天线基本原理(Dipole推导)
关于天线的科普，看完这篇就够了
关于天线的科普，看完这篇就够了说起天线，首先要了解一下天线的来历，1948年5月7日“无线电之父”波波夫在这一天设计了世界上第一台无线电接收机，为无线电的运用奠定了基础，天线也就此产生。
言归正传，下面就带大家了解一下天线究竟是什么样的？天线的作用是啥？原理是啥？都有哪些性能参数？下面将一一道来。
天馈线结构天线的作用天线是发射机发射无线电波和接收机接收无线电波的装置，发射天线将传输线中的高频电磁能转换为自由空间的电磁波，接收天线将自由空间的电磁波转换为高频电磁能。
因此，天线是换能装置，具有互易性。
天线性能将直接影响无线网络的性能。
通俗的讲天线就是一个转换装置，把传输传播的导行波，变换成在自由空间中传播的电磁波，或进行相反的变换。
下面来了解一下导行波，导行波是全部或绝大部分电磁能量被约束在有限横截面内沿确定方向传输的电磁波。
通俗的来讲导行波就是一种电线上的电磁波。
天线是怎么实现导行波和电磁波之间转换的呢？下面就来说一下天线的工作原理。
天线的工作原理当导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射；如果两导线的距离很近，导线中电流方向相反，感应电动势互相抵消，因此辐射很微弱；如果将两导线张开，由于两导线的电流方向相同，辐射较强；当导线的长度可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射；通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子；两臂长度均为1/4波长的振子叫做对称半波振子；有了电场，就有了磁场，有了磁场，就有了电场，无限循环，就有了电磁场和电磁波。
产生电场的这两根直导线，就叫做振子。
通常两臂长度相同，所以叫对称振子。
长度像下面这样的，叫半波对称振子。
目前对称振子是市面上最常用的天线。
半波对称振子内部组成：槽板、馈电网络、振子外部组成：天线罩、端盖、接头电磁波的极化极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，当没有特别说明时，通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，而且是指在该天线的最大辐射方向上的电场矢量来说的。
天线基本原理
天线基本原理
天线基本原理是指利用特定的结构和材料，将电能转换为电磁波能量或者将电磁波能量转换为电能的装置。
天线主要由导体构成，其长度和形状与所接收或发射的电磁波的频率密切相关。
天线的基本原理可以用以下几个方面来描述：
1. 辐射原理：在接收模式下，天线通过感应来接收电磁波，并将其转换为电信号；而在发射模式下，电信号通过天线转换为电磁波并辐射出去。
2. 感应原理：天线通过电磁感应的原理来接收电磁波。
当电磁波通过天线时，产生在导体上的电势差和电流，从而实现将电磁波转化为电信号。
3. 辐射模式：天线的辐射模式取决于其结构和形状。
不同结构和形状的天线在空间中会形成不同的辐射图案，这决定了其方向性、增益和频率响应等特性。
4. 驻波原理：天线长度与电磁波的波长密切相关。
当天线长度与频率匹配时，电磁波将会在天线内部产生驻波，从而实现能量的传输。
5. 阻抗匹配：在天线系统中，为了最大化能量传输效率，需要实现发射源和天线之间的阻抗匹配。
阻抗不匹配会导致能量反射和损失。
通过对天线的基本原理的了解，人们可以设计和优化天线以满足特定的通信需求。
天线在无线通信、卫星通信、雷达系统等领域中发挥着重要的作用。
天线基本原理及常用天线介绍
25
电压驻波比（VSWR）对网络的影响：
VSWR 反射功率比 辐射功率减少 减少百分比
3.0
25%
2.15dB
40%
2.0
11%
0.86dB
18%
1.8
8%
0.67dB
14%
1.5
4%
0.36dB
8.0%
1.4
2.8%
0.21dB
4.7%
1.3
1.7%
0.13dB
2.9%
1.2
0.8%
0.07dB
三个及三个以上工作频段（不同制式）的宽频
天线。正如前边所介绍的：
806~869 824～896 870～960
806～960MHz 一副天线
1710～1880 1850～1990 1920～2170
1710~2170MHz 一副天线
31
806~960MHz的超宽频天线
现在的一副天线相当于原来的三副天线， 并且具备电调功能，既提高了产品性能，又在很大程度上降低了天线的生产3成2 本
峰值
- 3dB点
Peak - 3dB
15° (eg)
Peak
10dB 波束宽度
- 10dB点
120° (eg)
峰值 - 10dB点 Peak - 10dB
32° (eg)
Peak
