天线理论与设计1
《天线理论与设计》大纲
《天线理论与设计》研究生课程教学大纲课程类别：专业基础课课程名称：天线理论与设计开课单位：信息与通信工程学院课程编号：总学时：20 学分：1适用专业：电子与通信工程先修课程：大学物理、矢量分析与场论、电磁场与电磁波一、课程在教学计划中地位、作用天线理论与设计主要研究无线电波传播的辐射与接收，从理论上阐述天线的基本原理，天线的类型与应用范围，常用天线的形式，结构，性能，以及测试与设计方法，通过本课程的学习和实践，使学生能够比较系统和全面地掌握天线理论与设计的基本概念、原理和主要先进而实用的技术，了解天线理论与设计的技术特点、发展和实际应用情况，具备一定的天线理论与设计理论基础。
为今后从事天线理论与设计打下基础。
二、课程内容、基本要求第1章天线基础知识1．了解天线在无线系统中的作用、天线的分类2．掌握电流元、磁流元的辐射3．掌握发射天线的电参数、互易定理与接收天线的电参数，理解各项参数的基本概念4．掌握对称振子的基本特点、理解天线阵的方向性、对称振子阵的阻抗特性，学会天线阵的参数分析方法5．了解无限大理想导电反射面对天线电性能的影响第2章简单线天线1．理解水平对称天线的方向性、输入阻抗、方向系数、尺寸选择，掌握常用水平对称天线的设计方法2．掌握不同直立天线的基本特点与设计方法3．理解环形天线的基本特性与设计方法4．理解引向天线与背射天线的工作特点第3章行波天线1．理解行波单天线及菱形天线的工作原理与应用场合，掌握此类天线的参数分析方法2．理解螺旋天线的工作原理与应用场合，掌握螺旋天线的参数分析方法第4章非变频天线1．掌握非变频天线的基本概念2．理解阿基米德螺旋天线的工作原理与设计方法3．理解对数周期天线的工作原理与设计方法第5章缝隙天线与微带天线1．理解缝隙天线、缝隙天线阵的工作原理与设计方法2．理解矩阵微带天线、双频微带天线的工作原理与设计方法第6章面天线1．理解等效原理与惠更斯元的辐射2．掌握平面口径的辐射一般计算公式、同相平面口径的辐射、同相平面口径方向图参数、相位偏移对口径辐射场的影响3．理解矩形喇叭天线的口径场与方向图4．理解圆锥喇叭、馈源喇叭、旋转抛物面天线几何特性与工作原理以及抛物面天线的方向系数和增益系数，掌握此类天线的分析设计方法5．掌握卡塞格伦天线的工作原理6．理解喇叭抛物面天线第7章智能天线1．掌握智能天线的基本原理2．了解自适应数字波束形成3．理解多波束天线。
天线原理与设计习题集解答第1章
(2)对图(b)求其xz面和yz面和xy面方向图函数，并画出这三个平面内的方向图。
解：采用镜像法，则近地水平和垂直二元阵的镜像如下图所示
(c)近地水平二元阵及其镜像(d)近地垂直二元阵及其镜像
图中， ， 。
(a)近地水平二元阵
采用扩展的方向图相乘原理可得总场方向图函数为
天线原理与设计习题集
第一章天线的方向图
(1-1)如图1为一元天线，电流矩为Idz，其矢量磁位表示为 ，试导出元天线的远区辐射电磁场 。(电磁场与电磁波P163)
图1-1 (a)元天线及坐标系(b)元天线及场分量取向
解：利用球坐标中矢量各分量与直角坐标系中矢量各分量的关系矩阵
因 ，可得
由远场公式
可得 (V/m)
解：(1)天线上电流为均匀分布时
将对称振子分为长度为 的许多小段，每个小段可看作是一个元天线，如下图所示。
距坐标原点 处的元天线的辐射电场为
作远场近似，对相位 ，对幅度 ，且 ，得
则远区总场为这些元天线的辐射场在空间某点的叠加，用积分表示为
式中方向图函数为：
均匀电流分布的对称振子，其最大辐射方向在侧向。方向图函数的最大值为
外部问题的求解主要有：
辅助源法、矢量法，这两种是严格的求解方法；
等效法、惠更斯原理法、几何光学法、几何绕射法，这些都是近似方法。
(8-2)试述几何光学的基本内容及其在口径天线设计中的应用。
答：在均匀的媒质中，几何光学假设能量沿着射线传播，而且传播的波前（等相位面）处处垂直于射线，同时假设没有射线的区域就没有能量。
