武汉大学天线原理课程重点知识总结.doc

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1、武汉大学天线原理课程重点知识总结 l、天线的定义：一种富有导行波与自由空间波互柑转换区域的器件或结构 天线的作用：能量转换（将高频波能量和导行波能最转换为电磁波能量）定向辐射和接受 2、波瓣图乘法原理 非各向同性而相以的点源阵之场波瓣图是其个别源波瓣图与该阵列中具有相同的位置、相对幅度和相位的各向同性点源阵瓣图之乘积 非各向同性而相似的点源阵，其总的相泣波姗图是其个别源相位波瓣图 与各向同性点源阵相位波瓣图之和 2、不同频段的电磁波传播特性不一样，应用：从电波传播特性出发，并考虑到系统技术问题，频段的典型应用如下： 1）超低频：典型应用为地质结构探测，电离层与磁层研究，对潜通信，地震电磁辐射前

2、兆检测。超低频频已于波长太长因而辐射系统庞大且效奉低，人为系统难以建立，主要由太阳风与磁层相互用雷电及地震活动所激发近来在频段高端己有人为发射系绞用于对潜艇发射简单指令和地震活动中深地层特性变化的检测。 2）极低频：典型应用为对潜通信，地下通信，极稳定的全球通信，地下遥感，电离甚与磁层研究由于频率低，因而信息容量小，信息速率低（约 lbit/s）。该颊段中，垂直极化的天线系统不易建立，并且受雷电干扰强： 3）甚低频：典型应用为 Omega（美）、a（俄）超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信时间频率标准传递，地质探矛该波段难于实现电尺寸高的垂直报化天线和定向天线，传输数据率低雷

3、电干扰也比较强。 4）低频：典型应用为 LoranC（美）及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。该频段不易实现定向天线。 5）中频：用于广播、通信、导航（机场着陆系统）。采用多元天线可实现较好的方向性，但是天线结构庞大。 6）高频：用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地一空通信。 7）米波：用于语音广播，移动（包括卫星移动）通信，接力（、50Okm 跳距）通信，航空导航信标，以及容易实现具有较高增益系数的大线系统。 8）分米波：用于电视广播，飞机导航、着陆，等戒雷达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通信。 9）厘米波：用于多路语音与电视信

4、道，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。 10）毫米波：用于短路径通信，雷达，卫呈遥感。此波段及以上波段的系统设备和技术有待进一步发展。 11）亚毫米波：用于短路径通信。 3、天线的分类： 按工作性质分关：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 （按天线上电流分布分类）：行波天线、驻波天线 （按载体分类）：车载天线、机载天线、星载天线、弹载天线等 （按工作特性分类）: 从方向性分：强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针状波束大线、扇形波束天线 从极化特性分：线极化天线、圆极化天践、椭圆极化天线线极化又大致分为垂直极化与水平极化天线 从频带特性分类：窄带天线、宽

5、带天线、超宽带大线 按外形分：鞭状天线、T 形天线、厂形天线、v 形天线、菱形天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙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，共形天线等 4、天线输入功率不完全被辐射的主要原因有： 天线阻抗与发射机不匹配，导致电磁波被反射回发射机； 部分变为天线近场的电磁能量； 那分因天线体的非理想导体而热耗散： 5、天线类型：基本类形：环形、偶极子和缝隙、张开的同轴线、双线与波导、反射镜与口径类型、端射与宽频带类型、镶板式、缝隙与栅格阵列 8、水平对称天线 在通信、电视或其它无线电系统中，常使用水平天线Horizontal.Anteona）。水平架设天线的优点是

