电子科技大学天线概述教材
第1章--天线基础知识(1)
第1章 天线基础知识
本次课主要内容 1.绪论
(1)天线在无线电通信系统中的地位
(2)天线的定义、作用
2.电基本振子的辐射
(1)电基本振子辐射场表达式
(2)电基本振子的辐射特性（重点）
绪论
1.天线在无线电通信系统中的地位 天线是任何无线电通信系统都离不开的
重要前端器件。 2.天线的作用 （１）将发射机输出的高频电流能量转换成电 磁波辐射出去。
（２）将空间电磁波信号转换成高频电流能量 送给接收机。
绪论
3.天线的定义
天线是用来辐射或接收无线电波的装置。
4.天线辐射过程
天线在外加高频激励源的作用下，在其 周围激发起交变电场和磁场，这种交变的磁 场和电场周而复始地相互作用、相互转化， 形成电磁波，并以一定的速度向周围空间传 播出去。
绪论
5.天线有效辐射的条件
Pr
1 2
I 2Rr
(1―1―8)
Rr称为该天线归算于电流 I 的辐射电阻，这里 I 是电流的振幅值。将上式代入（1―1―7），得电
基本振子的辐射电阻为
Rr
80
2( l )2
(1―1―9)
第1章 天线基础知识
1.1.2 磁基本振子的辐射
磁基本振子：又称磁流源、磁偶极子。
z
磁基本振子模型：
小电流环， 周长远小于波长， 环上电流I等幅同相 均匀分布。
自适应天线、智能天线等。
绪论
通常按天线原理分为两大类：
线天线：用于长波、短波、超短波 面天线：用于微波
7.天线研究方法 (1)精确解法：求解麦克斯韦方程组
(2)近似解法：微扰法、变分法、迭代法、 几何光学法、几何绕射法
(3)数值解法：矩量法、有限元法
电子科大微波技术--天线
线 按波段：长波天线、中波天线、短波天线、超短波 天线、微波天线 按频宽：窄带天线、宽带天线、超宽带天线 按功能：发射天线、接收天线 按极化方式：线极化天线、圆极化天线、椭圆极化 天线 按时用环境：基地站天线、移动台天线 按方向性：全向天线、定向天线、强方向性天线、 弱方向性天线 按结构：线天线、口径天线 按工作原理：驻波天线、行波天线、阵列天线、漏 波天线
中间区：介乎远场区与近场区之间，储能与辐射都不占优势。 对于天线问题，我们主要关心远场辐射区
磁流磁荷不存在，引入后 令其为0，不影响方程
电荷电流产生的场 （J e 0, J m 0)的场方程 E Je t H E t H
磁荷磁流产生的场 （J m 0, J e 0)的场方程 E t H E Jm t H
零瓣主瓣宽度：主瓣两 边零辐射方向之间的 夹角2 0 10dB主瓣宽度：主瓣两边比 最大辐射值低 10dB 点之间的夹角 2 0.1
主瓣宽度越小，辐射能量越集中，方向性越强。 （2）副瓣电平
副瓣为不需要的辐射，副瓣电平越低越好 前后比：主瓣最大值与后瓣最大值之比
下图以极坐标绘出了典型的雷达天线的方向图。方向图中辐射最强
零射方向之间的夹角称为零功率角，以 2 0 表示。
10.6.2 天线的方向性系数
定义：在相同的辐射功率下，有方向 性的天线在给定方向上的辐射功率密 度与假想的无方向性的“点源”天线 的辐射功率密度的比值。
无方向性天线
2 E0 ( , )程度， 可以定量反映方向性的强弱。
Pr
方向性系数的计算
对于电流元辐射， F ( , ) sin D 1.5 或 DdB 10 log D 1.76dB
电子科技大学课件《天线测量》第四章增益测量
第四章 增益测量第一节 引言天线的方向增益（通常称方向性系数）是表征天线所辐射的能量在空间分布情况的量，定义为在相同辐射功率情况下，该天线辐射强度),(ϕθp 与平均辐射强度之比，即0p 0),(),(p p D ϕθϕθ=（4﹒1） 由于辐射强度正比于电场强度的平方，因此，方向性系数也可写为 22),(),(E E D ϕθϕθ=（相同辐射功率） （4﹒2）式中，),(ϕθE 是该天线在),(ϕθ方向产生相同电场强度的条件下，点源天线的总辐射功率与该天线的总辐射功率之比，即 ),(),(0ϕθϕθT TP P D =（相同电场强度） （4﹒3）一般情况均指最大辐射方向的方向性系数，因此，式（4﹒1）、（4﹒2）、（4﹒3）可写为2020E Ep p D m m m == （相同辐射功率）mToTP P =（相同电场强度） （4﹒4） 方向性系数是以辐射功率为基点，没有考虑天线能量转换率。
为了更完整地描述天线的特性，我们以天线输入功率为基点，将该天线与点源天线作比较，于是，仿照方向性系数所定义的量就叫做天线的功率增益（通常称为增益系数），即22),(),(E E G ϕθϕθ= （相同输入功率） （4﹒5）或),(),(0ϕθϕθin inP P G =（相同电场强度） （4﹒6）式中，和in P 0),(ϕθin P 分别是点源天线和该天线的输入功率。
