天线原理与设计5
天线原理与设计习题集解答_第567章
第五章 天线阵(5-1) 写出均匀直线式相控阵天线的方向性函数表达式？若阵元间距d=0.5l ，不出现栅瓣的最大扫描角m q 等于多少度？当希望波束在±45°范围内扫描时，各阵元间最大的馈电相位差为多少度？阵元间最大的馈电相位差为多少度？ 解：解： (1) 方向图函数为方向图函数为sin(/2)()sin(/2)N f y y y =，cos d y b q a =-(2)由公式由公式 1|cos |md lq <+得|cos |1m q <，00180m q <<(3) 由cos d y b q a =-＝0 得 0cos /2()127.26d rad a b q p ===(5-2) 有一均匀直线阵，设其间距d=0.65l 。
要求：①当为侧射时的主瓣宽度为o425.0=j ，确定单元数N ；②当波束指向偏离侧射方向25o时，确定相邻单元的馈电相位差a ；③若最大扫描角为偏离侧射方向±30o ，确定该阵列是否出现栅瓣； ④写出该阵列的归一化方向图函数。
解：(1) 当N 很大时，由主瓣宽度公式很大时，由主瓣宽度公式0.5251Llf =式中，L Nd = , 0.65d l =， 00.524f =得 21N =(2) 相邻单元的馈电相位差：相邻单元的馈电相位差：002cos 0.65sin 25 1.3sin 25m d pa b q l p l=××=××=(3) 最大扫描角为偏离侧射方向±30o ，060=m q0.65d l= ，10.6671c o s mq =+ 满足条件满足条件11c o s mdlq <+，所以，不出现栅瓣所以，不出现栅瓣(4) 阵列的归一化方向图函数为阵列的归一化方向图函数为sin()2()sin()2N F N y q y =， cos d y b q a =- (5-3) 某雷达的天线为6层、8行的同相水平天线，已知天线阵元为全波振子，阵元间距d=1.5m ，最低层离地面高度为2m 。
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 第五章天线阵
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，即 4π D = 2π = π 2 ( ) sin d ϕ F ψ θ d θ ∫ ∫
0 0
2
∫
π
0
F 2 (ψ32)
式中，
I = ∫ F 2 (θ ) sin θ dθ
主瓣宽度为 2ϕ 0.5 = θ1 − θ 2
λ
L
(5.22) (5.23)
λ
L
= arc cos(cos θ m − 0.443λ / L) − arc cos(cosθ m + 0.443λ / L)
当扫描波束很窄时可由如下方法导出简单表达式。 式(5.23)减(5.22)得：
(5.24)
cosθ 2 − cosθ1 = 0.886
ψ = β d (cosθ − cosθ m )
f max = N F (ψ ) =
sin( Nψ / 2) N sin(ψ / 2)
以上是第一章介绍过的内容。下面对均匀直线阵作进一步介绍。
1、可见区与非可见区、最大值方向、栅瓣及其抑制条件
(1)可见区与非可见区
从数学上看，阵因子 f (ψ ) 是在 −∞ < ψ < ∞ 范围内的周期函数，实际上 θ 的 变化范围为 0 ≤ θ ≤ π ，由ψ = β d cosθ − α 可得对应的实际范围为
(5.15)
2ϕ 0 = 2θ 01 = 2arc cos(1 +
若阵长 L = Nd >> λ ， cos θ 01 ≈ 1 −
2 θ 01
λ
Nd
)
(5.16)
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。
弹簧天线设计方法
弹簧天线设计方法弹簧天线是一种常见的无线通信天线，广泛应用于无线通信系统中。
它具有结构简单、易制造、频率可调节等优点，因此被广泛应用于手机、无线电、卫星通信等领域。
