多种天线及其辐射方向图（三）
Corner reflector antennaA corner reflector antenna is a type of radar antenna often used for VHF and UHF frequencies transmitters. It consists of a driven element ( could be a dipole or Yagi array ) mounted in front of two flat rectangular reflecting screens joined at an angle, usually 90°.The reflecting screen could be a sheet of metal or grid element (for low-frequency radar) to reduce weight and improve wind resistance of the structure. Corner reflectors antenna have a moderate gain of 10-15 dB and wide bandwidth.Radiating patternLog-periodic Antenna (LPDA)Log-periodic dipole array consists of a number of half-wave dipoles driven elements of gradually increasing length, each consisting of a pair of metal rods. The dipoles are mounted close together in a line, connected in parallel to the feedline with alternating phase. Even though log periodic is similar to multi-element Yagi designs in appearance, they work in very different ways. Adding elements to a Yagi increases its directionality (gain), while adding elements to an LPDA increases its frequency response (bandwidth), extremely wide operating frequency
is also one of the main advantages of LPDA over others kind of antenna.The length of element on LPDA are related logarithmically, the length of the longest element is 1/2 of the wavelength of lowest frequency, and the length of the shortest element is 1/2 of the wavelength of highest frequency
Radiating patternHelical AntennaA helical antenna is an antenna consisting of a conducting wire wound in the form of a helix. Normally, helical antennas are mounted over a ground plane. The feed line is connected to the bottom of the helix and the ground plane. Helical antennas can operate in one of two principal modes — normal mode or axial mode.Normal mode/broadside helix: the dimensions of the helix (the diameter and the pitch) are small compared to the wavelength of transmitting frequency. The antenna acts similarly to an electrically short dipole or monopole, and the radiation pattern, similar to these antennas is omnidirectional, with maximum radiation at right angles to the helix axis. The radiation is linearly polarised parallel to the helix axis. These are used for compact antennas for portable and mobile two-way radiosAxial mode/end-fire helix, the dimensions of the helix
are comparable to the wavelength of transmitting frequency. The antenna functions as a directional antenna radiating a beam off the ends of the helix, along the antenna’s axis. It radiates circularly polarised radio waves. These are often used for satellite communication.Radiating pattern