若指天线最大辐射方向的增益，则式（4﹒5）和（4﹒6）可写为 22E E G m m =（相同输入功率）inminP P 0=（相同电场强度） （4﹒7） 将式（ 4﹒7）进行简单的换算，则有Am inm mTmT oT oT in inm oin m D P P P P P P P P G ηη••=•==00 （4﹒8） 式中，0η和A η分别是点源天线和某天线的效率。
令点源天线效率10=η，并因一般谈及方向性系数或增益系数均指最大发射方向，为简化书写，我们将足标“”去掉，于是式（4﹒8）就变为m D G A η= （4﹒9） 可见，天线的增益系数等于天线的效率与方向性系数之积。
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
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微波技术与天线
第六章
天线基本原理与技术
6.4.5
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；
第3章 天线基本原理与技术
第三章 加载天线
第一部分
常见的加载天线
20:31
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近代天线理论
第三章 加载天线
天线加载： 顾名思义就是对天线加一种负载。天线加载可以改变天线 上电流分布，使得天线的输入阻抗能按照一种规律分布。 通过天线加载可以缩短天线的尺寸，改变天线的输入带宽 ，这也是天线小型化必不可少的一种方法。 常见的天线加载方式有： 1.顶部加载：这样的加载时可以在顶部加个盘子或者几根线 。这类代表天线是T型或者倒V型。 2.介质加载：它是通过在天线周围加入一种介质来相对缩短 天线长度，缩短长度的效果与介质的相对介电常数及相对 磁导率有关。 3.分布加载：对天线按一定位置函数加载，输入阻抗也会呈 一定规律变化。 4.集总加载：在天线上一个或几个位置加入集总参数元件， 包括电感电容，通过这样的方式来改变天线上电流分布。
第三章 加载天线
集总加载
Loop 1
Loop 2
Loop 3
balun 1 balun 2
CMRR:-14.8 dB
20:31
CMRR:-27.5 dB
CMRR:-36.8 dB
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近代天线理论
第三章 加载天线
Current Distribution (Loop 1)
20:31
近代天线理论
第三章 加载天线
理论推导-短电偶极子
引入电赫兹矢量表示电磁场：
e A t 2 E e e H ( jw ) e 式中：
2 w2 jw
20 20:31
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第三章 加载天线
第三部分
探地雷达
微波技术与讲义天线第三版绪论
第0章 绪论
有线通信特点
●优点：抗干扰性好，节省费用、使用方便
●缺点：损耗大，不使用转发放大器的通信 距离是由指数规律决定的！
第0章 绪论
■无线通信
◇无线通信框图
第0章 绪论
◇无线通信损耗
r 其中 f 为无线电波频率， 为接收距离
第0章 绪论
无线通信特点
第0章 绪论
三、微波技术及特点
■微波频率范围
波长：1m~0.1mm
频率：300M~3000GHz
第0章 绪论
■微波波段划分
比如：微波炉的频率为2.45GHz左右, 属于LS波段
第0章 绪论
第0章 绪论
四、微波特点
1、波长短，易于实现窄波束定向辐射 ——微波遥感、雷达成像、卫星通信基础
例：抛物面天线的发射电磁波波束角：
140 D /
4、《天线》上、下册 [美] John D.Kraus著 章文勋译 电子工业出版社
第0章 绪论
课程学时安排（48学时）
章节
绪论 第1章 均匀传输线理论 第2章 规则金属波导 第3章 微波网络 第4章 微波元件
学时 章节
1 9 第5章 天线基础 7 第6章 线天线 6 第7章 面天线 6 第8章 天线测量
• 能源应用 高功率微波武器HPM、微波炉等
第0章 绪论
第0章 绪论
第0章 绪论
第0章 绪论
第0章 绪论
第0章 绪论
第0章 绪论
THANKS
1~0.1km 0.3~3MHz 2.7MHz
100~10m 3~30MHz 27MHz
10~1m 30~300MHz 270MHz
1~0.1m 0.3~3GHz 2700MHz
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。
天线原理课件2006
天线原理
§0.2 天线发展简史
西安电子科技大学（马金平） 2006 年春
一、1886, 赫兹（Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894）
