天线设计基础
天线工程设计基础课件：阵列天线
性，根据电磁波在空间相互干涉的原理，把具有相同结构、
相同尺寸的某种基本天线按一定规律排列在一起，并通过适
当的激励达到预定的辐射特性，这种多个辐射源的结构称为
阵列天线。根据天线阵列单元的排列形式，阵列天线可以分
为直线阵列、平面阵列和共形阵列等。
阵列天线
直线阵列和平面阵列形式的天线常作为扫描阵列，使其主波
波束最大值方向，则
阵列天线
6. 2. 2 天线阵的分析
1. 均匀线阵的分析
相邻辐射元之间距离相等，所有辐射元的激励幅度相同，
相邻辐射元的激励相位恒定的线阵就是均匀线阵，如图 6.2所示。列天线图 6.2 均匀线阵
阵列天线
1 )均匀线阵方向图
若 n 个辐射元均匀分布在 z 轴上，这时单元的位置坐标
向图函数。当阵列单元相同时， f n (θ ， ϕ ) = f ( θ ， ϕ )，
对于均匀直线阵有 I n = I 0 ，上式可化为
阵列天线
其中
阵列天线
式(6－62 )为方向图乘积原理，即阵列天线的方向图函
数等于阵列单元方向图函数与阵列因子的乘积。 S (θ ， ϕ )
称为阵列因子方向图函数，它和单元数目、间距、激励幅度
单元共轴排列所组成的直线阵，阵列中相邻单元的间距均为
d ，设第 n 个单元的激励电流为 I n ej β n ，通过将每个阵列
单元与一个移相器相连接，使电流相位依次滞后 α ，
阵列天线
将单元 0 的相位作为参考相位，则 βn =nα 。由几何关系可
知，当波束扫描角为 θ 时，各相邻单元因空间波程差所引起
瓣指向空间的任一方向。当考虑到空气动力学以及减小阵列
天线的雷达散射截面等方面的要求时，需要阵列天线与某些
半波对称振子天线设计基础理论
半波对称振子天线设计基础理论
半波对称振子天线是一种常用的天线类型，具有较宽的频带、良好的方向图和极佳的输入驻波比性能。
其基础理论如下：
1. 振子长度：半波对称振子的长度为1/2波长，即L = λ/2。
当振子长度为半波长时，天线的辐射阻抗达到50Ω，从而与50Ω的传输线匹配。
2. 振子宽度：振子宽度一般为1/100-1/20波长。
振子宽度越大，天线的频带宽度越宽，但方向性较差。
振子宽度越小，则天线的频带宽度较窄，但方向性较好。
3. 振子位置：振子的位置一般选在天线的中心处。
当振子偏离中心时，方向图会产生副瓣。
4. 地面平面：半波对称振子天线需要一个地面平面作为反射面。
地面平面越大，天线的方向性越好。
5. 带宽：半波对称振子天线的频带宽度一般为10%-20%。
当频带宽度较宽时，天线的方向性较差，同时还会影响输入驻波比的性能。
6. 输入阻抗：半波对称振子天线的理论输入阻抗为75Ω。
为了与50Ω的传输线匹配，常采用具有阻抗转换功能的馈送系统，如斯密特馈线。
除此之外，半波对称振子天线还需要考虑其他因素，如天线的高度、材料、绝缘子等，以及天线与周围环境的电磁相互作用等。
第一章天线基础知识PPT课件
等效关系： Rr 2Pr /IA2
辐射电阻： Rr 8(0l/)2
辐射功率取决于电偶极子的电长度，频率越高 或波长越短，辐射功率越大。已经假定空间媒 质不消耗功率且在空间内无其它场源，所以辐 射功率与距离r无关。
17
1.1.2 对偶原理与磁基本振子
（1）对偶原理 （2）磁基本振子
18
（1） 对偶原理
电荷与电流是产生电磁场的唯一源。自然界中至今 尚未发现任何磁荷与磁流存在。但是对于某些电磁场 问题，引入假想的磁荷与磁流是有益的。
对偶原理
如果将上述电场及磁场分为两部分：一部分是由电荷及电
流产生的电场 及Ee (磁r )场 ；另He一(r)部分是由磁荷及磁流产生 的电场 及磁场Em(r，) 即 Hm(r)
由对偶关系：
22
磁偶极子的辐射总功率
1
P rs S ad v s s 2 R E e H ] [ d s 1
