天线简介.docx

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1、天线一般理论简介为了有效斯将能量从发射机馈送到天线,需要解决如下三个问题：1、有效地进行能量转换，提高辐射功率或提高天线系统的信噪比，天线作为传输线的终端负载，要求天线与传输线匹配；2、天线作为一种辐射或接受器件，应具有向所需方向辐射无线电波的能力;3、天线作为一种极化器件，可分为线极化，圆极化和椭圆极化。在同一系统中收发天线应具有相同的极化形式。天线一般都是可逆的,即同一副天线即可用做接收天线，也可用作发射天线。天线按结构形式分为两大类：一类是导线，金属棒或金属板构成的天线，称为线天线；另一类是似声学或光学设备，由金属面或介质面构成的面天线。一、根本元的辐射：1、电根本振子的辐射给出在球坐标

2、原点沿z轴放置的电根本振子在各向同性理想均匀无限大自由空间的表达式：Er=空3cos4-4+外-a4兀&Irr)10-9E=LLLsin/，巴一肛一eF4加%(r3r2r)注：相移常数k=2万/%；k2=4=.sin8仪+,卜加波阻抗%=*=120双远区场)Hl=Hff=E=0(1)近区场H=-sin9*WE=/CC)S当kl时称为远区场，此时儿=in氏-如2Er0Hm此时，有电场和磁场两个分量在空间相互垂直且与r矢径方向垂直，三者构成右手螺旋系统。电场、磁场在时间上同相，其复坡印延矢量S=_LEXzr是实数，为有功功率且指向r增加的方向上。二者2比值为一实数%=120巧所以仅需讨论二者之一。

3、且电根本振子远区场是沿着径向向外传播的横电磁波TEMo在e=(r、i8(r方向上辐射为0,在e=9(r方向辐射最强。方向图：E面包含振子轴)为一个8字形，H面(垂直振子轴)为一个圆。(3)辐射功率式中S为平均复坡印延矢量，且S=；同B=盘?将其代入上式得4=_jE2r2sino此式为计算辐射功率的一般公式。Z4U00将远区场模值代入上式有：3=40Nmj(4)辐射电阻为了分析计算方便，引入辐射电阻概念，将天线向外辐射的功率等效为在电阻上的损耗，此电阻称为辐射电阻0。用输入电流来归算的称为归算于输入电流的辐射电阻&。，用波腹电流来归算的称为归算于波腹电流的辐射电阻0。显然电根本振子的辐射电阻为4

4、=/二80(町-UJ2、磁根本振子的辐射在进行磁根本振子辐射分析时,可以采用对偶性原那么。对称形式麦克斯韦方程如下：ZE=一嗯一右注：与磁流密度，为磁荷密度V.)=pNB=Pm上式第二个方程右端两项有负号，是因为电流产生的磁场的方向是按右手螺旋定那么定出的，而磁流产生的电场方向与之相反，是按左手螺旋定那么定出的。将上式中的电磁场分解为电荷与电流产生的场强Ee和He及磁荷和磁流产生的场强EM和Hm即E=Ec+Em和H=Hc+Hmo他们分别满足以下麦克斯韦方程：VcEef=-1taVHm=c-MtVxEeHc=-t和.OtV.De=Pv.dm=oV.f,=COvM=Pm比拟上面两个式子是完全对称的

5、，其对偶量如下：Ee与Hm,He-EmJA-JM,夕与夕与3、小环天线的辐射实际磁根本振子不存在,半径远小于波长的小电流环可等效为一磁根本振子,根据对偶置换原理得其场强为：由上式可知:小电流环在环平面上是均匀辐射的,方向图为一个圆,但在饱含环轴的平面上,方向图为8字形.且辐射场大小不与环的形状有关而是环所包围的面积有关.如果采用同样长度的导线制成一个电根本振子和一个小电流环,那么小环的辐射电阻要小很多.故小电流环天线仅用作接受天线。4、根本缝隙元的辐射略二、发射天线的电参数天线的电特性通常用效率、输入阻抗、方向性、极化、增益系数、工作频带宽度等参数。同一天线作为收、发时的电参数在数值上是相同的

6、，收、发天线具有互易性。1、效率设发射机输出功率为Pg,进入到天线的功率为Pin=(I-IrF)Pg,天线辐射功率为人当天线与传输线完全匹配二0）时，PG=Pin天线效率为：注：Pd为损耗功率，由天线铜耗、介质损耗、元件损耗等造成。设Pd被电阻Rd所吸收，称该电阻为损耗电阻，那么：=RZ“ARZ+R注：两个电阻用统一归算电流。2、输入阻抗天线输入阻抗是指天线馈电点呈现的阻抗值。它直接决定了和馈电系统之间的匹配状态，从而影响了馈入到天线上的功率以及馈电系统的效率等。输入阻抗Zin和输入电压Uin及输入电流Iin的关系为：注:输入阻抗应等于输入电流Iin=Io的辐射阻抗,他的实部Rin=R,3、辐

