天线原理与设计—第一章天线参数

天线的基本参数1.1天线的基本参数从左侧的传输线的⾓度看，天线是⼀个阻抗（impedance）为Z的2终端电路单元（2-terminal circuit element），其中Z包含的电阻部分（resistive component）被称为辐射电阻（radiation resistance，R r）；从右侧的⾃由空间⾓度来看，天线的特征可以⽤辐射⽅向图（radiation pattern）或者包含场量的⽅向图。

R r不等于天线材料⾃⼰的电阻，⽽是天线、天线所处的环境（⽐如温度）和天线终端的综合结果。

影响辐射电阻R r的还包括天线温度（antenna temperature，T A）。

对于⽆损天线来说，天线温度T A和天线材料本⾝的温度⼀点都没有关系，⽽是与⾃由空间的温度有关。

确切地说，天线温度与其说是天线的固有属性，还不如说是⼀个取决于天线“看到”的区域的参数。

从这个⾓度看，⼀个接收天线可以被视作能遥感测温设备。

辐射电阻R r和天线温度T A都是标量。

另⼀⽅⾯，辐射⽅向图包括场变量或者功率变量（功率变量与场变量的平⽅成正⽐），这两个变量都是球体坐标θ和Φ的函数。

1.2天线的⽅向性（D，Directivity）和增益（G，Gain）D=4π/ΩA，其中ΩA是总波束范围（或者波束⽴体⾓）。

ΩA由主瓣范围（⽴体⾓）ΩM+副瓣范围（⽴体⾓）Ωm。

如果是各向同性的（isotropic）天线，则ΩA=4π，因此D=1。

各向同性天线具有最低的⽅向性，所有实际的天线的⽅向性都⼤于1。

如果⼀个天线只对上半空间辐射，则其波束范围ΩA=2π，因此D=4π/2π=2=3.01dBi。

简单短偶极⼦具有波束范围ΩA=2.67πsr，和定向性D=1.5（1.76dBi）。

如果⼀个天线的主瓣在θ平⾯和Φ平⾯的半功率波束宽度HPBW都是20度，则D=4πsr/ΩA sr=41000 deg2/(20 deg)*(20 deg)≈103≈20dBi(dB over isotropic)。

引言概述：天线是无线通信系统中至关重要的组成部分，它的设计直接影响到无线信号的传输效果和通信质量。

本文将介绍天线设计的主要知识点，包括天线的基本原理、天线参数的选择和调试方法、常见的天线类型及其特点、天线设计的局限性以及新兴的天线设计技术。

正文内容：一、天线的基本原理1.1辐射原理1.2辐射功率和效率1.3反射和折射现象1.4天线的辐射场型二、天线参数的选择和调试方法2.1工作频率的选择2.2天线增益的衡量2.3驻波比和输入阻抗的匹配2.4天线方向性的调节方法2.5天线效率的优化三、常见的天线类型及其特点3.1线性天线3.1.1偶极子天线3.1.2螺旋天线3.1.3带状天线3.2矩形天线3.2.1长线天线3.2.2切角天线3.2.3槽天线3.3常用宽带天线3.3.1偶极子带宽天线3.3.2螺旋带宽天线3.3.3钻孔带宽天线四、天线设计的局限性4.1空间限制4.2材料特性4.3多路径效应4.4天线与环境的互动4.5干扰与干扰抑制五、新兴的天线设计技术5.1智能天线设计5.2多天线阵列设计5.3天线与射频芯片的集成设计5.4毫米波天线设计5.5天线在物联网和5G通信中的应用总结：天线设计是无线通信系统中至关重要的一项技术。

本文介绍了天线设计的主要知识点，包括天线的基本原理、天线参数的选择和调试方法、常见的天线类型及其特点、天线设计的局限性以及新兴的天线设计技术。

了解这些知识点有助于工程师更好地设计和优化天线，提高无线通信系统的性能和可靠性。

未来随着无线通信技术的不断发展，天线设计将面临新的挑战和机遇，需不断研究和创新，以满足不断增长的通信需求。

（完整word版）天线基本原理第⼀讲天线基本原理⼀、天线的基本概念1．天线的作⽤在任何⽆线电通信设备中，总存在⼀个向空间辐射电磁能量和从空间接收电磁能量的装置，这个装置就是天线。