二元阵的总场方向图函数为
式中，单元方向图函数为
二元阵的阵因子为 ，
天线理论与设计—第一章
第一章
1.5 电流元的辐射
1.电流元(电振子) 电振子是一段长度l远小于波长, 电流I振幅均匀分布、 相 位相同的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天线 均可看成是由一系列电振子构成的。 下面首先介绍电振子的辐射特性。
在电磁场理论中, 已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电
的横电磁波, 所以远区场又称辐射场; 2 1 1 kI l ˆ ˆ S1 E H r E H r sin 2 2 2 4r Eθ/Hφ=η=
u0 / = 0 120π（Ω）是一常数, 即等于媒质的本征
阻抗, 因而远区场具有与平面波相同的特性;
远场区
R1
辐射近场区
图1.2 天线场区划分示意图
第一章
1.2 场区划分 对式（ 1-63、64 ）进行分析可知: (1) 近区场（r<<）
Er j Il cos 3 2kr
Il E j sin 3 4kr Il H sin 3 4r 在近区（r<<）, 电场Eθ和Er与静电场问题中的电偶极子的 电场相似, 磁场Hφ和恒定电流场问题中的电流元的磁场相 似, 所以近区场称为准静态场; 电场与磁场相位相差90°, 说明玻印廷矢量为虚数, 也就是 说, 电磁能量在场源和场之间来回振荡, 没有能量向外辐射, 所以近区场又称为感应场。
1，感应近场区 （0RR1） 2，辐射近场区 （R1RR2） 3，远场区 （R2R）
R2 2D /
2
R1 0.62 D /
3
s
第一章
1.4 辐射问题的麦克斯韦方程的解
已知辐射源分布J，求解辐射场E和H，
天线理论与设计
3.轴向模螺旋天线上沿螺旋线行进的行波的相速度比在 自由空间时平面波的速度 （大或小），这种螺旋线 导行的波被称为 。 4.根据第六章宽带天线所学内容说出三种具有宽带特性的 天线型式： ， 和 。
10.天线辐射方向图,按不同辐射特性主要定义为 方向图,二者关系的数学表示是 。
概念原理复习
11.发射天线是垂直极化，接收天线为水平极化，则极化失配 因子等于 ；发射天线是圆极化，接收天线为水平极化， 则极化失配因子等于 。 12.均匀激励等间距线阵，当N较大时第一副瓣电平趋于 余弦渐削分布的旁瓣电平为 dB。 13.天线的远区场角分布与 无关,电场与磁场满随着振子长度的增加,方向性系数 方向图开裂,方向性系数急剧下降。 15．等幅同相二元阵间距大于
,但振子长度超过
方向图将出现多瓣。
概念原理复习
三、试叙述微带贴片天线的结构，辐射机理及其优缺点。 四、试叙述八木－宇田天线的结构及其工作原理。 五、试叙述对数周期振子阵的结构及辐射机理。
概念原理复习
相似原理（缩比原理）: 指天线的所有尺寸和工作频率（或波长）按相同的比例 变化，天线的性能将保持不变。（换言之，若天线的电 尺寸保持不变，天线的性能也将不变。）
方向性系数:最大辐射方向上的方向性值
概念原理复习
一、填空题
1.根据天线产生场的特性可以将离天线从近到远的空间 区域划分为 、 和 三个场区。一般天线方向图 是在 场区定义。
六、利用一在轨卫星上36 dB增益的天线，以点波束指向最远2000km外地 球上的用户，系统在频率3GHz时能发射的功率最大可达7W。如果用户的 2 dB增益天线指向卫星，为使其在最大距离处至少收到100dBm功率， 求卫星所需的发射功率，且系统发射功率是否满足所需功率要求？
天线理论与设计—第二章
n 0,1,2, 顺时针 n 0,1,2,逆时针
左旋圆极化波为逆时针，右旋圆极化波为顺时针
第二章
3，椭圆极化 A.
Ex Ey , 45
Ex Ey , 45
n
n
n 0,1,2
n 0,1,2
B.