7、射方向图天线的远区场可以表示为:E（r,e,）=&（几，）/（仇。）的式中/（。,为方向函数与和IA无关。用它绘出的图形称为图形的方向图。假设最大值为1,那么称为归一化方向图，用Hae）F表示即：仇。）=但誓=K警，EmaX为最大辐射方向上的场强大小，E（,）maxJnax为同一距离处（。,伊）方向上的电场强度。对任意天线来说，其E面或H面的方向图为花瓣状，故方向图又称为波瓣图。最大辐射方向所在的波瓣称为主瓣，其余称为副瓣或旁瓣。主瓣宽度分为零功率波板宽度和半功率（3dB）波瓣宽度。分别记作2和2%或2%b,为了区分E面和H面，可以分别以下标形式注明E或H。旁瓣最大值与主瓣最大值之比称为旁瓣电

8、平，记作SIeIFSLL=IOlg=201gp)(dB)s1oei式中，S代表功率密度；下标1或2分别表示主旁瓣。4、方向系数方向系数从数值上描述天线的方向性，即在相同k射功率的条件下，天线最大辐射方向功率密度与理想点源天线在相同距离处的功率密度之比。其表达式为D=*|=So为无方向性天线0h相同2Olk相同的辐射功率密度；SmaX为天线在最大辐射方向上的功率密度。D=-N，考虑到A与R/勺关系，又可以写成：JolF(6,snddz)=yo同时D=IOIgD(dB)R对于电根本振子归一化方向函数为sin,20,5=90,D=I.5,这可以说是实际天线中方向系数的最小值了。5、极化发射天线的的极

9、化是指在最大辐射方向上辐射电波的极化，其定义为在最大辐射方向上电场矢量端点运动的轨迹。分为线极化水平和垂直)，圆极化和椭圆极化。在一系统中发射和接收天线的极化方式需一致，如果接收天线与空间传来的电磁波的极化方式一致，我们称为极化匹配，否那么称为极化失配。6、增益系数在相同输入功率的条件下，天线在某点产生的功率密度与理想点源在同一点产生的功率密度的比值。表达式为：注意区别方向系数和增益系数，不同点是方向系数主要从辐射功率出发，而增益是从输入功率出发。二者关系为：G=D以当天线的效率为1时二者相等。用理想点源作为增益比照标准的称为绝对增益，用半波阵子或称为偶极子天线作为比照标准的用Gh表示，二者关

10、系为：Gh=G/1.64(半波阵子D=1.64),用dB表示为：Gh(dB)=G(dB)-2.15(dB)7、有效长度一个电流分布不均匀的天线，可以用一个沿线电流分布均匀、幅度等于输入点电流IA或波腹电流Im的根本振子天线来等效。如果二者在各自最大辐射方向上的辐射场强相同，那么此等效根本振子的长度就是该天线的有效长度。以求半波阵子天线偶极子天线)有效长度为例。令沿Z轴放置长度为21的半波振子(偶极子)上的分布电流为I(z),输入点电流为Ioo那么有公式1(AZ)&。8、工作频带宽度根据使用此天线系统的要求，规定天线电参数容许的变化范围，当工作频率变化时天线电参数不超过容许值的频率范围，称为天线

11、的工作频带宽度。三、接收天线的电参数除了与发射天线相同的电参数特性外，接收天线还有有效面积和噪声温度。1、有效接收面积天线的最大接收方向对准来波方向，天线与负载完全匹配且无损耗时，天线的输出功率为PLOPt。假设此功率是由于来波方向垂直的面所接收的，那么称次面为接收天线的有效接收面积，用Ae表示，即Ae=PLoptZS,将S=宴,Plopi=j等代入前式有A=/。2/960乃4;T2、噪声温度当接收信号的强度与系统内噪声相当时，提高系统增益是没用的，因此有必要研究如何抑制接收系统前端的噪声。在米波以下，宇宙及地球大气及地面辐射都是噪声的来源，这种噪声的影响主要用天线噪声温度TA来表示。3、方向

12、性和干扰抑制为了有效抑制干扰，要求接收天线的方向性具有如下特点：1）足够强的方向性。D越大越好。2）尽量降低方向图的副瓣电平。希望最大的副瓣越小越好，或各个副瓣电平尽可能相近。在减小副瓣的同时主瓣往往要变宽，着对于接收天线是有利的。因为从发射方向来的信号到达角常常是变动的。3）天线方向图中最好能具有一个或几个可控方向的零点。这样当最强干扰来的时候可以将零点对准他。4、接收天线对馈线的要求它不能直接接收电磁波，即要求馈线没有“天线效应。为了防止和减弱馈线的天线效应，中短波接收天线常用四线式馈线。超高频或更高频的天线的馈线常采用具有良好屏蔽作业的同轴电缆或波导管。超宽带天线简介UWB天线的分析设计