6、：架设和馈电方便；地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天线小：可减小干扰对接收的影响（因为水平对称天线辐射水平极化波，而工业干执大多为垂直极化波，故可以减少干扰对接收的影响，这对短波通信是有实阶意义的） 9、水平对称振子（Hor1zontalSmmetricalDipOle，也叫偶极天线。如图 1 一 1 所示，又称 型天线。天线的两臂可用单根硬拉黄铜线或铜包钢线做成，也可用多股软铜线，导线的直径根据所需的机械强度和功率容量决定，般为 36mm。天线臂与地面平行，两臂之间有绝缘子。天线两端通过绝缘子与支架相连，为降低天线感应场在附近物体中引起的损耗，支架应距离振子两端 23m。为了降低绝缘子

7、介质损耗，绝缘子宜采用高频瓷材料。支架的金属拉线中亦应每相隔小于 4 的间距加入绝缘子，这样使拉线不至于引起方向图的失真。这种天线结构简单，架设撤收方便，维护简易，因而是应用广泛的短波天线，适用于天波传播。综上所述，偶极天线是一种结构简单、架设维护方便的弱方向性天线，特别适用于半固定式短波电台。但其主要缺点是工作频带窄，馈线上行波系数很低，特别是在低频端尤为严重。因此，不宜在大功率电台或馈线很长的情况下使用。必要时为了改善馈线上的行波系数，应在馈线上加阻抗匹配装置。 9、电视发射天线 电视发射天线的特点和要求：电视所用的 112 频道是甚高频（VHF，其频率范围为48.5223Mhz1365

8、频道是特（uHF，其频率范围为 470958MHz。由于电波主要以空间波传播，因而电视台的服务范围直接受到天线架设高度的限制。为了扩大电视台的服务区域，一般天线要架设在高大建筑物的项端或专用的电视塔上。这样一来，就要求它在结构、防雷、防冰凌等方面满足一定的要求，必须承受一定的风荷。 电视演播中心及其发射中心一般在城市中央，为了增大服务范围，求天线在水平平面内应具有全向性。如果在城市边缘的小山或高山上建台，就应考虑某些方向人口多，而某些方向人口少等问题；为了有效地利用发射功率，就必须考虑水平平面具有一定的方向性。而在垂直平面内要有较强的方向性，以便能量集中于水平方向而不向上空辐射。当天线架设高度

9、过高时，还需采用主波束的下倾方式。 从极化考虑，为减小天线受垂直放置的支持物和馈线的影响，减小工业干扰， 并且架设 方便，应采用水平极化波。因此，电视发射天线都是与地面平行即水平架设的对?普褡蛹捌浔湫汀硗猓蛭嗣堑氖泳跻忍趿槊舻枚啵搜鄱怨獾难映俸拖辔皇娴母芯跻榷?朵对声音灵敏得多），所以对电视在电特性方面的要求比一般电声广播要高，因而要求天线要有足够带宽，并要满足对驻波比的要求，以保证天线与馈线处于良好的匹配状态。此外，在馈电时还要考虑到“零点补充”问题，以免临近电视台的部分地区的用户收看不好。 10、为什么用水平极化天线做电视机的接收天线？ 从极化考虑，为减小天线受垂直放置的支持物和馈线的影响

10、，减小工业干扰，并且架设方便，应采用水平极化波。因此，电视发射天线都是与地面平行即水平架设的对称振子及其变型。 11、垂直天线 在长波和中波波段主要使用垂直接地的直立天线的原因： 在长波和中波波段，由于波长较长，天线架设高度 H人受到限制，若采用水平悬挂的天线，受地的负镜像作用，天线的辐射能力很弱。而且在此波段主要采用地面波传播。由于地面波传播时，水平极化波的衰减远大于垂直极化波，因此在长波和中波波段主要使用垂直接的垂直天线（Vertica1Antenna，也称单极天线（MonopolAntenna）。这种天线还广泛应用于短波和超短波段的移动通信电台中。在长波和中波波段，天线的几何高度很高，除

