天线原理与设计—第二章对称振子
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。
天线原理与设计题库
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1 / 42 天线原理与设计复习
一、填空题
1. 天线的主要作用是________________, ___________________________。
2. 天线辐射方向图一般是一个空间三维的曲面图形，但工程上为了方便常采用通过_____________方向的两个正交平面上的剖面来描述天线的方向图。对于线极化天线，这两个正交的平面通常取为________面和________面。
3. 天线方向图的E面是指通过_______________方向且平行于_______________的平面。
4. 设某天线的远区辐射电场表示为，0E，0rE，则坡印亭矢量表示为w_________________________，其辐射功率表示为rP_________________________。
5. 半功率波瓣宽度指方向图主瓣上 之间的夹角，或场强下降到最大值的_______处或分贝值从最大值下降 处对应两点之间的夹角。
6. 设某天线的辐射电场主瓣最大值为maxE，副瓣最大值为maxSE，则其副瓣电平定义式为 (dB)。
7. 天线方向性系数D是用来表征天线辐射能量集中程度的一个参数。若已知自由空间的方向图函数为),(f，则最大指向(mm,)上的D=_______________,若已知对称振子天线的辐射电阻为rR，则D=_________________，若已知天线的效率为a，则增益G=____________。
8．半波对称振子的带宽决定于 ，而对数周期振子天线的带宽则是由 决定。
9. 理想点源天线是指 的假想点源天线，其辐射方向图在天线原理与设计题库
2 / 42 空间是 面。
Ansoft软件在对称振子天线设计中的应用
Ansoft软件在对称振子天线设计中的应用
[摘要]：本文介绍了一种对称振子天线。借助于ansoft公司的电磁场仿真软件 hfss8.0和optimetrics对这种天线的特性进行了较为详细的仿真和计算，得到了良好的结果，对天线方向图的设计具有良好的指导意义。
[关键词]：对称阵子 电磁场仿真 hfss optemetrics
中图分类号：tm131.4+4 文献标识码：tm 文章编号：1009-914x(2012)26- 0570 -01
1 概述
对称阵子由两段同样长度和同样粗细的直导线构成，由于结构简单，因此广泛用于雷达、通讯、电视和广播等无线电技术设备上。它适用的频带宽，既可以单独使用，也可以用作天线阵中的单元及反射面天线中的初级辐射器。
传统的天线设计方法总是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数，由于一般的书本理论均建立在近似分析的基础上，故设计初只能得到计算理论上的模型，而后根据实际试验进一步调整设计，这样做花的时间多，精度也低，而且设计周期长，因此采用现代计算机为基础的电磁场数值分析方法必将成为一种选择。
本文中的对称阵子天线的设计就是以ansoft软件的计算、仿真结果为基础，而后进行试验，最后的实际试验结果与仿真结果基本吻合。
2 设计原理
3 仿真过程
4 仿真结果及优化
仿真结果（频率在420mhz）
5 实测结果及对比
比较以上仿真结果以及实际测试结果，可以看出两者比较吻合，只是在实际的测试过程，由于工艺上的问题，加工设备的精度，同时由材料本身存在的损耗，以及实际测试的场地（测试方向图）和测试夹具（测试驻波）引起的损耗和阻抗匹配等问题，实际样品的驻波要稍大一些，方向图比较相似。
天线的基本知识2
实用天线应用基本知识
（版权：上海美多：张宇飞） ；版本号：β
一、 辐射原理与天线的场
辐射的基本原理：
辐射是电磁场中有辐射源产生的一种扰动。辐射是由时变电流源产生的，或由做加速运动的电荷所激发。在无耗媒质中，波动的总功率是恒量与传播距离无关。如果电荷做往复加速(即振荡)，将产生周期性的扰动并持续辐射。天线上的电流分布决定了辐射场的所有特性。
设计天线就是要迫使天线导体上的自由电荷按照预定的幅度和相位振荡起来。
天线上的电流分布
纯驻波的正弦分布 行波分布 驻波分布
天线上无反射波 既有前行波，又有反射波
近区场：场点离辐射点的距离r << λ (波长) 时的场称为近区场。
近区场是感应场。
