天线原理与设计3.1 水平对称天线
合集下载
天线原理与设计_讲义3
f a (θ , ϕ ) = 2 cos(
βd
2
cosθ )
(1.96)
等幅反相)时 ■当m=1，α=π(即I1=－I0 ，等幅反相 时： ， 即 － βd f a (θ ,ϕ ) = 2sin( cosθ )
2
(1.97)
■当m=1，α=±π/2(即I1=I0e ， ± 即
π
m jπ/2)，且d=λ/4时： ， 时
cos θ − ) f a (θ , ϕ ) = 2 cos( ) = 2 cos( 2 2 2
ψ
βd
α
(1.95)
阵因子函数只与θ角有关，与φ角无关，说明阵因子 角有关， 角无关， 角无关 方向图关于阵轴旋转对称。下面讨论几种重要情况： 方向图关于阵轴旋转对称。下面讨论几种重要情况：
等幅同相)时 ■当m=1，α=0(即I1= I0 ，等幅同相 时： ， 即
60 I 0 − jβ r0 f 0 (θ , ϕ ) E0 = j r e 0 (1.88) 60 I1 − jβ r1 E1 = j e f1 (θ , ϕ ) r1
设这两个对称振子等长，并且是并排或共轴放置， 设这两个对称振子等长，并且是并排或共轴放置，则。 二元阵总场为： 二元阵总场为：
(1.91)
其模值为 式中
60 | I 0 | | ET |= | fT (θ , ϕ ) | r0
f T (θ , ϕ ) = f 0 (θ , ϕ ) f a (θ , ϕ )
(1.92)
cos( β l cosθ ) − cos( β l ) 共轴对称振子单元 f 0 (θ , ϕ ) = sin θ
链接
1.5.2 共轴和并排排列的对称振子二元阵
对称振子组成的二元阵，其排列方式通常有两种， 对称振子组成的二元阵，其排列方式通常有两种，如 下图所示。组成二元阵的对称振子单元一般为半波振子。 下图所示。组成二元阵的对称振子单元一般为半波振子。 1、共轴排列情况 、 总场方向图函数为
βd
2
cosθ )
(1.96)
等幅反相)时 ■当m=1，α=π(即I1=－I0 ，等幅反相 时： ， 即 － βd f a (θ ,ϕ ) = 2sin( cosθ )
2
(1.97)
■当m=1，α=±π/2(即I1=I0e ， ± 即
π
m jπ/2)，且d=λ/4时： ， 时
cos θ − ) f a (θ , ϕ ) = 2 cos( ) = 2 cos( 2 2 2
ψ
βd
α
(1.95)
阵因子函数只与θ角有关，与φ角无关，说明阵因子 角有关， 角无关， 角无关 方向图关于阵轴旋转对称。下面讨论几种重要情况： 方向图关于阵轴旋转对称。下面讨论几种重要情况：
等幅同相)时 ■当m=1，α=0(即I1= I0 ，等幅同相 时： ， 即
60 I 0 − jβ r0 f 0 (θ , ϕ ) E0 = j r e 0 (1.88) 60 I1 − jβ r1 E1 = j e f1 (θ , ϕ ) r1
设这两个对称振子等长，并且是并排或共轴放置， 设这两个对称振子等长，并且是并排或共轴放置，则。 二元阵总场为： 二元阵总场为：
(1.91)
其模值为 式中
60 | I 0 | | ET |= | fT (θ , ϕ ) | r0
f T (θ , ϕ ) = f 0 (θ , ϕ ) f a (θ , ϕ )
(1.92)
cos( β l cosθ ) − cos( β l ) 共轴对称振子单元 f 0 (θ , ϕ ) = sin θ
链接
1.5.2 共轴和并排排列的对称振子二元阵
对称振子组成的二元阵，其排列方式通常有两种， 对称振子组成的二元阵，其排列方式通常有两种，如 下图所示。组成二元阵的对称振子单元一般为半波振子。 下图所示。组成二元阵的对称振子单元一般为半波振子。 1、共轴排列情况 、 总场方向图函数为
微波与天线-对称阵子天线
实例分析：某型号对称阵子天线设计过程展示
