天线原理与设计2015
天线原理魏文元答案
天线原理魏文元答案LT超宽带天线研究的第一个趋势是:设计具有阻带特性的超宽带天线。
由于超宽带系统与其他系统共享频率资源，尤其是在5.1ghz-5.8ghz上对无线局域网络(wlan)的干扰[10]。
为了避免可能造成的干扰，最有效的办法就是设计具有阻带滤波特性的超宽带天线，使其在5.1ghz-5.8ghz频段上形成阻带从而降低干扰电平，因此具有阻带特性的uw天线成为近年来的研究热点。
超宽带天线研究的第二个趋势是:关注超宽带天线对超宽带脉冲波形的影响将超宽带天线的时域响应和频域响应结合起来研究。
因为超宽带天线与窄带天线不同，在超宽带系统中，超宽带天线是一个重要的带通脉冲整形滤波器[11]，仅仅关注天线的常规参数，例如增益、阻抗特性等是远远不够的，还需要从系统的角度来衡量天线的特性。
超宽带天线研究的第三个趋势是:小型化和平面化。
因为小型化和平面化直接决定了天线的尺寸大小和加工的成本及难度，间接地影响天线的应用区域和场合，因此，为了拓展超宽带天线的应用，方便集成化[12]，对天线的尺寸和结构要求也是相当重要的。
因此，超宽带陷波微带天线设计是现在的必然趋势，而其设计方法主要分为两类，一类是在天线和射频前端之间添加带阻滤波器，或者使用具有陷波特性的传输线结构[13]；另一类则是在天线的辐射部分添加谐振结构，使天线在某个特定频带内实现“短路”或者“开路”。
由于第二类方法增加额外的设计成本少，因此，目前对此类方法的研究最为深入。
目前具有陷波这种特性的天线主要有两类：一类是在常规的平板单极子天线上开u形槽、引入半波长谐振结构以获得陷波特性，出于平衡馈电的考虑，这类天线通常需要一个面积较大的金属接地板，而实际的小型化通信设备不太可能有这样的安装条件，加之这类天线多不采用印刷板工艺制作、不便与前端电路集成化设计，因此应用受到限制[14]另一类是宽缝隙天线演变而来的陷波特性缝隙天线，采用分形结构调谐支节获得陷波特性，但是天线体积稍大、且结构相对复杂、对加工精度要求高，现提出来一种在圆形开槽的结构里的圆形支节上开u 形槽的陷波超宽带天线，但是这种天线的馈线长度只有1mm、不容易实现平衡馈电。
天线原理与设计_讲义7
由此式可见，与侧射阵相比，波束最大值发生偏移时半功率波瓣宽度将变宽。
5、副瓣位置和副瓣电平
(1)副瓣位置
指副瓣最大值对应的角度。可由 dF (ψ ) / dψ = 0 解得，这种做法很烦琐。考
察
F (ψ
)
=
sin( Nψ N sin(ψ
/ 2) / 2)
，其分子变化比分母快得多，因此，副瓣最大值发生在分
|N
>>1
≈
1 1.5π
= 0.212
2N
得： SLL = 20 lg | F (ψ s1) |= −13.5 (dB)
(5.31)
6、方向性系数 D
由方向性系数公式
∫ ∫ ∫ D =
2π dϕ
4π π F 2(θ )sinθ dθ
=
2 π F 2(θ ) sinθ dθ
=
2 I
0
0
0
∫ 式中， I = π F 2 (θ ) sinθ dθ 0
f (ψ ) = sin(Nψ / 2) sin(ψ / 2)
，ψ = β d cosθ −α
式中，θ 为阵轴与射线之间的夹角；
α 为相邻单元之间的馈电相位差。
其最大值条件为ψ |θ =θm = β d cosθm − α = 0 ，得：α = β d cosθm
可得：
ψ = β d (cosθ − cosθm )
(rad) = 107.72
λ L
(o) ≈ 108
λ L
(o)
(5.21)
■扫描阵( 0 < θm < π / 2 )
由式(5.18)得
cosθ1
−
cosθm
=
天线原理与设计_课程设计2015
R12 = 30[2Ci (u0 ) − Ci (u1 ) − Ci (u2 )] X 12 = −30[2 Si (u0 ) − Si (u1 ) − Si (u2 )]
(4a) (4b)
式中， u0 = β d ， u1 = β ( d 2 + (2l ) 2 + 2l ) ， u2 = β ( d 2 + (2l ) 2 − 2l ) 当 d=0(共轴排列)时，式(1)和(2)的简化形式为
C ( x) = ∫ cos( t 2 )dt ， 0 2
【课程设计 9】
π
S ( x) = ∫ sin( t 2 )dt 0 2
π
并由讲义上式(10.12)计算并画出图 10-2。
由如下公式计算并绘出课件上图 10-9 所示的 E 面扇形喇叭增益与喇叭结构 尺寸的关系曲线，并计算每条曲线对应的增益最大值。
(5b) (5a)
式中， v0 = β H ， v1 = 2 β ( H + 2l ) ， v2 = 2 β ( H − 2l ) ， v3 = [ H 2 − (2l ) 2 ] / H 2 。 正弦积分： Si ( x) = ∫
x ∞ cos u sin u du ， du ，余弦积分： Ci ( x) = − ∫ x u u
1
(1)
(2)
式中， w0 = β H
(3a)
w1 = β ( d 2 + H 2 + H ) ′ = β( d2 + H2 − H) w1
(3b) (3c)
w2 = β [ d 2 + ( H − 2l ) 2 + ( H − 2l )] (3d) ′ = β [ d 2 + ( H − 2l ) 2 − ( H − 2l )] (3e) w2 w3 = β [ d 2 + ( H + 2l ) 2 + ( H + 2l )] (3f) ′ = β [ d 2 + ( H + 2l ) 2 − ( H + 2l )] (3g) w3
