太原理工大学现代科技学院微波天线与技术课程设计全解

太原理工大学现代科技学院微波技术与天线课程设计设计名称全波振子加引向器专业班级信息13-1 班学号2013101269姓名陈凯指导教师李鸿鹰课程设计任务书注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸指导教师签名：日期：2016-6-10专业班级 信息13-1 学号 2013101269 姓名 陈 凯 成绩设计名称：全波振子+引向器一、设计要求：全波振子+1个引向器完成天线的设计。

二、天线基本理论：1.天线的功能及应用： a) 天线的功能b)天线的应用天线在无线电系统中的应用……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………2.天线的分类按工作频段划分：超长波、长波、中波、短波、超短波和微波天线；按用途划分：通信、广播、电视、雷达、导航和测向天线等 ； 按辐射方向划分：全向天线、定向天线；按外形划分：偶极子天线、T 形、菱形、环形、螺旋、喇叭、反射面以及透镜天线等等。

按形状划分：线天线（导线或金属棒构成）、面天线（金属面或介质面构成）。

线天线主要用于长波、短波和超短波；面天线主要用于微波波段。

3.电基本振子的辐射给出在球坐标原点沿z 轴放置的电基本振子在各向同性理想均匀无限大自由空间的表达式：320232022cos 41sin 41sin 40jkrA r jkrA jkrA r I l jk E e rr I l j k jk E er r r I l jk H e r r H H E θϕθϕθπωεθπωεθπ---⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭⎛⎫=-+- ⎪⎝⎭⎛⎫=+ ⎪⎝⎭===注：9022*********/E 120H k k θϕεεππλωεμηπ-======相移常数；波阻抗（远区场）a) 近区场当kr<<1时称为近区场，此时23030sin 42cos 41sin 40A A r A r I lH rI l E j r I l E j r H H E ϕθθϕθπθωεπθωεπ==-=-=== 不难看出，上述表达式和稳态场的公式完全相符，因此，近区场又称为似稳区。

场随距离的增大而迅速减少。

电场滞后于磁场90度，因此复坡印延矢量是虚数(12S E H =⨯),每周平均辐射的功率为零。

这种没有能量向外辐射的场称之为“感应场”。

b) 远区场当kr>>1时称为远区场，此时60sin e sin e 20jkrA jkr A r r I lE jr I lH j rE H H E θϕθϕπθλθλ--==≈=== 此时，有电场和磁场两个分量在空间相互垂直且与r 矢径方向垂直，三者构成右手螺旋系统。

电场、磁场在时间上同相，其复坡印延矢量*12S E H =⨯是实数，为有功功率且指向r 增加的方向上。

二者比值为一实数0120ηπ=，所以仅需讨论二者之一。

且电基本振子远区场是沿着径向向外传播的横电磁波TEM 。

在0180o o θ=、方向上辐射为0，在90o θ=方向辐射最强。

方向图：E 面（包含振子轴）为一个8字形，H 面（垂直振子轴）为一个圆。

c) 辐射功率22sin sP S dS S nr d d ππθθϕ∑==⎰⎰⎰ 式中s 为平均复坡印延矢量，且212240r r E S E H e e π==，将其代入上式得22201sin 240P E r d d ππθθϕπ∑=⎰⎰。

此式为计算辐射功率的一般公式。

将远区场模值代入上式有：2240Al P I πλ∑⎛⎫= ⎪⎝⎭d) 辐射电阻为了分析计算方便，引入辐射电阻概念，将天线向外辐射的功率等效为在电阻上的损耗，此电阻称为辐射电阻R ∑。

用输入电流来归算的称为归算于输入电流的辐射电阻0R ∑，用波腹电流来归算的称为归算于波腹电流的辐射电阻R ∑。

显然电基本振子的辐射电阻为22280A P l R I πλ∑∑⎛⎫== ⎪⎝⎭4.磁基本振子的辐射在进行磁基本振子辐射分析时,可以采用对偶性原则。

对称形式麦克斯韦方程如下：A M ME H J t H E Jt D B εμρρ∂⎧∇⨯=+⎪∂⎪∂⎪∇⨯=--⎨∂⎪∇=⎪⎪∇=⎩ 注：M J 磁流密度，M ρ磁荷密度 上式第二个方程右端两项有负号，是因为电流产生的磁场的方向是按右手螺旋定则定出的，而磁流产生的电场方向与之相反，是按左手螺旋定则定出的。

将上式中的电磁场分解为电荷与电流产生的场强Ee 和He 及磁荷和磁流产生的场强EM 和HM 即E=Ee+EM 和H=He+HM 。

他们分别满足下列麦克斯韦方程：e e ee e e 0A E H J t H E t DB εμρ∂⎧∇⨯=+⎪∂⎪∂⎪∇⨯=-⎨∂⎪∇=⎪⎪∇=⎩和M M M M M M 0M M E H t H E J t D B εμρ∂⎧∇⨯=⎪∂⎪∂⎪∇⨯=--⎨∂⎪∇=⎪⎪∇=⎩ 比较上面两个式子是完全对称的，其对偶量如下：E e 与H M , H e 与-E M ,J A 与J M ,M ρρεμ与，与。

5.天线主要参数：天线的电特性通常用效率、输入阻抗、方向性、极化、增益系数、工作频带宽度等参数。

同一天线作为收、发时的电参数在数值上是相同的，收、发天线具有互易性。

1) 天线效率天线效率为天线辐射功率r P 与天线输入功率in P （辐射功率与天线内所消耗的功率s P 之和)之比。

即s r r in r A P P P P P +==η上式还可用天线输入端的辐射电阻0R 和损耗电阻s R 表示，即s r rs r r A P P R P P P +=+=η可见，要提高天线的效率，应尽可能增大辐射电阻和降低损耗电阻。