远区场：场点离辐射点的距离r >> λ (波长) 时的场称为远区场。
远区场是辐射场。
基本辐射振子：
电基本振子（电流元、电偶极子）----- 产生交变磁场；
磁基本振子（磁流元、磁偶极子）----- 产生交变电场；
基本射频振子点在空间产生的电磁波波型是球面横电磁波（TEM波）。
惠更斯--菲涅耳波的叠加与干涉原理
波在传播过程中，波阵面上每一点都可以被看作是新的子波源，在其后的任一时刻，由这些子波源产生的球面波的包络就可以决定新的波阵面。子波振幅按相位叠加。平面波波阵面上的子波源产生的波阵面的包络仍是平面（波），球面波波阵面的上的子波源产生的波阵面的包络仍是球面（波）；波的绕射现象也是根据此原理。
等效原理与惠更斯元的辐射
面元（惠更斯元、二次辐射源）；整个口径面产生的辐射场有所有惠更斯元的辐射之和得到。每一个面元的次级辐射可用等效电流元与等效磁流元来代替；口径面产生的辐射场就是由所有等效电流元（等效电基本振子）与等效磁流元（等效磁基本振子）所共同产生的。
电流元产生磁场，磁流元产生电场。
弗利斯传输公式(分贝形式)
Pr（dBm）= Pt（dBm）+ Gt（dB）+ Gr（dB）- 20log10R（km）- 20 log10f（MHz）-32.44
天线原理与设计习题集解答-第8-11章
1 / 15 第八章 口径天线的理论基础
(8-1) 简述分析口径天线辐射场的基本方法。
答：把求解口径天线在远区的电场问题分为两部分：
①. 天线的内部问题；
②. 天线的外部问题；
通过界面上的边界条件相互联系。
近似求解内部问题时，通常把条件理想化，然后把理想条件下得到的解直接地或加以修正后作为实际情况下的近似解。这样它就变成了一个与外部问题无关的独立的问题了。
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。
在均匀媒质中，射线为直线，当在两种媒质的分界面上或不均匀媒质传播时，便发生反射和折射，而且完全服从光的反射、折射定律。
BAlnds
光程长度：
在任何两个给定的波前之间，沿所有射线路径的光程长度必须相等，这就是光程定律。''PdAPdA
应用：
①. 可对一个完全聚焦的点源馈电的天线系统，求出它在给定馈源功率方向图为P(φ,ξ)时，天线口径面上的相对功率分布。
②. 对于完全聚焦的线源馈电抛物柱面天线系统，口径上的相对功率分布也可用同样类似的方法求解。
(8-3) 试利用惠更斯原理推证口径天线的远区场表达式。
解：惠更斯元产生的场：
(1cos)2SPjrSSPjEdEer
222)()(zyyxxrSSSP r , >>D (最大的一边)
推广到球坐标系：sincossinsincosxryrzr
222rxyz
,SSxyr
222(sincos)(sinsin)(cos)SPSSrrxryr
天线原理
天线原理
[填空题]
1若已知电基本振子辐射电场强度大小，天线辐射功率可按穿过以源为球心处于远区的封闭球面的功率密度的总和计算，即，ds=r2sinθdθdφ为面积元。试计算该电基本振子的辐射功率和辐射电阻。 参考答案：
[填空题]
2若已知电基本振子辐射场公式，试利用方向性系数的定义求其方向性系数。
参考答案：
[填空题]
3设小电流环电流为I，环面积S。求小电流环天线的辐射功率和辐射电阻表示式。若1m长导线绕成小圆环，波源频率为1MHz，求其辐射电阻值。
参考答案：
[填空题]
4试证明电基本振子远区辐射场幅值Eθ与辐射功率PΣ之间的关系为
参考答案：
[填空题]
5试求证方向性系数的另一种定义：在最大辐射方向上远区同一点具有相同电场强度的条件下，无方向天线的辐射功率比有方向性天线辐射功率增大的倍数，记为
参考答案：
[填空题]
6若干扰均匀分布于空间并从所有方向传到接收点，利用定向接收天线可以增大有用信号功率和外部干扰功率之比，试证明这一比值和天线的方向性系数成正比。
参考答案：
[填空题]
7用尝试法确定半波振子、全波振子E面主瓣宽度。
参考答案：
[填空题]
8试计算电流呈三角形分布短天线的方向性系数和有效高度。
参考答案：
[填空题]
9试用特性阻抗75Ω的同轴线和特性阻抗300Ω的扁线（双线）馈线，请分别绘制给半波振子的馈电图。
参考答案：
[填空题]
10试用特性阻抗75Ω的同轴线和特性阻抗300Ω的扁线（双线）馈线，请分别绘制给折合振子的馈电图。
参考答案：
[填空题]
11两等幅馈电的基本振子垂直于纸面并列放置，间距d=0.5λ，辐射功率相同，PΣ=0.1W，电流相位关系如图中标注。试计算图中4种情况下，r=1km远处的场强值。