馈电方式选择
采用偏心馈电方式，通过微带线 将信号引入阵子中心，实现宽带
匹配。
阵子结构设计
选择半波振子作为阵子结构，阵 子长度为1/4波长，直径为1/50 波长。阵子间距设置为1/2波长
，以获得较好的辐射特性。
设计目标
设计一款工作于2GHz频段，具 有较宽带宽和良好辐射特性的对
提高信号传输效率
对称阵子天线具有较高的辐射效 率和较宽的带宽，能够快速地将 信号辐射到空间中，从而提高信
号的传输效率。
增强信号接收能力
对称阵子天线具有较好的方向性和 增益特性，能够准确地接收来自特 定方向的信号，并增强信号的接收 能力。
降低系统成本
相对于其他类型的天线，对称阵子 天线具有较低的成本和较小的体积， 便于集成到各种通信设备中，从而 降低整个系统的成本。
偶极子天线
由两个相同且平行的半波振子 组成，具有宽频带、中等增益 和方向性可调等特点。
垂直阵子天线
由多个垂直排列的半波振子组 成，具有高增益、窄波束和垂 直面内方向性可调等特点。
环形阵子天线
由多个环形辐射元组成，具有 全向辐射、低剖面和宽频带等 特点。
微带阵子天线
利用微带传输线技术实现阵子 天线的平面化设计，具有低剖 面、轻量化和易于集成等特点 。
雷达系统
雷达系统需要实现远距离的目标探测和定位，对称阵子天线具有较好的方向性和较高的增益，能够提高 雷达系统的探测距离和定位精度。同时，对称阵子天线还能够适应各种复杂环境和气候条件，保证雷达 系统的稳定性和可靠性。
06
未来发展趋势预测与挑战分析
技术创新方向预测
01
02
03
天线原理与设计习题集
0 2π
30
π
∫
2π
0
dϕ ∫ f 2 (θ , ϕ ) sin θ dθ 计算
0
π
1 − cos x dx = C + ln(2π ) − Ci (2π ) ， x
式中，C=0.577, Ci (2π ) = −0.023 ) 2.2 利用下式求全波振子的方向性系数 D(θ , ϕ ) = 120 f 2 (θ , ϕ ) Rr ， f (θ , ϕ ) =
2.8 用方向图相乘原理草绘图 10 所示理想地面上的同相位水平半波三元天线阵 的 H 面方向图，计算阵列的总辐射电阻和 H 面的方向性系数，三个阵元的电流 幅度关系为 I 2 =2 I 1 =2 I 3 。 2.9 理想地面上架设的水平半波天线阵，如图所示，各单元的激励幅度和相位也 已标注在图中。要求： (1) 用方向图相乘原理画出天线阵在 yz 平面和 xy 平面内的方向图； (2) 计算振子 I 的辐射阻抗； (3) 若希望最大辐射方向为 Δ m = 15o ，试问天线应架设多高？
η1 = 0.6， η 2 = 0.8 。
1
1 如果二者的输入功率相等，求它们在最大辐射方向上相同距离处的电场 ○ 振幅之比。 2 如果二者的辐射功率相等，求它们在最大辐射方向上相同距离处的电场 ○ 振幅之比。的辐射功率 ○ 比值 Pr1 / Pr 2 和输入功率比值 Pin1 / Pin 2 4π 0.8 利用方向性系数的计算公式: D = 2π π 2 ∫ ∫ F (θ , ϕ ) sin θ dθ dϕ
5
第三章
接收天线
3.1 已知半波对称振子天线的有效长度 l e = λ / π ，试求其有效面积。 3.2 两微波站相距r，收发天线的增益分别为G r 、G T ，有效面积分别为S r 、S T ， 接收天线的最大输出功率为Pr，发射天线的输入功率P T 。试求证不考虑地面影 响时的两天线间的传输系数为
30
π
∫
2π
0
dϕ ∫ f 2 (θ , ϕ ) sin θ dθ 计算
0
π
1 − cos x dx = C + ln(2π ) − Ci (2π ) ， x
式中，C=0.577, Ci (2π ) = −0.023 ) 2.2 利用下式求全波振子的方向性系数 D(θ , ϕ ) = 120 f 2 (θ , ϕ ) Rr ， f (θ , ϕ ) =
