天线原理与设计 讲义

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的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。

本文将介绍天线的基本原理和设计方法，帮助读者更好地理解和应用天线技术。

首先，天线的基本原理是什么呢？天线是将电磁波转换为电信号或者将电信号转换为电磁波的装置。

在接收模式下，天线接收到的电磁波会转换成电信号，而在发送模式下，电信号会被天线转换成电磁波进行传输。

因此，天线的设计需要考虑到频率范围、辐射效率、方向性等因素，以确保其在特定的应用场景下能够实现高效的信号传输。

其次，天线的设计方法有哪些呢？天线的设计需要根据具体的应用需求来确定。

一般来说，天线的设计包括结构设计、材料选择、匹配网络设计等方面。

在结构设计方面，需要考虑天线的形状、尺寸、辐射器的布局等因素，以确保天线能够实现所需的辐射特性。

在材料选择方面，需要选择合适的材料来制作天线，以确保天线具有足够的机械强度和耐候性。

在匹配网络设计方面，需要设计合适的匹配网络来确保天线与传输线的匹配，以提高天线的辐射效率。

最后，天线的设计需要注意哪些问题呢？在天线设计过程中，需要注意考虑以下几个问题。

首先，需要考虑天线的频率范围，以确保天线能够在所需的频段内正常工作。

其次，需要考虑天线的辐射效率，以确保天线能够实现高效的信号传输。

此外，还需要考虑天线的方向性，以确保天线能够实现所需的辐射方向。

最后，还需要考虑天线的机械强度和耐候性，以确保天线能够在各种环境条件下正常工作。

综上所述，天线是无线通信系统中的重要组成部分，其设计和原理对于无线通信的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。

天线的设计需要考虑频率范围、辐射效率、方向性等因素，以确保其能够在特定的应用场景下实现高效的信号传输。

希望本文能够帮助读者更好地理解和应用天线技术。

1.5.1二元天线阵二元天线阵是由两个同类型，同尺寸的天线组成。

我们以点来表示这两个天线单元，单元间距为d ，两单元激励电流分别为0I 和1I ，如图1-14所示并建立坐标系。

它们到远区观察点的距离分别为r 0和r 1。

由于观察点很远，可认为两条射线r 0和r 1平行。

图1-14 二元阵及坐标系不失一般性，设天线单元为对称振子，它们在远区某点产生的电场分别为01j 0000j 111160j (60j (r r I E e f r I E e f r ββ,),)θϕθϕ−−⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩ (1.88) 设这两个对称振子等长，并且是平行或共轴放置，则10(,)(,)f f θϕθ=ϕ。

二元阵总场为：01j j 10100001j60(,)[r r T e I e E E E I f r I r ββθϕ−−=+=+ (1.89)作远场近似：对幅度1/，对相位101/r r 1000ˆˆcos r r rzd r d θ=−=−i 。

并设 j 10/I I me α−= (1.90)式中m 为两单元电流的幅度比，α为两单元电流之间的相位差，若0α>，则1I 滞后于0I ；若0α<，则1I 超前于0I ；若0α=，则1I 与0I 同相位。

此时式(1.89)可写作j j(cos )00060j(,)[1r d T I E e f me r ββθαθϕ−−=+] 0j 00060(,)(1)r j I je f me r βψθϕ−=+0j j /20060j r T I e e f r βψ(,)θϕ−= (1.91a) 其模值为 0060||||||(,)T T I E f r θϕ=a (1.91b) 式中， 0(,)(,)(,)T f f f θϕθϕθ=ϕ (1.92) 对于对称振子 0cos(cos )cos()(,)sin l l f βθβθϕθ−=j /2j /2(,)()a f e me ψψθϕ−=+ (1.93)cos d ψβθ=α− (1.94)ψ为两个单元辐射场之间的相干相位差，由波程相差和馈电相位差合成。

天线原理与设计绪论0.1 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，天线的作用主要有四点：(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。

这就要求天线与发射机源或与接收机负载尽可能好的匹配。

一副好的天线，就是一个好的能量转换器。

(2) 定向辐射或接收对于发射天线，辐射的电磁波能量应尽可能集中在指定的方向上，而在其它方向不辐射或辐射很弱。

对于接收天线，只接收来自指定方向上的的电磁波，在其它方向接收能力很弱或不接收。

例如，就雷达而言，它的任务是搜索和跟踪特定的目标。

如果雷达天线不具有尖锐的方向性，就无法辨别和测定目标的位置。

而且如果天线没有方向性，或方向性弱，则对发射天线来说，它所辐射的能量中只有一少部分到达指定方向，大部分能量浪费在不需要的方向上。

对接收天线来说，在接收到所需要信号的同时，还将接收到来自其它方向的干扰信号或噪声信号，致使所需信号完全淹没在干扰和噪声中。

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。