天线设计原理基础资料

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1、天线原理与设计基础 1 天线原理与设计基础 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

2、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

3、或接收定向辐射或接收 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。因此，一副好的天线应该具有完成某种任

4、务而要求的方向性。 如果我们要接收卫星电视等信号，由于距离远，则必须采用定向性好，增益 很高的一类天线，如旋转抛物面天线、卡塞格仑天线、阵列天线等。 一副天线的收和发是互易的。根据电磁学中的互易原理可以证明，只要天线和 天线原理与设计基础 2 馈电网络中不含非线性器件(如铁氧体器件)，则同一副天线用作发射和接收时， 其基本特性保持不变。因此，在分析接收天线的特性时，可以采用分析发射天线 的方法。 0.2 天线的分类 天线的形式很多。为了便于讨论，可根据不同情况分类。 1. 按工作性质分类按工作性质分类 可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。 2. 按用途分类按用途分类 有通信天线、广播天线、

5、电视天线、雷达天线、导航天线、测向天线等。 3. 按天线特性分类按天线特性分类 从方向性分：有强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、 针状波束天线、扇形波束天线等。 从极化特性分：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化天 线又分为垂直极化和水平极化天线。 从频带特性分：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。 4. 按天线上电流分布分类按天线上电流分布分类 有行波天线、驻波天线。 5. 按使用波段分类按使用波段分类 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. 按天线外形分类按天线外

6、形分类 有鞭状天线、T 形天线、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。 从便于分析和研究天线的性能出发， 可以将大部分天线按其结构形式分为两 大类：一类是由金属导线构成的线天线，一类是由尺寸远大于波长的金属面或口 径面构成的面状天线，简称口面天线。此外还有介质天线。书中前七章主要介绍 线天线；第八章到十三章将介绍口面天线；最后一章介绍微带天线。 0.3 天线的发展概况 见书上 P3。天线发展虽然已有一百多年时

7、间，但有关天线的各个方面还在 不断发展。例如： (1) 在天线理论方面在天线理论方面 除书上 P4 倒 6 行介绍的分析天线的矩量法、几何绕射法、平面波谱展开法 之外，以后又相继出现了有限元法、时域有限差分法等用于天线分析。有名的天 线分析与设计软件有如下几种 (1) Ansoft 公司的 HFSS 软件。是基于有限元法为核心编写的。 (2) Zland 公司的 IE3D 软件。是基于矩量法的。 (3) Zland 公司的 FIDELITY 软件。是基于 FDTD 法的。 (4) 另外还有 CST 软件，microwave office 等 天线原理与设计基础 3 (2) 在天线应用方面在天线

8、应用方面 从航空、航天、航海、火箭发射的跟踪控制、导弹制导、电子对抗、卫星通 信、遥感遥测等到与个人密切相关的无线电广播、电视和移动通信，山区电话的 无线接入，计算机无线接入互联网等，都离不开天线。根据特殊的应用不断地提 出和发展一些新型的天线， 如一直在发展和研究的单脉冲阵列天线、 相控阵天线、 微带天线及微带阵列天线、自适应天线、智能天线、有源天线，超宽带天线、天 线小型化等。 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

9、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。 总之，要说明天线的性能，必须定义天线的各个特性参数。除上面提到的工 程上常用参数外，还将介绍天线理论分析中常用的参数，如天线有效长度、有效 面积等。 0.4.1 天线的方向图 0.4.1.1 方向图函数及方向图方向图函数及方向图 天线方向图是指天线辐射特性与空间坐标之间的函数图形，因此，分析天线 的方向图就可分析天线的辐射特性。 大多情况下， 天线方向图是在远场区确定的， 所以又叫做远场方向

10、图。而辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位和极化。因 此，天线方向图又分为场强方向图、功率方向图、相位方向图和极化方向图。这 里主要涉及场强和功率方向图，相位和极化方向图在特殊应用中采用。例如，在 天线近场测量中，既要测量场强方向图，也要测量其相位方向图。 天线的辐射特性可采用二维和三维方向图来描述。三维方向图又可分为球坐 标三维方向图和直角坐标三维方向图， 这两种三维方向图又可采用场强的幅度和 分贝表示；二维方向图又分为极坐标方向图和直角坐标方向图，这两种二维方向 图也可采用场强的幅度和分贝表示。 天线方向图的绘制可通过两个途径：一是由理论分析得到天线远区辐射场， 从而得到方向图函数，由此计