本文将介绍弹簧天线的设计方法，包括设计原理、材料选择、尺寸确定等方面。
一、设计原理弹簧天线的主要原理是利用弹簧的机械弹性和电磁感应相结合实现无线通信。
当弹簧被拉伸或压缩时，它会产生机械振动，这种振动会导致天线上的电荷分布发生变化，从而产生电磁波。
这些电磁波可以被接收器接收并解码成可识别的信息。
二、材料选择弹簧天线的材料选择对其性能有重要影响。
一般来说，弹簧天线的弹簧部分通常采用金属材料，如不锈钢、铜等。
这些材料具有良好的导电性能和机械强度，能够满足天线的工作要求。
三、尺寸确定弹簧天线的尺寸确定需要根据具体的频率要求进行计算。
一般来说，弹簧天线的长度与所工作的频率成正比。
根据频率公式，可以确定天线的长度。
此外，弹簧的直径和圈数也会影响天线的性能。
通常情况下，直径和圈数越大，天线的频率范围越宽。
四、设计步骤1. 确定通信频率：根据具体的应用需求，确定弹簧天线的通信频率范围。
2. 计算天线长度：根据所工作的频率，利用频率公式计算天线的长度。
3. 选择材料：根据天线的工作环境和要求，选择合适的金属材料作为弹簧的材料。
4. 确定直径和圈数：根据天线的频率范围和尺寸要求，确定弹簧的直径和圈数。
5. 制造天线：根据设计结果，制造弹簧天线并进行测试。
6. 调试和优化：根据测试结果，对天线进行调试和优化，以达到最佳的性能。
五、注意事项1. 天线的长度和直径要与所工作的频率匹配，以保证天线的工作效果。
2. 天线的材料选择要考虑其导电性能和机械强度，以确保天线的可靠性和稳定性。
3. 制造过程中要注意保持天线的形状和尺寸，避免引入不必要的误差。
4. 在进行调试和优化时，可以根据具体需求进行天线参数的微调，以获得更好的性能。
总结：弹簧天线的设计方法包括确定通信频率、计算天线尺寸、选择材料、制造天线和调试优化等步骤。
天线设计原理
天线设计原理
天线是无线通信系统中至关重要的组成部分，它的设计原理直接影响着通信系统的性能和稳定性。
本文将介绍天线设计的基本原理，包括天线的基本结构、工作原理和设计要点。
首先，天线的基本结构包括辐射器和馈电系统。
辐射器是天线的主体部分，它负责将电磁波转换为空间电磁波，并与外界空间进行能量交换。
馈电系统则是将无线电频率的能量传送到辐射器上，使其产生电磁波。
辐射器的形状和尺寸、馈电系统的设计方式都直接影响着天线的性能。
其次，天线的工作原理是基于电磁场的辐射和接收。
当天线被接收到电磁波时，其中的电磁场激发辐射器产生感应电流，从而产生感应电磁场。
这个过程是天线接收信号的基本原理。
而当天线被激发电流时，辐射器产生电磁场，从而将电磁波辐射到外界空间，这个过程是天线辐射信号的基本原理。
最后，天线的设计要点包括频率选择、辐射模式和阻抗匹配。
频率选择是指天线要适应的工作频段，不同的频段对天线的设计有不同的要求。
辐射模式是指天线在空间中的辐射特性，包括辐射方
向、辐射功率分布等。
阻抗匹配是指天线的输入阻抗要与馈电系统的输出阻抗匹配，以确保能量传输的有效性。
综上所述，天线的设计原理涉及到天线的结构、工作原理和设计要点。
了解这些原理对于设计和优化天线至关重要，只有深入理解天线的工作原理，才能设计出性能优良的天线产品，满足不同应用场景的需求。
希望本文能够帮助读者更好地理解天线设计的基本原理，并在实际应用中发挥更大的作用。
5g基站天线设计的原理
5g基站天线设计的原理
5G基站天线设计的原理主要包括以下几个方面：
1. 天线阵列设计：5G基站通常采用天线阵列来实现波束赋形
技术，通过将多个单天线组合在一起形成阵列，可以实现更加精确的信号传输和接收。
天线阵列可以采用线性阵列、面阵列或者体阵列的形式。
2. 波束赋形技术：波束赋形是5G通信中的关键技术之一，通
过调整天线阵列中各个天线的相位和幅度，使得发射信号集中在特定方向形成指向性波束，从而实现更高的传输速率和更远的通信距离。
3. 天线极化设计：根据信号传输特点和环境需求，天线的极化方式可以选择垂直极化、水平极化或者圆极化。