Peak - 3dB
俯仰面即垂直面方向图
Peak - 10dB 16
方向图旁瓣显示
上旁瓣抑制 下旁瓣抑制
17
8、方向图在移动组网中的应用
1.1%
26
多径传播与反射
27
用分集接收改善信号电平
28
二、几种常用天线的介绍
天线原理笔记
1天线原理1.1.天线的作用任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。
天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。
当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。
例如任何高频电路，只要不是完全屏蔽起来的，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。
但是，任意一个高频电路并不一定能作天线，因为它辐射和接收电磁波的效率很低。
只有能够有效地辐射和接收电磁波的设备才有可能作为天线使用。
天线的另一个作用是“能量转换”。
大家知道，发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波，收信天线也不能直接把无线电波送入收信机，这里有一个能量的转换过程。
即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端，天线要把高频电流转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射；反之在接收时，也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后，再送给收信机。
显然这里有一个转换效率问题：天线增益越高，则转换效率就越高。
1.2.天线的工作原理天线本身就是一个振荡器，但又与普通的LC振荡回路不同，它是普通振荡回路的变形。
1.2.1.辐射原理LC是发信机的振荡回路。
电场集中在电容器的两个极板之中，而磁场则分布在电感线圈的有限空间里，电磁波显然不能向广阔空间辐射。
如果将振荡电路展开，使电磁场分布于空间很大的围，这就创造了有利于辐射的条件。
下图示出了它的演变过程。
导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。
如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。
如果将两导线开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。
于是，来自发信机的、已调制的高频信号电流由馈线送到天线上，并经天线把高频电流能量转变为相应的电磁波能量，向空间辐射。
当导线的长度L远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱；当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。
天线射频知识点总结
天线射频知识点总结一、天线的基本原理天线是一种能够将电磁波能量从导体中传输到周围的空间中的装置。
在基本的原理上，天线是通过在导体上施加交变电压或电流来产生电磁波。
当电流或电压在导体上发生变化时，就会产生电磁波，这些电磁波就会通过天线辐射到空间中。
在发射电磁波的过程中，天线需要满足一定的谐振条件，谐振条件是指天线的长度需要满足一定的整数倍波长的条件，这样才能够有效地将能量转换成电磁波并辐射出去。
同时，天线的结构也会影响到辐射的电磁波的方向、极化以及辐射效率等性能参数。
在接收电磁波的过程中，天线也需要满足一定的条件才能够有效地将电磁波转换为电信号。
在接收电磁波的过程中，天线也需要满足一定的条件才能够有效地将电磁波转换为电信号。
天线的极化、增益和方向性等性能参数都会影响到天线的接收性能。
二、天线的工作原理天线的工作原理主要是通过在导体上施加交变电压或电流来产生电磁波，然后将这些电磁波辐射到周围的空间中，或者将接收到的电磁波转换成电信号。
天线的工作原理涉及到电磁场的传播、辐射以及电磁场与导体的相互作用等知识点。
当电流或电压在导体上发生变化时，就会产生电磁波。
天线的结构和长度会影响到天线谐振的条件，谐振条件是指天线的长度需要满足一定的波长条件，这样才能够有效地将能量转换成电磁波并辐射出去。
在接收电磁波的过程中，天线也需要满足一定的条件才能够有效地将电磁波转换为电信号。
天线的极化、增益和方向性等性能参数都会影响到天线的接收性能。
三、天线的性能参数天线的性能参数包括谐振频率、增益、方向性、极化、带宽以及驻波比等。
