第1章__天线基础知识(1)..
天线基础知识(全)PPT课件
• 1957年美国研制成第一部靶场精密跟踪雷达AN/FPS-16，随后各 种单脉冲天线相继出现，同时频率扫描天线也付诸应用。
• 在50年代，宽频带天线的研究有所突破，产生了非频变天线理 论，出现了等角螺旋天线、对数周期天线等宽频带或超宽频带 天线。
天线的方向性
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Dept.PEE Hefei Normal
天线的方向性
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Dept.PEE Hefei Normal
天线的方向性
D=0.32 λ, S=0.25 λ, N=10
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Dept.PEE Hefei Normal
无线电电磁频谱
3Hz 30Hz 300Hz 3kHz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 3THz 30THz 300THz
主 编：John D. Kraus
出版社：the McGraw-Hill Companies 出版时间：2002
《天线》
编著：[美]John D.Kraus Ronald J. Marhefka
出版社：电子工业出版社 2004年4月 第一版
《Radio Propagation for Modern Wireless Systems》
线电波来传递信号的，而无线电波的发射和接收都通过天线来完成。 因此天线设备是无线电系统中重要的组成部分。图1.和图2.指出了 天线设备在两种典型的无线电系统中的地位。
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天线功能
物理天线知识点总结
物理天线知识点总结一、天线的分类天线可以根据它的结构、工作频率、工作方式等不同特征进行分类。
根据天线的结构，天线可以分为线性天线、面状天线、体状天线等。
根据天线的工作频率，天线可以分为超高频天线、甚高频天线、高频天线等。
根据天线的工作方式，天线可以分为接收天线、发射天线、双工天线等。
此外，根据天线的工作原理，天线还可以分为定向天线、全向天线等。
二、天线的工作原理天线是通过改变电流和电压的分布来产生电磁波。
当电流通过天线时，会在天线上产生一个电磁场。
这个电磁场会向周围空间辐射出去，形成电磁波。
同时，当有外界的电磁波作用在天线上时，天线也会感应出电流和电压。
这样，天线在电磁波的发射和接收中发挥作用。
三、天线的设计方法天线的设计是一个复杂的过程，需要考虑多种因素，包括天线的工作频率、方向性、增益、波束宽度、阻抗匹配等。
在天线的设计中，通常需要用到一些工具，如天线模拟软件、电磁场仿真软件等。
天线的设计方法包括复合结构天线的设计、微带天线的设计、阵列天线的设计等。
这些设计方法大大提高了天线的工作性能和可靠性。
四、天线的性能分析天线的性能分析是对天线的工作性能进行评估和优化的过程。
通过对天线的参数和特性进行测试和分析，可以了解天线的工作状况和性能指标，为天线的改进和优化提供依据。
常用的天线性能分析方法包括天线参数测量、天线阻抗匹配、波束宽度测量等。
五、天线的应用天线在无线通信、雷达、卫星通信、电视广播等领域中有着广泛的应用。
在无线通信系统中，天线是信息传输的关键设备，它的工作性能直接影响到通信系统的稳定性和可靠性。
在雷达系统中，天线是用来发射和接收雷达信号，它的性能直接影响到雷达的探测性能和分辨率。
在卫星通信系统中，天线是用来与卫星间进行通信，它的性能直接影响到卫星通信的质量和覆盖范围。
在电视广播系统中，天线是用来接收广播信号的，它的性能直接影响到电视节目的清晰度和稳定性。
总结：物理天线是无线通信和雷达系统中不可或缺的重要组成部分。
天线-第1章-天线基础微波技术与天线
第一章 基本振子天线基本振子是最基本的辐射源，是研究和分析各类线天线的基础，它包括基本电振子和基本磁振子。
而研究面天线的基本辐射源是惠更斯源。
§ 1 基本电振子（Electric Short Dipole ）1． 定义一段理想的高频电流直导线，长度λ<<l ，半径l a <<，沿线电流均匀分布（等幅同相）。
又称电流源。
2．空间场分布假设电流源位于坐标原点，沿着z 轴放置，长度为l ，其上电流等幅同相分布，即z a I I0=，这里0I 是常数。
基本电振子示意图为求其空间的场分布，首先求出其矢量磁位A ，再由A求出电场E 和磁场H。
根据电磁场理论，电流分布()z a I z y x I ˆ,,0'''= 的电流源，其矢量磁位A可以表示为：()()'''',,,4,,dl re z y x I z y x A jkr e l-⎰=πμ（2-1）()z y x ,,--观察点坐标()''',,z y x --源点坐标r --源点到观察点的距离由于基本电振子的长度l 远小于波长λ和距离r ，因此式（2-1）可以表示成：()jkrz l l jkr z e rl I a dz e r I a z y x A ---==⎰πμπμ4ˆ4ˆ,,0'2/2/0 （2-2）引用直角坐标与球坐标的变换关系，将（2-2）式改写为： θπμθcos 4cos 0r le I A A jkrz r -==θπμθθsin 4sin 0r le I A A jkrz --=-=0=ϕA依据()⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂-∂∂=⨯∇=θμμθϕr A rA r r a A H 1ˆ10 ，得到磁场表达式：jkr e r r k j l I H -⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=2014sin πθϕ （2-3）0=r H 0=θH由H j E ⨯∇=ωε1可得电场表达式为： jkrr e jr rk l I E -⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=320012cos πωεθ （2-4） jkre r j rr k jl I E -⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=32200114sin πωεθθ （2-5）0=ϕE由此可见，基本电振子的场强矢量由三个分量ϕH 、r E 、θE 组成。
