第1章天线基础知识概要

天线基础知识（1）：天线的功能及特性

01

天线功能

天线用来发射或接收电磁波，是雷达系统中最关键的部件之一。它具有以下基本功能：

. 将发射端能量以所需的分布和效率转换成空间信号。这一过程以同样的方式应用于接收端。

. 信号在空间中具有一定的模式。一般来说，方位角需足够窄，以提供所需的方位角分辨率和目标位置更新所需的频率。当天线扫描方式为机械扫描时，这就等效为转速。考虑到雷达天线在一定频率波段需要有尺寸巨大和重量可达数吨的反射器，高转速可能带来一个重要的机械问题。

. 高精度的测向。

天线结构必须保证天线在任何环境条件下保持工作。通常在相对恶劣的环境条件下使用天线罩来保护天线。

雷达的基本性能与天线面积或孔径和平均发射功率的乘积成正比。因此，在天线上的投入可以为系统性能方面带来显著的效果。

考虑到这些功能和雷达天线所需的效率，通常采用两种方式：

• 抛物面碟形天线

• 阵列天线

02

天线特性

天线增益

2.1

当天线单独用作发射或接收用途时，天线增益是一个重要的特性。 图1 各向同性辐射体的球形辐射

有些天线的辐射源向各个方向均匀地辐射能量，这种辐射称为各向同性辐射。我们都知道太阳向四面八方辐射能量。从太阳辐射出来的能量在任何固定的距离和任何角度测量都是近似相同的。

假设一个测量装置绕着太阳移动，并停在图中所示的点上，以测量辐射量。在圆的任何一点上，从测量装置到太阳的距离是相同的。测得的辐射也将是相同的。因此，太阳被认为是一个各向同性的辐射体。

图2 偶极子天线的辐射图

天线方向图

2.2

大多数辐射器朝一个方向的辐射比朝另一个方向辐射强。像这样的辐射体称为各向异性辐射体。然而，采用一种标准方法标记辐射源周围的辐射，这样就可以很容易地将一种辐射方向图与另一种进行比较。 从天线辐射出来的能量形成一个具有一定辐射图样的场。辐射图是一种绘制天线辐射能量的方法。这种能量是在与天线保持恒定距离的不同角度测量的。这种图案的形状取决于所使用的天线类型。

第 1 页 共 14 页 天线基础知识

1 天线

1。1 天线的作用与地位

无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆)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.

*电磁波的辐射

导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如 图1.1 a 所示，若两导线的距离很近,电场被束缚在两导线之间,因而辐射很微弱；将两导线张开,如 图1。1 b 所示，电场就散播在周围空间,因而辐射增强。 必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 λ 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。

图1.1 a 图1.1 b

1。2 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， 见 图1.2 a 。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠,这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长,故称为半波折合振子, 见 图1.2 b。

第一章 天线基础

内容提要

本章首先说明天线的作用和本质，接着简述单位制和电磁场方程，

最后着重讲述电磁辐射的基础——电流元的辐射、磁流元的辐射和面元

的辐射。

1.1 天线的作用和分类

1.1.1 天线的作用和本质

当今社会已进入信息社会。随时随地、快速方便的进行信息交换，已成为社会生活的一大需求。利用无线方式即空间电磁波传送信息（语音、图像、数据等），已为人们广泛接受。而要进行这种传送，发方必须有一个把包含传送信息的高频信号变换为空间电磁波辐射出去的设备，收方则要有一个接收空间电磁波并把它变换成电路中的高频电信号的设备。这种能有效地辐射或接收电磁波的设备，称为天线。其中辐射电磁波的，称为发射天线；接收电磁波的，称为接收天线。因此，天线本质上是一个换能器。它完成电路中的高频电流（或导波）能量与空间电滋波能量的相互转换。

1.1.2 天线的分类及其分析方法

天线种类繁多。分类方法也不少。其中有按工作波段（或频段）分的，如长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。有按用途分的，如电视接收天线、电视发射天线、通信天线、雷达天线等。有按几何形状分的，如螺旋天线、环形天线、喇叭天线、蝙蝠翼天线等。有按性能分的，如按增益分的高增益天线、低增益天线，按方向特性分的定向天线、全向天线，按极化特性分的园极化天线、线极化天线，按带宽分的宽带天线、窄带天线等等。

我们这里从分析研究方便出发，将天线分成两类。一类称为线天线，它是指由直径远小于工作波长的金属导线组成的天线。另一类称为面天线，它是指由尺寸远大于工作波长的金属面或介质面组成的天线。两者基本辐射原理相同，但分析方法不一样。

对于线天线，我们可以把它分成许多小段。只要分得足够小，每一小段都可看成一个电流元。这样，整个天线的辐射场，就可认为是所有电流元产生的辐射场的迭

加。因此对线天线，它的辐射特性可以直接从电流元的辐射场出发，通过线积分求出。

12005-10-11711.5.6 典型常用均匀激励等间距线阵适当选择：步进相位α，单元间距d可构成：边射阵普通端射阵Hansen-woodyard增强方向性端射阵相控阵2005-10-11721.边射阵1)定义：最大辐射方向沿线阵的法线方向的线阵。( )在最大方向：各单元激励电流相位相同0090=θ0cos0==+=ααθψkd0=α

2005-10-1173)cos21sin()cos2sin()2/sin()2/sin()(θθψψψkdNkdNNNFa==2）归一化阵因子：θψcoskd=2005-10-11743）半功率波瓣宽度半功率点在：391.1)cos(22±=+=αθψHpkdNN391.1sin22'±==HpkdNNθψNdHpλθ443.0sin'±=Hpθ'Hpθ

2005-10-1175于长阵（Nd>>λ), 主瓣很窄半功率波瓣宽度：NdHpλθ443.0sin'±=)(443.0'radNdHpλθ±≈NdradNdHpλλθ051)(886.02=≈2005-10-11764) 零功率波瓣宽度主瓣第一对零点： 则对于长阵πψ±=2Nπθ±='sin2NPkdNNdNPλθ±='sinNdradNdNPλλθ0'6.114)(22==

22005-10-11775) 副瓣电平对于长阵，副瓣电平趋于-13.5dB.2005-10-11786) 间距d的选择由于α=0,a. 为使栅瓣的最大值不进入可见空间必须使：则必须使θψcoskd=πθψπ2cos2<=<−kdπ2

2005-10-1179b.要求栅瓣的零点不进入可见空间零功率波瓣宽度的半宽度：则应有：或NNpπψ2=NNππψππ22)22(−<<−−λNNd1−<2005-10-11710结论：对于边射阵，为使栅瓣不进入可见空间应有：或λNNd1−

2005-10-1171100.4π0.8π1.2π1.6π2πN=5|Fa(ψ)|1.0ψτθkd=1.2π图15-3 d=0.6λ的均匀激励等间距五元边射阵方向图2005-10-117122. 普通端射阵边射阵的阵因子——扇形波瓣端射阵——笔形波瓣τθkd=1.2π图15-3 d=0.6λ的均匀激励等间距五元边射阵方向图θ5-14 间距0.45λ，主瓣方向θ=180度的五元普通端射阵的方向图α=0.9π