1、天线与电波传播5/2/20241Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University张忠祥张忠祥5/2/20242Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University教材：教材：天线与电波传播王增和 卢春兰 钱祖平 等编著机械工业出版社参考参考书：天线原理2003年7月第一版主 编：江贤祚出版社：北京航空航天大学出版社Antennas:For All Applications1993年第一版主 编：John D.Kraus出版社：the McG
2、raw-Hill Companies出版时间：2002天线编著：美John D.Kraus Ronald J.Marhefka出版社：电子工业出版社2004年4月 第一版Radio Propagation for Modern Wireless Systems编著：美 John D.Kraus出版社：电子工业出版社Ronald J.Marhefka2002年8月 第一版天线与电波传播天线与电波传播5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University3第1章 天线基础知识第2章 窄带天线第3章 宽带天线第
3、4章 口径天线第5章 天线新技术第6章 电波传播概论5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University41.1 1.1 天线概述天线概述什么是天线？什么是天线？什么是天线？什么是天线？天线是任何无线电系统的基本组成部分 天线是一种用来发射或者接收电磁波的器件 天线是将传输线中的导行电磁波转化为空间电磁波 IEEE：发射或者接收系统的一部分，为发射或者接收电磁波而设计发射天线的作用是将发射机的高频电流（或波导系统中的导行波）的能量有效地转换成空间的电磁能量。而接收天线的作用则恰恰相反。因此天线实际上是一
4、个换能器换能器。高频电流高频电流发射机发射天线接收机接收天线Wave5/2/20245Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University天线的作用天线的作用发射天线应能使电磁波的能量集中辐射到所规定的方向或区域内，并抑制对其它不需要方向或区域的辐射。接收天线应对某个方向的来波接收最强，而抑制其它方向来波的干扰。也就是说天线应该有一定的方向性方向性。发射天线接收天线wave避免能量损耗避免能量损耗防止干扰防止干扰5/2/20246Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefe
5、i Normal University天线的作用天线的作用5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University7天线的方向性天线的方向性5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University8天线的方向性天线的方向性5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University9D=0.32,S=0.25,N=10天线的方向性天线的方
6、向性5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University10频段2音频8基低频4低 频（VF)）（VLF）（LF）5中 频（MF）6高 频7甚高频8特高频9超高频10极高频（HF）（VHF）（UHF）（SHF）（EHF）11121314超长波长波中波超短波分米波厘米波毫米波3Hz30Hz300Hz3kHz30kHz300kHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz3THz30THz300THz105km 104km 103km102km 10km1km100m10m1m10cm1c
7、m1mm10010 1（公里）（米）（厘米）（毫米）（微米）短波（VLW）（LW）（MW）（SW）（VSW）（米波）音频雷达频率微波频率红外视频无线电电磁频谱无线电广播、通信、遥测、遥控以及导航等无线电系统都是利用无线电波来传递信号的，而无线电波的发射和接收都通过天线来完成。因此天线设备是无线电系统中重要的组成部分。图1.和图2.指出了天线设备在两种典型的无线电系统中的地位。5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University11无线电系统中的应用 天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要
