天线理论与设计基本概念
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天线原理介绍
可能产生的五阶交调 频段（MHz） 850~900
897~992
920~945 942~972 1765~1865 1820~1870 2100~2175 2080~2155
结论
三阶、五阶都不落入到 Rx的接收范围
三阶不落入到Rx的接收 范围，五阶落入到Rx的
接收范围
三阶、五阶都不落入到 Rx的接收范围
垂直面波束宽度7度
垂直面波束宽度 14度 7度
上3dB覆盖点 667.84米 307.19米
主瓣顶点 198.49米 198.49米
下 3dB覆盖点 114.48米 145.79米
主瓣覆盖距离 553.36米 161.4米
天线原理—天线基本概念
天线辐射参数
辐射参数: 主瓣； 副瓣； 半功率波束宽度； 前后比； 交叉极化鉴别率； 增益； 上旁瓣抑制； 下零点填充； 波束下倾角；
将天线放倒，测得RSSI值为-110dBm
小结：最终判定为外界干扰信号所致。
天线指标测试
天线辐射参数的测试
天线指标测试
电路参数的测试
交调测试仪
网络分析仪
天线指标测试
可靠性能的测试
振动试验
风洞试验
天线指标测试
高低温湿热试验
汽车模拟试验
淋水试验
Thanks!
上行频段 （MHz） 825~835
890~909
885-890 909~915 1710~1730 1745~1755 1940~1955 1920~1935
可能产生的三阶交调 频段（MHz） 860~890
916~973
925~940 948~966 1785~1845 1830~1860 2115~2160 2095~2140
天线理论与设计
2. 螺旋天线直径的电尺寸由小变大时，其方向图将发生 改变，因此螺旋天线一般分成三种模式，这三种模式分 别是 ， ， 。
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？
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？
天线理论与设计—第二章
n 0,1,2, 顺时针 n 0,1,2,逆时针
左旋圆极化波为逆时针，右旋圆极化波为顺时针
第二章
3，椭圆极化 A.
Ex Ey , 45
Ex Ey , 45
n
n
n 0,1,2
n 0,1,2
B.
1 2n 2 1 2n 2
第二章
波瓣
主瓣、副瓣、旁瓣和背瓣
第二章
第二章
波瓣宽度 半功率波瓣宽度：从方向图的原点过辐射强度是最大值一
半(对应场强是最大值的 1
2 )的点的
矢量所夹的角度。（3dB波瓣宽度） E面和 H面的半功率波瓣宽度分别用2HPE 和2HPH表示。 第一零陷波瓣宽度：从方向图的原点与主瓣的根部相切的 矢量所夹的角度。用20表示 副瓣电平（SLL）：副瓣峰值与主瓣最大值之比。 以分贝表示为
2 40 ° 2 70 °
3 00 °
(a ) 极 坐 标 表 示 的 H面 方 向 图
E
1 0 .9 0 .8 0 .7 0 .6 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0 0 －5 －10 －15 －20 －25 －30 －35 20 40 6 0 8 0 1 00 1 20 1 40 1 60 1 80 / ° (b ) 直 角 坐 标 H面 方 向 图
Pin 1 2 I in Rr 2 e 1 1 2 2 I in Rr I in Rl 2 2 e
r
Rr Rr Rl
对于电小天线
1 Rl Rr e 2
Rr Rin
对于一些口径天线
e 1
第二章
2.2.2 辐射方向图 定义：天线的辐射特性随空间坐标的变化图形。 通常辐射方向图在远区确定，辐射特 性包括场强、辐射强度、相位或极化。
天线理论与设计1
天线的使用
传输电磁能可以利用传输线和天线。对收发距离为R， 传输线的功率损耗是 ( e-,R其)2中α是传输线的衰减常 数。如果天线被用于视距组合中，其功率损耗正比于 1/R2。
一般而言，在低频和短距离时，用传输线是现实的。 但是，由于可用带宽的缘故，高频有吸引力。
当距离变长，频率升高时，使用传输线的成本和信号 损失变得很大，因此，人们更愿意使用天线。
旁瓣电平 -旁瓣方向图峰值与主瓣方向图值
的比。整个方向图的最大的旁瓣电平就是最 大(相对)旁瓣电平，往往缩写成SLL。用分贝 表示时，它由下式给出
F ( SLL) SLLdB 20log f (max)
半功率束宽HP -是主波束功率方向图等
于最大值一半的两点间的夹角：
HP HPleft H Pright