参考答案：
[填空题]
124个等幅、相邻相差ξ=-45°的电基本振子并行排列成一直线阵，间距d=λ/8。试由阵因子F2（ψ）曲线画出E面方向图。
试验一电磁波感应器的设计与制作
实验一 电磁波感应器的设计与制作
一、预习要求
1、什么是法拉第电磁感应定律？
2、什么是电偶极子？
3、了解线天线基本结构及其特性。
二、实验目的
1、认识时变电磁场，理解电磁感应的原理和作用。
2、通过电磁感应装置的设计，初步了解天线的特性及基本结构。
3、理解电磁波辐射原理。
三、实验原理
随时间变化的电场要在空间产生磁场，同样，随时间变化的磁场也要在空间产生电场。电场和磁场构成了统一的电磁场的两个不可分割的部分。能够辐射电磁波的装置称为天线，用功率信号发生器作为发射源，通过发射天线产生电磁波。
图1 电磁感应装置
如果将另一付天线置于电磁波中，就能在天线体上感生高频电流，我们可以称之为接收天线，接收天线离发射天线越近，电磁波功率越强，感应电动势越大。如果用小功率的白炽灯泡接入天线馈电点，能量足够时就可使白炽灯发光。接收天线和白炽灯构成一个完整的电磁感应装置，如图1所示。
电偶极子是一种基本的辐射单元，它是一段长度远小于波长的直线电流元，线上的电流均匀同相，一个作时谐振荡的电流元可以辐射电磁波，故又称为元天线，元天线是最基本的天线。电磁感应装置的接收天线可采用多种天线形式，相对而言性能优良，但又容易制作，成本低廉的有半波天线、环形天线、螺旋天线等，如图2所示。
图2 接收天线
本实验重点介绍其中的一种─—半波天线。
半波天线又称半波振子，是对称天线的一种最简单的模式。对称天线（或称对称振子）可以看成是由一段末端开路的双线传输线形成的。这种天线是最通用的天线型式之一，又称为偶极子天线。而半波天线是对称天线中应用最为广泛的一种天线，它具有结构简单和馈电方便等优点。
半波振子因其一臂长度为/4，全长为半波长而得名。其辐射场可由两根单线驻波天线的辐射场相加得到，于是可得半波振子（/L4）的远区场强有以下关系式：
()cos(cos)sinIIEfrr60602
式中，()f为方向性函数，对称振子归一化方向性函数为：
天线原理课程知识点汇总及演示实验问题(2014春,II)
天线原理课程知识点汇总【A——了解，B——理解，C——掌握（深刻理解，熟练应用）】
注意：带有 * 的内容不做要求
序号 内容 要求 说明
1. 【绪论】
收发天线的工作过程描述
A
2. 天线的概念，天线的基本功能，天线发射和接收的关系 A
3. 天线的分类，线天线和面天线的典型特征 A
4. 求解天线问题的实质 A
5. 【第1章基本振子与天线电参数】
基本振子的种类和结构特征
A
6. 天线分析所涉及的10个电参数 A ①能够列举出10个电参数
7. 利用矢量磁位求解电基本振子的辐射场 B ①坐标系系统、常用物理常数的数值和单位、电动力学和波的常用物理量
②不要求记忆在球坐标系下的矢量微分计算公式
8. 电基本振子的近区场（感应场） A ①近区和远区的划分方法
②近区场表达式不要求记忆
9. 电基本振子的远区场（辐射场），近区场和远区场的关系 C ①要求掌握表达式（1-10）及性质
10. 磁基本振子的等效方法及特点 B ①磁基本振子和小电流环的关系
11. 广义麦克斯韦方程组、对偶关系 B ①在理解公式（1-16）的基础上增加理解：k、v、η的对偶
②广义麦克斯韦方程组表达式不要求记忆
12. 磁基本振子的远区场表达式、磁矩和电小环的关系、电小环的远区场 C ①能够根据电基本振子的辐射场表达式（1-10）写出（1-17），并结合（1-18、19）导出（1-21），要求掌握表达式（1-21）及性质
13. 方向图，E面和H面，归一化方向图 B ①了解功率方向图、场强方向图、相位方向图
②了解分贝这个单位
③会分析天线的E面和H面
④会根据表达式绘制极坐标系下和直角坐标系下的方向图
⑤了解2θ0（第一零值波瓣宽度，FNBW）、2θ0.5（半功率波瓣宽度，HPBW）、副瓣电平（SLL）、前后比（FBR）
14. 方向性系数 C ①了解无方向性天线（理想点源）的概念
倒F天线介绍共10页word资料
第 1 页 单极子天线
单极子天线与对称振子天线的特性具有密切联系，实际应用中，由于单极子天线的馈电系统比对阵振子更简单，所以人们一般采用单极子天线【5】。
由前面的讨论知，半波长的对称振子天线或者/4的单极子天线可以调到谐振状态，并且其阻抗可以很容易与50的馈线匹配，方向性系数都比小的对称振子天线稍高。