实验题目：天线辐射的方向特性 实验目的：理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识，测定右手螺旋天 线的方向特性。 实验原理：任何实用天线的辐射都具有方向性。通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示 出来，称为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F （θ，φ）|。天线的立体方向图一般难以画出，通常只画出E 面和H 面的方向图。 天线的方向图及其相关参数： 将方向图函数F （θ，φ）进行归一化后所绘制的方向图称为归一化方向图。 1）主瓣宽度 当天线E 面和H 面具有多瓣形状时，通常将天线最 大辐射方向所在的波瓣称为主瓣。如图中2θ0.5称为主瓣宽度。 2）副瓣电平 估计天线副瓣的强弱，一般用副瓣电平表示 3）前后比 天线最大辐射方向电平与其反方向电平之比。 4）方向性系数 天线在远场区最大辐射方向上某点的平均辐射功率密度与平均辐射功率相同的无方向性天 线在同一点的平均辐射功率密度之比： ?? = ππ ? θθ?θπ 20 2 sin ),(4d d F D 如果方向图与θ无关，那么有 ? = π θ θθπ 2 sin )(4d F D 效率： 天线的辐射功率P r 与输入功率P in 之比。 增益系数： 天线在远场最大辐射方向上某点的平均功率密度与平均功率相同的无方向性天线在同一点的 平均功率密度之比，记为G 。 等效高度： 在保持实际天线最大辐射方向上场强值不变条件下，假设天线上电流为均匀分布时无线的等效 高度。 实验内容：1、检查仪器，确保程序和机器的正常工作，调整接收天线和被测天线，使两者在初始状态时 在同一直线上； 2、启动程序和工作仪器，计算机将自动绘制方向图（平面）； 3、进行归一化处理； 4、根据作出的图象读出相关读数，并计算天线的相关参数。
阵列方向图及MATLAB 仿真 1、线阵的方向图 2 ()22cos(cos )R φψπφ=+- MATLAB 程序如下（2元）： clear; a=0:0.1:2*pi; y=sqrt(2+2*cos(pi-pi*cos(a))); polar(a,y); 图形如下： 若阵元间距为半波长的M 个阵元的输出用方向向量权重11(,,)M j j M g e g e φφ???加以组合的话，阵列的方向图为 [(1)cos()]1()m M j m m m R g e ψπφφ--==∑ MATLAB 程序如下（10个阵元）： clear; f=3e10; lamda=(3e8)/f;
beta=2.*pi/lamda; n=10; t=0:0.01:2*pi; d=lamda/4; W=beta.*d.*cos(t); z1=((n/2).*W)-n/2*beta* d; z2=((1/2).*W)-1/2*beta* d; F1=sin(z1)./(n.*sin(z2));i K1=abs(F1) ; polar(t,K1); 方向图如下： 2、圆阵方向图程序如下： clc; clear all； close all; M = 16; % 行阵元数 k = 0.8090; % k = r/lambda DOA_theta = 90; % 方位角 DOA_fi = 0; % 俯仰角 % 形成方位角为theta，俯仰角位fi的波束的权值m = [0 : M-1];
w = exp(-j*2*pi*k*cos(2*pi*m'/M-DOA_theta*pi/180)*cos(DOA_fi*pi/180)); % w = exp(-j*2*pi*k*(cos(2*pi*m'/M)*cos(DOA_theta*pi/180)*cos(DOA_fi*pi/180)+sin(2*pi*m'/M)*si n(DOA_fi*pi/180))); % 竖直放置 % w = chebwin(M, 20) .* w; % 行加切比雪夫权 % 绘制水平面放置的均匀圆阵的方向图 theta = linspace(0,180,360); fi = linspace(0,90,180); for i_theta = 1 : length(theta) for i_fi = 1 : length(fi) a = exp(-j*2*pi*k*cos(2*pi*m'/M-theta(i_theta)*pi/180)*cos(fi(i_fi)*pi/180)); %a=exp(-j*2*pi*k*(cos(2*pi*m'/M)*cos(theta(i_theta)*pi/180)*cos(fi(i_fi)*pi/180)+sin(2*pi*m'/ M)*sin(fi(i_fi)*pi/180))); % 竖直放置 Y(i_theta,i_fi) = w'*a; end end Y= abs(Y); Y = Y/max(max(Y)); Y = 20*log10(Y); % Y = (Y+20) .* ((Y+20)>0) - 20; % 切图 Z = Y + 20; Z = Z .* (Z > 0); Y = Z - 20; figure; mesh(fi, theta, Y); view([66, 33]); title('水平放置时的均匀圆阵方向图'); % title('竖面放置时的均匀圆阵方向图'); % 竖直放置 axis([0 90 0 180 -20 0]); xlabel('俯仰角/(\circ)'); ylabel('方位角/(\circ)'); zlabel('P/dB'); figure; contour(fi, theta, Y); 方向图如下：