不同的极化方式对信号的传输和接收性能有不同的影响，在设计中需要考虑到实际应用环境和信号传输要求。
4. 多输入多输出（MIMO）技术：5G基站通常采用MIMO技
术来提高信号传输和接收的效果。
MIMO技术利用多个天线
进行信号传输和接收，通过改变不同天线之间的相位和幅度，可以实现空间上的多样性，提高信号的可靠性和容量。
5. 特殊天线设计：为了应对不同的通信需求和环境条件，还可以采用一些特殊的天线设计。
例如，室内基站可以采用小型化的天线设计，以适应有限的空间；车载基站可以采用车辆天线，以实现在移动状态下的稳定通信等。
综上所述，5G基站天线设计的原理主要包括天线阵列设计、波束赋形技术、天线极化设计、MIMO技术以及特殊天线设计等。
这些原理的应用可以提高5G通信的速率、距离和稳定性，以满足不同应用场景的需求。
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
天线设计的基本原理与最佳化方法
天线设计的基本原理与最佳化方法天线作为通信领域的重要组件，其设计和优化对通信系统的性能有着重要的影响。
天线的基本原理是通过辐射和捕获电磁波来实现无线通信的过程，而最佳化方法则是通过优化天线设计的各种参数来提高天线的性能。
本文将介绍天线设计的基本原理和最佳化方法。
一、天线设计的基本原理天线的基本原理是利用电流在物体上产生磁场，进而产生电磁波的辐射或收集。
其关键参数包括频率、增益、方向性和阻抗等。
在设计天线时，需要考虑这些参数对天线工作性能的影响。
1.1 频率天线的频率是指天线可以工作的频率范围，通常用工作频率的带宽表示。
对于点频天线，其频率范围很窄，只能在一个频率点上工作。
而对于带宽天线，其频率范围更宽，可以在一定的频段内工作。
1.2 增益天线增益是指天线在某个方向上相对于某一参考天线的辐射功率的增加量，也可理解为天线灵敏度的大小。
天线增益越高，其灵敏度越大，可以在更远的距离上传输信号。
1.3 方向性天线的方向性是指天线在不同方向上的辐射强度不同，通常用指向图表示。
具有较高方向性的天线能够将信号传输到较远的地方，因为其能够将较多的功率投射到所需的方向上。
1.4 阻抗天线的阻抗是指天线本身和连接到天线的输出电路之间的电阻抗匹配情况。
当天线与接收器之间的阻抗匹配良好时，可以获得更高的转移效率。
二、天线设计的最佳化方法2.1 参数化建模天线的设计通常需要考虑多个参数，并进行多次测试。
因此，参数化建模是一种有效的天线设计方法。
参数化建模还可以被应用于优化过程中，以极大地减少手动调整的工作量。
例如，通过将参数化模型与优化算法结合，可以找到最佳的天线结构。
2.2 反射系数优化天线的反射系数是指天线的输入端口处反射信号的大小。
如果反射系数太大，会造成能量的损失和电磁干扰。
因此，通过调整天线的结构和位置，可以优化天线反射系数。
2.3 抗辐射噪声优化天线在接收信号时容易受到周围环境的辐射噪声的干扰，因此，抗辐射噪声优化是提高天线性能的重要方面。
天线的原理与设计
天线的原理与设计天线是将电能（或者电磁波）转换为电磁场（或者电磁波）的装置，它在通信、雷达、无线电电视广播和无线电导航等领域起着重要作用。
天线设计的目的是通过合适的几何形状和材料选择，使其尽可能高效地辐射和接收电磁波。
天线的原理可以归纳为以下几个主要方面：1. 反射和辐射原理：天线将电能转换为电磁波的关键在于其几何形状。
几何形状不同，天线对电磁波的反射和辐射效果也不同。
一般来说，天线的形状需要与待处理信号的波长相匹配，以确保最佳的能量传输和辐射。
2. 功率匹配原理：设计天线需要考虑到待处理信号的功率，以及天线的能量传输效率。
天线设计需要合理选择天线尺寸、形状和材料，以确保尽可能高的信号接收和发射效率。
3. 波束方向性原理：天线的方向性是指其辐射或接收信号的方向性。
波束方向性天线的设计考虑到天线的几何形状、电流分布、波束宽度等因素，以使其增加信号的强度以及抑制不希望的信号干扰。
4. 阻抗匹配原理：阻抗匹配是天线设计中的关键要素之一。