天线原理与设计—第一章天线参数
1.2 天线主要的特性参数
圆极化和椭圆极化
对于两个相互垂直的线极化波，当他们幅度相同 相位相差 90°是形成圆极化波，当他们幅度不同 的时候，则形成椭圆极化波。他们根据旋转方向 不同，又分为左旋和右旋。
1.2 天线主要的特性参数
天线的极化
• 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致 时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极 化损失。 • 当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正 交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化 的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆 极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量， 这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。
辐射近场区的场以辐射场为主，但场随空间角度的分 布会随 R 的变化而变化，场的径向分量也有可能较大。 这一区域的范围一般定义为 （D > ）。 当天线的尺寸与波长相比很小时，这一区域可能不存 在。对于聚焦于无穷处的天线，这一区域也称为菲涅 耳(Fresnel)区。 远场区则是我们最关心的区域，我们的测量几乎都必 须在这个区域内进行。
1.1 空间源产生的场
L=lambda/2
L=3*lambda/2
1.1 空间源产生的场
一般根据R的变化可以将空间分为感应近场区、辐射近 场 区 （ 菲 涅 耳 区 Fresnel ） 和 远 场 区 （ 夫 琅 和 费 Fraunhofer）三个区，如图所示。
1.1 空间源产生的场
感应近场区的场主要是感应场，其外边界一般定义 为 ，其中，D为天线的最大尺寸，为 工作波长。如果天线是非常短的偶极天线，其外边界 定义为 。。
1.2 天线主要的特性参数
主瓣宽度
场强从主瓣最大值下降到最大值的0.707倍或功率从 主瓣的功率最大值下降到主瓣功率最大值一半时两 点之间的角度 主瓣宽度通常指方向 图某个截面内的主瓣 宽度。如果天线方向 图不是旋转对称的 ， 则各个截面内的主瓣 宽度不等。一般情况 下主要考虑 E 面和 H 面 内的主瓣宽度。
12 天线基本原理
板状天线
帽形天线
鞭状天线
抛物面天线
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天线的分类（三）
按照极化方式划分
全向天线
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单极化定向天线
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双极化定向天线
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第1章 天线的工作原理 第2章 天线的分类 第3章 天线的指标 第4章 天线新技术介绍
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天线的位置和作用
基站天馈系统示意图
1天线调节支架
抱杆（50~114mm）
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天线的主要电气指标
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天线方向图 对称半波振子方向图
顶视 侧视
全向天线方向图
定向天线方向图
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同轴式分布式天线系统
3 3
功 分 器 功 分 器
3
功 分 器
3
功 分 器
1.3耦
合 器
6
3
功 分 器
双 向 放 大 器 Tx/Rx 3
功 分 器
双 向 放 大 器 0.5 3
功 分 器 耦 合 器
10
3
功 分 器
双 向 放 大 器 3
对称阵子天线
1 l 2l Z 0 ( z )dz 120(ln 1) l 0 a
（1―4―10）
z
dz
2a
l z
dz
~
O
D z z l z
~
O
dz 2a
(a )
(b )
第1章 天线基础知识
由上式可知，振子越粗，Z0A就越小。Z0A就是与其
对应的等效传输线的特性阻抗。
前面已经指出，将对称振子的辐射功率看作是一 种欧姆损耗均匀分布在天线的臂上。若设单位长度损
耗电阻为Rl，则振子上的损耗功率为 P l
l
0
1 2 I ( z ) Rl dz 2
，故
1 2 I m Rr ,应等于这个天线的辐射功率 Pr 2
D Z 0 120ln a
Z0 A
1 l 2l Z 0 ( z )dz 120(ln 1) l 0 a