1、仿真方向图基于如下定义天线与坐标的关系：天线安装在球坐标的原点上，天线法向（与安装平面垂直）或轴向为z轴，指向天顶，如下图所示。Theta（θ）面方向图：指phi取恒定值的平面；theta从0到360°，其中0～180°对应球坐标中x>0的0～180°，180～360 对应球坐标中x<0的180～0°，方向图均为功率方向图。对于喇叭、微带天线等定向辐射天线而言，通常所说的E、H面是theta面的两个特例。Phi（φ）面方向图（水平面）：指Theta 取恒定值的锥面，phi从0到360°。E-theata分量（垂直面）：Theta＝0°附近对应为水平极化分量的一部分（垂直极化振子天线的零点区域，即垂直振子无水平极化分量，常规微带天线水平极化分量大）；Theta＝90°附近时，对应垂直极化分量（垂直极化振子天线的最大辐射区域，即垂直振子为垂直极化天线，常规微带天线垂直极化分量较小，约－8dBi）。E-phi 分量：电场矢量与z轴垂直，theta＝0°附近对应为水平极化分量的一部分；theta＝90°附近时，对应全部水平极化分量。总场：Etheta与Ephi的之合成，或者垂直与水平分量之合成，相当于分集接收的效果。天顶 2、方向图形状定义为了形象地描述某些具有一定特征的天线方向图，定义几个名词，仅限于本网站，与其它场合可能有所区别。名词轴向增益θ＝0°低仰角θ＝80°旋转对称性典型形状典型天线桃子形方向图5 -4 Y 微带天线、振子天线半球形方向图 2 0 Y 四臂螺旋天线、特种微带天线南瓜形方向图-1 1 Y 四臂螺旋天线、特种微带天线全向方向图<-10 2 Y 振子天线、特种微带天线偏轴方向图0 3 N 特种微带天线葫芦形方向图-10 3 N 特种微带天线 实例： l “葫芦形”方向图。 最大辐射方向：＋Y，－Y轴方向，适用于需要覆盖狭长空间的场合 l 体积小：相当于普通微带天线的尺寸 l 相对带宽：约5.5％（VSWR<1.5），13%（VSWR<2） l 可以增加第二个频率的微带天线，半球形方向图，厚度增加约4mm。 l 天线形式：微带天线 l 极化：垂直线极化（E-syt） l 3dB波束宽度：水平面（=90°）70°，垂直面（＝90°）110° l 增益：>4dB（两个主瓣方向） l 安装方式：微带天线面位于球坐标的XOY平面，可以直接安装在金属体上，也可以安装在非金属介质上，方向图稍微有变化。 仿真实例：1.9GHz通讯天线 仿真结果：
天线辐射的方向特性 一实验目的 1、理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有 一定的认识。 2、测定右手螺旋天线的方向特性。 二实验仪器 ①旋转天线盘；②喇叭形天线；③微波吸收器；④右手螺旋天线；⑤波导式天线；⑥计算机及测试软件。 三实验原理 辐射方向图： 任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图； 方向图函数： 将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它与|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。 为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度与场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像
汽车轮胎。如图1（a）所示。天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H面方向图。电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即与磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。 (a) 立体方向图；(b) E面方向图；(c) H 面方向图 图1 电流元的方向图 二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。在极坐标系中绘制的电流元的E面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90?方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0?和θ=90?）上其值为零。在H面（θ=90?）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。 而天线设计是用来有效辐射电磁能的一种装置，实际中没
实验四、电波天线特性测试 一、实验原理 天线的概念 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。 天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。 对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的： 按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等； 按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等； 按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等； 按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。 选择合适的天线 天线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响通信系统的指标，用户在选择天线时必须首先注重其性能。具体说有两个方面，第一选择天线类型；第二选择天线的电气性能。选择天线类型的意义是：所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求；选择天线电气性能的要求是：选择天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统设计要求。 天线的方向性 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天