8、求天线是一个良好的电磁开放系统,其次要求天线与发射机或接收机匹配。天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上,或对确定方向的来波最大限度的接受,即天线具有方向性。天线应能发射或接收规定极化的电磁波,即天线有适当的极化。天线应有足够的工作频带。5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University12天线功能 由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样就产的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样就产生了电磁波。生了电磁波。如广
9、播电台如广播电台声声电电电磁波发射电磁波发射电视台电视台声光声光电电电磁波发射电磁波发射5/2/202413Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University天线的理论基础天线的理论基础最早的发射天线是赫兹在1887年为了验证麦克斯韦根据理论推导所作关于存在电磁波的预言而设计的。它是两个约为30厘米长、位于一直线上的金属杆，其远离的两端分别与两个约40厘米2的正方形金属板相连接，靠近的两端分别连接两个金属球并接到一个感应线圈的两端，利用金属球之间的火花放电来产生振荡。当时，赫兹用的接收天线是单圈金属方形环状天线，根据
10、方环端点之间空隙出现火花来指示收到了信号。5/2/202414Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University最早的天线最早的天线19091909年马可尼获得诺贝尔物理学奖，后来享有年马可尼获得诺贝尔物理学奖，后来享有“无线电之父无线电之父”的美誉。的美誉。19331933年年1212月月7 7日至日至1212日，马可尼曾到我国访问，并在南京停留，宣传普及无线电知识，他特别日，马可尼曾到我国访问，并在南京停留，宣传普及无线电知识，他特别讲到：讲到：“贵国地大民众，无线电最有用处，望贵国人士深明此意，联络民众，交换情
11、感，可贵国地大民众，无线电最有用处，望贵国人士深明此意，联络民众，交换情感，可造成一强大无匹之国家造成一强大无匹之国家”。马可尼，意大利人，第一个采用大型天线实现远洋通信的，所用的发射天线由30根下垂铜线组成，顶部用水平横线连在一起，横线挂在两个支持塔上。这是人类真正付之实用的第一副天线。自从这副天线产生以后，天线的发展大致分为四个历史时期。5/2/202415Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University马可尼马可尼 在无线电获得应用的最初时期，真空管振荡器尚未发明，人们认为波长越长，传播中衰减越小。因此，为了
12、实现远距离通信，所利用的波长都在1000米以上。倒L形、T形、伞形天线等。由于高度受到结构上的限制，这些天线的尺寸比波长小很多，因而是属于电小天线的范畴。后来，业余无线电爱好者发现短波能传播很远的距离，A.E.肯内利和O.亥维赛发现了电离层的存在和它对短波的反射作用，从而开辟了短波波段和中波波段领域。这时，天线尺寸可以与波长相比拟，促进了天线的顺利发展。这一时期除抗衰落的塔式广播天线外，还设计出各种水平天线和各种天线阵，采用的典型天线有：偶极天线（见对称天线）、环形天线、长导线天线、同相水平天线、八木天线（见八木-宇田天线）、菱形天线和鱼骨形天线等。这些天线比初期的长波天线有较高的增益、较强的
13、方向性和较宽的频带，后来一直得到使用并经过不断改进。5/2/202416Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University线天线时期：线天线时期：19301930年之前年之前在这一时期，天线的理论工作也得到了发展。H.C.波克林顿在1897年建立了线天线的积分方程，证明了细线天线上的电流近似正弦分布。由于数学上的困难，他并未解出这一方程。后来E.海伦利用函数源来激励对称天线得到积分方程的解。同时，A.A.皮斯托尔哥尔斯提出了计算线天线阻抗的感应电动势法和二重性原理。R.W.P.金继海伦之后又对线天线作了大量理论研究和