1839年法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）发现、1873 年麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831-1879)完成的电磁理 论，由德国的海因里希·鲁道夫·赫兹首次在实验室证实。
图0-1 作为转换器件的发射天线
其传输线戴维南等效电路如下图所示。
图0-2 发射天线的传输线戴维南（Thevenin）等效电路
图中，Vg ——源电压，Zg ——源阻抗， Zc ——传输线特性阻抗， Rrad —— 辐射电阻（辐射功率 Prad = 0.5i IA 2 iRrad ）， RL ——损耗电阻（包括导体损耗和介 质损耗）， jX A ——天线的电抗。天线输入阻抗 ZA = (Rrad + RL) + jX A 。
—3—
天线原理
西安电子科技大学（马金平） 2006 年春
四、1985, 螺旋天线阵列（Helical Antenna Array）
螺旋天线阵列安装于在2万千米中地球轨道（Medium Earth Orbit, MEO）运 行的全球定位卫星（Global Position Satellites, GPS）上，工作波长近似等于20厘 米。
二、考核方式
平时成绩20%+期末闭卷80%
三、教材和参考书
1. 天线原理，魏文元等编，国防工业出版社。 2. 天线原理与设计，康行健，国防工业出版社。 3. Antenna Theory: Analysis and Design, 2nd Ed., C. A. Balanis, John Wiley &
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天线增益的单位
为了正好将天线增益加到接收信号的强度上，需 要用dBm来表示信号强度。dBm是单位为毫瓦的 功率的对数表达法。
右旋极化（矢量顺时针） 左旋极化（矢量逆时针） 也有于此相反的定义
极化
电子战中重要的 诀窍是利用圆极化 天线来接收未知方 位的线性极化信号， 如果采用交叉极化， 将会有3dB的损失 但可避免25dB的损 失。
天线类型
电子战应用了许多种类型的天线。这些天线的角 度覆盖范围、增益、极化方式、体积和形状等参 数各不相同。最佳天线的选择与实际应用场合密 切相关，并且常常需要折衷考虑性能参数。
对数周期、喇叭或对数周期馈 电抛物面
轴模螺旋、带有极化器的喇叭 或交叉偶极子馈电抛物面
背腔螺旋、圆锥螺旋或螺旋馈 电抛物面
左边一栏给 出了天线的 主要物理特 性
中间一栏给 出了该类天 线通用的仰 角与方位增 益图
右边一栏汇 总了期望获 得的典型指 标
相控阵天线
具有360度方位覆盖的天线常被称为“全向天线” 定向天线提供有限的方位和仰角覆盖
接收或发射天线其角度覆盖、极化方式和频带宽度
角度覆盖 360度方位
极化 线性
圆
定向
线性 圆
带宽 窄 状、偶极子、环形
双锥或十字形 常模螺旋
Lindenblad或四臂圆锥螺旋
八木、偶极子阵或喇叭馈电抛 物面
副瓣 后瓣
天线波束
至第一副瓣的角度 至第一零点的角度
10dB 3dB
10dB波束宽度
主瓣 主波束增益
视轴 3dB波束宽度
天线波束
视轴：视轴即为天线指向的方位。它通常为最大增益方向， 其它的角参数一般是相对于视轴定义的。
主瓣：天线的最大增益波束。该波束的形状由其增益与距 视轴的夹角而确定。
波束宽度：即波束的宽度，通常用度来表示。波束宽度用 至视轴的夹角定义的，如果没有特别说明，波束宽度通常 是指3dB波束宽度。
波束宽度 效率
天线可发射或接收信号并提供适当参数性能的频率 范围。
天线的频率范围，常用百分比带宽表示（即100％× （最大频率－最小频率）/平均频率）。
发射或接收的E和H波的方位，主要有水平极化、垂 直极化、右旋圆极化或左旋圆极化、斜线性极化 （任意角度）或椭圆极化。
天线的角覆盖，通常以度表示。
发射或接收的信号功率与来自天线波束覆盖球体部 分的理论功率之比的百分值。
发射信号的强度可以用每米毫伏（mv/m）的场强 更精确切地表述，包含整个天线的接收机灵敏度 常用mv/m表示。
极化
电磁波的极化通常是用空间某一固定点上电场矢 量E的空间取向随时间变化的方式来定义。
当E的矢量轨迹是直线——线极化 当E的矢量轨迹是圆——圆极化 当E的矢量轨迹是椭圆——椭圆极化
天线概述
定义
天线是将电子信号转换为电磁波或将电磁 波转换为电子信号的装置。
由于天线要处理的信号频率和它们的工作 参数不同，其尺寸和设计也大不相同。
常用的天线性能参数
术语 增益
定义
信号经天线处理后增加的信号强度（通常用dB表示。 增益可正可负，各向同性天线的增益为1，即0dB）。
频率覆盖 带宽 极化