天线的阻抗与发射或接收设备之间的阻抗必须匹配，以确保最大能量传输和最小信号损失。
通过使用匹配网络或其他技术，可以实现天线和设备之间的阻抗匹配。
天线的设计过程可以基于理论分析、模拟和实验来完成。
具体的设计步骤包括：1. 确定设计需求和参数：根据特定应用的需求，确定所需天线的频率范围、增益、方向性、极化方式等参数。
2. 选择适当的天线类型：根据设计需求，选择适合的天线类型，如喇叭天线、螺旋天线、微带天线等。
3. 进行理论分析和模拟：利用电磁场理论和仿真软件，对天线进行理论分析和模拟，确定天线的几何结构和材料。
4. 进行实验验证：通过制作样品天线并进行实验验证，评估天线的性能和参数是否符合设计要求。
如果需要，进行调整和优化。
5. 优化和改进：根据理论分析、模拟和实验结果，对天线进行优化和改进，以提高天线的性能和效果。
天线设计中需要考虑的其他因素还包括天线的制造成本、安装要求、环境适应性等。
天线的工作原理
天线的工作原理天线是用来接收或发送无线电波的设备，它的工作原理是基于电磁感应和辐射的原理。
在无线电通信中，天线起着重要的作用，它负责将传输的信号进行辐射和接收，从而实现无线通信。
首先，天线的工作原理涉及到电磁感应。
当一根导体处于变化的磁场中时，会在导体两端产生电势差，这个现象就是电磁感应。
天线中的导体就是这个感应的对象，当无线电波穿过天线时，天线内的导体会受到无线电波的作用而产生电势差。
其次，天线的工作原理还涉及到电磁辐射。
当电流通过导线时，会形成一个辐射场，这个辐射场就是由电磁波组成的。
天线的导体通过电磁感应产生的电势差会导致电流在导线上流动，从而形成电磁波的辐射场。
天线的工作原理可以通过以下几个方面进行详细分析：1. 天线的接收原理当无线电波通过空间传播到达天线时，它会产生感应电流。
感应电流在导体中形成一个电势差，这个电势差就是电磁信号的模拟。
当天线的长度、形状和导体材料等因素与无线电波的频率匹配时，天线可以提取出无线电波中所携带的信息。
这个感应电流通过调谐器等电路进行放大和解调，最终将信息传递给接收设备。
2. 天线的发射原理当通过调谐器等电路将信息发送到天线时，电流会在导体中形成一个变化的电场。
这个电场经过放大和调制后，会产生电磁波的辐射。
天线的形状和长度等参数会决定辐射的方向性和辐射场的形状。
这样，电磁波就会以无线电波的形式传输到周围空间，并可以被接收设备接收。
3. 天线的增益原理天线的增益是指天线相对于理想天线的辐射功率的比值。
理想天线是指能够将所有的电磁波辐射出去的天线，没有损耗和反射。
实际天线由于受到许多因素的限制，辐射功率会有损耗和反射，从而降低了增益。
为了提高天线的增益，我们可以通过选择合适的天线形状、长度和导体材料等参数，以及使用天线阵列和反射器等技术手段来优化天线的性能。
综上所述，天线的工作原理是基于电磁感应和辐射的原理。
天线通过电磁感应产生的电势差来接收无线电波，并通过电磁辐射将信息传输出去。
天线原理与设计—第五章行波天线和宽带天线
5.2 双锥天线
有限大的双锥的变形结构
5.3 非频变天线
• 非频变天线是指天线 的特性（方向图、阻
抗、极化和增益等）不随频率变化，因此 具有无限宽的带宽。
• 理想的非频变天线 是不存在的，实际中实
际把带宽大于10：1的天线 称为非频带天线， 即超宽带天线 。
5.3 非频变天线
Victor H. Rumsey于上个世纪50年代发展了非 频带天线的概念 设计思路：
5.3 非频变天线
5.3 非频变天线
5.3.5 对数周期振子天线
5.3 非频变天线
工作原理
1）当电磁波从短振子馈电入时，由 于短振子辐射的很小，电磁波主要是 通过双导线传输到辐射区，这一部分 可以看做是传输区。 2）电流到达辐射区后，接近半个波 长的振子辐射最大强，称为主振子， 在它后面较长的振子可以看做反射器， 称为反射振子，如果电磁波是直接通 过双导线馈入反射振子上，其上的电 3）主振子前较短的振子相当于引向器， 流相位势必滞后与主振子，但通过交 经过交叉馈电后，电流相位超前于主 叉馈电，使得反射振子的电流相位超 振子。可见辐射区的振子构成了引向 前于主振子，因而保证了天线阵的最 天线，最大辐射方向指向馈电端。 大的辐射方向朝向馈电端。