天线原理与设计
天线原理与设计天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的设计和原理对于无线通信系统的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。
本文将对天线的原理和设计进行详细的介绍，希望能够帮助读者更好地理解和应用天线技术。
首先，天线的原理是基于电磁波的辐射和接收。
在无线通信系统中，发射天线将射频信号转换成电磁波进行传输，而接收天线则将接收到的电磁波转换成射频信号进行解调。
因此，天线的设计需要考虑到频段、增益、方向性、极化等因素，以实现最佳的通信性能。
其次，天线的设计需要根据具体的应用场景和需求来进行。
不同的应用场景需要不同类型的天线，比如室内分布式系统需要采用室内覆盖天线，而室外覆盖系统则需要采用室外定向天线。
此外，天线的设计还需要考虑到信号的覆盖范围、干扰抑制、多径效应等因素，以确保通信系统的稳定性和可靠性。
在天线设计中，还需要考虑到天线的匹配和阻抗匹配问题。
天线的输入阻抗与信号源或接收机的输出阻抗需要匹配，以确保最大的信号传输效率。
因此，天线设计中需要考虑到天线的阻抗特性和匹配网络的设计，以实现最佳的匹配效果。
此外，天线的材料和结构也对其性能产生重要影响。
天线的材料选择和结构设计需要考虑到频段、环境适应性、制造成本等因素，以实现最佳的性能和成本效益。
综上所述，天线的原理和设计涉及到电磁波辐射和接收、应用场景和需求、匹配和阻抗匹配、材料和结构等多个方面。
在实际应用中，需要综合考虑这些因素，进行合理的天线设计，以实现最佳的通信性能和覆盖范围。
希望本文能够对天线的原理和设计有所帮助，也希望读者能够在实际应用中充分理解和应用天线技术，为无线通信系统的性能和覆盖范围提供有效的支持。
天线原理与设计
天线原理与设计天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的设计和原理对于无线通信的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。
本文将介绍天线的基本原理和设计方法，帮助读者更好地理解和应用天线技术。
首先，天线的基本原理是什么呢？天线是将电磁波转换为电信号或者将电信号转换为电磁波的装置。
在接收模式下，天线接收到的电磁波会转换成电信号，而在发送模式下，电信号会被天线转换成电磁波进行传输。
因此，天线的设计需要考虑到频率范围、辐射效率、方向性等因素，以确保其在特定的应用场景下能够实现高效的信号传输。
其次，天线的设计方法有哪些呢？天线的设计需要根据具体的应用需求来确定。
一般来说，天线的设计包括结构设计、材料选择、匹配网络设计等方面。
在结构设计方面，需要考虑天线的形状、尺寸、辐射器的布局等因素，以确保天线能够实现所需的辐射特性。
在材料选择方面，需要选择合适的材料来制作天线，以确保天线具有足够的机械强度和耐候性。
在匹配网络设计方面，需要设计合适的匹配网络来确保天线与传输线的匹配，以提高天线的辐射效率。
最后，天线的设计需要注意哪些问题呢？在天线设计过程中，需要注意考虑以下几个问题。
首先，需要考虑天线的频率范围，以确保天线能够在所需的频段内正常工作。
其次，需要考虑天线的辐射效率，以确保天线能够实现高效的信号传输。
此外，还需要考虑天线的方向性，以确保天线能够实现所需的辐射方向。
最后，还需要考虑天线的机械强度和耐候性，以确保天线能够在各种环境条件下正常工作。
综上所述，天线是无线通信系统中的重要组成部分，其设计和原理对于无线通信的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。
天线的设计需要考虑频率范围、辐射效率、方向性等因素，以确保其能够在特定的应用场景下实现高效的信号传输。
希望本文能够帮助读者更好地理解和应用天线技术。
天线原理与设计
H 面
H面 E面
表0-1 上图所示的八木天线和角锥喇叭天线的E面和H面 及其方向图函数表示
■ 七元八木天线的H面方向图
返回
(a) 极坐标幅度方向图
(b) 直角坐标幅度方向图
(a) 极坐标分贝方向图
(b) 直角坐标分贝方向图
图中是以八木天线的H面归一化方向图函数
FH(φ)＝F(θ,φ)|θ=90 计算并绘制的。
五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现后，人类进入了宇宙空 间时代，航空航天技术的发展对天线的研究又提出了许多新的课题， 这时要求解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速扫描和精密跟踪 等问题。
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
的函数图形。大多情况下，天线方向图是在远场 区确定的，所以又叫做远场方向图。
天线辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位 和极化。因此，天线方向图又分为：
■场强方向图 ■功率方向图 ■相位方向图 ■极化方向图
●天线方向图形式
二维方向图
三维方向图