11、用高塔（木杆或金属）作为支架将天线吊起外，也可直接用铁塔作辐射体，称为铁塔天线或桅杆天线。在短波和超短波波段，由于天线并不长，外形像鞭子，故又称为鞭状天线。 这类天线的共同问题是，因结构所限而不能做得太高，即使在短波波段，在移动通信中，由于天线高度 HH 为天线高度，区别于架设高度 H）受到涵洞、桥梁等环境和本身结构的限制，也不能架设太高。这样，直立天线电高度小，从而产生下列问题：1）辐射电阻小，损耗电阻与辐射电阻相比，相应地就比较大，这样，天线的效率低，一般只有百分之几。（2）天线输入电阻小，输入电抗大（类似于短的开路线），也就是说，天线的 Q值很高，因而工作频带很窄。（3）易产生过压。当输

12、入功率一定时，由于输入电阻小而输入电抗高，使天线输入端电流很大，输入电压 u 就很高，天线顶端的电压更高，易产生过压现象，这是大功率电台必须注意的问题。所以电高度小，使得天线允许功率低。天线端电压和天线各点的对地电压不应超过允许值。 12、单极天线与偶极天线异同点（包括馈电） 平衡器对称天线的馈电 线天线总要通过传输线馈电，常用的传输线有平行双导线和同轴线，前者为平衡传输线，后者为不平衡传输线，因平行双导线对“地”是对称的，故是平衡的。实际工作中，许多天线本身是“平衡”的，例如对称振子，折合振子以及后面将要介绍的等角螺旋大线等都是对问题，但用同轴线馈电时，就存在“平衡”与“不平衡”之间的转换问

13、题。另外，在平衡传输线与非平衡传输线之间连接时，也同样存在这种问题。为了解决这一问题，就需要采用平衡与不平衡转换器，简称为平衡器，或称为其英文名 balun 的直译“巴仑”。 13、环形天线按尺寸大小可分为小环天线与大环天线。若圆环的半径 b 很小，其周长C2b0.2，则称为小环天线。小环天线上沿线电流的振幅和相位变化不大，近似均匀分布。当环的周长可以和波长相比拟时，称为大环天线，此时必须考虑导线上电流的振幅和相位的变化，可近似地将电流看成驻波分布，这种天线的电特性和对称振子的电特性有明显的相似之处，均属谐振型天线。若在天线适当部位接入负载电阻，使线上载行波电流，便构成了非谐振型环天线或称加载

14、环天线。该天线具有较好的宽带特性。小环天线主要用于测向及广播 接收等场合，大环天线应用于广播和通信中。 14、如何实现端射？端射天线包括引向天线和背射天线都是端射式。各自的定向性正比于其长度 L；以上三类天线的波瓣图计算过程都可以很好的近似为间距四分之一波长的点源端射阵；八木一宇田天线只有一个单元被激励（用线馈电），其余的都属于借助互祸能量的寄生 单元，反射器上的相位超前，而引向器上传输的相位滞后 15、八木天线（引向天线）：它是一个紧耦合的寄生振子端射阵，结构由一个（有时由两个）有源振子及若干个无源振子构成。有源振子近似为半波振子，主要作用是提供辐射能量；无源振子的作用是使辐射能量集中到天线

15、的端向。其中稍长于有源振子的无源振子起反射能量的作用，称为反射器；较有源振子稍短的无源振子起引导能量的作用，称为引向器。无源振子起引向或反射作用的大小与它们的尺寸及离开有源振子的距离有关。 由于每个无源振子都近似等于半波长，中点为电压波节点；各振子与天线轴线垂直，它们可以同时固定在一根金属杆上，金属杆对天线性能影响较小；不必采用复杂的馈电网络，因而该类天线具有体积不大、结构简单、牢固、便于转动、馈电方便等优点。其增益可以做 到十几个分贝，具有较高增益。缺点是调整和匹配较困难，工作带宽较窄。 16、背射天线是 20 世纪 60 年代初在引向天线基础上发展起来的一种新型天线。由于其结构简单、馈电方