五、行波天线和宽带天线
5.1 行波天线
驻波天线
电流为驻波分布
驻波天线输入阻抗具有明显的谐振特性，通常工作频
带较窄
行波天线
天线上反射波不强，电流为行波分布 通常由导线末端接匹配负载来消除反射波 天线通常很长，大部分能量辐射，到达负载功率很小
5.1 行波天线
忽略沿线电流衰减（幅度恒定），行波天线上电流为
a)若天线的形状只有角度来决定 b)弱终端效应 c)自补结构
天线基本知识点总结
天线基本知识点总结引言天线作为无线通信系统中的重要组成部分，起着收发电磁波信号的重要作用。
它的性能直接影响到无线通信系统的传输质量和覆盖范围，因此对天线的基本知识进行深入了解对于理解和设计无线通信系统至关重要。
一、天线的基本概念1. 天线的定义天线是指用于传输和接收无线电波的设备，通常由一个或多个导体制成。
它可以将射频信号转换成电磁波，或者将电磁波转换成射频信号，是无线通信系统中不可或缺的组成部分。
2. 天线的主要功能天线主要功能是将射频信号转化为电磁波并进行辐射，或者将接收到的电磁波转化为射频信号。
其次，天线还具有指向性和增益调节的功能。
3. 天线的分类根据使用场景和结构特点，天线可以分为室内天线和室外天线；根据辐射方式，天线可以分为定向天线和非定向天线；根据频段，天线可以分为宽频天线和窄带天线。
二、天线的基本参数1. 天线的增益天线的增益是指天线在特定方向上辐射功率与参考天线（一般为同种条件下的理想点源天线）辐射功率之比。
增益值越大，天线的辐射方向性越强，传输距离越远。
2. 天线的方向特性天线的方向特性是指天线在空间中辐射电磁波的方向分布规律。
根据辐射特性，天线可以分为全向天线和定向天线。
全向天线在水平方向上的辐射方向性最小，而定向天线在特定方向上的辐射方向性最大。
3. 天线的频率特性天线的频率特性是指天线在不同频率下的辐射特性和阻抗匹配情况。
由于不同频率下的波长不同，因此同一天线在不同频段下的辐射特性和阻抗情况会有所不同，需要进行频率特性的设计和匹配。
4. 天线的阻抗天线的阻抗是指天线在工作频率下的输入阻抗。
天线的阻抗匹配对于信号的传输和接收至关重要，需要根据工作频率进行设计和调整。
阻抗匹配不佳会导致信号的反射和损耗，影响通信质量。
5. 天线的带宽天线的带宽是指天线在一定范围内能够正常工作的频率范围。
天线的带宽需要根据具体应用场景来选择，以保证在不同频率下的正常工作和性能表现。
三、天线的设计原理1. 天线的辐射原理天线的辐射原理是天线将射频信号转换成电磁波并进行辐射的物理过程。
等离子体天线原理与设计
等离子体天线原理与设计
一、等离子体天线原理
等离子体天线是一种利用等离子体产生辐射的天线。
等离子体是一种由电离气体中的自由电子和离子组成的状态，具有导电性和辐射性。
当等离子体中的电子和离子受到电磁波的激励时，它们会发生共振，形成等离子体振荡，从而产生电磁辐射。
等离子体天线就是利用这种原理来产生电磁波。
二、等离子体天线的设计
等离子体天线的设计需要考虑以下几个方面：
1. 等离子体产生：等离子体天线需要在气体中产生等离子体，常用的气体有氦、氖、氩等。
产生等离子体的方法包括放电、激光等。
2. 等离子体的尺寸和形状：等离子体天线的辐射特性与等离子体的尺寸和形状有关。
一般来说，等离子体的长度应该是波长的1/4到1/2，形状可以是柱形、球形等。
3. 激励方式：等离子体天线的激励方式包括外部激励和自激励。
外部激励是指通过外部电源将电磁波输入到等离子体中，自激励是指等离子体自身产生振荡。
4. 辐射方向和极化：等离子体天线的辐射方向和极化可以通过改变等离子体的形状和激励方式来实现。
5. 频率范围：等离子体天线的频率范围取决于等离子体的性质和尺寸，一般来说可以覆盖从几千赫兹到几百兆赫兹的频率范围。
