码。
三、天线的优化设计为了提高天线的工作性能，可以进行一些优化设计。
下面列举一些常见的优化设计方法。
1. 天线长度调整：天线的长度对于接收和发射的频率有直接影响。
通过调整天线的长度，可以使其与所传输的频率匹配，从而提高效率。
2. 天线形状设计：天线的形状对于天线的辐射模式有重要影响。
通过设计合适的天线形状，可以实现不同方向的辐射或接收，以满足具体的通信需求。
3. 天线材料选择：天线的材料对于信号的传输和接收也有一定影响。
根据需要选择导电性能好、损耗小的材料，以提高天线的性能。
四、天线在无线通信中的应用天线广泛应用于各种无线通信系统中，包括移动通信、卫星通信、无线局域网等。
下面列举几个常见的应用场景。
1. 移动通信：天线用于手机、基站等设备中，将电信号转化为电磁波进行传输，以实现无线通信。
天线原理与设计3.2.2 T形天线、 Γ形天线及斜天线
图 3-2-18 h较低，l较长时Γ形天线水平平面方向图
(3) 当水平臂长l较长而h较低时，水平臂受其地面负镜像 的影响而对高空辐射弱，天线仍然沿地面方向辐射最强，但 与鞭状天线不同之处在于这种Γ 的方向性。其水平平面方向图如图3-2-18所示，垂直平面方 向图如图3-2-17(d)
且一般使l≥h，尽量让h高些。超长波T形天线的电高度 h/λ一般都小于0.15。T形天线电流分布如图3-2-11所示，直立 部分电流分布比较均匀，但水平部分两臂的电流方向则相反。
T形天线结构简单，架设也不困难，其高度h可以比普通 的鞭状天线高。为了提高T形天线的效率，其水平部分可用 多根平行导线构成，如图3-2-12所示，也可以附设地网来减
由于Ez与水平臂有一夹角，水平臂感应电动势将减小。故这 种Γ形天线在水平平面有一定的方向性，在使用时应注意。
若水平臂很短，其感应电动势很小，对水平平面方向性
图 3-2-10 T形天线
图3-2-11 T形天线的电流分布
图 3-2-12 宽T形天线
2. 把直立软天线倾斜架设就成为斜天线，如图3-2-13所示， 这种天线架设比较方便，把单导线一端挂在树木或其它较高
由于地面波传播中有波前倾斜现象(参考9.2节)，因而在 水平平面内具有微弱的方向性， 如图3-2-14(a)所示。在垂直 平面内的30°～60°方向上有较明显的方向性，如图3-214(b)
3.2.2 T形天线、 Γ形天线及斜天线
T形天线、Γ形天线是超长波天线的基本形式。 1. T形天线 T形天线结构如图3-2-10所示，它由水平部分(称为顶容 线)、 下引线和接地线组成，由图可知，T形天线类似于加辐 射叶的鞭状天线，只是其顶部的辐射叶较长罢了。T形天线
天线原理与设计(王建)2PDF版
■电场与磁场分量的比值等于媒质中的波阻抗。 Eθ = η0 Hϕ
(1.11)
■适当建立坐标系，使基本振子轴与z轴重合，则其辐射 场只与θ角有关，与φ角无关。辐射场是旋转对称的。
1.1.3 元天线的辐射方向图
重写式(1.9)中的Eθ分量为
Idz − jβ r Eθ = jη0 e F (θ ) 2λ r
1 1 * * ˆ≠0 Wav = Re[E × H ] = Re[ Eθ Hϕ ]r 2 2
(1.8)
这表明在中场区中有径向方向的向外辐射现象。
●远场区(βr>>1) 该场区中的电磁场分量式(1.4)中只需保留1/r的那一项 即可，其它的项均可忽略不计。则远场区中只有Eθ和Hφ 分量，Er分量忽略不计。因此，基本振子的远区电磁场为
此式条件对口径天线也适用，不论是喇叭天线、反射 面天线还是平面阵列天线等，如果其最大口径尺寸为D， 则其远场区条件应满足
r ≥ 2D / λ
2
(1.26)
以上分析说明，只要观察点处于远场区，则其相位因 子中的R可由式(1.22)表示，而式(1.18)被积函数分母上的 R可用R≈r来近似。这种简化称为远场近似，即 对相位 ⎧ R ≃ r − z ′ cos θ (1.27) ⎨ 对幅度 ⎩R ≃ r 取R≈r-z'cosθ，表示由天线上某源点到远区场点的径向 矢量与由坐标原点到场点的径向矢量平行，如前面图(b) 所示。而r-R≈z´cosθ为两条射线的距离差，称为波程差。
■由定义，yz面为E面 (E面方向图有无穷多个)； xz面为H面。 ■与理想点源天线不同，元天线是有方向性的。
1.1.4 元天线的的Rr、D和Se
由元天线的远区辐射场表示式 (1.9)及辐射功率表示式 (0.6)，可得基本振子的辐射功率为
天线设计的原理与实现方式
天线设计的原理与实现方式天线是电磁波收发的关键部件，是无线通信中不可或缺的重要元件，不同的天线设计可以实现不同的工作频率、增益、方向性、天线匹配等性能。
本文将介绍天线设计的原理和实现方式，帮助读者更好地理解天线的工作原理和参数设计。
一、天线设计的基本原理天线是将电磁波转换为电信号或反之的电器（电磁设备），它是无线通信系统中的关键部件之一。
天线设计基本原理包括天线性能指标和天线结构设计两部分。
1、天线性能指标天线的性能指标主要包括工作频率、增益、方向性、天线匹配等。
不同的天线类型和应用场景需要不同的性能指标来实现特定的功能。
（1）工作频率工作频率是指天线在工作中所应用的频率范围，通常为频段或中心频率等。
天线的设计要根据应用环境和所需要的信号频率来确定。
（2）增益增益是指天线辐射的功率与理想点源天线辐射的功率的比值，通常以dB为单位。
天线的增益与其结构形式、工作频率、方向性等有关。
（3）方向性方向性是天线传输能量的方向特性，是指天线辐射模式的立体角分布。
天线的方向性与其结构形式、工作频率、增益等有关。
（4）天线匹配天线匹配是指天线系统整体与其驱动器之间阻抗匹配的关系，使得天线系统的传输和接收线路具有最佳阻抗匹配状态，以提高天线的输出功率和信噪比。
2、天线结构设计天线结构设计是指天线的实现方式，包括天线结构形式、阻抗匹配方式、辐射元件、天线材料等方面。
（1）天线结构形式天线结构形式可以分为线性天线、环形天线、阵列天线、反射天线、补偿天线、微带天线、偏振天线等多种形式，每种天线形式都有其特点，应根据具体要求来选择天线结构形式。
（2）阻抗匹配方式阻抗匹配方式主要有天线冷端阻抗、贴片阻抗、隔离光缆、转换器和偶合电路等多种方法。
（3）辐射元件天线的辐射元件包括天线辐射体、驱动器和辅助元件等。
辐射体和驱动器是天线最基本的组成部分，辅助元件包括反射盘、支撑杆、防射线等。
（4）天线材料天线材料主要包括导体、绝缘材料、衬底材料等。
