天线阵辐射、电流环辐射(中文)
天线辐射原理
天线辐射原理天线是无线通信系统中的重要组成部分，它通过辐射电磁波来进行信号的发送和接收。
而天线辐射原理则是指天线在工作过程中产生电磁波的物理原理。
了解天线辐射原理对于理解无线通信系统的工作原理以及优化天线设计都具有重要意义。
首先，天线辐射原理的基础是由麦克斯韦方程组成的。
麦克斯韦方程描述了电场和磁场的变化规律，其中的法拉第电磁感应定律和安培环路定律揭示了电流在导体中产生的电磁场。
天线中的电流在变化时会产生电磁波，这就是天线辐射的物理机制。
其次，天线辐射的特性与天线的结构和工作频率有关。
天线的长度和形状决定了它的辐射特性，而工作频率则影响了天线的辐射效率。
一般来说，天线的长度会与工作频率成正比，这也是为什么不同频段的通信系统需要使用不同长度的天线。
另外，天线的辐射模式也是天线辐射原理的重要内容之一。
天线的辐射模式描述了天线在空间中的辐射方向和辐射强度分布。
不同类型的天线会有不同的辐射模式，例如全向天线的辐射模式呈现出均匀的辐射特性，而定向天线则会呈现出特定方向上的辐射增益。
最后，天线辐射原理还涉及到天线的增益和辐射效率。
天线的增益是指天线在特定方向上辐射能量的能力，而辐射效率则是指天线将输入的电能转化为辐射电磁波的能力。
提高天线的增益和辐射效率可以改善通信系统的传输性能，因此在天线设计中需要重视这些指标。
综上所述，天线辐射原理是无线通信系统中至关重要的一环。
通过对天线辐射原理的深入了解，我们可以更好地设计和优化天线，提高通信系统的性能和覆盖范围。
同时，对于工程师和研究人员来说，掌握天线辐射原理也是进行无线通信技术研究和开发的基础。
因此，对于天线辐射原理的学习和掌握具有重要意义。
天线第二讲-电流元辐射20160302
Hr 0 H 0
South China University of Technology
Idl 1 H j sin (1 )e j r 2 r j r Idl 1 j r Er cos (1 ) e 2 r 2 j r
磁场总 是环绕 着电流
向性。
远场区占优势的是辐射场，球面波。
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
2.2 磁流元的辐射
对偶原理
South China University of Technology
小电流环的辐射
小电流环：半径远小于波长的电流环，电
South China University of Technology
流均匀分布。 电磁场计算可知，半径为a,电流为I 的小电 流环等效于I m j0 IS 的磁流元。
dl
于是，小电流环的辐射场为
IS j r E sin e r 2 IS H 2 sin e j r r
天线 Antennas
第2讲 电流元的辐射
Radiation of Current Elements
褚庆昕
华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所 qxchu@
2016/3/7
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
Fn ( ) E / Emax sin
电磁场与电磁波及其应用 第六章
将式（6.2.5）代入式(6.2.4)得
应用欧拉公式， 并将式（6.2.1）代入上式得
然后， 沿振子臂长l进行积分， 即为整个振子的辐射场， 其结果为
(6.2.6)
6.2.3 对称振子的辐射参数
1. 对称振子的方向函数为
(6.2.7)
对于半波振子l=0.25λ，
对于全波振子l=0.5λ，
(6.1.2)
式中，E为电场强度， 单位为V/m； H为磁场强度， 单位
为A/m； 场强的下标r、θ、j表示球坐标系中矢量的各分 量； er、 eθ、 ej分别为球坐标系中沿r、θ、j 增大方向的