第1章 天线基础知识
臂电长度的变化曲线如图1―4―7所示，对称振子越粗， 平均特性阻抗Z0A越低，对称振子的输入阻抗随 l/λ的变
化越平缓，有利于改善频带宽度。由计算结果还可以
得知，对称振子存在着一系列的谐振点。在这些谐振 点上，输入电抗为零，储存在近区中的电场和磁场无 功能量是相等的。第一个谐振点位于l/λ≈0.48处；第二 个谐振点位于l/λ≈0.8~0.9的范围内，虽然此时的输入电 阻很大，但是频带特性不好。
60 I m sin k (l z )dz jkr （1―4―2） dE j sin e r
由于上式中的r与r′可以看作互相平行，因而以从
坐标原点到观察点的路径r作为参考时，r与r′的关系为
r′≈r-zcosθ
（1―4―3）
天线基础知识(馈电原理)
天线输入阻抗与特性阻抗不一致时，产生 的反射波和入射波在馈线上叠加形 成驻波，其相邻电压最大值和最小值之比就是电压驻波比。电压驻波比过 大，将 缩短通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放 管，影响通信系统正常工作。
2. 前后比（F/B）
天线的后向180°±30°以内的副瓣电平与最大波束之差，用正值表示。一 般天线的前后比在18～45dB之间。对于密集市区要积极采用前后比大的天 线，如40dB。
天线知识
目录
目录
天线知识 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 天线基础知识 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1 天线增益 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 方向图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 极化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 天线其它技术指标 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5 天线的种类 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 天线技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1 天线分集技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 赋形波束技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3 智能天线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3 天线选型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1 各种天线的应用原则 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2 各种无线环境下的天线选择原则 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4 天线倾角规划 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.1 天线倾角设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.2 实际运用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5 天线的安装 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.1 天线支架安装 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.2 天线安装 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
研究生《天线理论与技术》教学大纲
《天线理论与技术》教学大纲Antenna Theory and Technology第一部分大纲说明1. 课程代码：2. 课程性质：专业学位课3. 学时/学分：40/34. 课程目标：通过这门课的学习，使学生掌握天线的基础知识、常用天线的结构及分析方法。
配合相关软件的学习，最终使学生达到能够独立完成常用及新型天线的设计及改进方法。
5. 教学方式：课堂讲授、分组实验、分组专题报告与课堂讨论相结合6. 考核方式：考试7. 先修课程：电磁场与波、高频电子电路8. 本课程的学时分配表9. 教材及教学参考资料：（一）教材：宋铮，天线与电波传播，西安：西安电子科技大学出版社，2003年版（二）教学参考资料：1、John D. Kraus，天线（第三版），北京：电子工业出版社，2008年版2、Law & Kelton，Electromagnetics with Application ，北京：清华大学出版社，2001年版3、Warren L. Stutaman，天线理论与设计，北京：人民邮电出版社，2006年版4、卢万铮，天线理论与技术，西安：西安电子科技大学出版社，2004年版5、李莉，天线与电波传播，北京：科学出版社，2009年版第二部分教学内容和教学要求本课程讲授天线的基本理论和设计方法，主要内容有：天线的基本知识、常用天线的结构和分析方法、天线仿真与设计的常用软件、常用天线及新型天线的设计和改进方法。