感应近场
0到0.62 (1-100a)
辐射近场
0.62到2 (1-100b)
远场
2到∞
(1-100c)
辐射场的推导步骤
求A。选择一个最适合于天线的几何形状的 坐标系统，采用图1-8的标记。一般地，采 用(1-58)且令幅度因子中R≈r，并以式(1-96) 平行射线近似来确定天线上的相位差。在 这些条件下得到
然后，使用一些可视的手段如信号旗、烟火 等。当然，这些光通信器件应用了电磁谱的 光部分。
只是在人类历史的很近代，通过使用无线电， 才将可见光区域以外的电磁谱用于通信。
天线的定义
IEEE官方对天线的定义是：“发射或接收系 统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分。
天线是一个装置，它为辐射和接收无线电波 提供了手段。它提供了从传输线上的导波到 “自由空间”波的转换。这样，信息可以在 异地间传输而不需任何中介结构。
（完整word版）天线基本原理
（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。
手机天线原理和设计PPT课件
• 高频则可有 着与中心频 率比值20% 以上、宽达 几百兆工作 带宽。
右图为该天线 模型在 1.8GHz频 率下的增益 方向图。
• 最大增益～ 4dBi。
• 全向性可控 制
内置Planar Monopole vs 手机 结构设计
• 内置Planar Monopole天线可以比同样工作 频率的PIFA小。
Gain@ 6 dBi Patch 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi
EIRP 26 dBm 23 dBm 21 dBm 19 dBm 18 dBm 13 dBm 6 dBm
内置天线分类
• PIFA Planar Inverted F Antenna
• 增益越高，垂直方向 波束越窄，水平方向 覆盖面积越大。
侧视 (垂直方向图)
垂直波束
dipole (with Gain)
顶视 (水平方向图)
全向和定向
• 右上图为一高增益全 向天线。垂直方向波 束窄，阴影为天线不 能覆盖范围。水平方 向则覆盖面积很大。
• 右下图显示方向图被 “挤压”向一个方向， 辐射能量在一定角度 分布较大。而背面能 量分布少。
手机天线原理和设计ppt课件
手机天线原理和设计
天线基本概念
• Return Loss（回波损耗S1பைடு நூலகம்）
天线原理
• Directionality（方向性系数）
天线辐射方向性参数。天线据此可分全向（omnidirectional）和定向（directional）。
• Gain（增益）
天线增益定义为规定方向的天线辐射强度和参考天线之比。
XY平面为H面，YZ面E1面，XZ面E2面。
右图为该天线 模型在 1.8GHz频 率下的增益 方向图。
• 最大增益～ 4dBi。
• 全向性可控 制
内置Planar Monopole vs 手机 结构设计
• 内置Planar Monopole天线可以比同样工作 频率的PIFA小。
Gain@ 6 dBi Patch 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi 6 dBi
EIRP 26 dBm 23 dBm 21 dBm 19 dBm 18 dBm 13 dBm 6 dBm
内置天线分类
• PIFA Planar Inverted F Antenna
• 增益越高，垂直方向 波束越窄，水平方向 覆盖面积越大。
侧视 (垂直方向图)
垂直波束
dipole (with Gain)
顶视 (水平方向图)
全向和定向
• 右上图为一高增益全 向天线。垂直方向波 束窄，阴影为天线不 能覆盖范围。水平方 向则覆盖面积很大。
• 右下图显示方向图被 “挤压”向一个方向， 辐射能量在一定角度 分布较大。而背面能 量分布少。
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手机天线原理和设计
天线基本概念
• Return Loss（回波损耗S1பைடு நூலகம்）
天线原理
• Directionality（方向性系数）
天线辐射方向性参数。天线据此可分全向（omnidirectional）和定向（directional）。
• Gain（增益）
天线增益定义为规定方向的天线辐射强度和参考天线之比。
XY平面为H面，YZ面E1面，XZ面E2面。
天线理论与技术教学设计
天线理论与技术教学设计一、引言天线是无线通信系统中非常重要的组成部分，其影响着系统的性能和覆盖范围等多个方面。
