天线原理与设计复习
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。
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第1章天线基础知识1.什么是电基本振子，电基本振子远区辐射场的特点？电基本振子是一段理想的高频电流直导线，其长度l 远小于波长λ，其半径a 远小于l ，同时振子沿线的电流I 处处等幅同相。
远区场特点：p4，包括大小关系、方向关系。
00060sin ,/==377jkr Il E j e H E r q j q m p q h h l e -==W ，对真空，2.远区场坡印廷矢量平均值计算公式(会计算)：p4。
与距离平方、波长平方成反比，与子午角正弦的平方成正比。
电基本振子远区辐射场的主要特性：(1) E θ、H υ均与距离r 成反比，成反比，辐射场的等相位面为辐射场的等相位面为r 等于常数的球面，E 、H 和S av 相互垂直，且符合右手螺旋定则。
(2)传播方向上电磁场的分量为零。
(3)E θ和H υ的比值为常数。
(4)E θ和H υ与sin θ成正比。
(5)辐射功率P r 正比于(Il/λ)2。
如果是近区，电场与磁场相差90度相位差。
3.电基本振子的辐射功率和辐射电阻公式(会计算，p5) 22240()r l P I p l =4.电基本振子和磁基本振子远区辐射功率比较对同样电长度的导线绕制成磁偶极子，在电流振幅相同情况下，远区的辐射功率比电偶极子小几个数量级。
磁基本振子的辐射场是根据电磁对偶性原理推得的。
5.天线的方向函数定义：p8 (,,)(,)60/E r f I rq j q j =归一化方向函数：max max(,)(,)(,)(,)E f F f E q j q j q j q j ==电基本振子的E 面归一化方向函数F (θ,φ)=|sin θ| ，H 面为圆。
6.E 面方向图与H 面方向图如何定义的？p9 E 面方向图：电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；H 面方向图：磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。
功率方向图(也有E 面和H 面之分)：Φ(θ,φ)=F 2(θ,φ) 半功率点波瓣宽度(3d B 波瓣宽度)2θ0.5E (E 面)或2θ0.5H （Ｈ面）。
天线原理与设计—第二章对称振子
2.1 对称振子
对称振子输入阻抗
l / 0.25, l / 0.25, 等效于RC串联电路 等效于RLC谐振状态 等效于RL串联电路 等效于RC串联
0.5 l / 0.25, 0.75 l / 0.5,
l / 0.5， 等效于RLC并联电路谐振
l/a 越 小 ， Za 越 小 ， 曲 线越平坦， Q 值低，频
直线偶极天线可等效为一有耗的均匀传输线，无耗时的等效特 性阻抗为：
有耗时的等效特性阻抗为
将辐射功率看成是沿传输线均匀分布的电阻 R1产生的损耗功率， 则有
2.1 对称振子
等效传输法计算输入阻抗
将电流表达式代入得到
得到
利用开路有耗传输的输入阻抗公式得：
2.1 对称振子
等效传输法计算输入阻抗
当αl较小，2βl不在2π附近时
二. 对称振子
张展
2.1 对称振子
2.1 对称振子
上下导线的电流方向由原来 相反的方向变成方向相同， 使他们产生的场同向叠加， 形成有效辐射
2.1 对称振子
电流分布
确定电流分布 根据电流分布确定远场
2.1 对称振子
不同长度振子的电流分布
2.1 对称振子
远场
z处的微分电流源Idz在P点产生的远区电场为 z
l
上式只适用于细振子 ，且电长度在 0~0.35λ， 0.65λ~ 0.85λ，其输入电抗就是开路传输线的输入电抗，其输入电 阻就是归入输入端电流的辐射电阻：
1 1 | I in |2 Rin | I M |2 Rr 2 2