平面单极子（monopole）天线是移动通信终端中常用的一种天线形式，它具有良好的阻抗特性和辐射特性。
对单极子天线而言，其有效高度表征了其辐射的强弱。因此有效高度是单极子天线的一个重要指标。当单极子天线高度较低时，输入阻抗呈现为阻容性，高容抗，低阻抗。若提高天线的电高度，辐射电阻将增大，损耗电阻也将下降，输入电容也会降低。单极子天线的电高度一般低于四分之一波长，辐射电阻也只有几个欧姆，所以为保证达到一定的辐射效率，在提高辐射电阻时还应设法降低损耗电阻。
2.4 微带贴片天线
图2-7 微带天线结构示意图
在通信、航空、航天、卫星和导弹应用中，天线的尺寸大小、重量、造价、性能、安装难易和空气动力学形态等都受到限制，常选用微带天线。
这种天线有薄的平面结构，通过选择特定的贴片形状和馈电方式或在贴片和介质基片间加负载以获得或调整所需的谐振频率、极化、模式、阻抗等各参量。
2.4.1微带贴片天线结构
图2-7所示为传输线馈电方式的微带天线结构，它由很薄的金属带以远小于波长的间隔h，置于接地导电板面上而成，贴片与地板之间填充有介质基片。辐射单元通常刻在介质基片上。
微带贴片这样设计是为了在贴片的侧射方向有最大的辐射，这可以通过选择不同的贴片形状激励方式来实现。贴片可以是方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形等。
2.4.2 微带贴片天线辐射机理
微带天线的辐射是由其导体边沿和地板之间的边缘场产生的。其辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。当频率较低时，因为电尺寸很小，电磁泄漏小；但随着频率的增高，电尺寸增大，泄漏就大。再经过特殊设计，即放大尺寸做成贴片状，并使其工作在谐振状态。辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，而成为有效的天线。
第四讲微带天线和缝隙天线
第四讲 微带天线
一、 引言
上一讲介绍了对称振子和接地单极子天线。这两种天线本质上属于线天线。但是手机内置天线往往都不是线天线的形式，常见的PIFA天线和单极子变形天线往往都是平面天线的形式。尽管在某种程度上它们也和对称振子或接地单极子天线有某种程度的相似性。在现有理论基础下，由于专门对手机天线进行严格理论分析的论著还很少，所以为更加深入地理解手机天线，我们还有必要了解几种其他类型的天线的一般特性。这一讲主要介绍微带天线的概念和基本原理。
二、 微带天线的结构
如下图所示，结构最简单的微带天线是由贴在带有金属地板的介质基片（）上的辐射贴片所构成的。贴片上导体通常是铜和金，它可以为任意形状。但通常为便于分析和便于预测其性能都用较为简单的几何形状。为增强辐射的边缘场，通常要求基片的介电场数较低。
三、 微带天线的特点
微带天线的典型优点是：
1． 重量轻、体积小、剖面薄；
2． 制造成本低，适于大量生产；
3． 通过改变馈点的位置就可以获得线极化和圆极化；
4． 易于实现双频工作。
但微带天线也有如下缺点：
1． 工作频带窄；
2． 损耗大，增益低；
3． 大多微带天线只在半空间辐射；
4． 端射性能差；
5． 功率容量低。
四、 微带天线的辐射机理
微带天线的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的。这可以从以下图中的情况简单说明，这个图是一个侧向馈电的矩形微带贴片，与地板相距高度为h。假设电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变化，则辐射器的电场仅仅沿约为半波长（）的贴片长度方向变化。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。在两端的场相对地板可以分解为法向和切向分量，因为贴片长度为，所以法向分量反相，由它们产生的远区场在正面方向上互相抵消。平行于地板的切向分量同相，因此合成场增强，从而使垂直于地板的切向分量同相，因此合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。
根据以上分析，贴片可以等效为两个相距、同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙。对微带贴片沿宽度方向的电场变化也可以采用同样的方法等效为同样的缝隙。这样，微带贴片天线的辐射就等效为微带天线周围的四个缝隙的辐射。