因此，在无线通信系统设计中天线理论和技术的教学是必须的。
本文将对天线理论和技术的教学进行设计，并分析教学的需求与特点，讨论如何更好地实现教学目标。
二、教学目标•熟悉天线的基本理论和概念•理解天线的性能参数和测试方法•掌握天线设计和制造的基本步骤和方法•能够应用天线技术进行无线通信系统的设计和优化•提升学生的实践能力和团队合作能力三、教学内容1.天线的基本理论和概念天线的基本理论包括天线的辐射机制、天线特性参数和天线性能测试等内容。
学习这些内容可以帮助学生理解天线的基本原理和技术，并具备分析天线工作状态的能力。
2.天线的性能参数和测试方法天线的性能参数包括天线的增益、方向图、波束宽度、驻波比等参数，这些参数可以描述天线的信号辐射能力。
通过学习天线参数测试方法，可以帮助学生掌握如何使用测试工具和分析天线的测试数据。
3.天线设计和制造的基本步骤和方法天线的设计和制造是本课程的重点，学生需要学习天线的设计流程、仿真工具和天线制造的工艺流程等内容。
通过实践，学生可以掌握天线设计的基本方法和技能。
4.应用天线技术进行无线通信系统的设计和优化天线技术在无线通信系统中扮演着重要的角色，学习了天线基本知识和技能后，学生需要应用天线技术进行无线通信系统的设计和优化。
学生需要掌握如何考虑天线的因素进行系统设计和优化。
四、教学方法本课程采用以学生为中心的教学法，通过授课、讨论、实验、课程设计等方式来完成教学任务，其中教学方法主要包括以下几点：1.理论授课：通过讲解和提问的方式，确保学生掌握天线的基本理论和概念。
2.实验操作：通过科学严谨的实验操作，确保学生掌握天线参数测试方法和天线设计的基本技能。
3.课程设计：通过课程设计，让学生深入了解天线设计和制造的流程，解决一系列在实践中遇到的问题，并通过团队协作完成设计任务。
天线理论与设计基本概念
基本电振子(赫兹偶极子)电基本振子是一段长度l远小于波长, 电流I等幅同相的直线电流元i(t)=I cosωt, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。
立体角：定义：立体角是以圆锥体的顶点为球心，半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为“立体弧度”。
和平面角的定义类似。
在平面上我们定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角记作dθ=ds/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2π；与此类似，定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角记作dΩ=ds/r^2；由此可得，闭合球面的立体角都是4π。
单位：steradian->sr=stereos+radian球坐标系中计算：d= ds /R2= ds=sin *d * d (sr)辐射强度定义：给定方向上单位立体角辐射的功率。
计算：物理意义：反应在给定方向上辐射的大小辐射功率：定义：辐射效率定义：天线的输入功率仅有一部分转换为辐射功率，其余被天线及其附近结构所吸收。
辐射效率定义为天线的辐射功率与净输入功率之比。
其中：为辐射电阻，为损耗电阻。
场强方向图：定义：在固定距离r=r0的球面上，辐射电场强度随着角坐标的相对变化(函数)图形为场强方向图。
方向图函数作图二维平面图：○极坐标图○直角坐标图功率方向图：在固定距离r=r0的球面上，波印廷矢量的r分量随着角坐标的相对变化(函数关系)图形为功率方向图。
方向图函数记为按方向图特征的天线分类各向同性天线：天线向各个方向均匀辐射。
方向性天线：天线在某些方向的辐射比其他方向的辐射强得多全向天线：天线在某个平面内的辐射为无方向性，在其正交面具有方向性波瓣：半功率波瓣宽度：定义：从方向图的原点过辐射强度是最大值一半(对应场强是最大值的)的点的矢量所夹的角度。
（3dB波瓣宽度）。
E面和 H面的半功率波瓣宽度分别用2HPE 和2HPH表示。
天线理论与设计基本概念
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。
天线理论与设计3
的交点定作点a。相应的ψ值是b点，处于a点出发 的竖直线上。
4、在径向线截取ψ。
由ψ到θ的非线性变换的图解法
5、重复3-4，直到所有所需在相应射线上的截点 都确定。
6、用光滑的曲线把这些截点连接起来，形成方 向图。
通过考察普遍阵因子表示式(3-18)，可以得出若干 普遍性质，从而有助于进行方向图作图。首先，阵 因子是以ψ为变量的周期函数，周期为2π。