单位矢量；ε0=10－9/(36π)(F/m) ， 为自由空间的介电常数； μ0=4π×10－7(H/m)， 为自由空间的导磁率。
(6.1.4)
由上式可见， 远区场的性质与近区场的性质完全不同， 场强只有两个相位相同的分量（Eθ， Hj）， 其电力线分布 如图6.1-2所示， 场矢量如图6.1-3所示。
远区场的坡印廷矢量平均值为
(6.1.5)
图6.1-2 电基本振子的电力线
图6.1-3 电基本振子的远区场
对于自由空间
电偶极子向自由空间辐射的总功率称为辐射功率Pr， 它等于坡印廷矢量在任一包围电偶极子的球面上的积分， 即
6.1.1
kr<<1即（r<<λ/(2π)）的区域称为近区， 在此区域内
忽略式（6.1.1）中的1/r项， 并且认为e－jkr≈1, 电基本振子的 近区场表达式为
(6.1.3)
6.1.2
kr>>1即（r>>λ/(2π)）的区域称为远区， 在此区域内
因此保留式（6.1.1）中的最大项后， 电基本振子的远 区场表达式为源自图6.2-1 对称振子天线
阵列天线辐射偏移原因
阵列天线辐射偏移原因阵列天线是一种常见的天线类型，通常由多个单元天线组成，可以实现多种信号处理功能。
然而，有时候在使用阵列天线时会发现天线辐射存在一定的偏移现象。
那么，导致阵列天线辐射偏移的原因是什么呢？阵列天线的辐射偏移可能是由于天线元件之间的不对称性造成的。
在实际制造过程中，由于制造工艺或材料的差异，可能会导致阵列天线中的各个天线元件在性能上存在一定的差异，从而导致天线的辐射特性不一致，进而出现辐射偏移的情况。
阵列天线的辐射偏移也可能与天线元件之间的互相干扰有关。
在阵列天线中，各个天线元件之间的相互干扰会影响到天线的辐射特性，进而导致辐射偏移的发生。
这种干扰可能来自于天线元件之间的电磁耦合或者相互之间的阻抗失配等原因。
阵列天线的辐射偏移也可能与天线的指向性误差有关。
在实际应用中，由于各种因素的影响，阵列天线的指向性可能会出现一定的误差，从而导致天线的辐射方向与期望的方向存在一定的偏移，进而影响到天线的性能。
在使用阵列天线时，为了减小天线的辐射偏移，可以采取一些措施。
首先，可以通过优化天线元件的制造工艺和材料选择，尽量减小天线元件之间的性能差异，从而减小辐射偏移的发生。
其次，可以通过合理设计阵列天线的结构，减小天线元件之间的互相干扰，进而提高天线的性能稳定性。
此外，还可以通过校准天线的指向性误差，确保天线的辐射方向与期望方向一致，从而减小辐射偏移的影响。
总的来说，阵列天线的辐射偏移是由多种因素共同作用导致的，包括天线元件的不对称性、互相干扰以及指向性误差等因素。
在实际应用中，需要针对这些因素采取相应的措施，减小天线的辐射偏移，提高天线的性能稳定性和可靠性。
希望通过对阵列天线辐射偏移原因的了解，能够更好地应用和设计阵列天线，提高其性能表现。
天线辐射原理
天线辐射原理天线辐射原理是指天线在工作时发射或接收无线电波的基本原理。
天线是无线通信系统中的重要组成部分，其性能直接影响着通信质量和距离。
了解天线辐射原理对于设计和优化无线通信系统具有重要意义。
首先，天线辐射原理涉及到电磁场的传播。
当天线加上交变电流时，就会在周围产生电磁场。
这个电磁场会随着天线的振荡而产生变化，并向周围空间传播。
这就是天线辐射的基本原理。
天线辐射的电磁波会以光速在空间中传播，形成无线电波，从而实现无线通信。
其次，天线辐射原理还涉及到天线的辐射模式。
不同类型的天线会有不同的辐射模式，包括方向性辐射、全向辐射、定向辐射等。
方向性天线主要向某一个方向辐射能量，适合用于需要远距离传输的通信场景；全向天线则会均匀地向各个方向辐射能量，适合用于覆盖范围较广的通信场景；定向天线则可以根据需要调整辐射方向，适合用于特定方向的通信场景。
不同的辐射模式可以满足不同的通信需求。
另外，天线辐射原理还涉及到天线的增益和效率。
天线的增益是指天线在某个方向上辐射电磁波的能力，增益越高表示天线在该方向上的辐射能力越强。