1. 谐振频率：天线的谐振频率是指天线有效工作的频率范围，谐振频率与天线的长度相关，通常情况下，天线谐振频率的计算公式为f= 1⁄λ ，其中 f 是天线的谐振频率，λ是电磁波的波长。
2. 增益：天线的增益是指天线在某一特定方向上与标准参考天线相比的辐射功率的比值，常常用分贝（dB）来表示。
通常情况下，天线的增益与天线的尺寸、构造、方向性以及工作频率有关。
天线基础知识与原理
天线基础知识与原理天线是将电磁波能量从传输线（如电缆）转移到自由空间（如空气）中的器件。
它是无线通信系统中至关重要的组成部分，用于发送和接收无线信号。
天线的设计和原理对通信系统的性能具有重要影响。
天线的基本原理是通过电流激励器件使其发射或接收电磁波。
当电流通过天线时，会在天线上产生电磁场。
根据电磁场分布的不同，天线可以被分为不同的类型。
例如，一根直立的导体（如铜线）可以作为零度天线或全向天线使用，这意味着它能够在水平方向上发射或接收相同的信号强度。
另一个例子是定向天线，它可以集中发射或接收能量到特定方向。
天线的性能由几个关键参数决定。
其中一个是频率响应，也称为带宽。
天线应该在指定的频率范围内能够有效地工作。
另一个参数是增益，表示天线相对于理想的点源天线的增加或减少的能量。
增益可以用于改善信号传输和接收的效果。
其他重要的参数包括波束宽度、极化方式、输入阻抗等。
天线设计的关键是通过调整天线的几何形状和尺寸来满足特定的需求。
一种常见的天线类型是偶极子天线。
它由两根平行的导体构成，通常以半波长的长度排列。
偶极子天线适用于宽带应用，可以在几个频段上工作。
另一种常见的天线类型是微带天线，它采用薄片状的天线元件，并用绝缘基板支持。
微带天线适用于小型设备和集成电路上的应用，可以在不同的频率范围内工作。
天线的工作原理与物理学中的电磁波理论相关。
根据麦克斯韦方程组，电磁波由电场和磁场组成，并以光速传播。
当电流通过天线时，会产生电场和磁场的变化，并以电磁波的形式辐射出去。
电场和磁场的分布取决于天线的几何形状和电流分布。
天线的电磁辐射主要通过两种机制实现：辐射和导波。
辐射是指电磁波以空间波的形式传播，可以远离天线和传输线。
导波是指电磁波沿着天线和传输线传播，类似于输送能量的导线。
在不同的频率范围内，两种机制的相对重要性会有所不同。
要理解天线的基础知识，还需要了解一些天线的相关概念。
例如，VSWR（电压驻波比）是用于衡量天线和传输线之间匹配的参数，主要影响信号的传输效率。
天线的基本原理
天线的基本原理
天线是一种可以接收或发送无线电波的装置，其基本原理是利用电磁感应和辐射原理。
当电流通过天线中的导体时，会产生一个电磁场，这个电磁场随着电流的变化而变化。
当无线电波经过天线时，这个变化的电场和磁场会相互结合并沿着空间传播。
天线的设计和结构会影响其工作频率和辐射特性。
传统的天线通常由一个或多个导体构成，其中最常见的是直线型、对数螺旋型和偶极子型。
这些导体的长度通常是针对所需的工作频率进行优化的。
对于接收天线而言，当无线电波通过天线时，导体中的电流会产生辐射磁场，这个磁场会引起导体中的电荷移动，最终形成接收电流。
接收天线的性能受到很多因素的影响，包括频率、极化、天线的方向性以及环境的影响。
对于发送天线而言，当电流通过天线时，会在周围产生电磁场，并将电能转化为无线电波的形式辐射出去。
发送天线的效率与输入功率、天线损耗以及电磁场的辐射效果有关。
总的来说，天线的基本原理就是利用电磁感应和辐射原理，通过导体中的电流产生电磁场，并将电能转化为无线电波进行传输或接收。
这种原理被广泛应用于通讯、广播、雷达、卫星和无线电技术等领域。
天线基本原理(PPT)
Beamwidth
• Half power beamwidth θdB 3 E-plane beamwidth, H-plane beamwidth • The wider θdB beamwidth the 3 wider angular coverage • The widerθdB beamwidth the 3 more interferences input to the receiver
Radiation Pattern with Center Driving
這是場型圖， 請注意不同 gain值的場 型
•The definition of dBi is the antenna gain which compares to that of the isotropic antenna •The definition of dBd is the antenna gain which compares to that of the dipole antenna •The directivity of half wavelength dipole is 2.15 dBi •The directivity of 1.25 (2x0.625) wavelength dipole 5.16 dBi