1 2n 2 1 2n 2
第二章
波瓣
主瓣、副瓣、旁瓣和背瓣
第二章
第二章
波瓣宽度 半功率波瓣宽度：从方向图的原点过辐射强度是最大值一
半(对应场强是最大值的 1
2 )的点的
矢量所夹的角度。（3dB波瓣宽度） E面和 H面的半功率波瓣宽度分别用2HPE 和2HPH表示。 第一零陷波瓣宽度：从方向图的原点与主瓣的根部相切的 矢量所夹的角度。用20表示 副瓣电平（SLL）：副瓣峰值与主瓣最大值之比。 以分贝表示为
2 40 ° 2 70 °
3 00 °
(a ) 极 坐 标 表 示 的 H面 方 向 图
E
1 0 .9 0 .8 0 .7 0 .6 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0 0 －5 －10 －15 －20 －25 －30 －35 20 40 6 0 8 0 1 00 1 20 1 40 1 60 1 80 / ° (b ) 直 角 坐 标 H面 方 向 图
Pin 1 2 I in Rr 2 e 1 1 2 2 I in Rr I in Rl 2 2 e
r
Rr Rr Rl
对于电小天线
1 Rl Rr e 2
Rr Rin
对于一些口径天线
e 1
第二章
2.2.2 辐射方向图 定义：天线的辐射特性随空间坐标的变化图形。 通常辐射方向图在远区确定，辐射特 性包括场强、辐射强度、相位或极化。
天线理论课件01Chapter01
Types of Antennas
1.Wire antennas 2 Aperture antennas 2.Aperture 3.Microstrip antennas 4.Array antennas 5 Reflector antennas 5.Reflector 6.Lens antennas
11
Introduction
Issues related to the efficiency of electromagnetic energy transfer In addition to receiving or transmitting energy, an antenna in an advanced wireless system is usually required to optimize the radiation energy in some directions and suppress it in others others. Thus the antenna must also serve as a directional device in addition to a probing device. Directivity of an Antenna Ominidirectional antenna
Introduction
In transmitting mode, converts guided EM waves to freespace EM waves; In receiving mode, converts free-space EM waves to guided EM waves
Grading Policies
Attendance and Interactive_Questionaires: 40%; Final Examination: 60% Simulations of antennas by using commercial software Choice questions (open book testing)
天线理论与技术课程设计
天线理论与技术课程设计报告课程名称均匀直线阵专 业 通信工程班 级 班学 号姓 名指导教师2015年5月8日一、实验目的：1. 了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数2. 运用MATLAB仿真阵列天线的方向图曲线3. 变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系二、实验环境：MATLAB8.0，WIN8.1系统三、实验原理：单个天线的方向性是有限的，为了加强天线的定向辐射能力，可以采用天线阵(Arrays)。
天线阵就是将若干个单元天线按一定方式排列而成的天线系统。
排列方式可以是直线阵、平面阵和立体阵。
实际的天线阵多用相似元组成。
所谓相似元，是指各阵元的类型、尺寸相同，架设方位相同。
天线阵的辐射场是各单元天线辐射场的矢量和。
只要调整好各单元天线辐射场之间的相位差，就可以得到所需要的、更强的方向性。
1. 阵列天线：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。
阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和—矢量和由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。
2. 方向图乘积原理：天线阵的合成方向图等于单元天线方向图与阵列因子的乘积。
方向图乘积定理f(θ,φ)=f1(θ,φ)×fa(θ,φ) （3-1）上式表明，天线阵的方向函数可以由两项相乘而得。
第一项f1(θ,φ)称为元因子（Primary Pattern ），它与单元天线的结构及架设方位有关；第二项fa(θ,φ)称为阵因子（Array Pattern ），取决于天线之间的电流比以及相对位置，与单元天线无关。
方向函数（或方向图）等于单元天线的方向函数（或方向图）与阵因子（或方向图）的乘积，这就是方向图乘积定理。
已知对称振子以波腹电流归算的方向函数为：()cos(cos )cos()()60/sin m E kl kl f I r θθθθθ-== （3-2） 将l=0.25λ代入式上式可得半波振子的方向函数为：cos(cos )2()sin F πθθθ= （3-3） 如果均匀直线阵的单元天线为半波阵子的话，此即为元因子。
天线原理与设计(王建)1PDF版
可见，天线方向图是在远区球面上的场强分布。
●归一化方向图
f (θ ,ϕ ) F (θ ,ϕ ) = f (θ m ,ϕ m )
(0.3)
式中，(θm ,φm)为天线最大辐射方向；
f (θm ,φm)为方向图函数的最大值。
由归一化方向图函数绘制出的方向图称为归 一化方向图。由式(0.1)和(0.2)可以看出，天线远 区辐射电场和磁场的方向图函数是相同的，因 此，由方向图函数和归一化方向图函数表示的方 向图统称为天线的辐射场方向图。
为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下 几大类：
(1～6)章 (1) 线天线(Wire Antennas) —— ——(1
(8～10章) (2) 口径天线(Aperture Antennas) —— ——(8
(3) 阵列天线(Array Antennas) —(1章部分，5章)
(4) 透镜天线(Lens Antennas) —(10章部分)
六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这 个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用 方面都在突飞猛进的发展。
(1)在天线理论方法方面
■几何绕射理论 ■平面波谱展开法 ■时域有限差分法 ■天线近场测量理论 ■矩量法 ■有限元法 ■时域积分方程法 ■阵列分析与综合理论
这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础， 随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自动 化设计软件。
■ HFSS软件 ■ CST软件 ■ FEKO软件
■ IE3D软件 ■ FIDELITY软件
(2)在天线技术应用方面
卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线 的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面 天线馈源。 雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉 冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。 半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波 甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带 化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、 印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。 微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便 于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发 展，其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频 谐振等。