2.8 用方向图相乘原理草绘图 10 所示理想地面上的同相位水平半波三元天线阵 的 H 面方向图，计算阵列的总辐射电阻和 H 面的方向性系数，三个阵元的电流 幅度关系为 I 2 =2 I 1 =2 I 3 。 2.9 理想地面上架设的水平半波天线阵，如图所示，各单元的激励幅度和相位也 已标注在图中。要求： (1) 用方向图相乘原理画出天线阵在 yz 平面和 xy 平面内的方向图； (2) 计算振子 I 的辐射阻抗； (3) 若希望最大辐射方向为 Δ m = 15o ，试问天线应架设多高？
η1 = 0.6， η 2 = 0.8 。
1
1 如果二者的输入功率相等，求它们在最大辐射方向上相同距离处的电场 ○ 振幅之比。 2 如果二者的辐射功率相等，求它们在最大辐射方向上相同距离处的电场 ○ 振幅之比。的辐射功率 ○ 比值 Pr1 / Pr 2 和输入功率比值 Pin1 / Pin 2 4π 0.8 利用方向性系数的计算公式: D = 2π π 2 ∫ ∫ F (θ , ϕ ) sin θ dθ dϕ
5
第三章
接收天线
3.1 已知半波对称振子天线的有效长度 l e = λ / π ，试求其有效面积。 3.2 两微波站相距r，收发天线的增益分别为G r 、G T ，有效面积分别为S r 、S T ， 接收天线的最大输出功率为Pr，发射天线的输入功率P T 。试求证不考虑地面影 响时的两天线间的传输系数为
天线原理与设计复习
U (θ0,ϕ0 ) 与理想点元天线在同一方向射强度 U0 (θ0,ϕ0 ) 的比值。
D
(θ
0
,ϕ0
)
=
U (θ0,ϕ0 ) U0 (θ0,ϕ0 )
(a)
定义 2：在某方向产生相同电场强度的条件下，理想电源辐射功率 Pro
与某天线的输入功率
Pr
的比值。即：
D (θ0,ϕ0
)
=
Pro Pr
∫ ∫ 具体表达式： D(θ0,ϕ0 ) =
f (θ ) = cos(β l cosθ ) − cos β l
sinθ x 轴和 y 轴放置时又如何表示：
■半波天线: 方向图函数
F
(θ
)
=
cos
(π cosθ
sinθ
/
2)
主瓣宽度 2ϕ0.5 = 78o
方向性系数 D = 1.64 (2.15dB)
辐射阻抗 Zr = 73.1 + j42.5 (Ω)
(dB)
●给定某天线辐射电磁场 E 、 H
坡印亭矢量 W = 1 E × H* 2
辐射功率
∫∫ ∫∫ Pr =
W ⋅ ds = 1
s
2
E × H* ⋅ nˆ ds
s
●方向性系数 D：是表征天线辐射能量集中程度的参数。
定 义 1： 相 同 辐 射 功 率 Pr 条 件 下 ， 某 天 线 在 给 定 方 向 上 的 辐 射 强 度
场方向图函数的最大值。
三、阵列的辐射阻抗
1、天线阵中，每个阵元的辐射阻抗都是由（阵元的自阻抗）与（阵元 间的互阻抗）两部分组成的。
⎧⎪Zr1 ⎪
=
Z11
+
I2 I1
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
天线原理与设计3.1.2 笼形天线
笼形天线的方向性、尺寸的选择都与双极天线相同。笼形 天线用于移动式电台很不方便，在固定的通信台站应用较多
图 3-1-10 笼形天线结构示意图
笼形天线的等效半径ae可按下式计算:
ae
bn
na b
(3-1-14)
其中，a为单根导线半径； b为笼形半径； n为构成笼的 导线根数。若取a＝2 mm，b＝1.5 m，n＝8，则ae＝0.85 m， 上述64 m双极天线的特性阻抗为353.6 Ω。
2l a
1
120
ln
2 22 0.85
1
353.6
Z0A
120
ln
2l a
1
120
ln
44 0.002
1
1079
120
ln
2 22 0.85
1
353.6