总之，等离子体天线的设计需要考虑等离子体的产生、尺寸和形状、激励方式、辐射方向和极化以及频率范围等因素。
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
天线设计原理
天线设计原理
天线设计原理是无线通信系统中非常重要的组成部分。
它的主要目的是将电磁能量转换为无线电波，并且能够高效地辐射出去或接收来自外部的无线电波。
天线的设计原理基于电磁学理论，其中最基本的原理是安培环路定理和法拉第电磁感应定律。
安培环路定理指出，通过闭合导线的总电流等于穿过该闭合导线的磁场总通量的变化率。
而法拉第电磁感应定律则表明，当导体中的磁通量发生变化时，会在导体两端产生感应电动势。
根据这些原理，天线的设计首先要选择合适的材料和结构，以实现高效的无线信号辐射或接收。
常见的天线材料包括金属和介质，其选择取决于天线的工作频率和应用环境。
例如，金属天线适用于高频段的工作，而介质天线适用于低频段的工作。
天线的结构也多种多样，常见的有全向天线、定向天线和半定向天线等。
全向天线能够均匀地辐射信号到周围的各个方向，适用于无线通信中的广播和接收。
定向天线则可以将信号主要辐射到特定的方向，适用于点对点通信或者长距离通信。
半定向天线则介于全向天线和定向天线之间，既能实现宽带辐射，又能够在一定范围内集中辐射信号。
此外，天线的大小和形状也会对其性能产生影响。
较大的天线能够实现更高的增益和辐射效率，但同时也会增加系统的复杂性和成本。
因此，天线设计师需要在性能、成本和空间限制之间进行权衡。
总之，天线设计原理是基于电磁学理论的，通过选择合适的材料、结构和形状，实现高效的无线信号辐射或接收。
这些原理为天线优化设计提供了理论基础，确保了无线通信系统的可靠性和性能。
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3
Hertz偶极子
• Hertz偶极子：理想化电流元
– 长度远远小于波长 – 直径趋近于零，电流丝 – 均匀电流分布 – 从中心馈电
z
R
r
z I
x
2020/4/11
UESTC
p y
4
Hertz偶极子
E(r, , ) Kf ( , ) e jkr
r
E ˆ( jIz ) exp( jkr) sin
天线原理与设计
阮成礼
电子科技大学
2020/4/11
UESTC
1
• 习题讲解
主要内容
• 椭圆V-锥天线
2020/4/11
UESTC
2
习 题-Hertz偶极子
• 与Hertz偶极子比较，讨论对称振子的方向 图与Hertz偶极子方向图有何不同？
• 重点理解：
–电流分布不同将形成不同的方向图。
2020/4/11
• 对称结构椭圆V-锥天线，其辐射臂位于椭圆任意对称位置。
金属辐射臂仅仅是角坐标(θ,φ) 的函数，而与径向坐标r
无关。 • 两金属辐射臂分别位于
– (a) 方位 和0 (π- )处，0 两金属辐射臂以yz坐标面为对称； – (b) 方位 和0 – 处,0以xz坐标面为对称； – (c) 方位 和0(π+ )处,0以 z轴为对称。
• 通过加载方式改善其输入阻抗特性。
2020/4/11
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20
电容耦合双折合Bowtie天线
G(0,0) (dB)
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
new antenna
bowtie
-12
dual folded bowite
-14
-16 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
35
映射
dx
K(k) F( ,k)
0 1 k 2 cos2 x
2
dx
F(, k)
0 1 k 2 sin 2 x
其中F(, k) 是Jacobi 椭圆函数，K (k ) 是完全椭圆积分，
k 是模数。经过式(3.83)的变换之后，式(3.82)变为