14、计算工作。将对称天线作为边值问题并用分离变量法来求解的有S.A.谢昆穆诺夫、H.朱尔特、J.A.斯特拉顿和朱兰成等。5/2/202417Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University线天线时期线天线时期虽然早在1888年赫兹就首先使用了抛物柱面天线，但由于没有相应的振荡源，一直到30年代才随着微波电子管的出现陆续研制出各种面天线。这时已有类比于声学方法的喇叭天线、类比于光学方法的抛物反射面天线和透镜天线等。这些天线利用波的扩散、干涉、反射、折射和聚焦等原理获得窄波束和高增益。第二次世界大战期间出现了雷达，大大促进
15、了微波技术的发展。为了迅速捕捉目标，研制出了波束扫描天线，利用金属波导和介质波导研制出波导缝隙天线和介质棒天线以及由它们组成的天线阵。在面天线基本理论方面，建立了几何光学法，物理光学法和口径场法等理论。当时，由于战时的迫切需要，天线的理论还不够完善。天线的实验研究成了研制新型天线的重要手段，建立了测试条件和误差分析等概念，提出了现场测量和模型测量等方法。在面天线有较大发展的同时，线天线理论和技术也有所发展，如阵列天线的综合方法等。5/2/202418Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University面天线时期：面天线
16、时期：1930-19451930-1945微波中继通信、对流层散射通信、射电天文和电视广播等工程技术的天线设备有了很大发展，建立了大型反射面天线。这时出现了分析天线公差的统计理论，发展了天线阵列的综合理论等。1957年美国研制成第一部靶场精密跟踪雷达AN/FPS-16，随后各种单脉冲天线相继出现，同时频率扫描天线也付诸应用。在50年代，宽频带天线的研究有所突破，产生了非频变天线理论，出现了等角螺旋天线、对数周期天线等宽频带或超宽频带天线。5/2/202419Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University面天线时期
17、：面天线时期：1945-19591945-1959人造地球卫星和洲际导弹研制成功对天线提出了一系列新的课题，要求天线有高增益、高分辨率、圆极化、宽频带、快速扫描和精确跟踪等性能。从60年代到70年代初期，天线的发展空前迅速。一方面是大型地面站天线的修建和改进，包括卡塞格伦天线的出现，正副反射面的修正，波纹喇叭等高效率天线馈源和波束波导技术的应用等；另一方面，沉寂了将近30年的相控阵天线由于新型移相器和电子计算机的问世，以及多目标同时搜索与跟踪等要求的需要，而重新受到重视并获得了广泛应用和发展。5/2/202420Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE
18、Hefei Normal University5050年代年代-70-70年代年代无线电频道的拥挤和卫星通信的发展，反射面天线的频率复用、正交极化等问题和多波束天线开始受到重视；无线电技术向波长越来越短的毫米波、亚毫米波，以及光波方向发展，出现了介质波导、表面波和漏波天线等新型毫米波天线。此外，在阵列天线方面，由线阵发展到圆阵；由平面阵发展到共形阵；信号处理天线，自适应天线、合成孔径天线等技术也都进入了实用阶段。同时，由于电子对抗的需要，超低副瓣天线也有了很大的发展。由于高速大容量电子计算机的研制成功，60年代发展起来的矩量法和几何绕射理论在天线的理论计算和设计方面获得了应用。这两种方法解决了
19、过去不能解决或难以解决的大量天线问题。随着电路技术向集成化方向发展，微带天线引起了广泛的关注和研究，并在飞行器上获得了应用。同时，由于遥感技术和空间通信的需要，天线在有耗媒质或等离子体中的辐射特性及瞬时特性等问题也开始受到人们的重视。这一时期在天线结构和工艺上也取得了很大的进展，制成了直径为 100米、可全向转动的高精度保形射电望远镜天线，还研制成单元数接近 2万的大型相控阵和高度超过500米的天线塔。5/2/202421Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University7070年代以后年代以后5/2/2024Dep
20、t.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University22常见的天线形式常见的天线形式5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University23常见的天线形式常见的天线形式5/2/202424Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见的天线形式5/2/202425Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.
