天线理论第6章
天线理论基础
环测威官网：/接收天线以无线电，电视或无线电话信号的形式捕获电磁辐射。
在距接收天线一定距离处- 例如无线电台或电视台- 原始声音和/或图像被转换成电信号并通过发射天线发出。
这与接收天线相反，尽管两者可能看起来相同。
根据您发送或接收的信号频率以及发射和接收天线的方向，高度和功率等因素，需要调整天线的尺寸，形状和设计以获得最佳性能。
对于这种现象的简单示例，可以考虑典型AM / FM 无线电使用的两种不同天线。
对于88至108 MHz频率范围内的FM广播接收，大多数无线电都配备了一个外部安装的伸缩杆天线，可以旋转以最好地捕获FM电台。
然而，用于在540kHz至1.705MHz频率范围内进行AM广播接收的天线通常是位于内部的铁氧体棒，其上缠绕有细线。
基本思想是天线的设计受其意图接收的信号的影响。
环测威官网：/常见的天线理论为了更好地理解天线设计，了解以下常见的天线属性和理论是有帮助的。
∙方向性：天线设计中需要考虑的基本属性是天线的方向性- 或测量其辐射方向的指向。
理论上，全向天线具有零方向性，而发送或接收在一个方向上聚焦的信号的天线将具有更高的方向性。
∙通常，像偶极天线这样的较小的电天线具有较低的方向性。
对于具有高方向性的天线，可以考虑那些尺寸为几个波长的天线，如卫星或喇叭天线。
∙3DBF：三维波束成形- 或3DBF - 是一种在发送或接收信号时考虑仰角和方位角以确保最佳到达角度的方法。
在动态3DBF中，广播信号天线自动倾斜到预期用户的位置。
∙天线增益：天线增益表示天线在假设相同情况下与理想天线相比在特定方向上发送或接收的信号强度。
对于您知道信号始发方向的电视天线，您需要一个高增益天线。
但是，对于可以连接到任意数量卫星的移动GPS天线，您需要一个增益相对较低的天线。
北大天线理论课件：第六章 微带天线
第六章缝隙天线与微带天线§6.1 缝隙天线缝隙天线：开在波导或谐振腔上缝隙，用以辐射或接收电磁波。
6.1.1 理想缝隙天线理想缝隙天线：开在无限大、无限薄的理想导体平面上的直线缝隙，用同轴传输线激励。
For personal use only in study and research; not for commercial useFor personal use only in study and research; not for commercial use假设位于yoz 平面上的无限大理想导体平面上开有宽度为ω（λω<<）、长度2/2λ=l 的缝隙。
缝隙被激励后，只存在垂直于长边的切向电场，并对缝隙的中点呈对称驻波分布，其表达示为：()()[]y m ez l k E z E ˆsin --=m E ---缝隙中间波腹处的场强值。
缝隙相当于一个磁流源，由电场分布可得到等效磁流密度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⨯-==0,ˆsin 0,ˆsin ˆ0x e z l k E x ez l k E E nJ z m z m z m等效磁流强度为：()[]()[]⎩⎨⎧<-->-=⋅=⎰0,sin 20,sin 2x z l k E x z l k E l d E I m m l m ωω 也就是说，缝隙可等效成沿Z 轴放置的、与缝隙等长的线状磁对称阵子。
根据对偶原理，磁对称阵子的辐射场可由电对称阵子的辐射场对偶得出。
对于电对称阵子，电流分布为：)(sin )(z l k I z I -=辐射场表达式：θθθsin )cos()cos cos(60kl kl r Ie j E jkr -=- ()()ϑϑπϕsin cos cos cos 2kl kl r Ie j H jkr -=- 由此得到0>x 半空间，磁对称阵子的辐射场为：()()ϑϑπωϕsin cos cos cos kl kl r e E j E jkr m m--=- ()ϑϑμεπωθsin cos cos cos klkl re E jH jkrm m-=- 在0<x 的半空间，电场和磁场的符号与上式相反。
等效原理与惠更斯元的辐射
（6―2―2）
对于E平面（yOz平面），
2
，R≈r-yssinθ，辐射场为
EE
E
j
1 (1 cos )e jkr 2r
s Ey ( xs , ys )e jkys sin dxsdys
（6―2―3）
对于H平面（xOz平面），φ=0，R≈r-xssinθ，辐射场为
EH
E
j
1
2r
(1 cos )e jkr
dEH
j
1
2r
(1
cos
)
E
ye
jkrdse
（6―1―11）
由式（6―1―8）和（6―1―11）可看出，两主平 面的归一化方向函数均为