与电路类似，天线领域也可分成数字处理和模拟 处理两类。连续的电大天线属于模拟部分，必须 用积分方法分析，往往难以计算。天线阵构成数 字部分，可以用简单的加法分析。
天线阵的辐射方向图取决于单个阵元的类型、指 向、在空间的位置、以及激励它们的电流的幅度 与相位。为简化我们对天线的讨论，我们先令天 线阵的每个元都是各向同性的点源。这样产生的 方向图称为阵因子。
定义相位因子
此阵因子是ψ的函数，而且是傅立叶级数。也称通用方向 图。该形式很便于计算，不过我们经常需要以极坐标角θ 作变量的场图。
由ψ到θ的非线性变换的图解法
1、画出作为ψ的函数的一个典型阵因子的幅度图。 2、下方作了个圆，半径等于βd，中心处于ψ=α。 3、对一给定值θ，将从圆心出发的径向线与半圆
3.2.1 阵因子的表达式 等间距直线阵的一个很重要的实际情况就是均匀
激励阵。这是阵元电流振幅相同的阵，所以 A0=A1=A2=…… 考虑由阵元间相移α引起的线性形式的阵元相位，
A ( 2 ) F A n e j ( n 2 ) A n e je n j 2 n A n e jn A ( )
沿z轴的直线阵的阵因子是θ的函数，但不是φ的函 数。即阵因子是以阵直线为轴旋转对称的方向图。 因此，其完整结构由如下区间中它的值所确定
这就是所谓的可见区。它相应于-1<cosθ<1或βd<βd cosθ<βd，或
4、在径向线截取ψ。
由ψ到θ的非线性变换的图解法
5、重复3-4，直到所有所需在相应射线上的截点 都确定。
6、用光滑的曲线把这些截点连接起来，形成方 向图。
通过考察普遍阵因子表示式(3-18)，可以得出若干 普遍性质，从而有助于进行方向图作图。首先，阵 因子是以ψ为变量的周期函数，周期为2π。
与电路类似，天线领域也可分成数字处理和模拟 处理两类。连续的电大天线属于模拟部分，必须 用积分方法分析，往往难以计算。天线阵构成数 字部分，可以用简单的加法分析。
天线阵的辐射方向图取决于单个阵元的类型、指 向、在空间的位置、以及激励它们的电流的幅度 与相位。为简化我们对天线的讨论，我们先令天 线阵的每个元都是各向同性的点源。这样产生的 方向图称为阵因子。
定义相位因子
此阵因子是ψ的函数，而且是傅立叶级数。也称通用方向 图。该形式很便于计算，不过我们经常需要以极坐标角θ 作变量的场图。
由ψ到θ的非线性变换的图解法
1、画出作为ψ的函数的一个典型阵因子的幅度图。 2、下方作了个圆，半径等于βd，中心处于ψ=α。 3、对一给定值θ，将从圆心出发的径向线与半圆
3.2.1 阵因子的表达式 等间距直线阵的一个很重要的实际情况就是均匀
激励阵。这是阵元电流振幅相同的阵，所以 A0=A1=A2=…… 考虑由阵元间相移α引起的线性形式的阵元相位，
A ( 2 ) F A n e j ( n 2 ) A n e je n j 2 n A n e jn A ( )
沿z轴的直线阵的阵因子是θ的函数，但不是φ的函 数。即阵因子是以阵直线为轴旋转对称的方向图。 因此，其完整结构由如下区间中它的值所确定
这就是所谓的可见区。它相应于-1<cosθ<1或βd<βd cosθ<βd，或
天线理论与设计—资料
I z e
'
L 2 L 2
jkz' cos
dz
'
将直角坐标系转化到球坐标系
Ar Az cos ,
E jA
jkr
A Az sin
A 0
ˆjA sin E z
' e ' jkz cos ' ˆ j sin I z e dz 4r
L 0 z 2 L ' 0 z 2
'
L ' I m sin k z 2
z'
L 2
/4处波腹， /2处波节
第四章
辐射场 求解方法，边界问题求解，用矢量位法
' e jkR ' A J r dv 4R V
Pr
1 2 2 E r sin dd 2
1 2 2 2 60I m 0 0 f sin dd 2
1 2 2 I m 60 f sin d 0 2
第四章
1 2 1 I m 60c lnkL Ci (kL) sin kLSi2kL 2 SikL 2 2
1 kL coskLC ln Ci (2kL) 2Ci kL 2 2
其中C=0.57721，Si(x) 和Ci(x) 是正弦积分和 余弦积分
Si x
Ci x
x
x
sin
0
d
d
Ci x
由于 / k
kL kL cos cos cos e jkr 2 2 f j 60I m r sin
天线理论与设计2
━━━━━━━━━━━━━━━━━━
取代系统#2中的如下量 采用系统#1中的如下量
M2 2’ μ2 E2 H2
J1 μ1 1’ -H1 E1
远场