天线的作⽤就是将调制到射频频率的数字信号或模拟信号发射到空间⽆线信道，或从空间⽆线信道接收调制在射频频率上的数字或模拟信号。

2．天线问题的实质从电磁场理论出发，天线问题实质上就是研究天线所产⽣的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的电特性。

空间任何⼀点的电磁场满⾜电磁场⽅程——麦克斯韦⽅程及其边界条件。

因此，天线问题是时变电磁场问题的⼀种特殊形式。

从信号系统的⾓度出发，天线问题可以理解为考察由⼀个电磁波激励源产⽣的电磁响应特性。

从通信系统的⾓度出发，天线可以理解为信号发射和接收器，收发天线之间的⽆线电信号强度满⾜通道传输⽅程和多径衰落特性。

3．对天线结构的概念理解采⽤不同的模型，对天线可以有不同的理解。

典型的模型⽐如：●开放的电容[思考] 野外电台或电视发射塔，⽆线电视或电台接收机，为什么能构成⼀个天线，其电流回路在什么地⽅？●开放的传输线从传输线理论理解，天线可以看做是将终端开路的传输线终端掰开。

●TM mn型波导将天线辐射看做是在4π空间管道中传输的波导，则对应的传输波型是TM型波，但在传输过程中不断遇到波导的不连续性，因此不断激励⾼次模。

由电磁波源和电磁波传输媒质形成电磁波传输的机构波的形成都需要波源和传输媒质。

在⼀盆⽔中形成机械波纹，可以使⽤点激励源产⽣波，并在⽔⾯上传播。

波的传播特性只与媒质特性有关⽽与波源⽆关。

将⼀个⾁包⼦扔出去，这个⾁包⼦可能产⽣不同的结果，或者被狗吃了，或者掉在什么地⽅了，都与扔包⼦的⼈不再有任何关系。

⽽对天线来说，馈点的激励源就是这种波源，天线导体和外界空间就是传输媒质。

不过电磁波的传输媒质可以是真空。

[思考] 电磁波具有波粒⼆象性。

频率越低，波动性越强；频率越⾼，粒⼦性越强。

所以光波主要表现出粒⼦性，⽽长波表现出波动性。

天线工作原理与主要参数天线是一种用于传输与接收无线电波的设备，广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。