线称为定向天线。全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。 垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。 天线的增益 增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求，简单地说，在同等条件下，增益越高，电波传播的距离越远，一般基地台天线采用高增益天线，移动台天线采用低增益天线。 增益是指：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信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20 = 5W 。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。半波对称振子的增益为G = 2.15dBi；4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G = 8.15dBi(dBi，这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd。 天线的波瓣宽度 方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。还有一种波瓣宽度，即 10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低 10dB
通信信号处理实验报告 ——阵列天线方向图的初步研究 11级通信（研） 刘晓娟 一、实验原理： 1、智能天线的基本概念：智能天线是一种阵列天线，它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形状，即自适应或以预制方式控制波束幅度、指向和零点位置，使波束总是指向期望方向，而零点指向干扰方向，实现波束随着用户走，从而提高天线的增益，节省发射功率。智能天线系统主要由①天线阵列部分；②模/数或数/模转换部分；③波束形成网络部分组成。本次实验着重讨论天线阵列部分。 2、智能天线的工作原理：智能天线的基本思想是：天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。 3、方向图的概念：以入射角为横坐标，对应的智能天线输出增益为纵坐标所作的图称为方向图，智能天线的方向图有主瓣、副瓣等，相比其他天线的方向图，智能天线通常有较窄的主瓣，较灵活的主、副瓣大小、位置关系，和较大的天线增益。与固定天线相比最大的区别是：不同的全职通常对应不同的方向图，我们可以通过改变权值来选择合适的方向图，即天线模式。方向图一般分为两类：一类是静态方向图，即不考虑信号的方向，由阵列的输出直接相加得到；另一类是带指向的方向，这类方向图需要考虑信号的指向，通过控制加权相位来实现。 二、实验目的： 1、设计一个均匀线阵，给出λ（波长），N （天线个数），d （阵元间距），画出方向图曲线，计算3dB 带宽。 2、通过控制变量法讨论λ，N ，d 对方向图曲线的影响。 3、分析旁瓣相对主瓣衰减的程度(即幅度比)。 三、实验内容： 1、公式推导与整理： 权矢量12(,,......)T N ωωωω=，本实验旨在讨论静态方向图，所以此处选择 ω=(1,1,......1)T 。 信号源矢量(1)()[1,,...]j j N T a e e ββθ---=，2sin d πβθλ = ， 幅度方向图函数()()H F a θωθ== (1)1 sin 2sin 2N j n n N e β β β--== ∑=sin(sin /)sin(sin /)n d n d πθλπθλ。
实验四 天线方向图测量实验 一、预习要求 1、什么是天线的方向性？ 2、什么是天线的方向图，描述方向图有哪些主要参数？ 二、实验目的 1、通过天线方向图的测量，理解天线方向性的含义； 2、了解天线方向图形成和控制的方法； 3、掌握描述方向图的主要参数。 三、实验原理 天线的方向图是表征天线的辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度关系的图形。完整的方向图是一个空间立体图形，如图7所示。 它是以天线相位中心为球心（坐标原点），在半径足够大的球面上，逐点测定其辐射特性绘制而成的。测量场强振幅，就得到场强方向图；测量功率，就得到功率方向图；测量极化就得到极化方向图；测量相位就得到相位方向图。若不另加说明，我们所述的方向图均指场强振幅方向图。空间方向图的测绘十分麻烦，实际工作中，一般只需测得水平面和垂直面的方 向图就行了。 图7 立体方向图 天线的方向图可以用极坐标绘制，也可以用直角坐标绘制。极坐标方向图的特点是直观、简单，从方向图可以直接看出天线辐射场强的空间分布特性。但当天线方向图的主瓣窄而副瓣电平低时，直角坐标绘制法显示出更大的优点。因为表示角度的横坐标和表示辐射强度的纵坐标均可任意选取，例如即使不到1o的主瓣宽度也能清晰地表示出来，而极坐标却无法绘制。一般绘制方向图时都是经过归一化的,即径向长度(极坐标)或纵坐标值(直角坐标)是以相对场强max `)(E E ?θ表示。这里，)(`?θE 是任一方向的场强值，max E 是最大辐射方向的场强值。因此，归一化最大值是1。对于极低副瓣电平天线的方向图，大多采用分贝值表示，归一化最大值取为零分贝。图8所示为同一天线方向图的两种坐标表示法。
实验报告：天线辐射的方向特性 一、实验题目： 天线辐射的方向特性 二、实验目的： 1 理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。 2 测定右手螺旋天线的方向特性。 三、实验仪器: 旋转天线盘、喇叭形天线、微波吸收器、右手螺旋天线、波导式天线、计算机及测试软件。 四、实验原理： 任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅和方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量和角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它和|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度和场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像汽车轮胎。如图1（a）所示。天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H 面方向图。电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即和磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。