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系统的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。
本文将对天线的原理和设计进行详细的介绍，希望能够帮助读者更好地理解和应用天线技术。
首先，天线的原理是基于电磁波的辐射和接收。
在无线通信系统中，发射天线将射频信号转换成电磁波进行传输，而接收天线则将接收到的电磁波转换成射频信号进行解调。
因此，天线的设计需要考虑到频段、增益、方向性、极化等因素，以实现最佳的通信性能。
其次，天线的设计需要根据具体的应用场景和需求来进行。
不同的应用场景需要不同类型的天线，比如室内分布式系统需要采用室内覆盖天线，而室外覆盖系统则需要采用室外定向天线。
此外，天线的设计还需要考虑到信号的覆盖范围、干扰抑制、多径效应等因素，以确保通信系统的稳定性和可靠性。
在天线设计中，还需要考虑到天线的匹配和阻抗匹配问题。
天线的输入阻抗与信号源或接收机的输出阻抗需要匹配，以确保最大的信号传输效率。
因此，天线设计中需要考虑到天线的阻抗特性和匹配网络的设计，以实现最佳的匹配效果。
此外，天线的材料和结构也对其性能产生重要影响。
天线的材料选择和结构设计需要考虑到频段、环境适应性、制造成本等因素，以实现最佳的性能和成本效益。
综上所述，天线的原理和设计涉及到电磁波辐射和接收、应用场景和需求、匹配和阻抗匹配、材料和结构等多个方面。
在实际应用中，需要综合考虑这些因素，进行合理的天线设计，以实现最佳的通信性能和覆盖范围。
希望本文能够对天线的原理和设计有所帮助，也希望读者能够在实际应用中充分理解和应用天线技术，为无线通信系统的性能和覆盖范围提供有效的支持。
天线原理与设计
H 面
H面 E面
表0-1 上图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
■ 七元八木天线的H面方向图
返回
(a) 极坐标幅度方向图
(b) 直角坐标幅度方向图
(a) 极坐标分贝方向图
(b) 直角坐标分贝方向图
图中是以八木天线的H面归一化方向图函数
FH(φ)＝F(θ,φ)|θ=90 计算并绘制的。
五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现后，人类进入了宇宙空 间时代，航空航天技术的发展对天线的研究又提出了许多新的课题， 这时要求解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速扫描和精密跟踪 等问题。
六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这个时期在天线理论方法方面以及各 项技术的应用方面都在突飞猛进的发展。
(1)在天线理论方法方面
的函数图形。大多情况下，天线方向图是在远场 区确定的，所以又叫做远场方向图。
天线辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位 和极化。因此，天线方向图又分为：
■场强方向图 ■功率方向图 ■相位方向图 ■极化方向图
●天线方向图形式
二维方向图
三维方向图
极坐标方向图 直角坐标方向图 球坐标方向图 直角坐标方向图
(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。
到了80年代，由于电子计算机和超大规模集 成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相 器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束 形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及 智能化理论和技术的不断发展，使得80年代成为 国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制 了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国 也不例外，到1993年，我国的相控阵雷达不仅在 军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经 从军用扩展到了民用。
天线的原理与设计
天线的原理与设计天线可以说是现代无线通讯不可或缺的组成部分，从电视、广播到无线通讯、卫星通讯，各种无线通讯设备都需要天线才能传输信号。
那么天线的工作原理是什么？如何设计一款好的天线呢？本文将从理论和实践两个方面阐述天线的原理与设计。
天线的原理天线是一种电子设备，它能将电磁波进行有效放射和接收。
天线的结构一般由导体和绝缘体两部分组成，导体是天线的主体，而绝缘体则用于支撑和隔离导体。
当电磁波经过导体时，电场和磁场会被导体反射、吸收或透过。
导体的形状和大小会对电场和磁场的反射、吸收和透过产生影响，因此导体形状和大小的变化会对天线的性能产生影响。
在理论上，天线的控制方程式为弱形式的麦克斯韦方程式，它描述了电磁波在真空和介质中的传播规律。
麦克斯韦方程式包括电场和磁场的方程式，其中电场方程式描述了电荷和电荷分布产生的电场规律，磁场方程式描述了电流和电流分布产生的磁场规律。
通过这些方程式，我们可以计算天线的电场和磁场分量，从而推导出天线的电磁特性。
天线的设计天线的设计是一个复杂的过程，需要考虑众多的因素，包括频率、辐射模式、天线天线天线输入阻抗等。
不同的应用场景需要不同的天线，因此在设计天线时需要先明确天线的具体使用场景。
一般来说，天线设计的过程可以分为三个步骤：第一步是确定天线类型。
常用的天线类型包括单天线、贴片天线、微带天线和功率天线等。
不同的天线类型适用于不同的场景，选择合适的天线类型可以提高天线传输效率。
第二步是确定天线形状和大小。
天线的形状和大小直接影响天线的传输性能。
在确定天线形状和大小时，一般需要考虑天线频率、传输距离以及功率损耗等因素。
第三步是确定天线输入阻抗。
输入阻抗是天线传输的基础，它的大小和匹配直接影响天线的传输效率。
在设计天线时，一般需要先预估天线输入阻抗，然后通过调整天线长度、形状和结构等参数来匹配输入阻抗。
总结天线是无线通讯的核心部分，其工作原理和设计需要深入掌握。
天线的原理可以通过麦克斯韦方程式来推导，而天线的设计需要考虑众多因素，包括天线类型、天线形状和大小以及天线输入阻抗等。
天线原理与设计作业答案第二章