而天线的效率则是指天线将输入的电能转换为辐射能量的能力，效率越高表示天线能更有效地将电能转化为辐射能量。
增益和效率是衡量天线性能的重要指标，设计优良的天线需要在增益和效率上达到较高水平。
最后，天线辐射原理还涉及到天线的匹配和阻抗。
天线的匹配是指天线与发射机或接收机之间的匹配情况，良好的匹配可以提高信号传输效率，减小信号的反射损耗。
而天线的阻抗则是指天线对输入信号的阻抗匹配情况，阻抗不匹配会导致信号反射、功率损耗等问题。
因此，天线的匹配和阻抗是天线设计和优化中需要重点考虑的问题。
总之，天线辐射原理涉及到天线的电磁场传播、辐射模式、增益和效率、匹配和阻抗等多个方面，对于理解和设计天线具有重要意义。
在实际应用中，需要根据具体的通信需求选择合适的天线类型，并对天线进行合理的设计和调整，以实现稳定、高效的无线通信。
天线第二讲-电流元辐射20160302
2.3.1 方向图
方向图: 表征辐射场方向性变化的图形。
South China University of Technology
+ -
I q j
由 q(t ) i(t )dt ，可得 q() I / j。代入上面的
电场公式，可以发现近场与电偶极子的静电场 相同。但是，电荷是以角频率 振荡的，所以 也称为振荡电偶极子，简称振子。 磁场与恒定电流产生的磁场相同。 电场与磁场相位差900。坡印廷矢量为虚数。 Research Institute of Antennas & RF Techniques 近场区占优势的是类似静态场的感应场。 School of Electronic & Information Engineering
第2讲内容
South China University of Technology
电流元的辐射 磁流元的辐射
天线的辐射特性参数
天线的电路参数
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & I环的辐射
小电流环：半径远小于波长的电流环，电
South China University of Technology
流均匀分布。 电磁场计算可知，半径为a,电流为I 的小电 流环等效于I m j0 IS 的磁流元。
dl
于是，小电流环的辐射场为
移动天线辐射
移动天线辐射
移动天线辐射是指移动通信设备（如手机、卫星电话等）中的天线向外发射辐射波，并传输无线信号的过程。
移动天线通常使用无线电波进行通信，这些无线电波属于电磁辐射。
当手机或其他移动通信设备工作时，天线会产生电磁辐射，将辐射波以电磁波的形式发射出去。
这些辐射波会通过空气或其他媒介传播，然后被接收器捕获并转换成可理解的信号。
移动天线辐射的频率一般在微波频段，包括2G、3G、4G、
5G等。
辐射波的频率不同会有不同的特点，例如雷达、卫星
通信等使用的微波辐射属于高频电磁波。
辐射波的电磁能量在传播过程中会逐渐衰减，因此辐射波对人体的影响痕迹是与辐射源的距离、功率、频率等因素有关的。
辐射对人体的影响一直是一个争议话题。
虽然许多研究表明，低功率电磁辐射对人体健康的影响很小，但有些研究指出，长期暴露在高功率、高频率的辐射波中可能会对人体产生一定的潜在风险。
因此，许多国家都制定了辐射限值标准，并在移动通信设备中设置了辐射电磁波的安全放射限制。
为了减少人体对移动天线辐射的暴露，可以采取一些措施，如佩戴耳机通话、使用免提设备、减少使用手机时间等。
此外，移动通信设备的设计也越来越注重降低辐射水平，通过优化天线设计、控制功率等方式来减少辐射波的输出。
环形天线工作原理
环形天线工作原理环形天线是一种常见的天线类型，其工作原理主要涉及电磁波的辐射和接收。
环形天线通常由一个或多个环形导体组成，通过适当的驱动电路和馈电方式，可以实现对特定频率的电磁波的辐射和接收。
下面将详细介绍环形天线的工作原理。