21、PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见的天线形式5/2/202426Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见的天线形式5/2/202427Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见的天线形式5/2/202428Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见
22、的天线形式5/2/202429Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见的天线形式5/2/202430Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见的天线形式5/2/202431Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见的天线形式5/2/202432Dept.PEE Hefei Normal
23、 UniversityDept.PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见的天线形式美国新墨西哥州的射电望远镜阵列是由27面直径25米的抛物面天线组成，甚大天线阵每个天线重230吨，架设在铁轨上，可以移动，所有天线呈Y型排列，每臂长21千米。该甚大天线阵隶属于美国国家射电天文台（NRAO），于1981年建成。5/2/202433Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见的天线形式5/2/202434Dept.PEE Hefei Normal University
24、Dept.PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见的天线形式5/2/202435Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University常见的天线形式常见的天线形式5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University361.2 1.2 天线辐射机理天线辐射机理 天线辐射是电磁场中辐射源产生的一种扰动。天线辐射是电磁场中辐射源产生的一种扰动。天线辐射是时变电流源产生，或者说是由作加速天线辐射是时变电流源
25、产生，或者说是由作加速运动的电荷所激发。运动的电荷所激发。取一细导线，则电流可以表示成随时间变化，电流公式又可写为 假如导线的长度为l,则5/2/202437Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University天线辐射天线辐射这个公式简单地说明要产生辐射就必须有一个时变的电流或者具有加速度的电荷。我们经常谈到的电流是在时谐状态下的，而电荷往往是讨论其瞬间的情况。为了使电荷产生加速度，必须使导线弯曲或者使其成V形，还可将其表面制成非连续型或使其具有终端。当在时谐条件下振荡时，电荷就会产生周期性的加速度，或者产生时变电流。
26、5/2/202438Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University天线辐射天线辐射时域，可以得到如下结论：1.假如没有电荷运动，就不可能产生电流，也不会有辐射。2.假如电荷在导线内作匀速运动：a.如果导线是笔直无限长的，就不会有辐射。b.如果导线被弯曲或制成V形，使其具有终点或将其截断，以及将其表面制成非连续型都将产生辐射。3.假如电荷在瞬时状态下振动，即便导线是笔直的也将产生辐射。5/2/202439Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal Un
27、iversity天线辐射天线辐射5/2/202440Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University辐射导线的结构辐射导线的结构5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University41天线工作原理天线工作原理5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University42天线工作原理天线工作原理5/2/2024Dept.PEE Hefei N
28、ormal UniversityDept.PEE Hefei Normal University43导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关；当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。天线工作原理天线工作原理5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University44天线工作原理天线工作原理5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE H
29、efei Normal University45天线工作原理天线工作原理5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University46天线工作原理天线工作原理天线的种类很多，按用途可将天线分为通信天线、广播电视天线、雷达天线等;按工作波长,可将天线分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等；按辐射元的类型可将天线分为两大类:线天线和面天线。所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成,主要用于长波、中波和短波波段;面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的,主要用于微波波段,超短波波段则两者兼用。
30、把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线、同轴线传输线、波导或微带线等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密,有时把天线和馈线系统看成是一个部件,统称为天线馈线系统,简称天馈系统。5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University471.3 1.3 天线概览天线概览研究天线问题,实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件,因此,求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件,但这往往十分繁杂,有时甚至是十分困
31、难的。在实际问题中,往往将条件理想化,进行一些近似处理,从而得到近似结果,这是天线工程中最常用的方法；在某些情况下,如果需要较精确的解,可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。本书尽可能地绕过繁杂的推导、计算,主要介绍天线的基本概念、基本理论及与现代 通信紧密相关的新技术及其应用。5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University48天线概览天线概览5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University49常见天线
32、类型常见天线类型 电小天线 谐振天线 宽带天线 口径天线5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University50常见天线类型常见天线类型5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University51主要电气参数主要电气参数5/2/2024Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University52主要电气参数主要电气参数电基本振子是线状天线的基本单
33、元,因此讨论电基本振子具有重要的实际意义。对电基本振子的分析,我们采用球坐标系。将电基本振子的中心放在坐标系原点。如下图所示所谓电基本振子是指一段载有高频电流的短导线,导线全长 l,导线直径d l ，线上的电流振幅是相等的，线上各点的电流相位亦认为是同相的。5/2/202453Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal University1.4 1.4 电基本振子电基本振子赫兹电偶极子、无穷小振子、电流元赫兹电偶极子、无穷小振子、电流元5/2/202454Dept.PEE Hefei Normal UniversityDept.PEE Hefei Normal UniversityIPzr电基本振子电基本振子利用矢量磁位A ，不难求得空间P点的场强。由于电流元的直径很小，可忽略，所以电流元上的电流可视为线电流，即设沿z轴方向
