天线原理与设计_讲义1

天线原理与设计教师：王建电子工程学院二系绪论0.1天线在无线电工程中的作用一切无线电设备都离不开天线。▲无线电通讯▲无线电广播▲电视▲雷达▲导航▲制导▲无线电探测等系统天线的作用是：作发射时，它将电路中的高频电流或传输线上的导行波转换为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或传输线上的导行波。(1)能量转换(2)定向辐射或接收简言之：天线的功能主要有两点：无线电通讯线路中的辐射和接收天线示意：发射系统等效电路：天线等效电路中最主要的一个参数——辐射电阻Rr。可以认为天线辐射的电磁波能量全部由Rr吸收。发射天线空间辐射方向图。●典型的空间三维方向图●典型的二维方向图各种各样的方向图是由各种各样的天线实现的。0.2天线的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。按用途分类有通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线、测向天线等。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。按天线上电流分布分类有行波天线、驻波天线。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、微波天线和毫米波天线。按载体分有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。按天线外形分类有鞭状天线、T形天线、Γ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。为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下几大类：(1)线天线(WireAntennas)——(1～6)章(2)口径天线(ApertureAntennas)——(8～10章)(3)阵列天线(ArrayAntennas)—(1章部分，5章)(4)透镜天线(LensAntennas)—(10章部分)(5)反射器天线(ReflectorAntennas)—(11～12章)(6)微带天线(MicrostripAntennas)—(14章)0.3天线的发展自1886年德国物理学家Hertz在实验室采用一个长度为半波长的偶极子传送一个电火花脉冲，并在附近的谐振圆环内检测，证实了Maxwell方程以来，天线的发展已经历了120多年的时间。但是，天线一直在新技术的推动下发展着。在1940以前，天线的发展是在广播、电视和通信技术的推动下发展的，那时候有关长波、中波和短波线形天线的理论大体上已经成熟。一些主要天线形式直到现在还在使用。在第二次世界大战期间，随着电子技术和雷达技术的发展，超短波与微波天线得到了飞速的发展。如喇叭天线、反射面天线、透镜天线、介质棒天线、波导缝隙天线、阵列天线等。第二次世界大战之后，无线电技术的发展更加迅速，微波中继通信、散射通信、广播、电视技术的发展对天线提出了许多新的要求。上世纪五十年代提出了非频变天线理论，相继出现了对数周期、等角螺旋、阿基米德螺旋等宽带天线。五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现后，人类进入了宇宙空间时代，航空航天技术的发展对天线的研究又提出了许多新的课题，这时要求解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速扫描和精密跟踪等问题。六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用方面都在突飞猛进的发展。(1)在天线理论方法方面■几何绕射理论■平面波谱展开法■矩量法■有限元法■时域有限差分法■时域积分方程法■天线近场测量理论■阵列分析与综合理论这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础，随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自动化设计软件。■HFSS软件■CST软件■IE3D软件■FIDELITY软件■FEKO软件(2)在天线技术应用方面卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面天线馈源。雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发展，其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频谐振等。有源天线的发展形成了现在非常先进的有源相控阵雷达天线。二维有源相控阵已装备在最先进的猛禽F22第四代战机上。值得一提的是相控阵天线，因为相控阵雷达技术含量最高，功能最强。到了80年代，由于电子计算机和超大规模集成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及智能化理论和技术的不断发展，使得80年代成为国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国也不例外，到1993年，我国的相控阵雷达不仅在军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经从军用扩展到了民用。0.4天线的基本参数天线性能需要一套电气指标来衡量，这些电气指标由天线的特性参数来描述。这些参数包括：■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■天线有效长度、有效面积■口径效率和波束效率等0.4.1天线的方向图0.4.1.1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。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图。