首先，环形天线的工作原理涉及到电磁波的辐射。
当环形天线被外部电磁波激发时，环形导体内部会产生感应电流。
这些感应电流在环形导体内部流动，并且会导致环形导体产生辐射电磁波。
这些辐射电磁波的频率和极化方向取决于环形天线的结构和驱动方式。
通过合理设计环形天线的结构和驱动电路，可以实现对特定频率和特定极化方向的电磁波的辐射。
其次，环形天线的工作原理也涉及到电磁波的接收。
当特定频率和极化方向的电磁波照射到环形天线上时，环形导体内部同样会产生感应电流。
这些感应电流会被驱动电路接收并进行信号处理，最终输出有用的信息。
通过合理设计环形天线的结构和驱动电路，可以实现对特定频率和特定极化方向的电磁波的高效接收。
另外，环形天线的工作原理还涉及到天线的阻抗匹配和辐射效率。
在设计环形天线时，需要考虑天线的阻抗匹配问题，以确保天线能够有效地与驱动电路和接收电路进行匹配，从而最大限度地提高辐射和接收效率。
同时，还需要考虑环形天线的辐射效率，通过合理设计天线结构和选择合适的材料，可以提高天线的辐射效率，从而获得更好的性能表现。
总之，环形天线的工作原理涉及到电磁波的辐射和接收，通过合理设计天线结构和驱动电路，可以实现对特定频率和特定极化方向的电磁波的高效辐射和接收。
同时，还需要考虑天线的阻抗匹配和辐射效率等问题，以确保天线具有良好的性能表现。
希望本文的介绍能够帮助读者更好地理解环形天线的工作原理。
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x
匀直线式天线阵。
对于远区，若观察距离远大于天线阵的尺寸， 可以认为各个单元天线对于观察点的取向是相同的。
因单元天线的取向一致，各个单元天线产生的
远区场方向相同，天线阵的合成场等于各个单元天线
场的标量和即,
E E1 E2 En
第 i 个单元天线的辐射场可以表示为
Ei
Ci Ii ri
fi ( , )e jkri
a
y 的介质。建立直角坐标系，
x
令电流环的中心位于坐标原
点，且电流环所在平面与 xy
平面一致。
z
P(r, ,0)
r
a
r
x
e
a
r
e
P(r, ,-0e)x
ee
x
因结构对称于 z 轴， 电流环的场强与角度无关。 为简单起见，令观察点 P 位 y 于 xz 平面。
线电流产生的矢量位为
A(r)
4π
Idle jk|rr) l | r r|
根据方向图乘法规则即可理解这些二元阵方向 图的形成原因。
例 由四个相互平行的半波天线构成直线式四元
天线阵。单元天线的间距为半波长，单元天线的电
流同相，但电流振幅分别为 I1 ，I 4 I I，2 试I3求与2I 单 元天线垂直的平面内的方向性因子。
z
z
1
1
2
2 y
x
3
3
4
4
解 这是一个非均匀的
已知阵因子为
fn
(
,)
sin
n 2
sin
1 2
(kd (kd
cos cos
) )
可见，阵因子与单元天线的数目 n 、间距 d 及相 位差 有关。
适当地变更单元天线的数目、间距及电流相位 ，即可改变天线阵的方向性。
根据给定的方向性，确定天线阵的结构，这是 天线阵的综合问题。
阵因子达到最大值的条件为 kd cos
y 直线式天线阵，不能直接 应用前述的均匀直线式天
线阵公式。
但是单元天线②和③可以分别分解为两个电流 均为 I 的半波天线。
该四元天线阵可以分解为两个均匀直线式三 元同相阵。
两个三元阵又构成一个均匀直线式二元同相阵。 根据方向图乘法规则，上述四元天线阵在 yz
平面内的方向性因子等于均匀直线式三元同相阵的 阵因子与二元同相阵的阵因子的乘积。
4. 天线阵辐
由射多个简单天线构成的复合天线称为天线阵。
调整单元天线的类型、数目、电流振幅及相位、取
向及间隔，即可形成所需的方向性。
z
I e- j(n-1) n
rn
P
I e- j3 d4
r4r3 r2r1
I e- j2 3
d
I e- j d2
dcos
I1