13、方法与传统窄带天线有着本质区别，其带宽远大于传统天线，在增益、方向图、阻抗带宽等方面的设计必须权衡各参数间的关系。阻抗带宽是首要考虑的问题。UWB天线要求在大带宽内具有小的驻波比，因此必须保证在大带宽内天线的阻抗与传输线阻抗的良好匹配。天线的增益带宽也是一个重要方面，其分为2类：一类是等口面天线；一类是等增益天线。前者的增益与频率成正比关系，后者在整个工作频带内几乎为一常数。UWB天线的方向图带宽问题与天线类型有关,对于定向UWB天线一般属于等口面天线，其方向图随频率变化关系与天线的具体结构有关。对于全向UWB天线一般属于等增益天线，多用于UWB通性系统中。在UWB通性系统中，即使带内有线性相

14、频特性，但带内增益的较大幅度变化会使脉冲信号产生变形。现在也有一些在特定方向增益近乎为常数的天线，如Vivaldi韦瓦第天线、“bunny-ear兔耳天线.然而这些天线往往体积较大。传统的超宽带天线如对数周期天线、阿基米德螺旋天线、等角螺旋天线等，馈电网络设计复杂，相位中心不稳定，传输时域短脉冲信号有严重失真。超宽带通信中，工作于3.1-106GHz的宽频天线，主要以双锥天线的各种衍变形式为主，包括蝶形天线、泪滴天线、渐变槽缝天线等。目前应用比拟广泛的超宽带天线包括低剖面、小型化天线、TEM喇叭天线、反射面脉冲辐射天线（IRA）、透镜脉冲辐射天线以及超宽带天线阵列等。UWB天线设计试试先超宽带

15、系统的挑战之一：1）工作频带宽2）辐射功率低，几乎接近白噪声，这就要求天线具有良好的效率。3）对于DB-UWB信息都蕴含在脉冲的细节上，要求天线是非色散的，即有平坦的幅频响应和线性相位。对数周期天线是色散的。）4）物理尺寸小，本钱低。某些天线是色散的，如对数周期天线，不具备适合UWB信号传输所应具有的良好的冲激脉冲特性，因为从天线的不同局部辐射不同的频率成分；某些天线，如UWB的环形天线，具有较好的辐射波形，但反射大而且匹配较差；其它天线，如蝴蝶结天线虽然用阻抗负载获得了良好的匹配和较大的阻抗带宽，但辐射效率又太低。又如将各单元天线组成天线阵列，它不仅提高辐射功率、功率密度以及带内增益，而且还

16、可以很方便地控制其辐射特性，但是，它要求每个阵列单元的抖动很小。同时，也应充分考虑到脉冲源与阵列单元的匹配以及天线阵列各阵元之间的相互耦合对脉冲波形辐射和接收的影响。由于互耦的影响将改变阵列单元上的电流，使之不同于单元在自由空间孤立存在时的电流，因而单元的方向图、阻抗和极化也与它们在自由空间孤立存在时不同。满足UWB设计的天线应该具有大带宽、高辐射效率、低功耗、易制作并且对于UWB信号的鼓励响应是稳定的。近年来，平面集成天线尤其是微带天线备受关注，如何将平面集成天线应用于UWB系统成为一大研究热点。该天线相互耦合小，根本无背向辐射，有一定的增益和方向性，而且其效率也很高，可用于超短脉冲的发射和

17、接收。目前被H.GSchantz等人123报道的较成功的UWB天线设计有：微带三角形偶极天线、微带圆形或椭圆形偶极天线、磁性缝隙天线及环形天线等.文献5利用所研制的天线进行超短脉冲辐射和接收实验，脉冲宽度为0.35ns,实验结果外表该天线具有高保真宽带特性。参考书：lH.G.Schantz.PlanarEllipticalElementUltra-widebandDipoleAntennasA.2002IEEEAP-SInternationalSymposiumandURSIMeetingC.SanAntonio,TX,USA,2002,pp.44-47.2H.GSchantz,LFuller

18、ton.TheDiamondDipole:AGaussianImpulseAntennaA.2001IEEEAP-SInternationalSymposiumandURSIMeetingC.Boston,MA,USA,2001,pp.100-103.3H.GSchantz,MBarnes.TheCotabUWBMagneticSlotAntennaA.2001IEEE；AP-SInternationalSymposiumandURSIMeetingC.Bosion,MA,USA,2001,超宽带发射系统关键部件的研究pp.104-107.4Pochanin.GUWBReceivingLoopAntenna；A.IVthInternationalConferenceonAntennaTheoryandTechniques,2003C.2003-09,pp.546-548.5韩明华,等,用于超短脉冲辐射和接收的新型平面集成天线辐射元.微波学报，1998,14(4).6杨莘元马惠珠张朝柱现代天线技术北京理工大学出版社2023.8第一版