天线辐射的方向特性
天线辐射原理
天线辐射原理天线是无线通信系统中的重要组成部分，它通过辐射电磁波来进行信号的发送和接收。
而天线辐射原理则是指天线在工作过程中产生电磁波的物理原理。
了解天线辐射原理对于理解无线通信系统的工作原理以及优化天线设计都具有重要意义。
首先，天线辐射原理的基础是由麦克斯韦方程组成的。
麦克斯韦方程描述了电场和磁场的变化规律，其中的法拉第电磁感应定律和安培环路定律揭示了电流在导体中产生的电磁场。
天线中的电流在变化时会产生电磁波，这就是天线辐射的物理机制。
其次，天线辐射的特性与天线的结构和工作频率有关。
天线的长度和形状决定了它的辐射特性，而工作频率则影响了天线的辐射效率。
一般来说，天线的长度会与工作频率成正比，这也是为什么不同频段的通信系统需要使用不同长度的天线。
另外，天线的辐射模式也是天线辐射原理的重要内容之一。
天线的辐射模式描述了天线在空间中的辐射方向和辐射强度分布。
不同类型的天线会有不同的辐射模式，例如全向天线的辐射模式呈现出均匀的辐射特性，而定向天线则会呈现出特定方向上的辐射增益。
最后，天线辐射原理还涉及到天线的增益和辐射效率。
天线的增益是指天线在特定方向上辐射能量的能力，而辐射效率则是指天线将输入的电能转化为辐射电磁波的能力。
提高天线的增益和辐射效率可以改善通信系统的传输性能，因此在天线设计中需要重视这些指标。
综上所述，天线辐射原理是无线通信系统中至关重要的一环。
通过对天线辐射原理的深入了解，我们可以更好地设计和优化天线，提高通信系统的性能和覆盖范围。
同时，对于工程师和研究人员来说，掌握天线辐射原理也是进行无线通信技术研究和开发的基础。
因此，对于天线辐射原理的学习和掌握具有重要意义。
天线辐射的方向特性
天线辐射的方向特性一实验目的1、理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。
2、测定右手螺旋天线的方向特性。
二实验仪器①旋转天线盘；②喇叭形天线；③微波吸收器；④右手螺旋天线；⑤波导式天线；⑥计算机及测试软件。
三实验原理辐射方向图：任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图；方向图函数：将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。
电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它与|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。
为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度与场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像汽车轮胎。
如图1（a）所示。
天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H面方向图。
电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即与磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。
(a) 立体方向图；(b) E面方向图；(c) H 面方向图图1 电流元的方向图二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。
在极坐标系中绘制的电流元的E面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。
显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90˚方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0˚和θ=90˚）上其值为零。
在H面（θ=90˚）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。
天线方向图的特征参数与天线的方向图作图
天线方向图的特征参数与天线的方向图作图
天线方向图又叫辐射方向图（radiation pattern）、远场方向图（far-field pattern）。
从方向图上面不能得到天线增益，由方向图得到的是方向系数。
天线增益=方向系数* 天线效率。
所以方向系数大于增益是肯定的。
天线增益主要是通过方向图的测试而表现出来。
这里有很多的种测试方向图的测试系统。
也就是暗室。
而在暗室的测试出来的结果，也只是一种和理想对称振子比较的的结果。
都知道理想对称振子的增益为2.15dB。
这样就可以根据测试电平的高低来计算出天线的增益。
G=D*N%.而天线的效率一般情况下是没有百分百的，所以G<d 。
在计算天线的方向系数D是，通常所采用的就是根据方向图上面表现出来的主瓣的波瓣宽度计算，如半功率波瓣宽度，也就是电平下降3dB是的波瓣宽度。