天线的工作原理及其主要参数对于无线通信的效果和性能具有重要影响。

一、天线工作原理天线的工作原理基于电磁场的相互作用，它将电能转换为无线电波或者将无线电波转换为电能。

具体地说，天线通过电流的流动形成一个辐射场，这个辐射场会使得电磁波以特定的形式从天线中发射出去，或者是将接收到的无线电波转换为电流。

天线主要通过以下两个过程实现工作原理：1.辐射：当电流通过天线时，它会在天线中产生一个辐射场，即电磁场。

这个辐射场会按照天线的几何形状和电流的强弱，以特定的形式从天线中发射出去。

这个过程是将电能转换为无线电波的过程。

2.接收：当无线电波通过天线时，它会激发天线中的电磁场，使其产生感应电流。

这个感应电流会被送到接收器中进一步处理，从而将无线电波转换为电能。

这个过程是将无线电波转换为电能的过程。

二、天线的主要参数天线的性能和特点可以通过以下主要参数来衡量和描述：1.频率：天线可以工作的频率范围。

不同频率的天线会有不同的结构和特性。

常见的频率包括低频、中频、高频、超高频和甚高频等。

2.增益：天线辐射或接收信号能力的衡量，是指天线辐射功率或接收灵敏度相对于参考天线（如全向辐射器）的相对值。

增益值越大，表明天线转换能力越好。

3.方向性：即天线辐射或接收信号的主导方向。

具有方向性的天线可以将信号辐射或接收更集中，提高通信距离和工作性能。

4.谐振频率：天线的共振频率，通常与操作频率相同。

在该频率下，天线性能最佳，将最大限度地转换信号。

5.阻抗：天线内部电流与电压之间的相对比例。

阻抗匹配对于电磁波的传输至关重要，它决定了天线与信号源或接收器之间的能量传输效率。

6.波束宽度：天线辐射或接收信号的有效立体角范围。

波束宽度越小，表明天线的方向性越强。

7.驻波比：反映天线传输线的阻抗匹配程度，即天线输入端的阻抗与信号源或接收器之间的阻抗之间的比值。

天线的原理与设计天线是将电能（或者电磁波）转换为电磁场（或者电磁波）的装置，它在通信、雷达、无线电电视广播和无线电导航等领域起着重要作用。

天线设计的目的是通过合适的几何形状和材料选择，使其尽可能高效地辐射和接收电磁波。

天线的原理可以归纳为以下几个主要方面：1. 反射和辐射原理：天线将电能转换为电磁波的关键在于其几何形状。

几何形状不同，天线对电磁波的反射和辐射效果也不同。

一般来说，天线的形状需要与待处理信号的波长相匹配，以确保最佳的能量传输和辐射。

2. 功率匹配原理：设计天线需要考虑到待处理信号的功率，以及天线的能量传输效率。

天线设计需要合理选择天线尺寸、形状和材料，以确保尽可能高的信号接收和发射效率。

3. 波束方向性原理：天线的方向性是指其辐射或接收信号的方向性。

波束方向性天线的设计考虑到天线的几何形状、电流分布、波束宽度等因素，以使其增加信号的强度以及抑制不希望的信号干扰。

4. 阻抗匹配原理：阻抗匹配是天线设计中的关键要素之一。

天线的阻抗与发射或接收设备之间的阻抗必须匹配，以确保最大能量传输和最小信号损失。

通过使用匹配网络或其他技术，可以实现天线和设备之间的阻抗匹配。

天线的设计过程可以基于理论分析、模拟和实验来完成。

具体的设计步骤包括：1. 确定设计需求和参数：根据特定应用的需求，确定所需天线的频率范围、增益、方向性、极化方式等参数。

2. 选择适当的天线类型：根据设计需求，选择适合的天线类型，如喇叭天线、螺旋天线、微带天线等。

3. 进行理论分析和模拟：利用电磁场理论和仿真软件，对天线进行理论分析和模拟，确定天线的几何结构和材料。

4. 进行实验验证：通过制作样品天线并进行实验验证，评估天线的性能和参数是否符合设计要求。

如果需要，进行调整和优化。

5. 优化和改进：根据理论分析、模拟和实验结果，对天线进行优化和改进，以提高天线的性能和效果。

天线设计中需要考虑的其他因素还包括天线的制造成本、安装要求、环境适应性等。

天线理论与设计基本概念波导理论是天线理论与设计的核心内容之一、波导是一种能够传输电磁波的结构，它包括导体壳体和介质。

波导理论研究在导体壳体内的电磁波传输问题。

波导理论研究的是电磁波在导体壳体内的传输模式、传输特性以及与界面的相互作用。

波导理论对于天线的设计与优化起着重要的指导作用。

辐射场理论是天线理论与设计的另一个重要概念。

辐射场是指天线辐射电磁波的空间分布。

辐射场理论研究的是天线辐射电磁波的传播方向、辐射功率以及辐射场分布特性等问题。

辐射场理论对于天线的辐射效率、方向性以及覆盖范围等方面进行了研究与分析。

天线参数是天线理论与设计中的基本概念之一、天线参数包括辐射功率、辐射效率、增益、方向性、驻波比等。

辐射功率是指天线辐射的功率大小，辐射效率是指天线将输入的电能转换为电磁波辐射的能量百分比。

增益是指天线辐射功率与单极点辐射功率之比，可以衡量天线输出信号强度的大小。

方向性是指天线在一些方向上辐射功率明显大于其他方向的性质。

驻波比是指天线输入端反射波与传输波之间的电压或电流的比值，是天线工作状态的一个重要参数。

天线理论与设计的基本概念还包括阻抗匹配、谐振频率、辐射模式等内容。

阻抗匹配是指将无源天线的输入阻抗与信源的输出阻抗匹配，以提高天线的工作效果。

谐振频率是指天线工作时的频率，是天线设计中的重要参数。

辐射模式是指天线在不同方向上辐射功率分布的形态。

综上所述，天线理论与设计的基本概念包括波导理论、辐射场理论、天线参数等内容。

这些基本概念对于天线设计优化、无线通信系统优化等具有重要的指导作用。

在实际应用中，需要结合具体的需求和条件，综合考虑各个参数与要求，进行天线的设计与调试，以提高天线的性能与可靠性。

天线工作原理与主要参数一、天线工作原理与主要参数<BR>天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分。