Iin I M sin l
Rin |
IM 2 Rr | Rr Iin sin 2 l
天线原理与设计 讲义
( xˆJ x + yˆJ y + zˆJ z )e jβr′cosψ ds′ ( xˆM x + yˆM y + zˆMz )e jβ r′cosψ ds′
⎩
s
s
由直角坐标矢量到球坐标矢量的转换公式
⎡ ⎢ ⎢
Ar Aθ
⎤ ⎥ ⎥
=
⎡sinθ ⎢⎢cosθ
cosϕ cosϕ
⎣⎢ Aϕ ⎦⎥ ⎢⎣− sinϕ
求解口面天线的辐射场，须先求得开口面上的场分布，然后按惠更斯—菲涅 尔原理，把开口面分割成许多小面元。根据面元的辐射场，并在整个开口面 S 上 积分，最后可求得口面天线的辐射场。
要按照这个过程求解口面天线的辐射场，还有一个问题必须解决，因为我们 知道，要求解一个辐射系统的辐射场，是根据振荡源(电流源 J 和磁流源 M(Jm ) ) 来求解的，而不是直接由场来求场。根据等效原理，就可将口面天线口径面上的 电磁场等效为电、磁流。
以口径面 S 上的次级源分布代替实际源分布以后，封闭面内的场 E = H = 0 ，
但封闭面外的场不变，口径面 S 上的电磁场的切向分量 nˆ × Hs 和 nˆ × Es 也不变。 在新的分析系统中(见图 b)，口径面 S 的内外侧，电磁场由 0 值跃变为 Hs 和 Es ， 即发生了不连续，这种不连续只有在存在相应的面电流 Js 和面磁流 Ms 时才能发 生。因此证明了口径面 S 上的 Js 和 Ms 分别为：
⎩
s
∫∫ ⎧
⎪
Lθ
=
⎨
s
⎡⎣M x cosθ cosϕ + M y cosθ sinϕ ⎤⎦ e jβ ( xcosϕ + ysinϕ )sinθ dxdy
∫∫ ⎪Lϕ = ⎡⎣−M x sinϕ + M y cosϕ ⎤⎦ e jβ ( xcosϕ + ysinϕ )sinθ dxdy
天线原理与设计—第八章抛物面天线
8.2 卡塞格伦天线
8.2 卡塞格伦天线
双曲面的性质：
（1）双曲线上任一点N到两个焦点的距离之差等于 常数 （2）点源由双曲线的实焦点F向另一条双曲线照射， 不同点的反射线反向延长时，都相交于虚焦点F’。 因此，反射线犹如从位于F’点的点源所辐射出来。
8.2 卡塞格伦天线
8.2 卡塞格伦天线
卡塞格伦天线的优点
提高了口面利用系数 结构紧凑，馈电方便
缩短天线的纵向尺寸
匹配好 比抛物面天线略高的效率
习题
简述旋转抛物面天线和卡塞格伦天线的原 理，比较异同处，并作出评述。
馈源产生弱方向性的球面波，经抛物面反射面后 变成方向性尖锐的平面波。
8.1 旋转抛物面天线
8.1 旋转抛物面天线 抛物面在直角坐标系的几何关系
在极坐标系中： 旋转抛物面具有两个主要的几何特性： 1）由焦点F出发的射线经抛物面反射后，反射线 平行于z轴，形成一束平行线。反之，当平行线 经抛物面反射后，全都会聚焦在焦点F。 2）由焦点F发出并经抛物面反射的各条线到达口 径面（或垂直于z轴的任一平面）所走的路程相 等。这一路程为： 3）意味着焦点F发出的球面波反射后成为平面波。
图a:1-抛物面；2-同轴线；3-对称振子；4-反射圆 盘；5-短路塞；6-λ/4阻抗变换器；7-λ/4扼流套； 方向图近似为： 图b是一种宽带馈源。馈源的相位中心位于振子和 反射面之间，略靠近反射面。
8.1 旋转抛物面天线
波导馈电的振子型馈源
8.1 旋转抛物面天线
喇叭馈源
8.1 旋转抛物面天线
8.1 旋转抛物面天线
天线原理与设计—第五章行波天线和宽带天线
行波天线辐射场为
方向函数为
5.1 行波天线
不同长度的行波天线辐射方向图也不同，下图为长度
为5λ的行波天线的辐射方向图：
行波天线的特性点：1)主瓣指向相位滞后的方向。2) 天线(电长度)越长，主瓣越尖锐、越向天线轴靠拢，且 副瓣越多。
5.1 行波天线
方向函数为
5.3 非频变天线
5.3.2 平面等角螺旋天线