天线增益：
天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。
它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。
增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信。
天线辐射范围
天线辐射范围
天线的辐射范围取决于其类型、设计和工作频率。
不同类型的天线具有不同的辐射模式和辐射范围。
一般来说，天线的辐射范围可以分为以下几个方面：
1. 辐射方向：天线通常具有主要辐射方向，也称为主辐射波束。
这是天线辐射信号最强的方向，辐射能量集中在这个方向上。
辐射波束的宽度决定了天线的方向性，窄波束天线辐射范围较小，宽波束天线辐射范围较大。
2. 信号强度：天线辐射信号的强度随距离的增加而逐渐减弱。
通常情况下，辐射范围随着距离的增加而增大，但信号强度会降低。
3. 工作频率：天线的辐射范围还与其工作频率有关。
不同的频率具有不同的辐射特性，如天线的大小、设计和辐射模式等可能会因频率而有所不同。
需要注意的是，天线辐射范围是三维的，通常用径向图来表示。
这个图表明了天线在各个方向上的辐射强度，通常以立体角度（solid angle）或dB（分贝）为单位。
综上所述，天线的辐射范围是一个相对的概念，具体取决于天线的类型、设计参数和工作条件。
天线理论与设计
3.轴向模螺旋天线上沿螺旋线行进的行波的相速度比在 自由空间时平面波的速度 （大或小），这种螺旋线 导行的波被称为 。 4.根据第六章宽带天线所学内容说出三种具有宽带特性的 天线型式： ， 和 。
10.天线辐射方向图,按不同辐射特性主要定义为 方向图,二者关系的数学表示是 。
概念原理复习
11.发射天线是垂直极化，接收天线为水平极化，则极化失配 因子等于 ；发射天线是圆极化，接收天线为水平极化， 则极化失配因子等于 。 12.均匀激励等间距线阵，当N较大时第一副瓣电平趋于 余弦渐削分布的旁瓣电平为 dB。 13.天线的远区场角分布与 无关,电场与磁场满随着振子长度的增加,方向性系数 方向图开裂,方向性系数急剧下降。 15．等幅同相二元阵间距大于
,但振子长度超过
方向图将出现多瓣。
概念原理复习
三、试叙述微带贴片天线的结构，辐射机理及其优缺点。 四、试叙述八木－宇田天线的结构及其工作原理。 五、试叙述对数周期振子阵的结构及辐射机理。
概念原理复习
相似原理（缩比原理）: 指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。）
方向性系数:最大辐射方向上的方向性值
概念原理复习
一、填空题
1.根据天线产生场的特性可以将离天线从近到远的空间 区域划分为 、 和 三个场区。一般天线方向图 是在 场区定义。
六、利用一在轨卫星上36 dB增益的天线，以点波束指向最远2000km外地 球上的用户，系统在频率3GHz时能发射的功率最大可达7W。如果用户的 2 dB增益天线指向卫星，为使其在最大距离处至少收到100dBm功率， 求卫星所需的发射功率，且系统发射功率是否满足所需功率要求？
天线辐射的方向特性
实验报告：天线辐射的方向特性一、实验题目：天线辐射的方向特性二、实验目的：1 理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。
2 测定右手螺旋天线的方向特性。
三、实验仪器:旋转天线盘、喇叭形天线、微波吸收器、右手螺旋天线、波导式天线、计算机及测试软件。
四、实验原理：任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。
电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它与|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。
为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度与场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像汽车轮胎。
如图1（a）所示。
天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H面方向图。
电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即与磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。
(a) 立体方向图； (b) E面方向图； (c) H面方向图图1 电流元的方向图二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。
在极坐标系中绘制的电流元的E面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。