(a) 立体方向图； (b) E面方向图； (c) H面方向图 图1 电流元的方向图 二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。在极坐标系中绘制的电流元的E 面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90?方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0?和θ=90?）上其值为零。在H面（θ=90?）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。而天线设计是用来有效辐射电磁能的一种装置，实际中没有一种天线能在空间中任何方向辐射，故研究其辐射的方向性可以更好的了解天线特性。 天线的方向图及其有关参数 任何实用天线的远区辐射场都是随空间的位置而变化的，因此在球坐标系中（见图2所示）天线至场点距离r处的远区辐射场量只是角度θ，φ的函数，这个函数就是方向图函数F (θ, φ ) ，通常将方向图函数关于最大值Fmax(θ,φ)进行归一化的函数称为归一化方向图函数，记为F(θ, φ) /Fmax(θ, φ)。按归一化方向图函数绘制的方向图称为天线的归一化方向图。显然，图3中示出的电流元E面和H面方向图也是归一化的方向图（因为其最大辐射方向上的最大值为1）。
天线特性测量实验 一、偶极子天线特性实验 【实验目的】 1、理解半波偶极子天线的基本功能 2、测量半波偶极子天线E面的辐射模式 3、测量半波偶极子天线H面的辐射模式 【实验原理】 图1所示的是半波偶极子天线的结构模型和电流分布图。在图a中，总长度是半个波长，b中，电流的分布为在馈点值为最大，在两端点值为0。半波偶极子天线是一种谐振天线，它的输入阻抗为70+j0Ω。半波偶极子天线的辐射电阻为70Ω与输入阻抗中的电抗大小一样。通过调整天线的长度可以使输入阻抗变成纯电阻。下面的公式将解释长度为λ/2的一个半波偶极子天线的电流。电流流过Z轴，电流的分布由下面的公式（1）进行计算。在方程（1）中，馈点的电流大小为10，端点的大小为0。 电流引起的辐射电场由以下公式进行计算
波函数从公式2到下面的公式3中 功率的计算公式如下 根据公式4可绘出下面的2辐射图。电流从南边流向北，沿着着Z轴的正方向。在这个图中，最大辐射发生在θ=±90°的方向上，而在θ=0°,180°的方向上没有辐射。 在试验中使用的半波偶极子天线为914.5125MHz和2.45GHz，其波长大小如下 频率：914.5125GHz 波长:λ=c/f=3×108/9.15×109=328.04mm 半波长:λ/2=164.02mm 频率：2.45GHz
波长:λ=c/f=3×108/2.45×109=122.45mm 半波长:λ/2=61.22mm 为了将天线的输入阻抗中电抗部分去掉，根据公式，我们只需使天线的长度稍短于半个波长即可。这个比率称为天线的缩短比例，根据相对绝缘比例，波长的缩减比例大小如下所示： 在这个公式中，λ0代表在开阔场地的波长大小，λeff 代表有效波长。这个实验中使用的半波偶极子天线就是印刷在一个绝缘板上的。 图3所示的是对测量的辐射面的定义。这里方便地命名为E面和H面是为了更好的理解，实际的辐射面则在笛卡尔坐标系中定义。 图a在笛卡尔坐标系中的定义，粗的黑线画出的偶极子天线。图b所示的是当φ=00、θ从00到1800旋转时，在xz面测得的正面辐射图。测量结果显示在θ=900时辐射最大，在θ=00或θ=1800时辐射最小。图C显示在xz面上当角固定在θ=900、φ角从00旋转到3600时辐射模式的测量结果。测量结果显示当φ角为任意角时的全方向性特性。 【实验仪器】 微波天线实验系统：主机分别连接发射天线、接收天线和电脑。主机采用微控制器通过电脑采用步进电机控制接收天线的转动，同时采集接收天线的数据，从而绘制和分析天线辐射图、测量各种天线的特性、研究和设计天线、研究移动通信传输特性、移动通信传输环境影响研究等内容。 【实验步骤】 一、E面辐射的测量 1、分别在发射天线支架的一边和接收天线支架的顶端放置天线，保持发射天线和接收天线
阵列天线方向图函数实验 一、 实验目的 1. 设计一个均匀线阵，给定d N d ,,,λθ画出方向图)(θF 函数图； 2. 改变参数后，画出方向图)(θF 函数图，观察方向图)(θF 的变化并加以分析； 3. 分析方向图)(θF 主瓣的衰减情况以及主瓣对第一旁瓣的衰减情况，确定dB 3衰减对应的θ； 二、 实验原理 阵列输出的绝对值与来波方向之间的关系称为天线的方向图。方向图一般有两类：一类是阵列输出的直接相加（不考虑信号及其来向），即静态方向图；另一类是带指向的方向图（考虑信号指向），当然信号的指向是通过控制加权的相位来实现的。对于某一确定的M 元空间阵列，在忽略噪声的条件下，第k 个阵元的复振幅为 ),2,1(0M k e g x k j k ==-ωτ （2.1） 式中：0g 为来波的复振幅，k τ为第k 个阵元与参考点之间的延迟。设第k 个阵元的权值为k w ，那么所有阵元加权的输出得到的阵列的输出为 ) ,2,1(010M k e g w Y k j M k k ==-=∑ωτ （2.2） 对上式取绝对值并归一化后可得到空间阵列的方向图 {}00max )(Y Y F =θ （2.3） 如果),2,1(1M k w k ==式（2.3）即为静态方向图)(θF 。下面考虑均匀线阵方向图。假设均匀线阵的间距为d ，且以最左边的阵元为参考点（最左边的阵元位于原点），另假设信号入射方位角为θ，其中方位角表示与线阵法线方向的夹角，与参考点的波程差为 θθτsin )1(1)sin (1 1d k c x c k -== （2.4） 则阵列的输出为