2) 方向性系数为了定量表示天线辐射功率在空间的集中程度，我们采用方向性系数D ，并定义如下： 在相等的辐射功率下，受试天线在其最大辐射方向上某点产生的功率密度与一理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度的比值，定义为受试天线的方向性系数。

表示为 2max max2P 0P E S D S E ∑∑==相同相同0S 为无方向性天线的辐射功率密度；max S 为天线在最大辐射方向上的功率密度。

224D F(sin d d πππθϕθθϕ=⎰⎰，)考虑到∑P 与∑R 的关系，又可以写成：2max120f D R ∑=由定义可知，由于天线在各个方向辐射强度不同，方向性系数D 也不同，一般所讲的某天线的方向性系数，都是指最大辐射的方向性系数(除注明方向)，并且实际天线的方向性系数都是大于1的。

3) 增益系数天线增益系数等于天线效率η与其方向性系数D 的乘积，即D G η=。

天线增益比天线方向性系数更全面地反映了天线的性质。

天线增益不仅考虑了方向性引起的场强变化,还考虑了天线效率对场强的影响。

天线增益系数一般可用分贝(dB )表示，即GdB G log 10)(=在工程上，人们常把上述定义的增益称为“绝对增益”，而把相对于某一特定的作为参考标准的天线增益称为“相对增益”。

4) 方向图辐射方向图简称为方向图，是方向函数f(θ,ψ)的图示。

方向图形象、直观、弥补了方向函数的抽象性。

复杂天线系统，其很难求解出较为准确的方向图函数的解析表达式，此时必须借助测量得到的数据绘出方向图，以了解天线的辐射特性。

E 面方向图：由最大辐射方向(θmax,ψmax )和该方向上远区电场E 的方向所确定的E 面，与立体方向图相截，所得的平面方向图。

H 面方向图：由最大辐射方向(θmax,ψmax )和该方向上远区磁场H 的方向所确定的H 面，与立体方向图相截，所得的平面方向图。

5) 输入阻抗为使天线能获得最多的功率，应使天线与馈线匹配，就需要知道天线的输入阻抗。

天线的输入阻抗in Z 为输入端电压与输入端电流之比。

即inin 00in X j R I UZ +==输入阻抗一般包括输入电阻和输入电抗。

输入电阻对应于天线辐射的功率和天线系统损耗的功率，即sr0in R R R +=s R 为从输入端计算的损耗电阻，输入电抗对应于天线周围感应场的无功功率。

6) 工作频带天线工作频带的含义与电路频带的含义相类似，它是指天线在工作时能符合某种技术要求的频率范围。

对于只有一个频率或几个频率相距很近的通信设备而言，天线的频带宽度无需考虑。

但对于具有两个以上频率，而且频差又较大的通信设备，就不能不考虑天线的频带宽度。

三、八木天线的分析与设计八木天线示意图八木天线（YaGi Antenna ）也叫引向天线或波导天线，八木天线的优点是结构简单、馈电方便、重量轻、便于转动，并有一定的增益。

缺点是颇带窄，增益不够高，因此常排成阵列使用。

它在超短波和微波波段应用广泛。

八木天线是由一个有源激励振子（Driver Element ）和若干无源振子组成，所有振子都平行装制在同一平面上，其中心通常用一铅通（也可用非金属──木方）固定。

八木天线长度是由反射器至最前的一个导向器的距离。

通常收发机的天线输出端，都只是接到八木天线的有源振子。

反射器和导向器通常与收发机没有任何电气连接，但在有源振子作用下，两者都会产生感应电压和电流，其幅度各相位则与无源振子间的距离有关，也和无源振子的长度有关。

因为当振子间的距离不同时，电源走过的途径距离也不同，就会形成不同的相位差。

当无源振子的长度不同时，呈现的阻抗也不同。

1.引向器间距的选择引向器间距的选择有两种方案：一种是引向器间距不相等，随着引向器数量序号的增加，相邻引向器的间距加大；另一种是引向器间距相等。

前一种方案调整麻烦，后一种方案调整简便，因此一般都采用等间距方案。

引向器间距一般在4.0~15.0波长范围内选择。

间距较大时，方向图主瓣较窄，输入阻抗的频率响应较平稳，但副瓣较大；间距选得小时，副瓣较低，抗干扰性能较好，但是增益和方向性差些。

若考虑前者，间距可取3.0波长；若考虑后者，间距可取小于2.0波长。

不管什么情况下，第一根引向器振子与有源振子之间的距离应取得更小一些。

2.引向器长度的选择引向器长度的选择有两种方案。

一种是各引向器等长度，约取44.0~38.0波长。

这种方案优点是加工和调整较为容易，但是频带比较较窄。

另一种是，各个引向器的长度依次由长到短渐变。

若取第一根引向器的长度为46.0波长，以后的引向器长度则会以3~2％的缩短系数逐次递减。

这种方案的优点在于频带稍宽，但调试、加工麻烦，实用中一般采用前一种方法。

3.无源振子半径和有源振子结构及尺寸的确定无源振子的半径是由八木天线的通频带的需求来确定，通常振子半径选。

有源振子选择单根半波振子或折合振子均可以，一般长度取，该振子宽度越粗，长度应短一些。

对有源振子的基本要求是能与馈线有良好的匹配，为此，有源振子应设计为谐振长度，并把它的输入阻抗变换到等于或接近馈线特性阻抗的数值一般选取。