FE (
)
FH
( )
1 2
(1
cos
)
（6―1―12）
第6章 面天线
其归一化方向图如图6―1―5所示。由方向图的形 状可以看出，惠更斯元的最大辐射方向与其本身垂直。 如果平面口径由这样的面元组成，而且各面元同相激 励，则此同相口径面的最大辐射方向势必垂直于该口 径面。
第6章 面天线
初 级 辐射 源
S1
S2
图 6―1―1
第6章 面天线
由所有惠更斯元的辐射之和即得到整个口径面的辐射 场。为方便计算，口径面S2通常取为平面。当由口径 场求解辐射场时，每一个面元的次级辐射可用等效电 流元与等效磁流元来代替，口径场的辐射场就是由所 有等效电流元（等效电基本振子）和等效磁流元（等 效磁基本振子）所共同产生的。这就是电磁场理论中 的等效原理(Field Equivalence Theorem)。
E平面（yOz平面）如图6―1―3所示，在此平面 内，根据式（1―1―4），电基本振子产生的辐射场为
天线理论第6章
第6章
IAx=IBx ICx=IDx 在t1时刻, x方向的电流在轴向的辐射相互抵消, 而y方向的 电流在轴向的辐射同相叠加, 即 E=ayE
第6章
假设在t2=t1+T/4时刻环上的电流分布, A、 B、 C、 D四个 对称点上的电流发生了变化, 每点的电流仍可分解为x分量和y 分量, 且有
IAy=IBy ICy=IDy
1 L
S
2
N
速度因子(相速相对于自由空间光速)
p
v c
h
h
第6章
p
S
/
L/
2N 1/
2
N
P=0.815
行波的相速低于自由空间平面波的相速，这种波称 为慢波。
方向图函数归一化后
第6章
半功率波瓣宽度、增益
适用于12<<15 ,3/4<C<4/3和N>3的轴向模螺旋天线 带宽：
第6章
轴比
且它们的电流振幅相等, 相位相同, 如图 6 - 11(a)所示。
每一圈螺旋天线的辐射场为
E
ˆE
ˆE
第6章
z z
h
I
d
(a)
(b)
图 6 - 11法向模螺旋天线的辐射特性分析
(a) 电基本振子与磁基本振子的组合; (b) E， E方向图
第6章
式中, Eθ和Eφ分别是电基本振子与磁基本振子的辐射场。
6.7 对数周期天线 (1) 齿状对数周期天线
对数周期天线的基本结构是将金属板刻成齿状, 如图33 所示,
齿是不连续的, 其长度是由原点发出的两根直线之间的夹角所决定,
相邻两个齿的间隔是按照等角螺旋天线设计中相邻导体之间的距
第六章 天线基本原理与技术
分贝数表示为：D 10lg1.5 1.76(dB)
19:22
电子科技大学电子工程学院
微波技术与天线
第六章
天线基本原理与技术
6.4.5
输入阻抗
输入阻抗和输入电压 U in 和电流 I in的关系是
U in Z in Rin X in I in
注：输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸、工作频率以及邻近天 线周围物体等的影响。 1 l le Idz 6.4.6 有效长度 I 0 l 天线有效长度定义：在保持实际天线最大
Idl j r E j 60 sin e r
19:22
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微波技术与天线
第六章
天线基本原理与技术
6.4 天线的电参数
6.4.1 天线方向性特性参数 一、方向函数
方向函数：描述天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系，分
场强方向函数和功率方向函数。 场强方向函数F ( , )：由辐射场电场表达式中与方位有关的表达
第六章
天线基本原理与技术
辐射电阻RΣ：
辐射电阻定义: 某电阻上通过电流等于天线上的最大电流， 若其损耗的功率等于天线的辐射功率 ，则该电阻值即为该天 P 线的辐射电阻。
1 2 2 P P I m R R 2 2 Im
天线的辐射电阻表示了天线辐射电磁波的能力，与馈电电流 的大小无关，是天线自身具有的属性。
半功率主瓣宽度 2 0.5 ：功率方向图中两个半功率点之间的角
宽度，或场强方向图中最大场强的1
宽。
E
1 0 .9 0 .8 0 .7 0 .6 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0
2 10 °
2 两点之间的角宽度；
天线理论
6.1 天线6.1.1 天线的作用与地位无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。
电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。