βθλπ ωτ)1(10sin )1(210100--=--=-=∑∑∑===k j M k k d k j M k k j M k k e g w e g w e g w Y k （2.5） 式中：λθπβ/sin 2d =，λ为入射信号的波长。当式（2.5）中),2,1(1M k w k ==时，式（2.5）可以进一步简化为 ) 2/sin()2/sin(2)(00βββM M e Mg Y k M j == （2.6） 可得均匀线阵的静态方向图，即 ) 2/sin()2/sin()(0ββθM M F = （2.7） 当式（2.5）中),2,1(,/sin 2,)1(M k d e w d d k j k d ===-λθπββ时，式（2.6）可简化为 ] 2/)sin[(]2/)(sin[2)()1(00d d M j M M e Mg Y d ββββββ--=-= （2.7） 于是可得到指向为d θ的阵列方向图，即 ] 2/)sin[(]2/)(sin[)(d d M M F ββββθ--= （2.8） 三、 实验过程 1. 指向0=d θ静态方向图函数的实验 1.1均匀线阵阵元个数N 对方向图函数)(θF 的影响 sita=-pi/2:0.01:pi/2; lamda=0.03; d=lamda/2; n1=10; sita_d=0 beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda; beta_d=2*pi*d*sin(sita_d)/lamda; z11=(n1/2)*(beta-beta_d); z21=(1/2)*(beta-beta_d); f1=sin(z11)./(n1*sin(z21)); F1=abs(f1); figure(1); plot(sita,F1,'b'); hold on ; n2=20;
天线基础知识介绍 2014-12-28DSRC专用短程通信技术 1.1 什么是天线？ 空间的无线电波信号通过天线传送到电路；电路里的交流电流信号最终通过天线传送到空间中去。因此，天线是空间无线电波信号和电路里的交流电流信号的一种转换装置，如图1所示。 图1 空间电波与电路电流通过天线转换的示意图 1.2 天线有哪些基本参数？ 天线既然是空间无线电波信号和电路中的交流电流信号的转换装置，必然一端和电路中的交流电流信号接触，一端和自由空间中的无线电波信号接触。因此，天线的基本参数可分两部分，一部分描述天线在电路中的特性（即阻抗特性）；一部分描述天线与自由空间中电波的关系（即辐射特性）；另外从实际应用方面出发引入了带宽这一参数。 描述天线阻抗特性的主要参数：输入阻抗。 描述天线辐射特性的主要参数：方向图、增益、极化、效率。 除了带宽之外，后文将对每个参数进行介绍。 图2 天线的一些基本参数
1.3 输入阻抗 天线输入阻抗的意义在于天线和电路的匹配方面。 当天线和电路完全匹配时，电路里的电流全部送到天线部分，没有电流在连接处被反射回去。完全匹配状态是一种理想状态，现实中，不太可能做到理想的完全匹配，只有使反射回电路的电流尽可能小，当反射电流小到我们要求的程度的时候，就认为天线和电路匹配了。 通常，电路的输出阻抗都设计成50Ω或者75Ω，要使天线和电路连接时匹配，那么天线的输入阻抗应设计成和电路的输出阻抗相等。但通常天线的输入阻抗很难准确设计成等于电路的输出阻抗，因此在实际的天线和电路的连接处始终存在或多或少的反射电流，即一部分功率被反射回去，不能向前传输，如图3所示。 描述匹配的参数如表1所示。电压驻波比和回波损耗都是描述匹配的参数，只是表达的形式不同而已。 图3 电流在传输线不连续处产生反射的示意图 表1 描述匹配的一些参数 参数 对参数的一些描述 电压驻波比（VS WR ） 设输入电流大小为1，被反射回去的电流为Γ，那么电压驻 波比为： （1＋Γ）／（1－Γ） 电压驻波比只是个数值，没有单位。 Γ＝1/3，电压驻波比则为2；当电流被全部反射时，Γ＝1，电压驻波比为＋∞；当没有反射电流时，Γ＝0，电压驻波 比为1。 反射功率按Γ2计算，如反射电流是Γ＝1/3，那么反射功率 是Γ2＝1／9。
电磁场与电磁波实验报告实验内容：天线方向图的测量 学院：电子工程学院 班级：2010211207 姓名：林铭雯 学号：10210880（21）
一、实验目的 1．了解天线的基本工作原理。 2．绘制并理解天线方向图。 3．根据方向图研究天线的辐射特性。 4、通过对不同材质的天线的方向图的研究，探究其中的练习与规律。 二、实验原理 1、天线的原理 天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波。但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它 的辐射或接收效率可能很低。要能够有 效地辐射或者接收电磁波，天线在结构 和形式上必须满足一定的要求。图B1-1 给出由高频开路平行双导线传输线演变 为天线的过程。开始时，平行双导线传 输线之间的电场呈现驻波分布，如图 B3-1a 。在两根互相平行的导线上，电流 方向相反，线间距离又远远小于波长， 它们所激发的电磁场在两线外部的大部 分空间由于相位相反而互相抵消。如果 将两线末端逐渐张开，如图B3-1b 所示， 那么在某些方向上，两导线产生的电磁 场就不能抵消，辐射将会逐渐增强。当 两线完全张开时，如图B3-1c 所示，张开 的两臂上电流方向相同，它们在周围空 间激发的电磁场只在一定方向由于相位关系而互相抵消，在大部分方向则互相叠加，使辐射显著增强。这样的结构被称为开放式结构。由末端开路的平行双导线传输线张开而成的天线，就是通常的对称振子天线，是最简单的一种天线。 天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必须进行能量的转换。图B3-2是进行无线电通信时，从发射机到接收机信号通 图1 传输线演变为天线 a.发射机c. b.