dB = −10 log 1 − Γ
(
2
)
VSWR與Return Loss的關係是互換關係，若 VSWR是2.0:1,則相對於Return Loss是約10dB，其意是發射出去有90%的功率，反射回 來有10%，反射愈多，幅射效率愈差
• Examples
VSWR=1.5, Γ = 0.20 , RL=14 dB, TL=0.177 dB VSWR=2.0, Γ = 0.33 , RL=9.5 dB, TL=0.512 dB VSWR=3.0, Γ = 0.50 , RL=6.0 dB, TL=1.24 dB
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300 nm
30 nm 3 nm 300 pm 30 pm
細菌
原子
100 EHz
1 *10^21 Hz 10 *10^21 Hz 100 *10^21 Hz ant basic
3 pm
300 fm 30 fm 3 fm
電磁波頻譜
NAME
ELF SLF ULF VLF LF MF HF VHF UHF SHF Microwave band
ant basic
天線有哪些重要的特性呢?
有兩個基本的參數用來形容天線的運作特性 增益的場形 (電磁波能量在空間的分布): 描述輻射能 量的空間分布和電場與磁場的向量方向 輸入阻抗 (傳輸線至天線的阻抗匹配): 由傳輸線端看 入天線端的等效阻抗，好的天線須達成天線端與傳輸 線的匹配，使能量有效進入天線 有關這兩個名詞將會在無線通訊系統中運作的天線裡更 完整的描述
Mobile phone Fixed line WLAN RJ45 Cable
ant basic
無線傳輸連結的需求
從電磁傳播觀點來講，無線傳輸連結的可行性取決 於是否可克服無線通道上的能量衰減與干擾達到符 合頻寬規格的訊噪比(SNR)，工程手段包括 Can be expensive 加大發射功率
ant basic
天線的輻射
反向時變電流(Differential Mode Current)的輻射磁 場會互相抵消 如傳輸線，由兩個靠近載有相同大小電流但相反 方向的導體組成，產生的輻射很小。
Radiations Cancel
ant basic
天線的輻射
單向的時變電流(Common Mode Current)則會形成 較強的輻射 如偶極天線
User 1
User 2 Public telephone network
ant basic
天線需求視應用而異－無方向性天線需求
蜂巢式行動電話的基地台分布
Distance between cels Freq Group Freq Group Freq Group U F Freq Group
Freq Freq M E Group Group Freq Freq Freq A3 I Group Group Group Freq Freq N C Group Group A2 Freq Freq Freq J Group A3 Group Group Freq Freq O G L Group Group Freq B w Group H
Input Impedance
~
ant basic
Radiation Pattern
電磁波頻譜
Frequency f = c * λ
1 Hz 10 Hz 100 Hz
Wavelength λ = c / f
300 Mm 30 Mm 3 Mm 300 km 30 km 3 km 300 m 30 m 3m 300 mm 30 mm 3 mm 300 um 30 um 3 um
t = T/8
i=max
V=0
t = T/4
ant basic
電波振盪發射圖(2/2)
I
t = (3/8) * T (d)
V=max i=0
隨時間推演，波前向前移動
t = (1/2) * T (e)
ant basic
天線區、近場及遠場的分野
遠場區 Far field or Fraunhover region
Discontinuous Structure: Antenna
Continuous Structure: Transmission Lines
ant basic
天線的輻射
ห้องสมุดไป่ตู้
為了讓天線有效率的轉換電流成成電磁波，天線的尺 寸必須與操作頻率的波長相當或稍大。 相較之下，電流在電路板上的傳輸迴路，除了極高頻 的諧振外，對於基頻頻率的波長而言是非常小的。 因此當電路長度較波長小得許多時，便無法有效的輻 射或接收電磁能量。
6
7 The repeating process of
6 and generate radiation !上兩步驟不停的重複而產生了 輻射 5