可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。
天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。
对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。
6.1.2 对称振子对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。
两臂长度相等的振子叫做对称振子。
每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子, 见图1.2 a 。
另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子, 见图1.2 b 。
6.1.3 天线方向性的讨论1 天线方向性发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。
垂直放臵的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图（图1.3.1 a）。
立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1 b 与图1.3.1 c 给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。
从图1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。
研究生《天线理论与技术》教学大纲
《天线理论与技术》教学大纲Antenna Theory and Technology第一部分大纲说明1. 课程代码：2. 课程性质：专业学位课3. 学时/学分：40/34. 课程目标：通过这门课的学习，使学生掌握天线的基础知识、常用天线的结构及分析方法。
配合相关软件的学习，最终使学生达到能够独立完成常用及新型天线的设计及改进方法。
5. 教学方式：课堂讲授、分组实验、分组专题报告与课堂讨论相结合6. 考核方式：考试7. 先修课程：电磁场与波、高频电子电路8. 本课程的学时分配表9. 教材及教学参考资料：（一）教材：宋铮，天线与电波传播，西安：西安电子科技大学出版社，2003年版（二）教学参考资料：1、John D. Kraus，天线（第三版），北京：电子工业出版社，2008年版2、Law & Kelton，Electromagnetics with Application ，北京：清华大学出版社，2001年版3、Warren L. Stutaman，天线理论与设计，北京：人民邮电出版社，2006年版4、卢万铮，天线理论与技术，西安：西安电子科技大学出版社，2004年版5、李莉，天线与电波传播，北京：科学出版社，2009年版第二部分教学内容和教学要求本课程讲授天线的基本理论和设计方法，主要内容有：天线的基本知识、常用天线的结构和分析方法、天线仿真与设计的常用软件、常用天线及新型天线的设计和改进方法。
第一章时变电磁场教学内容：1.1 麦克斯韦方程1.2 时变电磁场的边界条件1.3 波动方程与位函数1.4 位函数求解1.5 时变电磁场的唯一性定理1.6 时变电磁场的能量及功率1.7 正弦时变电磁场1.8 正弦时变电磁场中的平均能量与功率教学要求：本章是本课程的基础内容，讲授过程中注意和后续章节具体天线的分析和设计的结合。
教学建议：1.重点是麦克斯韦方程和时变电磁场的边界条件的分析方法。
2.讲授过程中注重讲授和后续章节内容的联系。
天线辐射与接收的基本理论
1. 天线的定义
天线的基本功能是辐射和接收无线电波 发射时，把高频电流转换为电磁波； 接收时，把电滋波转换为高频电流。
不同的无线电设备对天线的要求不同。
发射天线 电波
接收天线
馈线 发射机
馈线 接收机
机
图6-1-1 无线电设备的信道方框图
通信系统中的天线
2、天线的作用
能量的转换：自由空间的电磁能量与高频 电流能量的相互转换；
天线应有足够的工作频带。
天线常用的性能指标：
方向性图 方向性系数 增益 输入阻抗 驻波系数 效率
发射天线 电波 接收天线
馈线 发射机
馈线
接收机 机
影响天线性能指标的关键因素
天线电尺寸 天线的形状和结构 天线上的电流分布
6.2 基本振子的辐射
预备知识：时变场的达朗贝尔方程，滞后位及其解
辐射场的方向性
（f ，） sin
辐射场与方向有关。
方向性函数 （f ，） sin
E面方向性图为8字形。 H 面方向性图为圆形（轴对称）
二 对偶原理与磁流元的辐射
1、对偶原理
H＝