两种天线具有同样的辐射方向图，sinθ。理想电 偶极子的磁场分量Hφ很容易按右手法则记住。将 右手拇指指向偶极子电流流动方向，你的其他手 指的弯曲方向就是磁场方向。该表述已隐含在式 (2-28)的安培定律中。磁偶极子也有类似的关系， 例外的是要用左手定则，而且得到的电场分量是Eφ。这可由式(2-30)得到。除了小环外，另一种 实现磁偶极子的方法是地面上的窄缝，从沿缝长 轴的等效磁流可以求出场。
图2-7完纯导电地面上方的直立理想偶极子。 (a)物理模型；(b)采用镜象理论的等效模型。
2.3.2单极子
单极子天线以同轴线相对于接地面馈电
四分之一波长单极子的方向性是自由空间半波振 子的2倍，即
D=2(1.64)=3.28=5.16dB λ/4monopoleλ/4单极子 四分之一波长单极子的输入阻抗是
小环的阻抗特性并介绍多圈环及铁氧体芯环。
小环天线的阻抗与其对偶理想偶极子的阻抗很不 同，因为理想偶极子是电容性的，而小环是电感 性的。
2.5 通信系统中的天线
当天线被用于它最主要的应用领域通信链路时， 熟悉其在此所起的作用是很重要的。一个简单的 通信链路示于图2-17。首先讨论接收天线的性质。 具有阻抗ZA并接有终端阻抗ZL的接收天线，可以 建模如图2-18。入射到接收天线的总功率可通过 入射到整个接收天线“面积”(称为口径)的入射 功率密度的总和求得。一个天线如何把入射功率 转换成端口处的资用功率取决于所用天线的类型、 它的指向以及极化。
后面的材料将证明对尺寸大于一个波长的天线长度为l的线天线的方向性正比于l面积为ap的口径天线正比于ap对电小天线该比例关系失效因为当天线尺寸趋于零时方向性不可能趋于零破坏了方向性定义而是与实际小尺寸无关地代之以常数15
天线设计原理基础
E 面：指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。 H 面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。
6
《天线原理与设计基础》
空间中电场矢量和磁场矢量是相互正交的，所以 E 面和 H 面也是相互正交的。 例如，前面所示的方向图是七单元八木天线天线的 H 面方向图，当然也可
以绘出其 E 面方向图。下面就以八木天线和角锥喇叭天线为例来说明如何判断 天线的两个主面 E 面和 H 面，见下图 0-3。
0.4 天线的基本参数
要了解天线或从事天线理论研究或工程设计方面的工作，就应当了解天线的 基本参数。天线基本参数的术语和含义，是我们在天线方面互相交流的基础。另 一方面，天线的性能需要一套电气指标来衡量，这些电气指标由天线的特性参数 来描述。例如，要设计一副雷达天线，往往需要给出这样一些电气指标：方向图 形状、主瓣宽度、副瓣电平、增益、极化、输入阻抗、工作频率和频带宽度等。 由这些指标指导设计者进行天线的设计。
有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线。 6. 按载体分 有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。 7. 按天线外形分类
有鞭状天线、T 形天线、Γ形天线、V 形天线、菱形天线、环天线、螺旋天 线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。
另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵列天线又有直线阵天线、 平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。
实际上，一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、雷达、导航等系 统)都是利用无线电波来进行工作的，而从几 MHz 的超长波到四十多 GHz 的毫 米波段电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。天线是这样一个部件，作发射 时，它将电路中的高频电流或馈电传输线上的导行波有效地转换成某种极化的空 间电磁波，向规定的方向发射出去；作接收时，则将来自空间特定方向的某种极 化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或传输线上的导行波。
6
《天线原理与设计基础》
空间中电场矢量和磁场矢量是相互正交的，所以 E 面和 H 面也是相互正交的。 例如，前面所示的方向图是七单元八木天线天线的 H 面方向图，当然也可