手把手教你天线设计—— 用MATLAB仿真天线方向图 吴正琳 天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。天线的基本单元就是单元天线。 1、单元天线 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。
1.1用MATLAB画半波振子天线方向图 主要是说明一下以下几点： 1、在Matlab中的极坐标画图的方法： polar(theta,rho,LineSpec)； theta：极坐标坐标系0-2*pi rho：满足极坐标的方程 LineSpec：画出线的颜色 2、在方向图的过程中如果rho不用abs(f)，在polar中只能画出正值。也就是说这时的方向图只剩下一半。 3、半波振子天线方向图归一化方程： Matlab程序： clear all lam=1000;%波长 k=2*pi./lam;
大连理工大学实验预习报告 姓名：牛玉博班级：电通1202 学号：201201203 实验六天线方向图测试 本系统主要用于线天线E面方向图测试，可动态、实时绘制极坐标和直角坐标系方向图曲线，保存测试数据用于后续分析处理。 系统使用步骤示意如图0.1所示。 图0.1 系统使用步骤示意图 1系统连接 测试系统由发射装置、接收装置和控制器三大部分组成，三部分的连接示意如图1.1所示。连接时注意信号线要根据待测工作频率接至对应端子，并将接收装置方向调整到正确姿态。
图1.1 系统连接示意图 发射装置包含400MHz 和900MHz 两个频点的发射电路和天线，如图1.2所示。接收装置包含400MHz 和900MHz 两个频点的接收电路和天线，并具有天线旋转机构，如图1.3所示。控制器利用触摸屏完成所有测试操作和方向图曲线的实时绘制，如图1.4所示。 图1.2 发射装置 图1.3 接收装置 此处少一图（图1.4 测试控制器）、待发。 2 控制器操作 2.1 打开控制器电源，等待系统启动，进入提示界面，如图2.1所示。
图2.1 方向图测试系统提示界面 2.2点击界面任意位置，进入“实测方向图”界面，如图2.2所示。 图2.2 实测方向图界面 2.3点击图2.2中的“频率选择”按钮，选择与硬件链接对应的工作频率。 2.4点击“天线长度”数字框，输入实际天线长度（单位为毫米），并按“确 定”确认，如图2.3所示。
图2.3 天线长度输入界面 2.5点击“机械回零”按钮，接收天线旋转，当到达机械零点基准点时，自 动停止旋转，如图2.4所示。注意：机械回零完成之前不要做其它操作！ 图2.4 机械归零界面 2.6点击“归一化”按钮，接收天线旋转，搜索信号最大值，并提示“归一 化进行中”。当到天线旋转一周时，搜索结束，如图2.5所示。注意：归一化完成之前不要做其它操作！
中国石油大学近代物理实验报告 班级：材料物理10-2 姓名：同组者：教师： 设计性实验不同材质天线的方向图测量【实验目的】 1．了解天线的基本工作原理。 2．绘制并理解天线方向图。 3．根据方向图研究天线的辐射特性。 4、通过对不同材质的天线的方向图的研究，探究其中的练习与规律。 【预习问题】 1．什么是天线？ 2．AT3200天线实训系统有那几部分组成，分别都有什么作用？ 3．与AT3200天线实训系统配套的软件有几个，分别有什么作用？ 【实验原理】 一．天线的原理 天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波。但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低。要能够有效地辐射或者接收电磁波，天线在 结构和形式上必须满足一定的要求。图B1-1给出 由高频开路平行双导线传输线演变为天线的过程。 开始时，平行双导线传输线之间的电场呈现驻波分 布，如图B3-1a。在两根互相平行的导线上，电流 方向相反，线间距离又远远小于波长，它们所激发 的电磁场在两线外部的大部分空间由于相位相反 而互相抵消。如果将两线末端逐渐张开，如图B3-1b 所示，那么在某些方向上，两导线产生的电磁场就 不能抵消，辐射将会逐渐增强。当两线完全张开时， 如图B3-1c所示，张开的两臂上电流方向相同，它 们在周围空间激发的电磁场只在一定方向由于相 位关系而互相抵消，在大部分方向则互相叠加，使 辐射显著增强。这样的结构被称为开放式结构。由 末端开路的平行双导线传输线张开而成的天线，就是通常的对称振子天线，是最简单的一种天线。 图B3-1 传输线演变为天线a. 发射机 c. b.
