天线理论与设计1

《天线理论与设计》研究生课程教学大纲课程类别：专业基础课课程名称：天线理论与设计开课单位：信息与通信工程学院课程编号：总学时：20 学分：1适用专业：电子与通信工程先修课程：大学物理、矢量分析与场论、电磁场与电磁波一、课程在教学计划中地位、作用天线理论与设计主要研究无线电波传播的辐射与接收，从理论上阐述天线的基本原理，天线的类型与应用范围，常用天线的形式，结构，性能，以及测试与设计方法，通过本课程的学习和实践，使学生能够比较系统和全面地掌握天线理论与设计的基本概念、原理和主要先进而实用的技术，了解天线理论与设计的技术特点、发展和实际应用情况，具备一定的天线理论与设计理论基础。

为今后从事天线理论与设计打下基础。

二、课程内容、基本要求第1章天线基础知识1．了解天线在无线系统中的作用、天线的分类2．掌握电流元、磁流元的辐射3．掌握发射天线的电参数、互易定理与接收天线的电参数，理解各项参数的基本概念4．掌握对称振子的基本特点、理解天线阵的方向性、对称振子阵的阻抗特性，学会天线阵的参数分析方法5．了解无限大理想导电反射面对天线电性能的影响第2章简单线天线1．理解水平对称天线的方向性、输入阻抗、方向系数、尺寸选择，掌握常用水平对称天线的设计方法2．掌握不同直立天线的基本特点与设计方法3．理解环形天线的基本特性与设计方法4．理解引向天线与背射天线的工作特点第3章行波天线1．理解行波单天线及菱形天线的工作原理与应用场合，掌握此类天线的参数分析方法2．理解螺旋天线的工作原理与应用场合，掌握螺旋天线的参数分析方法第4章非变频天线1．掌握非变频天线的基本概念2．理解阿基米德螺旋天线的工作原理与设计方法3．理解对数周期天线的工作原理与设计方法第5章缝隙天线与微带天线1．理解缝隙天线、缝隙天线阵的工作原理与设计方法2．理解矩阵微带天线、双频微带天线的工作原理与设计方法第6章面天线1．理解等效原理与惠更斯元的辐射2．掌握平面口径的辐射一般计算公式、同相平面口径的辐射、同相平面口径方向图参数、相位偏移对口径辐射场的影响3．理解矩形喇叭天线的口径场与方向图4．理解圆锥喇叭、馈源喇叭、旋转抛物面天线几何特性与工作原理以及抛物面天线的方向系数和增益系数，掌握此类天线的分析设计方法5．掌握卡塞格伦天线的工作原理6．理解喇叭抛物面天线第7章智能天线1．掌握智能天线的基本原理2．了解自适应数字波束形成3．理解多波束天线。

天线理论与技术课程设计报告课程名称均匀直线阵专 业 通信工程班 级 班学 号姓 名指导教师2015年5月8日一、实验目的：1. 了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数2. 运用MATLAB仿真阵列天线的方向图曲线3. 变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系二、实验环境：MATLAB8.0，WIN8.1系统三、实验原理：单个天线的方向性是有限的，为了加强天线的定向辐射能力，可以采用天线阵(Arrays)。

天线阵就是将若干个单元天线按一定方式排列而成的天线系统。

排列方式可以是直线阵、平面阵和立体阵。

实际的天线阵多用相似元组成。

所谓相似元，是指各阵元的类型、尺寸相同，架设方位相同。

天线阵的辐射场是各单元天线辐射场的矢量和。

只要调整好各单元天线辐射场之间的相位差，就可以得到所需要的、更强的方向性。

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. 方向图乘积原理：天线阵的合成方向图等于单元天线方向图与阵列因子的乘积。

方向图乘积定理f(θ,φ)=f1(θ,φ)×fa(θ,φ) （3-1）上式表明，天线阵的方向函数可以由两项相乘而得。

第一项f1(θ,φ)称为元因子（Primary Pattern ），它与单元天线的结构及架设方位有关；第二项fa(θ,φ)称为阵因子（Array Pattern ），取决于天线之间的电流比以及相对位置，与单元天线无关。

方向函数（或方向图）等于单元天线的方向函数（或方向图）与阵因子（或方向图）的乘积，这就是方向图乘积定理。

已知对称振子以波腹电流归算的方向函数为：()cos(cos )cos()()60/sin m E kl kl f I r θθθθθ-== （3-2） 将l=0.25λ代入式上式可得半波振子的方向函数为：cos(cos )2()sin F πθθθ= （3-3） 如果均匀直线阵的单元天线为半波阵子的话，此即为元因子。