11、算并绘制出方向图；一是通过实验测得天线的方向 图数据并绘出方向图。 大多线极化天线的远区辐射电磁场一般可表示为如下形式 0 ( , ) j r e EEf r =(0.1) 0 E H =(0.2) 天线原理与设计基础 4 式中，E为电场强度的分量，单位为 V/m；H为磁场强度的分量，单位为 A/m； 0 E为与激励有关但与坐标无关的系数；r 为以天线上某参考点为原点到远 区某点的距离；( , )f 为天线的方向图函数； 000 /120=为自由空间波阻 抗；2 / =为相位常数。 在天线分析中常采用如下归一化方向图函数表示 ( , ) ( , ) (,) mm f F f =(0.3) 式中

12、，(, mm )为天线最大辐射方向，(,) mm f为方向图函数的最大值。由归一化 方向图函数绘制出的方向图称为归一化方向图。由式(0.1)和(0.2)可以看出，天线 远区辐射电场和磁场的方向图函数是相同的， 因此， 由方向图函数( , )f 和归一 化方向图函数( , )F 表示的方向图统称为天线的辐射场方向图。 三维方向图三维方向图 以图 0-1(a)所示的典型七元八木天线为例，其辐射电场幅度的球坐标三维方 向图和直角坐标三维方向图如图 0-1(b)(c)所示。它们是以天线上某点为中心，远 区某一距离为半径作球面，按球面上各点的电场强度模值与该点所在的方向角 (, )而绘出的。三维场强方向

13、图直观、形象地描述了天线辐射场在空间各个方 向上的幅度分布及波瓣情况。但是在描述方向图的某些重要特性细节如主瓣宽 度、副瓣电平等方面则显得不方便。因此，工程上大多采用二维方向图来描述天 线的辐射特性。 (a) 七元八木天线 (b) 三维球坐标场强方向图(c) 三维直角坐标场强方向图 图 0-1 典型七元八木天线及其三维场强方向图 二维方向图二维方向图 天线的二维方向图是由其三维方向图取某个剖面而得到的。同样以图 0-1(a) 所示的七元八木天线为例，其 xy 平面(H 面，)内的辐射电场幅度表示的 极坐标和直角坐标二维方向图如图 0-2(a)(b)所示， 其辐射电场分贝表示的极坐标 和直角坐标

14、二维方向图如图 0-2(c)(d)所示。 o 90= 天线原理与设计基础 5 (a) 极坐标幅度方向图(a) 直角坐标幅度方向图 (c) 极坐标分贝方向图(d) 直角坐标分贝方向图 图 0-2 七元八木天线xy平面(H面,=90o)内的二维场强幅度和分贝表示的归一化方向图 天线方向图一般呈花瓣状，称之为波瓣或波束。其中包含最大辐射方向的波 瓣称之为主瓣，其它的称为副瓣或旁瓣，并分为第一副瓣、第二副瓣等，与主瓣 方向相反的波束称为后瓣或尾瓣，见图 0-2(c)。 图中是以天线的 H 面归一化方向图函数 o ( )( , )| H FF 90 = =计算并绘制的， 因此，图 0-2 所示的二维方向

15、图为归一化方向图。 极坐标图直观，多用于绘制中低增益即波瓣较胖一类天线的方向图；直角坐 标方向图易于表示窄波瓣和低副瓣性能， 多用于绘制高增益和低副瓣天线的方向 图。直角坐标分贝表示的方向图放大了副瓣，更易于分析天线的辐射特性，所以 工程上多采用这种形式的方向图。 功率方向图表示天线的辐射功率在空间的分布情况，往往采用分贝刻度表 示。如果采用分贝刻度表示，则功率方向图与场强方向图是一样的。 E 面和面和 H 面方向图面方向图 天线方向图一般是一个三维空间的曲面图形，但工程上为了方便，常采用通 过最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图来描述天线的方向图。 这两个相互正 交的平面称之为主面，对于线极

16、化天线来说通常取为 E 面和 H 面。 E 面：指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。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。面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。 天线原理与设计基础 6 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。 (a) 八木天线(b) 角锥喇叭天线 图 0-3 天线 E 面和 H 面的确定示意 图中八木天线的最大辐射方向在 y 轴方向， 喇叭天线的最大辐射方向在 z 轴 方向。只要八木天线的摆放形式一定，喇叭天线的口径场分布一定，则它们的远 区辐射方向图的 E 面和 H 面就确定了。就