一些天线基本知识 一、电磁波产生的基本原理? 按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场，而变化的磁场又要产生变化的电场。这样，变化的电场和变化的磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。? 周期性变化的磁场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场。? 电磁波不同于机械波，它的传播不需要依赖任何弹性介质，它只靠“变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场”的机理来传播。? 当电磁波频率较低时，主要籍由有形的导电体才能传递；当频率逐渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部反回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能反回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。? 根据以上的理论，每一段流过高频电流的导线都会有电磁辐射。有的导线用作传输，就不希望有太多的电磁辐射损耗能量；有的导线用作天线，就希望能尽可能地将能量转化为电磁波发射出去。于是就有了传输线和天线。无论是天线还是传输线，都是电磁波理论或麦克斯韦方程在不同情况下的应用。? 对于传输线，这种导线的结构应该能传递电磁能量，而不会向外辐射；对于天线，这种导线的结构应该能尽可能将电磁能量传递出去。不同形状、尺寸的导线在发射和接收某一频率的无线电信号时，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必须采用适当的天线才行！研究什么样结构的导线能够实现高效的发射和接收，也就形成了天线这门学问。? 高频电磁波在空中传播，如遇着导体，就会发生感应作用，在导体内产生高频电流，使我们可以用导线接收来自远处的无线电信号。? 二、天线? 在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线，通过天线将转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送到接收机输入端。? 综上所述，天线应有以下功能：? １．天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。? ２．天线应使电磁波尽可能集
阵列天线方向图MATLAB仿真 一．实验要求 1.运用MATLAB仿真16单元阵列天线的方向图。 2.变换θ和d观察曲线变化。 二．实验原理 1.阵列天线：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并 通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。 阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和—矢量和由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。 2.方向图原理：对于单元数很多的天线阵，用解析方法计算阵的总方向图相当繁杂。假如一个多元天线阵能分解为几个相同的子阵，则可利用方向图相乘原理比较简单地求出天线阵的总方向图。一个可分解的多元天线阵的方向图，等于子阵的方向图乘上以子阵为单元天线阵的方向图。这就是方向图相乘原理。一个复杂的天线阵可考虑多次分解，即先分解成大的子阵，这些子阵再分解为较小的子阵，直至得到单元数很少的简单子阵为止，然后再利用方向图相乘原理求得阵的总方向图。这种情况适应于单元是无方向性的条件，当单元以相同的取向排列并自身具有非均匀辐射的方向图时，则天线阵的总方向图应等于单元的方向图乘以阵的方向图。 三、仿真结果 16单元天线方向图，θ=0°，d=2/λ
16单元天线方向图，θ=0°，d=λ 16单元天线方向图，θ=20°，d=2/λ
16单元天线方向图，θ=20°，d=λ 结果分析： 经过仿真结果实现了16单元天线方向图，并分别在d=2/λ时在θ=0°，θ=20°方向形成波束。在d=λ时，通过对比d=2/λ时的曲线可以发现随着阵元之间间隔的增加，方向图衰减越快，主次瓣的差距越大，次瓣衰减越快，效果越好。 四、源代码 1. clear; theta=-pi/2:0.01:pi/2; lamda=0.03;
微波技术课程考核题目天线阵列辐射方向图的研究 系别物理与电子工程学院专业电子科学与技术班级07(4) 学号050207404 学生姓名牛涛 指导教师范瑜 日期2010-01-05
目录 一、基本概念 (2) 1.1方向图基本概念 (2) 1.2主瓣宽度 (3) 1.2.1主瓣宽度基本概念及特性 (5) 1.3旁瓣抑制 (5)
一、基本概念 1.1方向图基本概念 天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。天线方向图是空间立体图形，但是通常应用的是两个互相垂直的主平面內的方向图，称为平面方向图。在线性天线中，由于地面影响较大，都采用垂直面和水平面作为主平面。在面型天线中，则采用E平面和H平面作为两个主平面。归一化方向图取最大值为一。在方向图中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣，也称天线波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或边瓣，与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣，见图1：全向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为圆柱型；图2：定向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为板状。 图1 全向天线波瓣示意图
图2 定向天线波瓣示意图 1.2主瓣宽度 为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定一些特性参数。主要包括：零功率波瓣宽度、半功率点波瓣宽度、旁瓣电平、前后比、方向系数等。 1.零功率波瓣宽度，指主瓣两侧场强值为0的两个方向之间的夹角，用2表示。许多天线方向图的主瓣是关于最大辐射方向对称的，因此，只要确定零功率主瓣宽度的一半，再取其2倍即可求得零功率主瓣宽度,即2=2。 2. 半功率点波瓣宽度，指方向图主瓣两侧两个半功率点（即场强下降到最大值下降到0.707（或分贝值从最大值下降3dB处对应的两点）之间的夹角，又称为3dB波束宽度或主瓣宽度，记为。对方向