2
f ( , 2
)
2
f ( , 2
)
0
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46
比较
• 第一步
z1 x1 jy1 exp( j)
tan
2
• 第二步
z2
x2
jy2
ln
z1 0
• 第三步
z3 x3 jy3 sin( jz2 )
4
r
标准表达式
f , sin
2020/4/11
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5
Hertz偶极子
E-面方向图 zθ
sinθ 90º
H-面方向图 y
φ x
E-面方向图和H-面方向图是主平面方向图。 Hertz电偶极子的E-面方向图是一个双圆环， H-面方向图是一个圆，称H-面方向图是全向的。
2020/4/11
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b
1
sin[
2K
F
( 0
1, k)]
d
sin[
2K
F (0
1
,
k
)]
sin[
2K
F (0
1, k)]
K K(k) 是第一类Legendre完全椭圆积分。
2020/4/11
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42
分式线性变换
Z3
Z2
• 把平面上非对称共面波 导结构映射为平面上对 称共面波导结构，
, ,
是常数。
Zc
1 vC
2020/4/11
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45
EVA1的输入阻抗
椭圆V-锥天线(EVA1)的输入阻抗为
Z c1
60
K (kb ) K (kb )
与频率无关的纯电阻性参数，与辐射臂位置 1
辐射臂半张角 0 有关；而与椭圆参数 x
的关系是由模数 k cos y cos x 体现出来。
2020/4/11
这是一个 (, ) 平面上的Laplace 方程。
2020/4/11
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36
映射
当 0 ，有 K(k) F( 2 0, k) 常数
常数的圆锥面映射为一组平面，即 平面上的一组
常数 的直线。
0
0
0
dx 1 k2 sin2
x
F (0, k)
1
1
0
dx 1 k2 sin2
g0 r k 2 sin 2 k2 cos2
h
g2
/
g
2 0
h g2 / g02
2020/4/11
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34
二维波方程
• 辐射电磁场都是球面波形式 f ( ,) exp( jkr) r
方程简化为
[g
(g
)
g
(g
)] f
( ,)
0
做坐标变换（积分变换）
2020/4/11
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2
b
d
1 (sin sin1)(sin sin2 )
2020/4/11
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0
24
非对称圆V-锥天线
Z0
Zc
b a
sin
0
f (a,b,0)
f (1,2,0 )
与频率无关
仅仅与角坐标 , 有关
0 增大，天线辐射片之间的距离增加 ，天线输入阻
抗增大。
2020/4/11
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25
椭圆V-锥天线
– 新原理天线； – 采用参差调谐的概念来展宽频带； – 采用电振子和磁振子互补的概念来扩展频带； – 加大阻尼，用牺牲效率的办法来换取一定频带
的工作带宽。
2020/4/11
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10