16、便、纵向长度短、增益高（可达数百）和副瓣背瓣较小（可分别作到一ZOdB 和一 3OdB 以下）等优点，得到天线工作者的重视。其中的短背射天线，更由于它效率高、能平装及可用介质材料密封等优点，而在宇航和卫星上得到重视和应用。 17、行波天线大多数为端射天线为什么？行波单导线的方向性具有如下特点：l）沿导线轴线方向没有辐射。这是由于基本振子沿轴线方向无辐射之故。（2）导线长度愈长，最大辐射方向愈靠近轴线方向，同时主瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣数增多。（3）当 1入很大时，主瓣方向随 1入变化趋缓，即天线的方向性具有宽频带特性。 18、菱形天线水平地悬挂在四根支柱上，从菱形天线的一只锐角端馈电，另一只锐角

17、端接一个与菱形大线特性阻抗相等的匹配负载，使导线上形成行波电流。菱形天线可以看成是将一段匹配传输线从中间拉开，由于两线之间的距离大于波长，因而将产生辐射。菱形天线广泛应用于中、远距离的短波通信，它在米波和分米波也有应用。 构成菱形天线的四条边的辐射场在长对角线方向上都是同相的，因此菱形天线在水平平面内的最大辐射方向是从馈电点指向负载的长对角线方向。而在其它方向上，一方面并不是各边行波导线的最大辐射方向，而且不一定能满足各导线的辐射场同相的条件，因此形成副瓣，且副瓣多，副瓣电平较大，这也正是菱形天线的缺点。菱形天线的主要优点是：l）结构简单，造价低，维护方便；2）方向性强，增益系数可达 100

18、左右；3）频带宽，工作带宽可达（23:14）可应用于较大的功率，因为天线上驻波成分很小，因此不会发生电压或电流过大的问题。菱形天线的主要缺点是：l）结构庞大，场地大，只适用于大型固定电台作远距离通信使用；2）副瓣多，副瓣电平较高；效率低，由于终端有负载电阻吸收能量故天线效率为 5080左右。 19、螺旋天线（HelicalAntenna）有三种辐射状态，本节将介绍螺旋柱直径D0.250.46） 的端射型螺旋天线。这一天线又称为轴向模螺旋天线，简称为螺旋天线，它的主要特点是： l）沿轴线方向有最大辐射；2）辐射场是圆极化波；3）天线导线上的电流按行波分布；4）输入阻抗近似为纯电阻；5）具有宽频带

19、特性。 20、圆极化波及其应用 如果通信的一方或双方处于方向、位置不定的状态，例如在剧烈摆动或旋转的运载体（如飞行器等）上，为了提高通信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天线。在人造卫星和弹道导弹的空间遥测系统中，信号穿过电离层传播后，因法拉第旋转效应产生极化畸变，这也要求地面上安装圆极化天线作发射或接收天线。圆极化波具有下述重要性质：1）圆极化波是一等幅旋转场，它可分解为两正交等幅、相位相差 90的线极化波；2）辐射左旋圆极波 的天线，只能接收左旋圆极化波，对右旋圆极化波也有相对应的结论3）当圆极化波入射到一个平面上或球面上时，其反射波旋向相反，即右旋波变为左旋波，左旋波变为右旋波。圆极化波

20、的上述性质，使其具有广泛的应用价值：第一，使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。第二，为了干扰和侦察对方的通信或雷达目标，需要应用圆极化天线。第三，在电视中为了克服杂乱反射所产生的重影，也可采用圆极化天线，因为它只能接收旋向相同的直射波，抑制了反射波传来的重影信号。当然，这需对整个电视天线系统作改造，目前应用的仍是水平线极化天线。此外，在雷达中，可利用圆极化波来消除云雨的干扰，在气象雷达中可利用雨滴的散射极化响应的不同来识别目标。圆极化天线的形式很多，如之前所介绍的旋转场天线以及等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线等都是圆极化天线。当然，这些天线仅是在某一定空间角度范围内轴比近似地等于 l，