显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90˚方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0˚和θ=90˚）上其值为零。
在H 面（θ=90˚）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。
天线的主要性能指标
天线的主要性能指标天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的性能直接影响到通信系统的稳定性、可靠性和性能。
天线的主要性能指标可以分为以下几个方面。
1.频率范围：天线的频率范围是指天线能够工作的频率范围。
不同的无线通信系统需要不同的频率范围，因此天线的频率范围应该能够覆盖所需的频率范围。
2.增益：天线的增益是指天线在特定方向上相对于理想同轴电缆天线的功率增加量。
增益越高，天线的接收和发射效果就越好。
增益与天线的指向性有关，指向性越高，增益越高。
3.方向性：天线的方向性是指天线在空间范围内辐射和接收电磁信号的特性。
天线的方向性可以通过天线的辐射图来表示，主要包括主瓣方向和边瓣。
4.波束宽度：波束宽度是指天线主瓣的宽度，也可以理解为天线对信号的接收和发送的方向选择性。
波束宽度越小，方向选择性越好，但覆盖范围也会减小。
5.阻抗匹配：天线的阻抗匹配是指天线的输入阻抗与馈线的阻抗保持一致。
阻抗匹配不好会导致信号的反射和损耗，影响信号的传输质量。
6.驻波比：驻波比是指天线输入端口处的反射波和传输波之比。
驻波比越小，说明天线的阻抗匹配越好，信号的传输质量越好。
7.前后比：前后比是指天线在其中一方向上的辐射功率与在反方向上的辐射功率之比。
前后比越大，说明天线的方向性越好，信号的传输干扰越小。
8.极化方式：天线的极化方式有垂直极化、水平极化、圆极化等。
天线的极化方式应与无线通信系统的极化方式一致，以保证信号的传输效果。
9.环境适应性：天线的环境适应性是指天线在不同的环境条件下的性能表现。
例如，天线在恶劣天气条件下的性能是否稳定，是否受到周围物体的干扰等。
10.承载能力：承载能力是指天线能够承受的最大功率。
天线的承载能力应该能够满足无线通信系统所需的功率要求，以确保天线的稳定运行。
总之，天线的性能指标决定了它在无线通信系统中的适用性和性能表现。
无论是接收还是发射信号，在选购天线时，需要根据具体的应用需求，选择适合的天线，并通过合理的安装和调试，实现最佳的通信效果。
天线辐射方式
天线辐射方式
天线是一种电子器件，用于发射和接收无线电波。
在无线通信中，天线的辐射方式非常重要，它决定了信号的传输和接收质量。
天线的基本工作原理是通过电流的流动产生电磁场，并将电能转换为无线电波。
辐射方式是指天线如何向空间中辐射出无线电波。
常见的天线辐射方式有以下几种：
1.全向辐射：全向辐射是指天线在水平面上辐射出的无线电波
具有均匀的辐射特性，也就是说无论是水平方向还是垂直方向，天线都能够均匀辐射无线电波。
全向辐射天线常用于广播和移动通信中，以实现广播或者通信信号的广播覆盖。
2.定向辐射：定向辐射是指天线在某个特定方向上辐射出的无
线电波具有辐射强度更大的特点，而在其他方向上辐射较小。
定向辐射天线通常采用抛物面或者方形的天线结构，用于建立点对点通信链路，如卫星通信和雷达系统。
3.扇形辐射：扇形辐射是指天线在一个扇形范围内辐射无线电波，辐射强度随角度的变化而变化。
扇形辐射天线通常采用扇形状的天线柱或者天线阵列，用于建立扇区覆盖的无线网络，如蜂窝移动通信网络。
4.仰角辐射：仰角辐射是指天线主要向上辐射无线电波，辐射
强度随仰角的变化而变化。
仰角辐射天线常用于卫星通信和无线电测量系统，用于向上发射信号或者接收信号。
5.水平辐射：水平辐射是指天线主要在水平方向上辐射无线电波，辐射强度随水平角的变化而变化。
水平辐射天线常用于雷达系统和无线电广播，用于探测目标或者广播信号。
综上所述，天线的辐射方式决定了其在无线通信中的应用场景和性能特点。
不同的辐射方式在不同的通信需求下起到了重要的作用，可以满足不同的通信距离、角度和覆盖范围要求。
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实验题目：天线辐射的方向特性
实验目的：理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识，测定右手螺旋天
线的方向特性。
实验原理：任何实用天线的辐射都具有方向性。
通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示
出来，称为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F （θ，φ）|。
天线的立体方向图一般难以画出，通常只画出E 面和H 面的方向图。
天线的方向图及其相关参数：