若各个单元天线的类型 和取向均相同，且以相等的间 隔 d 排列在一条直线上。各 单元天线的电流振幅均为 I ， 但相位依次逐一滞后同一数值 y ，那么，这种天线阵称为均
kdcos 为空间相位差， 为时间相位差。因此 ，两者相等时，阵因子达到最大值。
阵因子达到最大值的角度 m为
m
arccos
kd
,
(
kd )
可见，阵因子的主射方向决定于单元天线之间的
电流相位差及其间距。
连续地改变单元天线之间的电流相位差，即可连
续地改变天线阵的主射方向，这就是相控阵天线的
工作原理。
单元天线电流相位相同的天线阵称为同相阵。
方向性因子 f ( ,) sin
z
,
S
E
r IS
H
y
x
可见，与z z 向电流元的方向性因子完全一样。
电流环所在平面内辐射
y 最强，垂直于电流环平面的 z 轴方向为零。
电流环的辐射功率 和辐射电阻 分别为
Pr
320π6
a
4
2
Rr
320π6 a
4
电流元及电流环的场强公式非常类似。
电流元 H - 电流环 E ;
y 根据几何关系，近似求得
A(r )
e
k 2IS 4π
1 k 2r 2
j
1 kr
sin
e jkr
式中 S πa2 为电流环的面积
。
由
H
1
A
，求得电流环的磁场
为
Hr
ISk 3 2π
j
k
1 2r
2
1 k 3r 3
cos
e jkr
H
SIk 3 4π
1 kr
j
k
1 2r
2
k
1 3r
3
式中 ,Ci 决定于天线类型。对于均匀直线式天线阵，
因各单元天线类型相同，则 C1 C2 。 Cn
又因取向一致，故 f1 f 2 。 f n
对于远区可以认为
1 r1
1 r2
1 rn
e e e jkr2
jkr1 jkd cos
e e e jkr3
jkr1 jk 2d cos
e e e jkrn
sin
e jkr
H 0
再由 E
1 j
H
，求得电流环的电场
为
E
j SIk 2 4π
j1 kr
1 k 2r 2
sin
e jkr
Er E 0
可见，电流环产生的电磁场为 TE 波。
对于远区场，因kr 1
，
H
E
只剩下H
及
πSI 2r
两sin个 分ej量kr
.
E
ZπSI 2r
sin
e jkr
z
H ,
H
r Il
E
y
电流元 E - 电流环
z
,
r IS
E H
即
f ( , ) f3( , ) f2 ( , )式中f2
(
,
)
2
cos
π 2
cos
f3
(
,
)
sin
3π 2
cos
sin
π 2
cos
5. 电流环辐射 电流环是一个载有均匀同相时变电流的导线
圆环，其圆环半径 a << ， 且 a << r 。
z
.P
r
设电流环周围空间为无 限大的均匀线性且各向同性
jkr1 jk (n1)d cos
求得 n 元天线阵的合成场强的振幅为
E
C1I1 r1
f1
(
,
)
sin sin
n 2 1 2
(kd (kd
cos cos
) )
令
fn
( , )
sin
n 2
sin
1 2
(kd (kd
cos cos
) )
则 n 元天线阵场强的振幅可以表示为
|
E
|
C1 I 1 r1
f1 ( , ) f n ( , )
式中 , f n ( ,称) 为阵因子。
上述均匀直线式天线阵沿 z 轴放置，因此方向 性因子仅为方位角 的函数。
若以 f ( ,) 表示天线阵的方向性因子，则
f ( , ) f1 ( , ) f n ( , ) 方向图乘法规则
式中 , f1( ,) 为单元天线的方向性因子 ; fn ( ,) 为阵因子。
由 ，0得
m
π 2
可见，若不考虑单元天线的方向性，则主射方
向垂直于天线阵的轴线，这种天线阵称为边射式
天线阵。 若电流相位差 ，kd得
m 0
可见，若不考虑单元天线的方向性，则主射方
向指向电流相位滞后的一端，这种天线阵称为端
射式天线阵。
三种二元阵的方向图
0 d = /2
00 d = /2
0 –2 d = /4