21、其它角度辐射的则是椭圆极化波或线极化波。 21、螺旋天线的直径 D 既可以是固定的，也可以是渐变的。直径 D 固定的螺旋天线，称为圆柱形螺旋天线；直径 D 渐变的螺旋天线，称为圆锥形螺旋天线。将圆柱形螺旋天线改型为圆锥形螺旋天线可以增大带宽。螺旋天线通常用同轴线来馈电，螺旋天线的一端与同轴线的内导体相连接，它的另一端处于自由状态，或与同轴线的外导体相连接。同轴线的外导体一般与垂直于天线轴线的金属板相连接，该板即为接地板。接地板可以减弱同轴线外表面?母杏缌鳎纳铺煜叩姆涮匦裕庇挚梢约跞鹾笙蚍洹残谓拥匕宓闹本对嘉?.81.5。综上所述，螺旋天线上的电流是行波电流，每圈螺旋线上的电流分布绕 Z 轴以。

22、频率不断旋转，因而 z 轴方向的电场也绕 z 轴旋转，这样就产生了圆极化波。按右手螺旋方式绕制的螺旋天线，在轴向只能辐射或接收右旋圆极化波；按左手螺旋方式绕制的螺旋天线，在轴 向只能辐射或接收左旋圆极化波。此外还应注意，用螺旋天线作抛物面天线的初级馈源，如果抛物面天线接收右旋圆极化波，则反射后右旋变成左旋，因此螺旋天线必须是左旋的 22、缝隙天线与微带天线的特点：在结构上，天线元的三维尺寸一般小于波长，而且一维的尺寸（厚度）更是远小于波长，常称为“低剖面”天线。在工作原理上，裂缝天线看成是磁流激励的磁振子，而微带天线可以看作是端部开缝的泄漏波介质谐振腔。缝隙天线与微带天线的优点这种天线的厚度极

23、小，适宜安装在飞机和航天飞行器的壳体上，既不向外凸出影响飞行器的空气动力特性，也不想内凹进影响其它设备的安装。此外，这种天线还具有结构牢固，造价简单，馈电方便的优点。 缝隙天线与微带天线的缺点频带窄、功率容量低。 24、综合以上对不同口径场辐射场的分析以及相应的数值计算，对同相口径场而言，可归纳出如下的重要结论：l）平面同相口径的最大辐射方向一定位于口径面的法线方向；2）在口径场分布规律一定的情况下，口径面的电尺寸越大，主瓣越窄，方向系数越大：3）当口径电尺寸一定时，口径场分布越均匀，其面积利用系数越大，力向系数越大，但是副瓣电平越高；4）口径辐射的副瓣电平以及面积利用系数只取决于口径场的分布

24、情况，而与口径的电尺寸无关。 25、喇叭天线（HornAntennas）是使用最广泛的微波天线之一。它的出现与早期应用可追溯到 19 世纪后期。喇叭天线除了大量用做反射面天线的馈源以外，也是相控阵天线的常用单元天线，还可以用做对其它高增益天线进行校准和增益测试的通用标准。它的优点是具有结构简单、馈电简便、频带较宽、功率容量大和高增益的整体性能。喇叭天线由逐渐张开的波导构成，逐渐张开的过渡段既可以保证波导与空间的良好匹配，又可以获得较大的口径尺寸，以加强辐射的方向性。喇叭天线根据口径的形状可分为矩形喇叭天线和圆形喇叭天线等。 26、旋转抛物面天线（parabo101daleflectorAnte