4 6 I m 2 (0 s ) 2
磁偶极子的辐射电阻
Rr
2Pr Im2
3204(s)2
同样长度的导线，绕制成磁偶极子，在电流
振幅相同情况下，远区的辐射功率比电偶极子
的要小的多。
工程上常采用两个正交平面方向图，自由空 间中两个最重要的平面方向图是E面和H面。E 面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的 平面，H面即磁场强度矢量所在并包含最大辐振子的H平面方向图
功率方向图反映辐射的功率密度与方向之间 的关系，它与场强方向图关系为
25
（1）方向函数
方向性，就是在相同距离的条件下天线辐 射场的相对值与空间方向的关系。 天线远场区：
方向函数：
归一化方向函数：
天线设计的原理与实现方式
天线设计的原理与实现方式天线是电磁波收发的关键部件，是无线通信中不可或缺的重要元件，不同的天线设计可以实现不同的工作频率、增益、方向性、天线匹配等性能。
本文将介绍天线设计的原理和实现方式，帮助读者更好地理解天线的工作原理和参数设计。
一、天线设计的基本原理天线是将电磁波转换为电信号或反之的电器（电磁设备），它是无线通信系统中的关键部件之一。
天线设计基本原理包括天线性能指标和天线结构设计两部分。
1、天线性能指标天线的性能指标主要包括工作频率、增益、方向性、天线匹配等。
不同的天线类型和应用场景需要不同的性能指标来实现特定的功能。
（1）工作频率工作频率是指天线在工作中所应用的频率范围，通常为频段或中心频率等。
天线的设计要根据应用环境和所需要的信号频率来确定。
（2）增益增益是指天线辐射的功率与理想点源天线辐射的功率的比值，通常以dB为单位。
天线的增益与其结构形式、工作频率、方向性等有关。
（3）方向性方向性是天线传输能量的方向特性，是指天线辐射模式的立体角分布。
天线的方向性与其结构形式、工作频率、增益等有关。
（4）天线匹配天线匹配是指天线系统整体与其驱动器之间阻抗匹配的关系，使得天线系统的传输和接收线路具有最佳阻抗匹配状态，以提高天线的输出功率和信噪比。
2、天线结构设计天线结构设计是指天线的实现方式，包括天线结构形式、阻抗匹配方式、辐射元件、天线材料等方面。
（1）天线结构形式天线结构形式可以分为线性天线、环形天线、阵列天线、反射天线、补偿天线、微带天线、偏振天线等多种形式，每种天线形式都有其特点，应根据具体要求来选择天线结构形式。
（2）阻抗匹配方式阻抗匹配方式主要有天线冷端阻抗、贴片阻抗、隔离光缆、转换器和偶合电路等多种方法。
（3）辐射元件天线的辐射元件包括天线辐射体、驱动器和辅助元件等。
辐射体和驱动器是天线最基本的组成部分，辅助元件包括反射盘、支撑杆、防射线等。
（4）天线材料天线材料主要包括导体、绝缘材料、衬底材料等。
天线设计知识点
天线设计知识点天线是现代通信系统中至关重要的组成部分，在无线通信、卫星通信、雷达、电视广播等领域都发挥着重要作用。
本文将介绍一些天线设计的知识点，包括天线的基本原理、设计要素、常见类型以及未来的发展方向。
一、天线的基本原理天线是将电磁波从传输线转换为自由空间辐射或从自由空间接收的装置。
它根据麦克斯韦方程组的基本原理工作，其中包括电场分布、磁场分布、辐射功率等。
根据天线的不同工作频率和应用，可以选择不同的天线类型。
二、天线设计的要素1. 频率范围：天线设计需要根据工作频率范围选择合适的天线类型。
常见的频率范围包括超高频（UHF）、高频（HF）、甚高频（VHF）等。
2. 增益：天线的增益是指天线辐射能量的强度，通常用分贝（dB）表示。
增益越高，天线的信号传输和接收效果越好。
3. 方向性：天线的方向性决定了其辐射和接收信号的方向，分为全向性和定向性。