以绘出其 E 面方向图。下面就以八木天线和角锥喇叭天线为例来说明如何判断 天线的两个主面 E 面和 H 面，见下图 0-3。
0.4 天线的基本参数
要了解天线或从事天线理论研究或工程设计方面的工作，就应当了解天线的 基本参数。天线基本参数的术语和含义，是我们在天线方面互相交流的基础。另 一方面，天线的性能需要一套电气指标来衡量，这些电气指标由天线的特性参数 来描述。例如，要设计一副雷达天线，往往需要给出这样一些电气指标：方向图 形状、主瓣宽度、副瓣电平、增益、极化、输入阻抗、工作频率和频带宽度等。 由这些指标指导设计者进行天线的设计。
有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线。 6. 按载体分 有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。 7. 按天线外形分类
有鞭状天线、T 形天线、Γ形天线、V 形天线、菱形天线、环天线、螺旋天 线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。
另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵列天线又有直线阵天线、 平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。
实际上，一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、雷达、导航等系 统)都是利用无线电波来进行工作的，而从几 MHz 的超长波到四十多 GHz 的毫 米波段电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。天线是这样一个部件，作发射 时，它将电路中的高频电流或馈电传输线上的导行波有效地转换成某种极化的空 间电磁波，向规定的方向发射出去；作接收时，则将来自空间特定方向的某种极 化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或传输线上的导行波。
天线的基础与设计
天线原理与设计摘要：天线（antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波变换成在无介媒介（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。
本论文重点论述了使用和设计天线所必备的最基本原理和方法，不过多罗列个别天线的设计细节，重点论述各原理、方法的核心思想，主要结论，指出其局限性及发展动向。
关键词：天线、设计、原理、基本参数、作用一、天线在无线电工程中的作用天线已随处可见，它已与我们的日常生活密切相关。
例如，收听无线电广播的收音机需要天线，电视机需要天线，手机也需要天线。
在一些建筑物、汽车、轮船、飞机上等都可以看见各种形式的天线。
收音机、电视机使用的天线一般是接收天线，广播电视台的天线则为发射天线。
而手机天线则收发共用，但须经过移动通信基站天线转收和转发。
实际上，一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、雷达、导航等系统)都是利用无线电波来进行工作的，而从几MHz 的超长波到四十多GHz的毫米波段电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。
天线是这样一个部件，作发射时，它将电路中的高频电流或馈电传输线上的导行波有效地转换成某种极化的空间电磁波，向规定的方向发射出去；作接收时，则将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或传输线上的导行波。
综上所述，天线的作用主要有两点：1、能量转换对于发射天线，天线应将电路中的高频电流能量或传输线上的导行波能量尽可能多地转换为空间的电磁波能量辐射出去。
对于接收天线，天线应将接收的电磁波能量最大限度地转换为电路中的高频电流能量输送到接收机。
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基本电振子(赫兹偶极子)
电基本振子就是一段长度l远小于波长, 电流I等幅同相的直线电流元i(t)=I cosωt, 它就是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可瞧成就是由一系列电基本振子构成的。
立体角:
定义:立体角就是以圆锥体的顶点为球心,半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的,度量单位称为“立体弧度”。