（2）E，H面方向图 Z11 73.1 j 42.5() （3）半波振子自辐射阻抗为： Zr1 Z11 Z12 单元1的辐射阻抗： Zr 2 Z22 Z21 单元2的辐射阻抗： 因 Z11 Z22 , Z21 Z12 故 Zr1 =Zr 2
互阻抗可查表 ( H / 0.5, l / 0) 得：
解得
Zr1 50.7 j9.15()
同理可解的
Zr 2 , Zr 3 , Zr 4
经计算总辐射阻抗的实部 R Rr1 Rr 2 Rr 3 Rr 4 342.4
故方向性系数为：
2 120 f max（ ，） 120 42 D 5.6 R 342.4
全波振子的增益为：
G a D 0.5 2.4 1.2
G(dB) 10lg G 0.79dB
当
3
f (， )= 时，
2 3
，此时方向性系数为：
2 120 f（ ，） D 0.8 Rr
2.解：（1）将全波振子看成两个半波振子组成的二元阵 半波振子天线方向图函数为：
Z12 26.4 j 20.2()
故：总辐射阻抗为：
Z 2Zr1 199 j125.4()
方向性系数为：
2 120 fmax（ ，） 120 22 D 2.412 R 199
3.解：对称振子的平均特性阻抗为：
Z 0' 120[ln( 2l
) 1] 120[ln 40 1] 322.67()
Z13 12.5 j 29.9() Z14 22.45 j6.6()
cos( cos ) sin( sin ) 2 fT ( , ) f1 ( , ) f 2 ( , ) sin sin( sin ) 4 4
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2020/4/19
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13
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。
Koch 分形天线
2020/4/19
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。
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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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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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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电磁波资源
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
• 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。
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角形结构天线
•
双圆锥天线
V-锥天线
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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
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、
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
• 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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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
– 一类是绝对带宽，
– 另一类是相对带宽。
2020/4/19
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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；
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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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双锥天线是加粗了的对称振子天线
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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
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相对带宽-倍频程带宽
BW4
ln BW3 ln 2
ห้องสมุดไป่ตู้
• 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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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
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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。
2020/4/19
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自相似分形天线
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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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：