全向性天线能够在各个方向上辐射和接收信号，而定向性天线只能在特定方向上有效。
4. 阻抗匹配：天线的输入阻抗需要与传输线或接收设备的阻抗匹配，以最大限度地传输或接收信号。
三、常见天线类型1. 线性天线：包括半波振子天线、全波振子天线等，常用于无线通信和电视广播。
2. 偶极子天线：适用于频率范围较高的应用，如超高频和高频通信。
3. 短偶极子天线：在尺寸有限的情况下实现宽带响应，常用于无线局域网（WLAN）和蓝牙通信等。
4. 槽天线：利用金属槽的辐射特性，适用于宽频带和高增益的应用，如雷达和卫星通信。
5. 贴片天线：体积小、重量轻，适用于小型电子设备中的无线通信。
6. 阵列天线：由多个单个天线组成，通过相位控制实现指向性辐射。
世、天线设计的未来发展方向1. 小型化：随着电子设备越来越小型化，天线也需要适应更小尺寸的应用场景。
2. 宽频带：天线对不同频段的适应能力将成为未来的发展趋势。
3. 多功能集成：天线将不仅仅用于无线通信，还将融合其他功能，如传感、定位等。
4. 自适应天线：根据环境和工作条件的变化，天线可以自动调整辐射特性，提高通信质量。
天线基础知识
天线基础-安装
天馈安装参数--下倾角
• 天线下倾波束可采用固定电下倾、机械下倾或两者结合的方式
– 固定电下倾的角度与天线型号相关 – 机械下倾角度可调，一般不超过 12º
• 电下倾和机械下倾方法，产生不同的表面辐射，下倾角度较小时，区 别不大；但随着下倾角度的增加，区别较为明显
天线基础-安装
天馈安装参数--下倾角
垂直极化
水平极化
单极化
双极化
水平极化波的电场平行于水平面，在地面 上传播时损耗大；垂直极化波的电场方向 垂直于水平面，在地面上传播时损耗小。
为了得到分集增益，物理上单极化天线需 要两根天线，安装会受到空间的影响。而 双极化天线内集成了两根天线，能够节省 安装空间。
振 子
磁场 电场
电波传输方向
分集距离 D
工作频率 / 垂直极化 / 210°水平波束宽度 / 12 dBi 增益 / 不预置下 倾 / 零点填充
天线基础-选型 天线选型原则－山区
应用环境特点： • 在偏远的丘陵山区，山体阻挡严重，电波的传播衰落较大，覆盖难度大。
以下这几种情况比较常见：盆地型山区建站、高山上建站、半山腰建站、 普通山区建站等 天线选取原则： • 定向天线
天线基础-选型
天线选型原则－农村
应用环境特点： • 基站分布稀疏，话务量较小，覆盖要求广。有的地方会采用孤站覆盖，
覆盖是最受关注的问题，这时应结合基站周围需覆盖的区域来考虑天线 的选型 天线选取原则： • 定向天线 工作频率 / 垂直极化 / 90～120 ° 水平波束宽度 / 较高增益16～18 dBi / 不预置下倾 / 零点填充 • 全向天线 工作频率 / 垂直极化 / 11 dBi 增益 / 不预置下倾 / 零点填充
天线设计与制作详解
天线设计与制作详解天线是一种电子器件，主要用于接收和发送无线电波。
天线的设计和制作对通信的质量和效率至关重要。
本文将详细探讨天线设计和制作的相关知识。
一、天线的基础知识天线是将电能转换成电磁波或将电磁波转换成电能的一种装置。
根据天线的性质，可以将它们分为接收天线和发射天线两种。
接收天线主要负责接收电磁波，将其转换成电能，以便进行后续处理。
而发射天线则主要负责将电能转换成电磁波，以便向外发送信号。
天线的输入阻抗是一个重要的参数，它决定了信号的传输效率和天线的功率损失。
当天线的输入阻抗与负载的阻抗相等时，传输效率最高。
否则，就会有一定的功率损失。
因此，在天线设计和制作中，输入阻抗的匹配非常重要。
二、基本天线结构在天线设计和制作中，有许多不同种类的天线。
然而，许多天线都具有相似的基本结构。
这些基本结构主要包括偶极天线、单极天线、环形天线、宽带天线等。
1.偶极天线偶极天线是最常见的天线之一。