极坐标方向图 直角坐标方向图 球坐标方向图 直角坐标方向图
(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。
到了80年代，由于电子计算机和超大规模集 成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相 器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束 形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及 智能化理论和技术的不断发展，使得80年代成为 国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制 了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国 也不例外，到1993年，我国的相控阵雷达不仅在 军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经 从军用扩展到了民用。
天线基本原理及常用天线介绍ppt课件
3、天线的工作频率范围(带宽)
无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的 频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能 输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将 减小，据此可定义天线的频率带宽。
有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。
.
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成本
3G（1710～2170MHz）频段的超宽频天线
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成本
峰值 - 3dB点
Peak - 3dB
10dB 波束宽度 - 10dB点
120° (eg)
峰值
- 10dB点
Peak - 10dB
15° (eg)
Peak
32° (eg)
Peak
Peak - 3dB
俯仰面即. 垂直面方向图
Peak - 10dB
方向图旁瓣显示
上旁瓣抑制 下旁瓣抑制
.
8、方向图在移动组网中的应用
方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的 发射或接收电磁波的能力。
.
天线的主要技术指标
天线匹配指标
驻波比 隔离度
天线辐射特性指标
与国际接轨的 天性辐射特性
增益
主瓣波束宽度
第一副瓣抑制
前后比
交叉极化比
轴向 ±30
波束效率
3dB 10dB
杂散因子
3dB 10dB
.
≤1.4
卡塞格伦天线的工作原理
标准卡塞格伦天线的组成标准卡塞格伦天线由主反射面、副反射面和馈源组成。
为了获得聚焦特性，主反射面必须是旋转抛物面，副反射面是旋转双曲面，馈源可以是各种形式，但一般用喇叭作馈源，安装在主、副反射面之间，其相位中心应置于旋转双曲面的焦点上，双曲面的安装应使双曲面的虚焦点与抛物面的焦点重合，如图所示。
卡塞格伦天线整个就是一个轴对称结构。
副反射面通常置于喇叭馈源的远区。
如果喇叭辐射的球面波方向图是旋转对称的，侧卡式天线就具有轴对称性能。
卡塞格伦天线的工作原理卡式天线的工作原理与抛物面天线的相似，抛物面天线利用抛物面的反射特性，使得由其焦点处的馈源发出的球面波前，经抛物面反射后转变为在抛物面口径上的平面波前，从而使抛物面天线具有锐波束、高增益的性能。
卡式天线在结构上多了一个双曲面。
天线作发射时，由馈源喇叭发出的球面波首先由双曲面反射，然后再经主反射面(抛物面)反射出去。
根据双曲面和抛物面的性质，由F'发出的任意一条射线到达某一口径面的波程相等，即，则相位中心在F'处的馈源辐射的球面波前，必将在主反射面的口径上变为平面波前，呈现同相场，即S0面为等相位面，使卡式天线具有锐波束、高增益性能。
天线作接收时的过程正好相反，外来平面波前经主、副反射面反射之后，各射线都将汇聚到馈源所在点F'，由喇叭接收。
卡氏天线的优缺点：优点：（1）馈线短（2）空间衰减SA小（3）减小漏溢（4）等效焦距长（3）设计灵活（7个参数）等缺点：（1）副反射面的遮挡大，但对要求G很高的天线来说，主反射面很大的话，这个遮挡相对就小。
（2）造价高。
卡塞格伦天线的几何参数卡式天线的几何参数关系如图所示：双曲面的四个参量：抛物面有三个参量：(1) 双曲面直径(1) 抛物面直径dD(2) 双曲面焦距fc (2) 抛物面焦距f(3) 双曲面半张角ϕ0 (3) 半张角ψ0(4) 双曲面顶点到抛物面焦点距离Lv在这七个参量中，只有四个是独立的，其余三个可根据抛物面和双曲面的几何关系求出。
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D
4
0
2
0
F 2 ( , ) sin d d
例
已知电流元在最大辐射方向上远区r 1km处,电场强度振幅 为E0 1mV m , 试求 : (1) 最大辐射方向上r 2km处电场强度的振幅; (2) 偏离最大辐射方向60o 的方向上r 2km处磁场强度的振幅.