25、nnas）是应用最广泛的天线之一，它由馈源和反射面组成天线的反射面由形状为旋转抛物面的导体表面或导线栅格网构成，馈源是放置在抛物面焦点上的具有弱方向性的初级照射器，它可以是单个振子或振子阵，单喇叭或多喇叭开槽天线等。利用抛物面的几何特性，抛物面天线可以把方向性较弱的初级辐射器的辐射反射为方向性较强的辐射。 27、卡塞格伦天线是由卡塞格伦光学望远镜发展起来的一种微波天线，它在单脉冲雷达、卫星通信以及射电天文等领域中得到了广泛的应用。标准的卡塞格伦天线由馈源、主反射面以及副反射面组成。主反射面为旋转抛物面 M，副反射面为双曲面 N。主、副反射面的对称轴重合，双曲面的实焦点位于抛物面的顶点附近，馈源

26、置于该位置上，其虚焦点和抛物面的焦点重合。 与抛物面天线相比，卡塞格伦天线具有以下的优点：1）以较短的纵向尺寸实现了长焦距抛物面天线的口径场分布，因而具有高增益，锐波束；2）由于馈源后馈，缩短了馈线长度，减少了由传输线带来的噪声，决定了工作站的灵敏度；3）设计时自由度多，可以灵活地选 取主射面、反射面形状，对波束赋形。卡塞格伦天线存在着如下缺点：卡塞格伦天线的副反射面的边缘绕射效应较大，容易引起主面口径场分布的畸变，副面的遮挡也会使方向图变形。 28、 29、现代通信中，要求天线具有较宽的工作频带特性。以扩频通信为例，扩频信号带宽较之原始信号带宽远远超过 10 倍，再如通信侦察等领域均要求天线

27、具有很宽的带宽。故研究天线除了要分析、研究天线的方向特性和阻抗特性外，还应考虑它的使用带宽问题。天线带宽：习惯上，若天线的相对带宽达百分之几十以上，则把这类天线称为宽频带天线。若天线的阻抗特性和方向性能在一个更宽的频率范围内（例如频带宽度为 10:1 或更高）保持不变或稍有变化，则把这一类天线称为非频变天线。非频变天线的导出基于相似原理：若天线的所有尺寸和工作频率（或波长）按相同比例变化，则天线的特性保持不变。非频变天线可以分成两类：一类天线的形状仅由角度来确定，可在连续变化的频率上得到非频变特性，如无限长双锥天线、平面等角螺旋天线以及阿基米德螺旋天线等。 另一类天线的尺寸按某一特定的比例因子

28、 变化，天线在 f 两频率上的性能是相同的，当然，在从 f 到 f 的中间频率上，天线性能是变化的，只要 f 与 f 的频率间隔不大，在中间频率上，天线的性能变化也不会太大，用这种方法构造的天线是宽频带的。这种结构的一个典型例子是对数周期天线。非频变天线主要应用于 10MHz10GHz 频段的诸如电视、定点通信、反射面和透镜天线的馈源等方面。 30、由于平面等角螺旋天线臂的边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形状的要求。当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一对变形的传输线，臂上电流沿线边传输，边辐射，边衰减。螺旋线上的每一小段都是一基本辐射片，它们的取向沿螺旋线而变化，总的辐射场就

29、是这些元辐射场的叠加。实验表明，臂上电流在流过约一个波长后就迅速衰减到 2OdB 以下，终端效应很弱。 31、 32、对数周期振子阵天线的效率较高，所以它的增益系数近似等于方向系数对数周期振子阵天线的方向系数也与几何参数 和 有关对数周期振子阵天线是线极化天线。当它的振子面水平架设时，辐射或接收水平极化波；当它的振子面垂直架设时，辐射或接收垂直极化波iDX8sNiCX 7sMh CW7rMhBW 6rMhBW6rLg BV6qLgAV5qKfAU5pKamp fzU4p Jamp ezT4oJamp ezT44oJey T3oIdy S3nIdxS2 nHcxR2m HcxR 2mHcwR1mGbwQ1lGbvQ0l FavP0 kFZauPhBW6rLgBV6qL gAV5qK gAV5qKfAU5pKamp fzU4 pJamp ezT4oJey T3oIdy S.