它由两根平行金属导体组成，通常被安装在支撑杆或桅杆上。
偶极天线的长度决定了它的共振频率，因此，在设计时必须考虑所需的频率范围。
2.单极天线单极天线通常被称为“垂直天线”，因为它们垂直于地面。
单极天线由一个导体和地面组成。
单极天线的长度通常为1/4或1/2波长。
3.环形天线环形天线由一个圆形或椭圆形的金属环组成。
环形天线的输入阻抗通常是50欧姆，因此，可以方便地用于与线性放大器和其他电路连接。
4.宽带天线宽带天线被设计为在较大的频段内工作，其输入阻抗与负载的阻抗匹配性能也比较稳定。
宽带天线常用于无线通信中。
三、天线制作过程天线的制作需要一些专业知识和技能。
如果您是初学者，最好选择一些简单的天线作为练习项目。
以下是一些制作天线的步骤：1.选择天线类型：根据所需的频率范围和应用程序，选择适当的天线类型。
2.收集所需材料：天线制作需要一些特殊的材料，如铜线、电缆、压接端子、电绕线等。
此外，需要工具如钳子、剪刀、万用表、电钻等。
射频天线设计要点
射频天线设计要点在无线通信系统中，射频天线是起到频率转换和增益放大的作用，是整个系统中非常重要的部分。
正确设计和调试射频天线可以显著提高系统的性能和覆盖范围。
以下是一些设计射频天线的关键要点：1. 频率选择：首先要确定射频天线所工作的频率范围，根据频率来选择合适的天线类型，如全向天线、定向天线或者扁平天线等。
2. 天线形状：天线的形状会影响其辐射特性，不同的形状适用于不同的应用场景。
需要根据具体要求选择合适的形状设计天线。
3. 辐射效率：辐射效率是指射频信号通过天线辐射出去的程度，是一个重要指标。
有效地调整天线的结构和参数可以提高辐射效率，提升信号传输质量。
4. 阻抗匹配：射频天线的阻抗匹配是确保天线与传输线之间能够有效传输信号的重要环节。
通过调整天线的匹配网络可以实现阻抗匹配，提高系统的性能。
5. 天线位置：天线的安装位置和方向会直接影响信号的覆盖范围和强度。
需要在设计中考虑好天线的安装位置以及方向，确保信号覆盖范围的均匀性和完整性。
6. 扩展性能：射频天线的设计需要考虑其扩展性能，即能否适应未来技术的发展和系统的升级。
在设计时需要考虑系统的未来发展方向，保证天线的设计能够满足未来需求。
7. 天线测试：设计完射频天线后，需要进行测试验证其性能是否符合要求。
可以通过天线测试仪器检测天线的辐射性能、阻抗匹配等指标，确保天线设计的准确性。
综上所述，射频天线设计是整个无线通信系统中至关重要的一环。
正确设计和调试射频天线可以有效提高系统的性能和覆盖范围，确保信号传输质量。
设计时需要考虑到频率选择、天线形状、辐射效率、阻抗匹配、天线位置、扩展性能和天线测试等关键要点，以确保天线设计的准确性和有效性。
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S G max S0
Pin Pin 0
Emax E0
2
2 Pin Pin 0
∆ 式中Pin、Pin0分别为实际天线和理想 无方向性天线的输入功率。 ∆ 理想无方向性天线本身的增益系数为1。
∆ Gi：dBi 的参考基准为全方向天线 ∆ Gd：dBd的参考基准为偶极子 ∆ 一般认为，表示同一增益，Gd = Gi – 2.15 (dB)
天线设计基础
概述
什么是天线？ 能够有效地向空间某特定方向辐射 电磁波或能够有效的接受空间某特定方向 来的电磁波的装置。 能量转化 天 线 功 能
电缆内高频电流
常见天线
无线电设 备
天线 进得去，出的来
天线作用
天线是一种无源器件，不能放大信号，将传输 线 中的高频电磁能转为自由空间的电磁波，或反之将
外部因 素
电磁 干扰
1. 元器件的线性度，热噪系数 2. 增以及增益平坦度 3. 三阶交调失真 谐波
内部因 素
4.