电小天线的宽带技术
• 新原理天线：
– 创新是扩展天线带宽的最重要、最有用的技术 手段；
– 天线是从传输线演变而来，带有传输线的固有 特性；
– V-锥天线等新型天线是最好的电小天线。
2020/4/11
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11
电小天线的宽带技术
• 采用参差调谐的概念来展宽频带：
– 利用电路原理扩展天线频带宽度； – 谐振回路数有限（3~5个）； – 在微带天线上有很好的应用成果。
2020/4/11
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12
电小天线的宽带技术
• 采用电振子和磁振子互补的概念来扩展频带： – 电小天线有电容性和电感性两类，天然具有互补 特性； – 几何结构上互补的天线，电特性上也有互补特性； – 电小天线的输入电抗变化陡峭，互补作用有限。
x , y arccos(k cos )
k cos y c os x
y
2
,k
0
y x,k 1
平面结构 变为圆V-锥天线
2020/4/11
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33
Helmholtz方程
在球锥坐标系中Helmholtz方程的形式为
1 r2
r
r 2
r
k 02
1 h
g
1 h
g
பைடு நூலகம்
0
g 1 k 2 cos2 g 1 k2 sin 2
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8
2l
2
对称振子
H ˆ
jk
Az sin
f (z', )
Az I (z) exp( jkzcos )dz
2l
2l 1.25
2l 1.5
2l 2
E-面方向图
2020/4/11
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9
习题-电小天线的宽带技术
• 无论是电小偶极子天线还是电小环天线其带宽都是非常窄
的。要增加电小天线的带宽，可以从以下几 方面考虑
2020/4/11
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43
许瓦茨变换
共面波导变为平行板传输线，没有边缘效应。
2020/4/11
UESTC
44
平行板传输线单位长度电容
• 平行板传输线单位长度电容C
C
2 0
K (kb ) K (kb )
k
2 b
kb'2
1
k b
1
2 S
(1
1 S)
S (a b d)d ab
根据克林公式
机载马刀式天线是单极子天线，其输入阻抗是偶极子天线的一半，即50欧 姆，这仅仅是其理论值。
与扇形单极子天线相比，两边分别被削去了一部分，天线的长度也不是无 限长，从而产生反射，输入阻抗将不是纯电阻，反射引入了输入电抗。
可以通过加载方式改善其输入阻抗特性。
2020/4/11
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19
V-锥天线的应用
2020/4/11
UESTC
28
球锥坐标系
x r sin cos
y r 1 k 2 cos2 sin
z r cos 1 k2 sin2
0 k k 1 k2 k2 1
0 0 2
2020/4/11
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球锥坐标系
x
x 常数
z
y
球锥坐标系的坐标面是 常数 所表示的一组以z轴为对称的
6
(c)
对称振子
J z (r) I (z) (x) ( y)
Az
4
I
(z)
exp( R
jkR)dz
比较Hertz偶极子
2020/4/11
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7
对称振子