为了进一步展宽笼形天线的工作频带，可将笼形天线改 进为分支笼形天线，如图3-1-11(a)所示，其等效电路如图31-11(b)所示，开路线3-5、 4-6与短路线3-7-4(分支)有着符 号相反的输入阻抗，调节短路线的长度，即改变3和4(参见图 3-1-11(a))在笼形上的位置，可以改善天线的阻抗特性，展宽
图 3-1-14 平面片形对称振子
ae
b
n
na b
1.5
8
8 0.002 1.5
0.85m
假设有一64m (即2×10(高)＋2×22(长)=64 m)双极天线， 其导线直径为4 mm时，特性阻抗约为1 kΩ，若用增加直径的 办法，使特性阻抗为350 Ω
Z0 A
天线原理与设计(王建)6PDF版
(1) 传输线模式
见图(b)，由端口a-b或e-f向短路端看去的输入阻抗为
Zt = jZ0 tan(β l / 2)
(4.19)
式中，Z0是双线传输线的特性阻抗。b、e两点等电位， 则a-b两点的输入电流为
(2) 天线模式
U /2 It = Zt
(4.20)
见图(c)，由于c、d两点同电位，g、h同
f0
f0
π
RA
(4.12)
由此式可见，对称振子的频带宽度与它的平均特性阻抗
Z'0有关。如果RA不变，那么Z'0愈小带宽就愈宽。由Z'0的
表示
Z0′
= 120[ln(
2l ρe
)
− 1]
(4.13)
可见，减小Z'0的有效途径是增大振子的截面半径。在中、 短波波段，广泛采用架设在地面上一定高度的水平对称
天线原理与设计
教师： 王建 电子工程学院二系
第四章 双极与单极天线
双极天线就是前面提到的对称振子天线，这种天线 从馈电输入端看去有两个臂。所谓单极天线，就是从输 入端看去只有一个臂的天线，如导电平板上的鞭天线， 垂直接地天线等。
4.1 近地水平与垂直半波天线
1、近地水平半波天线
近地水平半波振子天线广泛应用于短波(λ=10~100 米)通信中，其振子臂可由黄铜线、钢包线和多股软铜线 水平拉直构成，中间由高频绝缘子连接两臂，可由双线 传输线馈电，如下图所示。
链接
4.2 对称天线的频带宽度
天线的电气参量大多数都是频率的函数。当工作频 率偏离中心频率(设计频率)时，可能使方向图发生畸变， 增益下降，馈电传输线上驻波增大等。因此，工程上往 往要规定一个频率范围。在此频率范围内，天线的电特 性变化不影响工作，这个频率范围就是工作频带宽度。
天线原理与设计3.1.3 V形对称振子
cos kl
sin
jcos
sin kl
e jkr
(3-1-16)
相应地, 可求出V形振子角平分线方向上的方向系数，如 图3-1-16所示。对应于最大方向系数的张角称为最佳张角 2θopt，一般来说，l/λ值愈大，2θopt值也就愈小。对于 0.5≤l/λ≤3.0 的V形天线, 有如下的经验公式：
图3-1-15 V形对称振子
为了求出V形对称振子的远区场，首先考虑振子的一个 臂。设线上电流按正弦分布，仿照1.4节由电基本振子的场通 过积分求对称振子场的方法，可求得这一驻波单导线的远区
E 1
(r, ,)
j 30 I m r
e jkl
cos
cos kl
sin
jcos
sin kl
(3-1-18)
V形天线的设计任务是选择适当的张角2θ0，使得两根直线段所产生 的波瓣指向同一方向。一般来说如果希望V形天线的最大辐射方向位 于V形平面的角平分线上，则张角的最佳值是单根直线天线轴与其主 瓣夹角的两倍。
3.1.3 V
在第1章我们学习了自由空间对称振子。对于这种直线 式对称振子，当l/λ=0.635时，其方向系数达到最大值Dmax =3.296。
如果继续增大l，由于振子臂上的反相电流的辐射，削弱 了θ=90°方向上的场，使该方向的方向系数下降。如果对称 振子的两臂不排列在一条直线上，而是张开2θ0， 构成如图 3-1-15所示的V形对称振子(Vee Dipole)，则可提高方向系数。 V形天线的设计任务是选择适当的张角2θ0，使得两根直线段 所产生的波瓣指向同一方向。
2opt
152
l