5. 反馈及热效应
6. 带外抑制 7. 插入损耗 8. ……
技术指标
降低SAR的办法 ∆ 降低发射功率; ∆ 修改天线pattern，改变天线辐射方向； ∆ PCB板中间摆放接地器件，改变天线辐射方向; ∆ ……
receiver
摆放接地元器 件位置，如按 键,接地导线等 等
天线
种类及特点
FPC （Flexible Printed Circuit 即柔性电路） 材质 1. 优点 1,柔软性比较好； 2，便于修改 2. 性能稳定，一 致性好; 避免手机内部 集成度高，可以 元器件的干扰; 压缩体积减少成 增强空间利用 本 率 LDS (Laser-DirectStructuring即激 光直接成型技术) PCB天线 陶瓷天线 螺旋天线
∆ 同一天线发射的无线电波不同方向上的辐射强度是不 同的，所以定义比最大辐射方向上的功率下降3dB的 两个方向之间的夹角为波瓣宽度。在水平面和垂直面 各有一个波瓣宽度，如右图所示。 ∆ 水平波瓣宽度和垂直波瓣宽度是相互影响的，其关系 式为
Ga log
32400
Ga 为天线增益；β为水平波瓣宽度；θ为垂直波瓣宽度。
TRP
TIS
∆ SAR − 单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁功率， 单位为W/kg。美标（1.6mw/g，1g平均）中国与欧 标（ 2.0mw/g，1g平均）
技术指标
影响TIS的因素
传到数据 − 线损 − 效率
2.
− 干扰 = TIS(暗室测出来的数据)
1. Layout之间走线干扰 马达，喇叭，金属等元器件对天线产生耦合 各元器件之间的杂散辐射 外部辐射体对天线干扰 高速数据线对天线的干扰 关键器件的屏蔽 …… 3. 4. 5. 6. 7.
带宽比较宽
充分利用边框与 后盖来做天线
利用金属边框作 为天线
缺点
天线面积，高度 要求比较大
1. 2.
对净空有极大的 要求
净空有要求，对 断缝位置有要求
净空有要求，对 断点位置有要求， 手握性能不是很 好
技术指标
射频系统性能指标 ∆ TRP ∆ TIS
频段 GSM900 DCS1800 TD/1900 TD/2100 头+手（TRP） ≥16dBm ≥16dBm ≥12dBm ≥12dBm 头+手（TIS） ≤-92dBm ≤-93dBm ≤-99dBm ≤-99dBm
Radiated by Isotropic Ant. Radiated by Dipole Ant.
Radiated by other Ant.