将方向图函数F （θ，φ）进行归一化后所绘制的方向图称为归一化方向图。
1）主瓣宽度
当天线E 面和H 面具有多瓣形状时，通常将天线最
大辐射方向所在的波瓣称为主瓣。
如图中2θ0.5称为主瓣宽度。
2）副瓣电平
估计天线副瓣的强弱，一般用副瓣电平表示 3）前后比
天线最大辐射方向电平与其反方向电平之比。
4）方向性系数
天线在远场区最大辐射方向上某点的平均辐射功率密度与平均辐射功率相同的无方向性天
线在同一点的平均辐射功率密度之比：
⎰⎰
=
ππ
ϕ
θθϕθπ
20
2
sin ),(4d d F D
如果方向图与θ无关，那么有
⎰
=
π
θ
θθπ
2
sin )(4d F D
效率：
天线的辐射功率P r 与输入功率P in 之比。
增益系数：
天线在远场最大辐射方向上某点的平均功率密度与平均功率相同的无方向性天线在同一点的
平均功率密度之比，记为G 。
等效高度：
在保持实际天线最大辐射方向上场强值不变条件下，假设天线上电流为均匀分布时无线的等效
高度。
实验内容：1、检查仪器，确保程序和机器的正常工作，调整接收天线和被测天线，使两者在初始状态时
在同一直线上；
2、启动程序和工作仪器，计算机将自动绘制方向图（平面）；
3、进行归一化处理；
4、根据作出的图象读出相关读数，并计算天线的相关参数。
实验数据和图象
CASST Lab图象（图一）：
ORINGIN图象（图二）：
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
B
根据图象读出：
在两个0.707E max处，读出A（165.20o，0.707），B（189.95o，0.707）；
两个第一副瓣最大值点坐标（138.44o，0.403），（215.19o，0.517）；
反向最大值点坐标（360.00，0.149）。
数据处理：
根据A 、B 两点坐标，可以计算出主瓣宽度（2θ0.5）E.H =24.75o ；
由于已经进行归一化处理，因此两个第一副瓣的电平分别为0.403、0.517，单位是dB ； 前后比=0.149/1=0.149。
实验小结：
1、本实验原理比较复杂，涉及比较多的电磁学和无线电相关专业知识，理解起来有困难；
2、实验过程中充分借助了计算机的强大的功能用于自动绘制方向图，大大节省了时间，同时对归一化处理以及相应坐标的读取也带来了极大的方便；
3、实验中应该注意安全和操作的规范，防止受到天线发射的高频波的伤害，也防止损伤仪器；
4、最终实验得到的方向图和标准参考方向图对比，差别仍然比较大（比如后瓣基本看不出来），主要原因可能是仪器的老化造成信号分布的不规则，同时发射器和接收器的对准与否对最终绘制出的图象也有很大的影响，而且这种影响是相当灵敏的，即使是对桌子碰撞而使天线发生的移动都使得绘制的图象不理想，但是总体来看，图象还是能够反映方向图的一些基本性质；
5、实验过程中两人的配合比较重要，更能快速地发现和解决问题。
思考题：
1、 什么是“子午面”和“赤道面”？ Sol ：“子午面” 一般指通过地面一点包含地球南北极的平面；“赤道面”是指与指定轴垂直且过球心的平面。
2、 预计一下在偶极子天线辐射中心小范围内（近场）的电场瞬态分布。
Sol ：在源区附近，磁矢势蜕变为静态电磁场的磁矢势。
因此源激发的电磁场可以采取静态电磁场方法进行
计算。
这也意味着在源区附近，源直接产生的静态电磁场远大于电磁场相互激发所产生的电磁场。
对于偶极子天线来说，虽然电流是变化的，但是在近场区，电流的变化所激发的电磁场相对于静场很小，因此此时的电磁场仍然具有上述性质，场量与r 2成反比。
3003
02cos 4cos 20r L I j
r P E e r πωεθπεθ-==
300302sin 4sin 20r L I j
r P E e πωεθπεθθ-==
204sin r L I H πθϕ=
3、 偶极子天线发射的能流密度与哪些物理量有关？这对实验有什么启发？
Sol ：由于能流密度矢量表达式中表示为E 矢量和H 矢量的叉乘，故其与E 、H 有关，计算有：
r
r L I E r H E r H E S ˆ1sin )()2(21]1Re[2ˆ]Re[2ˆ]ˆˆRe[2122022020**θηληϕθθϕθϕθ===⨯=
于是能流密度和电流（最大值）、偶极子的长度、辐射波长、波阻抗、角度、位矢有关，这些因素又
大多和天线的自身结构有关。
对于本实验来讲，意味着改变这些值（或者说改变天线形状、改变发射角度、改变接受位置），将会对实验所得到的波形（比如最大值）产生影响；从表达式中看，能流密度是具有方向性的，同时在某个方向上呈现最大值，信号的采集也应该在这个方向上为最佳，这也就是为什么要把发射器和探头初始位置对准的原因。
4、 简述微波吸收器的工作原理。
Sol ：微波吸收器的原理是利用特殊的微波吸收材料吸收微波，吸收器的材料是海绵，其中掺杂着很细的碳
波就被吸收了。
同时，微波吸收器的海绵表面做成尖的形状，也能把该处不能吸收的微波反射至其他点被吸收，提高吸收效率。
注：由于实验原始数据点比较多，故不随实验报告附上。