S ( , ) G( , )= 4 Pin
S max G S0
Pin 相同
Emax E0
2
2
Pin 相同
4
2
0
d F 2 ( , ) sin d
0
主瓣宽度
主瓣宽度是衡量天线的最大 辐射区域的尖锐程度的物理 量。 通常它取方向图主瓣两个半 功率点之间的宽度， 称为半 功率波瓣宽度（HPBW）； 有时也将头两个零点之间的 角宽作为主瓣宽度，称为第 一零点功率波瓣宽度 （FNBW）。
4
E面和H面
天线方向图：
在离天线一定距离处, 辐射场的相对场强（归一化模值）随方向 变化的曲线图。
表示方法：
通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表 示。
(1)E面:电场矢量所在的平面。 对于沿Z轴放置的电基本振子, 子午平面是E平面。 (2)H面:磁场矢量所在的平面。 对于沿Z轴放置的电基本振子, 赤道平面是H面。
3
全向天线
根据天线的方向性，可以 将天线分成三类：
① 等向模式天线：理想的点源， 其在空间的辐射为各向同性， 辐射方向图为一个圆球，现实 中不存在，为了标定其它天线 的增益而设定。 ② 全向天线：在某一个平面内， 辐射方向图的截面是一个圆， 在其它截面非圆，具有一定的 指向性。 ③ 定向天线：辐射主要集中在某 个方向上。
极化特性
•极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律. 具体地说,就是在空间某一固定位置上,电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形.
线极化的平面波
圆极化的平面波
椭圆极化的平面波
1
天线增益
在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射 单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即 功率之比。如果没有特别指定方向，天线的增益是 指辐射最强方向的增益值。
)60 o的方向为 = m 60 o ,
即 150o 或30o , r2 2km处,有
r1 1 103 1 103 1 o H E0 sin 30 sin 30 0.663 A m . 3 2 r2 r2 2 120 2 10
o
U max
2 1 Emax R2 2 120
U0
Pr 4
2
2 U max Emax R2 D U0 60 Pr
1 E , Pr s 2 120 ds
2 2 Emax R 2 F 2 ( , ) sin d d 0 0 240
2.辐射近场区 辐射近场区也称为Fresnel区, 位于感应近场区和辐射远场区之间, 在该区域中, 天线辐射波瓣图的形状是随着观察点到天线之间的距离的变化而变化的, 天线的远场辐射方向图逐渐形成. R2 2D2
3.辐射远场区 辐射远场区也称为Fraunhofer区, 位于辐射近场区的外部至无穷远, 天线的辐射基本形成了稳定的波瓣图, 即波瓣图的形状与观察点到 天线之间的距离无关（距离仅决定天线辐射的功率密度） . 这个区域是天线测试的重要区域这个区域是天线测试的重要区域, 一般所说的波瓣图通常是在这个区域测得的,对于天线辐射特性的 研究通常也是在这个区域中进行的.
Il
天线场区的划分
1.感应近场区 紧靠天线表面的区域, 在这部分区域中感应电场与感应磁场之间相位相差90, 计算得到波印亭矢量为纯虚数, 能量在电场与磁场之间交替振荡, 不向外传输功率. R1 0.62 D 3 其中, D为天线线长最大值, 为天线的工作波长. 对于尺寸与工作波长相比很小的天线而言, R1可取 / 2。
5
时变电磁场中的唯一性定理
电磁场麦克斯韦方程组的定解需要利用边界条件才能确定. 对于一个有耗区域,区域中的场源加上边界上所有的电场切向分量, 或边界上的磁场切向分量,或部分边界上的电场切向分量和其余边界 上的磁场切向分量,惟一地确定该区域中的场.无耗媒质中的场可看 成有耗媒质中损耗非常小时的相应场.
7
四分之一波长套筒巴伦
开路
短路
8
微带贴片天线基模辐射原理
两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙. 缝的电场方向与长边垂直,并沿长边W 均匀分布.
缝的宽度为L h,长度为w,两缝间距为l 2 .
微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙匀辐射,求其方向性系数.
解
(1) E
Il 2 r1
E0 , 即 E
Il 2
E0 r1 =1V
r1 E E0 =0.5 mV m . 2 r2 r2 Il
沿最大方向, r r2 2km处,有 (2) H Il 2 r sin ,
偏离最大辐射方向( = m =
2