天线原理第0章 绪论

1、天线的概念

天线是无线系统的重要部件，它是现代信息社会的电子眼，顺风耳。

天线定义

天线是向空间辐射或是接收电磁波的器件

天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件（或换能器）

天线是电路与空间的界面器件

天线是将电子转变为光子，或反之的器件（光子为携带电磁波能量的量子单元）

天线的作用在于辐射和接收无线电波，然而能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用作天线，因为效率可能很低。要有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上应满足一定的要求。

2、天线发展概况

“Antenna”，天线一词首先作为动物、昆虫的“触角”，已被使用了万年之久，而在无线电系统中，仅应用一百多年。

应用方面

赫兹是无线电之父/天线之父，他于1886年（126年前）建立了第一个无线电/天线系统。如下图

赫兹创造的第一个无线电系统

赫兹创造的第一个无线电系统现在可以描述为：

终端加载的偶极子天线作为发射天线，半波长方环作为接收天线，工作波长为8m。电感线圈在缝隙处产生火花放电，放在数米处的接收天线的缝隙处也产生了火花。这就是首例无线电实现。

1901年马可尼成功实现横穿大西洋(英国-加拿大)的无线电通信。位于英国Poldhu的发射天线由50根斜拉导线组成，用悬挂于60米高的木塔间的钢索支撑，发射波长为1000m的信号。位于加拿大Newfoundland的接收天线是200米长的导线，由风筝牵引。由于“共和国号”和“泰坦尼克号”海难事件，其发明表现在海事上的价值使马可尼被奉若神明，享有“无线电之父”的美誉。因为在无线电问世前，船舶在海上是完全孤立的，即使是岸上或临近船舶上的人也无法给予提醒。

马可尼的方锥天线

自从赫兹和马可尼发明了天线以来，一百余年的发展使天线在社会生活中的重要性与日俱增，无处不在。

早期无线电的主要应用是长波远洋通信，因此天线的发展也主要集中在长波波段上。自1925年以后，中、短波无线电广播和通信开始实际应用，各种中、短波天线得到迅速发展。1940年前后，有关长、中、短波线状天线的理论基本成熟，主要的天线形式一直沿用至今。第二次世界大战中，雷达的应用促进了微波天线特别是反射面天线的发展。第二次世界大战以后的30多年是无线电电子学飞速发展的时代，微波中继通信、散射通信、电视广播的迅速发展，特别是20世纪50

年代后期，人类进入太空时代，对天线提出了许多新的要求，出现了许多新型天线。

如今，数以千计的通信卫星正负载着天线运行于近地轨道、中高度地球轨道和对地静止轨道。手持的全球定位卫星接收机能够为任何地面或空中的用户不分

昼夜晴雨地提供经度、纬度和高度的信息，其精确度达到厘米级。

北斗卫星系统

载有天线阵的探测器在地面系统的指挥下，已经访问了太阳系的行星背后。探测器用厘米波发回的照片和数据，其信号单程就经历了五个多小时。现有的射电望远镜天线工作于毫米到千米的波长，接收来自百亿光年之遥天体的信号。随着人类活动向太空扩展，对天线的需求也将增长到史无前例的程度。

天线为飞机和船舶提供比必不可少的通信联络。移动电话和所有类型的无线器材都借助天线为人们提供即时通信。天线是通信、雷达设备的主要功能型部件之一，通信、雷达设备的一系列战术技术性能都直接或间接地依赖着天线性能。

天线设计的主要问题是使天线满足更为苛刻的技术要求，超越原有的天线形式，满足新的系统要求，所以每一个天线的研制过程都是一个创新过程。

我国在设计软件，测量仪器设备、材料、工艺等方面落后于世界先进水平。

虽然各种各样的天线令人眼花缭乱，但它们都遵从相同的电磁场基本原理，

也就是我们这门课所要学习的天线原理。

用于深空探测的反射面天线

星载螺旋天线

用于雷达的波导裂缝天线阵

星载多波束天线阵

理论方面

随着天线应用的发展，天线理论也在不断发展。早期对线天线的计算方法是先根据传输线理论假设天线上的电流分布，然后由矢量位求其辐射场，由坡印廷矢量在空间积分求其辐射功率，从而求出辐射电阻。自20世纪30年代中期开始，为了较精确地求出天线上的电流分布及输入阻抗，很多人从边值问题的角度来研究典型的对称阵子天线，提出用积分方程法来求解天线上的电流分布。20世纪30年代以后，随着喇叭和抛物面天线的应用，发展了分析口径天线的各种方法，如等效原理、电磁场矢量积分方法等。

基本理论的讨论对于理解天线的工作原理是十分重要的，但天线问题是具有复杂边界条件的电磁场边值问题，难以得到严格解。20世纪70年代以后，随着电子计算机的普及，各种电磁场数值计算方法应运而生，这些方法成为分析各种复杂天线问题的有力工具。这些方法中包括矩量法、几何绕射法、平面波谱展开法等，以后又相继出现了有限元法、时域有限差分法等。

有名的天线分析与设计软件有如下几种：

Ansoft公司的HFSS软件,是基于有限元法为核心编写的。

CST软件，主体算法是时域有限积分法。

ANSYS公司的FEKO软件，是基于矩量法的。

Zland公司的IE3D软件，是基于矩量法的。

Zland公司的FIDELITY软件，是基于FDTD法的。

3、天线在无线工程中的作用

天线是这样一个部件，作发射时，它将电路中的高频电流或馈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。所以，天线的作用主要有四点：

（1）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地匹配。一副好的天线，就是一个好的能量转换器。

（2）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。

（3）应有适当的极化

即天线发射或接收的是规定极化的电磁波。例如一个垂直极化的天线，不能接收水平极化的来波，反之亦然；一个左旋圆极化的天线不能接收右旋圆极化的电磁波，反之亦然。一个圆极化的天线对线极化的来波将有一半能量损失。

（4）天线应有足够的频带宽度

任何天线都有一定的工作频带，在这个频带范围之外它的工作失效。

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。

4、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：可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。

（2）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。

（3）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：有行波天线、驻波天线。

（5）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：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：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。

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，简称面天线。此外还有介质天线。

另外，把天线和发射机或接收机连接起来的馈线系统也是无线电设备的必要组成部分，馈线的形式随频率不同而不同，可以是双线传输线、同轴线、波导、微带线等等。天线与馈线统称天馈设备。

5、天线的主要参数

天线方向图（波瓣图）：天线辐射场强或功率随方向变化的曲线图

天线方向图函数（波瓣图的数字表达式）

天线方向性系数D

天线增益G

天线的辐射立体角

天线效率

天线的极化

天线的输入阻抗

天线的电压驻波比VSWR或ρ天线的工作频带

参考文献

[1]《天线》，约翰·克劳斯著，章文勋译。电子工业出版社。

[2]《天线原理》，魏文元等，国防工业出版社，1985。

[3]《天线理论与技术》。卢万铮，西安电子科技大学出版社。

[4]《Antenna Theory Analysis and Design 》, C. A. Balanis, John Wiley & Sons Inc.