0
E t
Je
E＝-0
H t
0H 0
k 2 w20u0 , w 2 f 2 c /
0
1
36
109 ( F
/ m)
u0 4 107 (H / m)
0
u0 120 0
E
j 60Il sine jkr r
H
j Il sin e jkr 2r
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第6章
6.1 行波线天线
前面讲的振子型天线, 其上电流为驻波分布, 如对称振子的 电流分布为
I m jL / 2 jz I(z)=Im sinβ(L/2-z)= e (e e jLe jz ) 2j
式中, 第一项表示从馈电点向导线末端传输的行波; 第二项表示 从末端反射回来的从导线末端向馈电点传输的行波 ; 负号表示 反射系数为1。 当终端不接负载时, 来自激励源的电流将在终端全部被反射。 这样, 振幅相等、传输方向相反的两个行波叠加就形成了驻波。 凡天线上电流分布为驻波的均称为驻波天线。驻波天线是双向 辐射的, 输入阻抗具有明显的谐振特性, 因此, 一般情况下工作 频带较窄。
对于无限长的结构, 当天线的工作频率变化τ倍, 即频率从f变到
τf, τ2f, τ3f … 时, 天线的电结构完全相同, 因此在这些离散的频率点f,
τf, τ2f … 上具有相同的电特性, 但在f~τf、 τf~τ2f … 等频率间隔内, 天线的电性能有些变化, 但只要这种变化不超过一定的指标, 就可
第6章
图 6–10 螺旋天线的辐射特性与螺旋的直径的关系
第6章
③ 当D/λ＞0.5时, 天线的最大辐射方向偏离轴线分裂成两 个方向, 方向图呈圆锥形状,称为圆锥模式天线，如图 6-10(c)所 示。 1. 法向模螺旋天线 由于法向模螺旋天线的直径电尺寸较小, 其辐射场可以等 效为电基本振子与磁基本振子辐射场的叠加, 且它们的电流振幅相等, 相位相同, 如图 6 - 11(a)所示。 每一圈螺旋天线的辐射场为
C
第6章第6章 Nhomakorabea6章轴向模螺旋天线通用设计图
第6章
第6章
第6章
第6章
6.3 双锥天线
第6章
第6章
第6章
第6章
第6章
锥台天线（盘锥天线）
第6章
第6章
第6章
6.4 套筒天线
第6章
第6章
第6章
第6章
6.5 非频变天线的原理
在许多场合中, 要求天线有很宽的工作频率范围。 按工程 上的习惯用法, 若天线的阻抗、方向图等电特性在比带宽等于 2（fmax/fmin=2）且小于10范围内无明显变化, 就可称为宽频带 天线; 若天线能在更大比带宽范围内（比如fmax/fmin≥10）工作, 而其阻抗、方向图等电特性基本上不变化时, 称为非频变天线。 1. 非频变天线的条件 由前面的分析可知: 驻波天线的方向图和阻抗对天线电尺
第6章
半功率波瓣宽度、增益
适用于12<<15 ,3/4<C<4/3和N>3的轴向模螺旋天线 带宽：
第6章
轴比
2N 1 AR 2N
极化旋向取决于螺旋线绕向，右（左）手绕向的螺旋线 为右（左）旋圆极化天线 由于轴向模螺旋天线是行波天线，一般输入阻抗几乎为 纯电阻，输入电阻经验公式为
RA 140
e E k D I sin 4 4r
2 2
jkr
第6章
N圈螺旋天线的辐射场为
Nu 0I e D ˆ ˆ E (jS k ) sin 4 r 4
2
jr
由于Eθ和Eυ的相位差为π/2, 所以法向模螺旋天线的辐射场 是椭圆极化波, 呈边射型, 方向图呈“8”字形, 如图 8 - 12(b)所 示。
1. 行波单导线天线的方向图 若天线终端接匹配负载, 则天线上电流为行波分布: It(z)=Ime -jβz (6 - 4)
忽略地面的影响, 行波天线的辐射场为
第6章
第6章
经积分得
1 j 60I 0 sin l j [ r 2 (1cos )] E sin (1 cos)e r 1 cos 2
在螺旋天线的始端由电压激励激起电流并沿两臂传输。
当电流传输到两臂之间近似等于半波长区域时, 便在此发生谐 振, 并产生很强的辐射, 而在此区域之外, 电流和场很快衰减。
当增加或降低工作频率时, 天线上有效辐射区沿螺旋线向
里或向外移动, 但有效辐射区的电尺寸不变, 使得方向图和阻 抗特性与频率几乎无关。 实验证明: 臂上电流在流过约一个波 长后迅速衰减到20dB以下, 因此其有效辐射区就是周长约为一 个波长以内的部分。
6.7 对数周期天线 (1) 齿状对数周期天线
对数周期天线的基本结构是将金属板刻成齿状, 如图33 所示,
齿是不连续的, 其长度是由原点发出的两根直线之间的夹角所决定,
相邻两个齿的间隔是按照等角螺旋天线设计中相邻导体之间的距 离设计的, 即