ant basic
電波振盪發射圖(1/2)
i=0
場線
t=0
(a)電場線或波前伴隨著電 荷連接在偶極天線的末端
(b)當電荷移動波前也跟 著移動 (c)當電荷通過中間點， 電場線被切開
半波長偶極天線的近場能量流
Boundary sphere
偶極天線
遠場輻射能量流 水平面 近場耦 合能量
ant basic
甚麼樣的天線最好？
甚麼樣的天線最好？ 如何選擇天線？ 有那些天線參數？ 甚麼樣的天線參數對我重要？
Principle: Consider the power distribution in space 從能量的空間分佈需求來考量
ant basic
天線需求視應用而異－高指向性天線需求
GPS Navigation
GPS antenna Forward looking radar
Wi-Fi / WiMax Applications
Satellite Phone
S band S band L band Ka band
Ka band
相關的尺寸
地球直徑
= c/f
Radio
1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz 1 THz
infrared visible
UV X-ray Gamma-ray
10 THz 100 THz
1 PHz
10 PHz 100 PHz 1 EHz 10 EHz
無線傳輸連結的需求
因應行動通訊的需要與有線連結的限 制，產生多種無線通訊系統與規格
Radio broadcasting Cellular phone WLAN/ Bluetooth
隨著訊號處理與微波工程技術進步， 無線傳輸從以往補足有線傳輸“不及之 處”的角色，進而圖謀以成本優勢取代 有線傳輸連結
V
Je
jk R R '
R R'
d v'
ant basic
電磁波的產生
4
Magnetic vector potential sustains magnetic fields向量磁位能衍生磁場
H A
H E t
E H t
5
Time-varying magnetic fields induces timevarying electrical fields in adjacent space在 鄰近的空間中變動磁場旁伴隨有變動電場變化 The induced time-varying electrical fields subsequently induce time-varying magnetic fields in adjacent space.而產生的時變電場在鄰 近空間中伴隨有變動磁場變化
Outline
天線的定義與無線通訊需求 電磁波的產生 重要天線參數 相關電磁學觀念複習
ant basic
天線的定義與無線通訊需求
何謂天線? 為什麼我們需要天線? 天線可以為我們做些什麼? 天線有哪些重要的特徵? 電磁波頻譜
ant basic
什麼是天線?
國際電子電機協會定義天線如下 天線：專用於輻射或接收電磁波的系統。 Antenna: That part of a transmitting or receiving system which is designed to radiate or receive electromagnetic waves
To infinity
天線區邊界 天線區
R
2 L2
近場區 Near Field or Fresnel region
由於天線是個藉由電場振 盪來運作，在空間上區分 為鄰近天線的振盪區、遠 離天線的發射區及近場轉 變區
遠近場邊界 FresnelFraunhofer boundary sphere
ant basic
發射天線乃是可有效轉換電流成為電磁波輻射的裝 置，而通常電磁波傳播的環境是在(大氣)空間。 接收天線則是可以有效率的轉換入射電磁波成為電 流的裝置。
ant basic
天線的輻射 Everything Radiates, But Most Things Cancel!
安培右手定則告訴我們，電流可產生磁場
一般來說，只要有材質或幾何結構上的不連續，就 會產生輻射、反射、散射…等現象
ant basic
天線的輻射
一般來說，只要有材質或幾何結構上的不連續，就 會產生輻射、反射、散射…等現象
Where there are discontinuities, there are radiation, reflection, refraction, scattering…
V ( R)
1
2
Transportation of charges results in time varying charge density, resulting electrical currents移動電荷造成時變電荷密度，造成電流
4
V'
e
R
dv'