技术参数
方向系数(Directivity) ∆ 定义在同一距离及相同辐射功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax（或场强 |Emax|2的平方）和无方向性天线(点源)的辐射功率密度S0（或场强|E0|2的平方）之比，记为D。用 公式表示如下：
自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能 。
……
天线分类
天线的分类 ∆ 按波长：中波、短波、超短波、微波天线等 ∆ 按状态：发射天线、接收天线、收发共用天线等 ∆ 按极化方式：线极化、圆极化、椭圆极化天线等 ∆ 按用途：通信、广播电视、雷达、导航天线等 ∆ …… 频谱的划分
用途分 类
…….
主要运用 适合频段比较多 领域 的设计
适合频段比较多的 适合蓝牙，双频 设计 的设计
λ= c/f
c 为光速
技术参数
工作频 率范围
频带宽 度
输入阻 抗
波瓣宽 度
驻波比
前后比
天线
回波损 耗
增益
极化 方向性
效率
… …
技术参数
输入阻抗
8W
∆ 阻ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ调试的方式： − 通过网络分析仪，进行直观的观察终端天 线的 VSWR/Return Loss/smith
10W
AC
8W 2W
匹配電路 (Feed Point 饋入點)
技术参数
极化 ∆ 定义：描述天线辐射电磁波矢量空间指向的参数。 ∆ 由于电场与磁场有恒定的关系，故一般都以电场 矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。
E B
E B
E
B
垂直极化
水平极 化
+ 45度倾 斜的极化
技术参数
波瓣宽度
∆ 顾名思义，就是无线电波辐射形成的扇面所张开的角 度。
Z L ZO Z L ZO
ZL: 天线输入阻抗 Z0: 线路特性阻抗
VSWR
RL 10 logp(r )
最大电压振幅 (Vmax ) 1 最小电压振幅 (Vmin ) 1 p(i )
∆ 入射电压完全反射时, Γ=1, VSWR无限大；反之, 如 完全无反射时, Γ=0, VSWR理想值为1 ∆ Return Loss与VSWR的关系
Z in Z O Z in Z O
技术参数
增益与方向系数的关系 ∆ 公式为
Smax G S0 G AD
Pin Pin 0
ASmax
S0
Pr Pr 0
∆ 由此可见，增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的 乘积。
Smax D S0
Pr Pro
Emax E0
2
2 Pr Pro
∆ 式中Pr、Pr0分别为实际天线和无方向 性天线的辐射功率。
Radiated by Isotropic Ant. Radiated by Dipole Ant. Radiated by other Ant.
技术参数
效率 ∆ 定义为天线辐射功率Pr与输入功率Pin之比，记为ηA，即
以终端设计为例
PIFA MONOPOLE LOOP 金属后盖
金属边框 +玻璃后盖
天线形式
馈 电 点 地 点 馈 电 点
馈 电 点
地 点
1. 优点 2.
3.
天线抗干扰 强，允许摆 放器件 稳定性比较 好 SAR值相对 比较低
1. 2.
容易在高度 小的空间设 计天线； 不能在天线 的附近摆放 器件 SAR值比较 高； 净空要求比 较高
VSWR = (1+(10^RL/20)) / ((10^RL/20)-1)
技术参数
增益 ∆ 定义为：在同一距离及相同输入功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax(或场 强|Emax|2的平方）和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度S0（或场强|E0|2的平方）之比， 记为G 。
Pr Pr Rr Pin Pr Pl Rr Rl
P l 损耗功率 Rl 损耗电阻 Rr 辐射电阻
考虑到馈线与天线失配引入的反射损耗，则天线的总效率应为
A (1 )
2
反射系数 Z in 天线输入阻抗 Z O 传输线的特性阻抗
3.
有效缩小天线尺 寸，并能达到隐 藏天线
常用于对定位精 度要求较高或环 境复杂、严苛的 应用中
缺点
空间利用率不好；
价格比较贵
对PCB板的净空 有严格要求
对多频段的天线 设计比较困难， 遵循厂家对接地 面积的尺寸要求 适合低耗电率的 的蓝牙设计
价格比较贵,占用 空间面积比较大 适合GPS、WIFI 单频天线的设计