天线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■极化方向图●天线方向图形式三维方向图二维方向图极坐标方向图直角坐标方向图球坐标方向图直角坐标方向图幅度分贝幅度分贝●绘制天线方向图的两个途径■由理论分析计算并绘制得到方向图;■通过实验测得天线的方向图数据绘出方向图。●天线的方向图函数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：j0(,)reEEfr(0.1)0EH(0.2)式中，Eθ为电场强度的θ分量，单位为V/m；Hφ为磁场强度的φ分量，单位为A/m；E0为与激励有关但与坐标无关的系数；r为以天线上某点为原点到远区某点的距离；η0=120π为自由空间波阻抗；β=2π/λ为相位常数；f(θ,φ)为天线的方向图函数。返回可见，天线方向图是在远区球面上的场强分布。●归一化方向图(,)(,)(,)mmfFf(0.3)式中，(θm,φm)为天线最大辐射方向；f(θm,φm)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，由方向图函数和归一化方向图函数表示的方向图统称为天线的辐射场方向图。●三维方向图一个典型的七元八木天线的三维方向图如下：(a)7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●二维方向图■E面和H面方向图定义天线方向图一般是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。H面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。H面E面H面E面表0-1上图所示的八木天线和角锥喇叭天线的E面和H面及其方向图函数表示■七元八木天线的H面方向图(a)极坐标幅度方向图(b)直角坐标幅度方向图返回(a)极坐标分贝方向图(b)直角坐标分贝方向图图中是以八木天线的H面归一化方向图函数FH(φ)＝F(θ,φ)|θ=90计算并绘制的。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。返回返回10.4.1.1主瓣宽度定义：指方向图主瓣上两个半功率点(或场强下降到最大值的0.707倍处或分贝值从最大值下降3dB处对应的两点)之间的夹角。记为2θ0.5。主瓣宽度又称为半功率波束宽度或3dB波束宽度。一般情况下，天线的E面和H面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为2θ0.5E和2θ0.5H。【例0.1】已知某天线的方向图函数为F(θ)＝sinθ，求其主瓣宽度。解：方向图最大值F(θm)＝1，其方向角为θm=90o，见图。设方向角为θ1时，F(θ1)=sinθ1=0.707，得θ1=45o。所以θ0.5=θm-θ1=45o。主瓣宽度为：2θ0.5=90o。链接0.4.1.3副瓣电平定义：指副瓣最大值模值与主瓣最大值模值之比，通常用分贝表示。即maxmax||20log||iiESLLE(0.4)式中，Eimax为第i个副瓣的场强最大值，Emax为主瓣最大值。这样，对于各个副瓣均可求得其副瓣电平值。如前面图中的SLL1、SLL2、SLL3和SLL4。在工程实际中，副瓣电平是指所有副瓣中最大的那一个副瓣的电平，记为SLL。一般情况下，紧靠主瓣的第一副瓣的电平值最高。副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。因此，天线副瓣电平愈低，表明天线在不需要方向上辐射或接收的能量愈弱，或者说在这些方向上对杂散的来波抑制能力愈强，抗干扰能力就愈强。链接不同用途要求天线有不同的方向图。例如，广播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定的方向性以提高天线增益，见下图(a)；对微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图，见下图(b)；对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束，见下图(c)。(a)水平全向方向图(b)笔形波束方向图(c)余割平方波束方向图描述功率与电磁场的关系往往采用坡印亭矢量，其定义为0.4.2辐射功率和辐射强度*12WEH(0.5)式中，W为坡印亭矢量，单位为瓦/m2；E为电场强度矢量，单位为V/m；H为磁场强度矢量，单位为A/m，上标‘*’号表示取复数共轭。式(0.5)说明坡印亭矢量是电场和磁场强度矢量的叉积，乘上因子1/2后，该式表示为坡印亭矢量的时间平均值。■坡印亭矢量W坡印亭矢量是功率密度矢量。取坡印亭矢量W与一个面积元矢量ds的标积就是通过该面积元的辐射功率dPr=W·ds，沿包围天线的整个表面s的积分就可得到天线的辐射总功率Pr。其公式为*1ˆ2rssPddsWsEHn(0.6)式中，为闭合面s的外法线单位矢量，如果闭合面为一个球面，则。在球坐标系中，。ˆnˆˆnrˆˆˆr■辐射功率Pr■辐射强度U(θ,φ)给定方向上的辐射强度定义为天线在单位立体角内所辐射的功率。它是一个远场参数。半径为r的球面面积为S=4πr2，其立体角为Ω=4π，在给定方向上的辐射强度U(θ,φ)表示为2*ˆ()1ˆ(,)()2SUrWrEHr(0.7)天线分析坐标系如下图所示。【例0.2】设某一天线的远区辐射电磁场可由式(0.1)和式(0.2)表示，求其坡印亭矢量、辐射功率和辐射强度。解：该天线的辐射电磁场可写作和,由式(0.5)可得坡印亭矢量为ˆEEˆHH2220200||ˆˆ(,)22EEfrWrr(0.8)由式(0.6)设闭合积分面为包围天线的一个球面，则积分面元为，得辐射功率为2sindsrdd如果，则(,)sinf2008()23rEP2220000(,)sin2rEPdfd(0.9)链接由式(0.7)可得辐射强度为222000(,)(,)(,)22EEUf