与平面角的定义类似。
在平面上我们定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角记作dθ=ds/r;所以整个圆周对应的圆心角就就是2π;与此类似,定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角记作dΩ=ds/r^2;由此可得,闭合球面的立体角都就是4π。
单位:steradian->sr=stereos+radian
球坐标系中计算:dΩ= ds /R2= ds=sin θ *d θ* dφ (sr)
辐射强度
定义:给定方向上单位立体角辐射的功率。
计算:
物理意义:反应在给定方向上辐射的大小
辐射功率:
定义:
辐射效率
定义:天线的输入功率仅有一部分转换为辐射功率,其余被天线及其附近结构所吸收。
辐射效率定义为天线的辐射功率与净输入功率之比。
其中:为辐射电阻,为损耗电阻。
场强方向图:
定义:在固定距离r=r0的球面上,辐射电场强度随着角坐标的相对变化(函数)图形为场强方向图。
方向图函数
作图二维平面图:○1极坐标图○2直角坐标图
功率方向图:
在固定距离r=r0的球面上,波印廷矢量的r分量随着角坐标的相对变化(函数关系)图形为功率方向图。
方向图函数记为
按方向图特征的天线分类
各向同性天线:天线向各个方向均匀辐射。
方向性天线:天线在某些方向的辐射比其她方向的辐射强得多
全向天线:天线在某个平面内的辐射为无方向性,在其正交面具有方向性
波瓣:
半功率波瓣宽度:
()
2
,4ϕθπF A
Ω=定义:从方向图的原点过辐射强度就是最大值一半(对应场强就是最大值的)的点的
矢量所夹的角度。
(3dB 波瓣宽度)。
E 面与 H 面的半功率波瓣宽度分别用2θHPE 与2θ
HPH 表示。
第一零陷波瓣宽度:
定义:从方向图的原点与主瓣的根部相切的矢量所夹的角度。
用2θ0表示 副瓣电平(SLL):
定义:副瓣峰值与主瓣最大值之比。
方向性
定义:天线在某方向的辐射强度与参考天线的辐射强度之比。
参考天线:与实际天线具有相同的辐射功率,并且均匀辐射。
波瓣立体角
(
)
()`
,
1,
2
2
Ω
=
Ω
=
Ω
⎰⎰
⎰⎰
d
F
U
U
d
F
m
m
A
ϕ
θ
ϕ
θ
定义:天线的波瓣立体角就是一个立体角,如果所有功率均通过此立体角辐射,在此立体角内辐射强度均匀并等于最大值
功率增益:
定义:任意方向上的辐射强度与无耗各向同性参考天线的辐射强度之比
极化:
定义:天线在给定方向的极化定义为“天线被激励时辐射波的极化,或在天线输出端得到最大可用功率时的给定方向上入射波的极化”
未规定方向时,极化为最大增益方向的极化。
辐射波的极化定义为“描述电磁波电场矢量的方向与相对幅度的时变特性,确切地说,就就是在空间固定位置沿传播方向观察到的电场矢量的端点随时间变化的轨迹”。
电小天线
尺寸相对于工作频率所对应的波长比较小的天线就就是电小天线,它也就是最基本的天线。
最简单的电小天线就是短振子,就是一段馈电点在中心的导线。
短振子与理想偶极子的辐射电阻:
理想偶极子的辐射电阻就是短振子的辐射电阻的4倍
理想偶极子
对称振子:
定义:
由两根等长的直金属线或金属筒构成,中间有馈线。
沿Z 轴取向,长为L且中心馈电,
()
⎰⎰Ω
=
Ωd
F
A
2
,ϕ
θ
()()()
in
in
P
U
P
U
G
ϕ
θ
π
π
ϕ
θ
ϕ
θ
,
4
4
,
,=
=
2
2
2
80
2
1⎪
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛∆
=
=
∴
λ
π
l
I
P
R r
r
如图可将其视为开路双线传输线由末端长L/2处弯折90度而成。
●电流分布:
假设弯折部分电流分布不变,引入电流分布
因为在处开路,所以该处的电流一定为0。
参考微波技术基础传输线理论。
●辐射场:远场取仅保持横向分量,及1/r阶分量
●归一化方向图函数:
天线长度半功率波瓣宽度
90
87
78
64
47、8
当L>1、25时,出现多瓣图。
●辐射电阻:
先求波印廷矢量->功率密度->辐射功率->辐射电阻●辐射电阻与L关系图:
完纯导电地平面
无限大的理想导电平面,良导体的金属面或栅网,当尺寸比天线大几倍时,可近似为理想地面。
镜像原理
相似源:
组成天线阵的各单元不仅型式相同,而且在空间的放置姿态(或取向)也相同。
各单元具有相同的电流分布,但激励电流的幅度与相位可不同。
宽频带天线:
若天线的方向图与阻抗在约一个倍频程或更宽频带内无显著变化,则该天线即属宽频带天线。