（n 1） 2 ) rn 1 r0e a( 2a e (展开率) a( n 2 ) rn r0e
ˆE ˆE E
第6章
z z
h
I d (a ) (b )
图 6 - 11法向模螺旋天线的辐射特性分析
(a) 电基本振子与磁基本振子的组合;(b) E， E方向图
第6章
式中, Eθ和Eυ分别是电基本振子与磁基本振子的辐射场。
e jkr E jkIS sin 4r
2. 平面等角螺旋天线
如图 2 所示是由两个对称臂组成的平面等角螺旋天线, 它 可看成是一变形的传输线, 两个臂的四条边由下述关系确定:
第6章
图 2 平面等角螺旋天线
第6章
第6章
r =r0 e aυ,
1
r =r0ea(υ-δ), r =r0ea(υ-π), r =r0ea(υ-π-δ)
2 3 4
第6章
第6章
如果天线上电流衰减很快, 则决定天线辐射特性的主要是 载有较大电流的那部分, 而其余部分作用较小, 若将其截去, 对
天线的电性能影响不大, 这样有限长天线就具有近似无限长天 线的电性能, 这种现象就称为终端效应弱。 终端效应强弱取决 于天线的结构。 非频变天线分为两大类: 等角螺旋天线和对数周期天线。
第6章
螺旋天线可等效为N个相似元（平面圆环）组成的天线阵, 要使整个螺旋天线在轴向获得最大辐射,其方向图函数为
第6章
第6章
第6章
第6章
在轴向模螺旋天线上，行波模自然形成汉森－伍德亚德增 强方向性端射阵条件，即
h ( S 2
N )
沿螺旋线传播长为L的一圈的相移为
h h L
300°
300°
(a )
(b )
图 6–2 l=4λ和8λ时行波单导线方向图
第6章
由上式可见, 当L/λ较大, 工作波长改变时, 最大辐射方向θm 变化不大。
第6章
行波长线天线的辐射电阻是200~300。 端接电阻必须等于辐射电阻值。
第6章
第6章
第6章
6.2 螺旋天线
将导线绕制成螺旋形线圈而构成的天线称为螺旋天线。 通常它带有金属接地板（或接地网栅）, 由同轴线馈电, 同轴 线的内导体与螺旋线相接, 外导体与接地板相连, 其结构如图6 - 9 所示。螺旋天线是常用的圆极化天线。 螺旋天线的参数有: 螺旋直径D； 螺距S,S=Ctg； L C 2 S 2 圈数N； 一圈的长度L， 轴向长度h,h=NS； 螺旋天线的周长C，C=D； S 螺距角 ， arctg
第6章
如果天线上电流分布是行波, 则此天线称为行波天线。 通 常, 行波天线是由导线末端接匹配负载来消除反射波而构成, 如
图6-1所示。最简单的有行波单导线天线、V形天线和菱形天线 等, 它们都具有较好的单向辐射特性、较高的增益及较宽的带 宽, 因此在短波、 超短波波段都获得了广泛的应用。 但由于部 分能量被负载吸收, 所以天线效率不高。
第6章
图 8 – 4 平面环的瞬时电流分布
第6章
IAx=IBx
ICx=IDx
在t1时刻, x方向的电流在轴向的辐射相互抵消, 而y方向的
电流在轴向的辐射同相叠加, 即
E=ayE
第6章
假设在t2=t1+T/4时刻环上的电流分布, A、 B、 C、 D四个 对称点上的电流发生了变化, 每点的电流仍可分解为x分量和y
E kIS 2S AR E k 2 D 2 I D 2 4
圆极化条件
C D 2S
法向模螺旋天线的辐射效率和增益都较低, 主要用于超短波手 持式通信机。
第6章
第6章
2. 轴向模螺旋天线 当D/λ≈0.25~0.45 时, 螺旋天线的一圈的周长接近一个波长, 此时天线上的电流呈行波分布, 则天线的辐射场呈圆极化, 其最 大辐射方向沿轴线方向。 由于螺旋天线的螺距角较小 , 可将一圈螺旋线看作是平面 圆环, 设一圈的周长等于λ。假设在t1时刻环上的电流分布如图 8 - 4(a)所示, A、B、 C、D是圆环上的四个对称点, 它们的电流 幅度相等, 方向沿圆环的切线方向。 因此每点的电流均可分解 为x分量和y分量, 且有
寸的变化十分敏感。 能否设计一种天线, 当工作频率变化时,
天线的尺寸也随之变化, 即保持电尺寸不变, 则天线能在很宽 频带范围内保持相同的辐射特性, 这就是非频变特性。
第6章
相似原理：是指若天线的所有尺寸和工作频率（或 波长）按相同的比例变化，天线的性能将保持不变。
换言之，若天线的电尺寸保持不变，天线的性能也 将不变。 相似原理（缩比原理），它是非频变天线的理论依 据，也可用于天线的缩尺模型测量。 产生宽带性能的特征有：
第6章
90° 4.1632 120°
3.1224
90° 5.9508 6 0° 30° 150° 120°
4.7607 3.5705
6 0°
150°
2.0816 1.0408
2.3803 1.1902
3 0°
180°
0°
180°
0°
210°
330°