在无线电设备中，天线就是用来辐射和接收无线电波的装置，是一种电与磁的能量转换器。

按方向性分类，天线分为全向天线和定向天线两种。

全向天线将能量信号平均辐射到所有方向上，由于能量被分散了，传输距离也较短。

而定向天线则将能量信号辐射到特定的方向上，由于能量更集中，因此在该方向上传输距离会更远。

图1 定向天线和全向天线图1 定向天线和全向天线按材质或结构，天线又可以分为许多种类，常见的是：PCB天线（板载天线）、陶瓷天线、棒状天线等。

致远电子推出的ZLG52810蓝牙模块，使用的就是PCB天线，这类天线集成在产品内部，可以大大减小对客户产品尺寸的要求。

那么，要如何评估一款天线性能的优劣？下面介绍天线的几个主要参数：1. 工作频率工作频率是天线最基本的参数，代表该天线能够辐射或接收的信号频率。

天线的工作频率一般是某个范围，这个范围称为天线的带宽。

例如某个天线的带宽是2.3GHz~2.5GHz，则它能够将该频段内的信号有效辐射出去或接收进来，而该频段外的信号例如2GHz，则无法通过该天线辐射或接收。

不同技术的产品，需要选择相应工作频段的天线，才能正常工作，例如：● 蓝牙是2.402~2.480GHz；● Wi-Fi是2.412~2.472GHz；● Lora是470~510MHz。

图2 Wi-Fi天线的工作频率测试图2 Wi-Fi天线的工作频率测试2. 增益天线是无源器件，它并不会增大信号强度。

和PA的增益不同，天线的增益通常指最大辐射方向的功率增益值，可以理解为天线在特定方向上的辐射能力，增益越大，天线辐射的能量也越集中，在相应方向上辐射能力越强，信号传输距离越远。

广州致远电子推出的ZM602系列Wi-Fi模块所设计的PCB天线增益达到了3.3dBi，空旷环境下最远通讯距离达到了450m，传输距离优于市场上绝大部分的Wi-Fi产品。

3. 电压驻波比电压驻波比（VSWR）是表征端口阻抗匹配程度的一个量，它是衡量射频功率从功率源通过传输线到负载（天线）的效率，是驻波中最大电压与最小电压之比。

高频电路原理与分析课后答案1. 高频电路原理与分析课后答案1.1 天线理论与设计1. 解析1:a.根据阻抗匹配的原理，为了使输入阻抗和输出阻抗匹配，应该选择与传输线特性阻抗相等的阻抗。

所以，传输线的特性阻抗应该为70 Ω。

b.由于50 Ω的传输线与70 Ω的传输线阻抗不匹配，会导致信号的反射。

为了减小信号反射，应该在两条传输线之间使用阻抗匹配网络。

2. 解析2:a.在阻抗为50 Ω的传输线上，可以利用阻抗变换器将阻抗变换为70 Ω。

阻抗变换器可以使用L型和T型阻抗变换电路进行设计。

b.在阻抗为70 Ω的传输线上，可以直接连接到负载。

1.2 放大器设计1. 解析1:a.增益-带宽积（Gain-Bandwidth Product，GBW）是放大器在特定增益下的工作带宽。

GBW的计算公式为：GBW = 增益 ×带宽。

b.带宽指的是放大器能够正常工作的频率范围。

带宽越大，放大器能够处理的频率范围也就越广。

2. 解析2:a.为了提高放大器的频率响应，可以采用多级放大器的结构。

多级放大器可以提高总体的增益，并且使得带宽更宽。

b.使用电容耦合来连接各级放大器可以实现不同级之间的匹配，同时还可以阻隔直流偏置。

1.3 混频器理论与设计1. 解析1:a.混频器是一种用来将两个不同频率信号进行混合的电路。

混频器的输入包括一个本地振荡器信号和一个射频信号，输出为信号频率的和与差。

b.混频器的原理是利用非线性元件的非线性特性，将两个信号进行数学运算，得到新的频率成分。

2. 解析2:a.混频器的输出频率可以通过计算射频信号频率与本地振荡器的频率之差获得。

b.混频器的选择应该根据应用的频率范围和要求来确定。

常用的混频器包括平衡混频器、非平衡混频器和集成混频器等。

1.4 射频滤波器设计1. 解析1:a.射频滤波器是一种用于滤除特定频率范围的电子设备。

不同的射频滤波器有不同的频率响应特性，如带通滤波器、带阻滤波器和陷波滤波器等。

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。

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。

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。