螺旋臂1： 螺旋臂2：有螺线臂1各自旋 转180度： 为使螺线臂与臂间缝隙形成 自补结构，取：
2
5.3 非频变天线
对平面等角螺旋天线带宽的讨论
1）天线特性要完全与频率无关，要求结构无限大， 实际不可能做到。 2）不过，螺旋臂上的电流随着臂的扩张而随指数衰 减（弱终端效应），在电流衰减到很小时截断，影 响不大，因此实际尺寸的天线的带宽仍然很大。
a)若天线的形状只有角度来决定 b)弱终端效应 c)自补结构
5.3 非频变天线
• 理想的非频变天线需要满足上述三种特征。现实
中，设计非频变天线时要突出这些特征，但不一 要定严格。
பைடு நூலகம்
• 非频变天线的一个突出特征：自比例特征。大部
分辐射发生在天线的宽度为半个波长或周长的一 个波长范围，称为有效作业区。频率下降时，有 效作业区移像尺寸较大的部分，反之亦然。角度 条件、自补结构和弱终端效应特征使得天线在频 率变化时可以自动调整电流区域。
五、行波天线和宽带天线
5.1 行波天线
驻波天线
电流为驻波分布
驻波天线输入阻抗具有明显的谐振特性，通常工作频
带较窄
行波天线
天线上反射波不强，电流为行波分布 通常由导线末端接匹配负载来消除反射波 天线通常很长，大部分能量辐射，到达负载功率很小
天线原理与设计—第三章V型振子
3.4 八木天线
参数设计：
1）引向器距离一般为0.25~0.35λ， 长阵多用长间距，短阵多用短间距。 反射器的长度约为0.5λ，激励源长度 为无寄生元时的谐振长度，引向器 长度一般比谐振长度短10%到20% 。 2）一般用一个反射器，若干个引向 器。当引向器增加到5-6个，增益提 高明显，继续增加到14个，怎一变化 不大，一次，多为6~14个左右
3.4 八木天线
参数设计：
1）增益对引向器 的长度较敏感。 2）支撑杆的长 度也有影响
3.4 八木天线
3.4 八木天线
3.4 八木天线 12单元的八木宇田天线方向图
方向性系数为11.82dBd, 前后比为38.5dB,输入阻抗 为26.5+j23.7������
3.4 八木天线
为什么八木天线多用折合振子作激励？
输入阻抗
3.2 折合振子
天线模式 (even mode)
两并列振子电流同向， 总电流为Ia, 激励电压 为U/2, 若振子的输入 阻抗为Zd
3.2 折合振子
传输线模式 Odd mode 两振子电流反相可 以等同于双线传输
输入阻抗
总电流为 It+Ia/2, 激励电压为U
输入阻抗
1） 折合振子的输入阻抗可以等效为四个串联的对 称振子与两个串联的短路传输线的并联。
分析：
折合振子可以等效为平行排列的、间距很小的、馈 电相同的二元对称振子阵
3.2 折合振子
辐射特性：
1）对于远场区，由于间隔很小，之间的相位差可以 忽略不计，折合振子的辐射场可以近似为两个对称 振子辐射场的叠加。 2）在折合振子与单个对称振子馈电电流相同的条件 下，折合振子的辐射功率是单个对称振子辐射功率 的二倍。 3）辐射功率相同的条件下，折合振子的输入电流是 对称振子输入电流的一半。
天线原理与设计3.4.6 背射(返射)天线概述
背射天线是20世纪60年代初在引向天线基础上发展起来 的一种新型天线。
1. 背射天线(Back Fire Antenna) 在引向天线最末端的引向器后面再加一反射盘T，就构 成背射天线，如图3-4-22所示。
图3-4-22 背射天线
反射盘一般称为表面波反射器，它的直径大致与同一 增益的抛物面天线的直径相等； 反射盘与反射器之间的距离 应为λ/2的整数倍。如果在反射盘的边缘上再加一圈反射环 (边框)，则可使增益再加大2 dB左右。一个设计良好的背射
8 dB的增益，其 增益可用下式大致估算：
G 60 L
(3-4-13)
2. 短背射天线(Short BacБайду номын сангаас Fire Antenna) 这种天线由一根有源振子(或开口波导、 小喇叭)和两个 反射盘组成，如图3-4-23所示。
图 3-4-23 短背射天线