合理慎重地选用天线，可以取得较远的通信距离和良好的通信效果。

(一)天线的作用<BR>各类无线电设备所要执行的任务虽然不同，但天线在设备中的作用却是基本相同的。

任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。

所以，天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。

当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。

例如任何高频电路，只要不是完全屏蔽起来的，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。

但是，任意一个高频电路并不一定能作天线，因为它辐射和接收电磁波的效率很低。

只有能够有效地辐射和接收电磁波的设备才有可能作为天线使用。

天线的另一个作用是”能量转换”。

大家知道，发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波，收信天线也不能直接把无线电波送入收信机，这里有一个能量的转换过程，即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端，天线要把高频电流转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射。

反之在接收时，也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后，再送给收信机。

显然这里有一个转换效率问题。

天线增益越高，则转换效率就越高。

(二)天线的分类<BR>天线的形式繁多，按其用途可以分为发信天线和收信天线；按使用波段可以分为长、中、短、超短波天线和微波天线、微带天线等。

此外，我们还可按其工作原理和结构来进行分类。

<BR>为便于分析和研究天线的性能，一般把天线按其结构形式分为两大类：一类是半径远小于波长的金属导线构成的线状天线，另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面构成的面状天线。

线状天线主要用于长、中、短波频段，面状天线主要用于厘米或毫米波频段；甚高频段一般以线状天线为主，而特高频段则线、面状天线兼用。

第一章天线的方向图天线的方向图可以反映出天线的辐射特性,一般情况下天线的方向图表示天线辐射电磁波的功率或场强在空间各个方向的分布图形。

而相位、极化方向图只在特殊应用中使用。

对不同的用途,要求天线有不同的方向图。

这一章介绍几种简单的直线天线和简单阵列天线的方向图,以及地面对天线方向图的影响。

简单天线涉及元天线、单线行波天线、对称振子天线等。

简单阵列天线涉及由同类型天线组成的二元阵、三元阵和多元阵,对简单阵列将介绍方向图相乘原理。

线天线的分析基础是元天线。

一个有限尺寸的线天线可看作是无穷多个元天线的辐射场在空间某点的叠加。

因此这里首先讨论元天线。

1.1元天线1.1.1 元天线的辐射场元天线又称作基本振子或电流元,它是一个长为的无穷小直导线,其上电流为均匀分布dz I 。

如果建立如图1-1所示坐标系,由电磁场理论很容易求得其矢量位A 为j 0ˆ4r z e z Idz zA rβμπ−=A ˆ= (1.1图1-1 (a 基本振子及坐标系 (b 基本振子及场分量取向在求坐标系中,A 的表示为ˆˆr rAA A ˆθϕθϕ=++A ,利用球坐标中矢量各分量与直角坐标系中矢量各分量的关系矩阵sin cos sin sin cos cos cos cos sin sin sin cos 0r x y z A A A A A Aθϕθϕθϕθθϕθϕθϕϕ⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡=−⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡−⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡⎡ (1.2 因,可得0x y A A == cos sin 0r z z A A A A A θϕθθ⎡=⎡=−⎡⎡=⎡ (1.3由00j +j ωωμε∇∇=−A E A i 和01μ=∇×H A ,可得基本振子的电磁场各分量为 j j 02j 021j sin (14j 11j sin [1]4j (j 1cos (12j 0r rr r r Idz H e r r Idz E e r r r Idz E e r r E H Hβϕβθβϕθβθπββηθπββηθπβ−−−⎡=+⎡⎡⎡=++⎡⎡⎡=+⎡⎡⎡===⎡(1.4 式中,E 为电场强度;H 为磁场强度;下标、r θ、ϕ表示球坐标系中的各分量。