第一章时变电磁场教学内容：1.1 麦克斯韦方程1.2 时变电磁场的边界条件1.3 波动方程与位函数1.4 位函数求解1.5 时变电磁场的唯一性定理1.6 时变电磁场的能量及功率1.7 正弦时变电磁场1.8 正弦时变电磁场中的平均能量与功率教学要求：本章是本课程的基础内容，讲授过程中注意和后续章节具体天线的分析和设计的结合。
教学建议：1.重点是麦克斯韦方程和时变电磁场的边界条件的分析方法。
2.讲授过程中注重讲授和后续章节内容的联系。
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天线基础知识 常用天线 电波传播的基础知识 地面波传播
天波传播
视距传播 地面移动通信中接收场强的预测
课程要求
1.了解天线的基本特性和电参数；
2.掌握电波传播的基本概念； 3.掌握电波传播的基本特点和规律； 4.了解地面移动通信接收场强的预测方法。
教材：
《天线与电波传播》宋铮、张建华、黄冶
（3）天线的几何尺寸：要有一定的电长度
振 子 电场
磁场 电场 电波传输方向
磁场 电场
绪
论
6.天线的分类
按用途：通信、广播电视、雷达、导航天线 按波长：中波、短波、超短波、微波天线 按状态：发射天线、接收天线、收发共用天线 按极化方式：线极化、圆极化、椭圆极化天线 按天线特色：超宽带天线、非频变天线、 自适应天线、智能天线等。
舰载通信、雷达天线
பைடு நூலகம்
雷 达 天 线
第 1章
天线基础知识
本次课主要内容 1.绪论
(1)天线在无线电通信系统中的地位
(2)天线的定义、作用
2.电基本振子的辐射
(1)电基本振子辐射场表达式 (2)电基本振子的辐射特性（重点）
绪
论
1.天线在无线电通信系统中的地位 天线是任何无线电通信系统都离不开的 重要前端器件。 2.天线的作用 （１）将发射机输出的高频电流能量转换成电 磁波辐射出去。 （２）将空间电磁波信号转换成高频电流能量 送给接收机。
西安电子科技大学出版社 2003
参考书：
1.《天线与电波》周朝栋，王元坤，杨恩耀 西安电子科技大学出版社 2.《天线与电波传播》李 莉 1994
科学出版社
2009
哪些地方需要天线？
中 波 广 播 天 线
移动通信基站天线
小灵通基站天线
手机天线
卫星通信天线
云 南 天 文 台 天 线
双频通信天线
绪
论
绪
论
第 1章
天线基础知识
1.1.1 电基本振子的辐射
电基本振子： 又称电流元，它是指一 段理想的高频电流直导线，
z Er
I l O r E
H
y
，半径 a l ， 振子沿线的电流 I 处处等幅同相。
其长度 l
x
电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射 特性的基础。
第 1章
(1―1―1)
第 1章
天线基础知识
其中：
：电场强度 （V/m）
H ：磁场强度
（A/m）
自由空间相移常数： k 0 0 2 自由空间介电常数： 0
1 10 9 36
rad m
F m
7 4 10 自由空间导磁系数： 0
H m
场强的下标r、θ、φ表示球坐标系中矢量的各分量
得到
I l cos Er 0 20
I l sin E 0 40
k 1 jkr 2 3 e jr r
k2 1 1 jkr j j e 2 3 r r r
E 0
第 1章
天线基础知识
电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为
绪
论
通常按天线原理分为两大类：
线天线：用于长波、短波、超短波
面天线：用于微波
7.天线研究方法 (1)精确解法：求解麦克斯韦方程组 (2)近似解法：微扰法、变分法、迭代法、 几何光学法、几何绕射法
(3)数值解法：矩量法、有限元法
绪
论
8.对天线的基本要求
(１) 具有一定的方向特性；
(２) 较高的转换效率； (３) 能满足系统正常工作的频带宽度。 9.天线分析、设计及仿真软件 （1）MATLAB （2）CST MWS （3）HFSS
eR R 2 sin A R ＡR
e R sin RＡ
e R R sin Ａ
得到
H
I 0 l sin 4
k 1 jkr j 2 e r r
Hr 0
H 0
由
1 E H j
Hr 0 H 0 Il k 1 jkr H sin j 2 e 4 r r Il 2 1 jkr k Er cos 2 j 3 e 4 0 r r k2 k Il 1 1 jkr E sin j 2 j 3 e 4 0 r r r E 0
' ' '
jkr u ' ' ' e ' A( x, y, z ) I ( x , y , z ) dl 4 r l
根据 l a l 上式可以表示成
I 0 jkr l /2 ' I 0l jkr A x , y , z ez e l /2dz ez e 4 r 4 r
第 1章
天线基础知识
写成矢量表达式为
E Er er E e H H e
大方向的单位矢量。
(1―1―2)
引用直角坐标和球坐标的变换关系
可以得出关系式
I 0le jkr Ar Az cos cos 4r I 0le jkr A Az sin sin 4r
A 0
依据
H
1
0
A e
1 Ar rA r r
绪
论
3.天线的定义
天线是用来辐射或接收无线电波的装置。 4.天线辐射过程 天线在外加高频激励源的作用下，在其 周围激发起交变电场和磁场，这种交变的磁 场和电场周而复始地相互作用、相互转化， 形成电磁波，并以一定的速度向周围空间传 播出去。
绪
论
5.天线有效辐射的条件
（1）天线激励源频率：要有合适的激励频率 （2）天线的几何形状：必须是开放系统
天线基础知识
z
P
首先建立模型，然后求其辐射场
电基本振子模型： 一段理想高频电流直导线，
r
θ
l
， a l ，
x
l
O y φ P'
沿线电流等幅同相。
：为射线OP与振子轴（z轴）之间的夹角 ：为OP在xoy平面的投影OP′与x轴之间的夹角
电流分布 I ( x , y , z ) I ez 矢量磁位可以表示成：