天線理論與工程內容簡介

本書主要包括天線理論與技術及相關技術方面的內容。第1章介紹了電磁波輻射的基本原理和天線的基本概念和知識；第2章至第5章介紹了常用的天線形式，包括振子天線、微帶天線和螺旋天線，也包含了天線陣列分析和綜合方面的內容；第6章給出了幾個天線設計的實例，可以作為教學案例進行實踐練習；第7章介紹了天線測量方面的知識；第8章介紹了天線罩方面的知識。

目 錄

第1章 天線理論基礎 1

1.1 電磁輻射問題的解 1

1.1.1 Maxwell方程組及波動方程 1

1.1.2 輻射積分 2

1.2 輻射機理 7

1.2.1 運動點電荷的場 7

1.2.2 細線電流模型 13

1.2.3 輻射的產生 14

1.3 基本輻射元 16

1.3.1 電偶極子 16

1.3.2 磁偶極子（小環(huán)） 18

1.3.3 惠更斯元 20

1.4 天線的性能參數 20

1.4.1 天線的電路特性與能量傳輸 21

1.4.2 天線的空間場特性 23

1.4.3 天線的互阻抗與收發(fā)互易性 31

1.4.4 Friis傳輸方程和雷達方程 34

1.5 天線的匹配與平衡 35

1.5.1 阻抗匹配 36

1.5.2 平衡饋電 37

1.6 天線的分析方法 38

第2章 振子天線 40

2.1 振子 40

2.2 八木天線 43

2.3 角反射器天線 49

2.4 地面上的天線（含理想導電和非完純導電） 55

第3章 微帶天線 64

3.1 微帶天線概述 64

3.2 微帶天線分析方法 65

3.3 微帶天線寬帶技術 70

3.4 微帶天線圓極化技術 81

3.4.1 一點饋電單片圓極化微帶天線 82

3.4.2 圓極化微帶天線寬角軸比改進的方法 89

3.5 微帶天線表面波抑制 93

第4章 螺旋天線 96

4.1 圓柱螺旋天線 96

4.1.1 螺旋的幾何表示 96

4.1.2 軸向模波瓣圖和波沿單繞螺旋的傳播相速 97

4.1.3 單繞軸向模單圈方螺旋的波瓣圖 103

4.1.4 單繞螺旋的完整軸向模波瓣圖 104

4.1.5 單繞軸向模螺旋天線的軸比和圓極化條件 106

4.1.6 單繞螺旋天線軸向模輻射的寬頻帶特性 109

4.1.7 波瓣圖、頻帶寬度、增益、阻抗和軸比公式列表 110

4.1.8 單繞軸向模螺旋天線的實際設計考慮 111

4.2 平面螺旋天線 116

4.2.1 非頻變天線基本原理 116

4.2.2 非頻變的數學基礎 118

4.2.3 螺旋天線 119

4.2.4 螺旋模式 123

4.2.5 平面螺旋天線的饋電 126

4.2.6 平面螺旋天線的支撐技術 127

4.2.7 螺旋臂終端的處理 129

4.2.8 波束形成 130

第5章 天線陣列分析與綜合 132

5.1 天線陣列的分析 132

5.1.1 線陣的陣因子 132

5.1.2 均勻激勵的等間距線陣 137

5.2 綜合問題 142

5.2.1 線源波束賦形的綜合方法 144

5.2.2 線陣波束賦形的綜合法 148

5.2.3 低旁瓣、窄主瓣方法 152

第6章 天線應用實例 162

6.1 螺旋天線 162

6.1.1 應用背景 162

6.1.2 設計過程 162

6.2 微帶天線 174

6.2.1 應用背景 174

6.2.2 設計過程 174

6.2.3 天線陣列的設計 180

6.3 縫隙天線 186

6.3.1 應用背景 186

6.3.2 縫隙天線原理 186

6.3.3 天線的仿真 192

本 章 附 錄 196

第7章 天線測量 199

7.1 概述 199

7.2 測試場 200

7.2.1 天線測試場的一般要求 200

7.2.2 反射測試場 201

7.2.3 自由空間測試場 203

7.2.4 緊縮場 207

7.2.5 近場測試場 210

7.2.6 各種天線測試場比較 212

7.3 主要參量測量 213

7.3.1 方向圖測量 213

7.3.2 天線增益測量 216

7.3.3 天線極化測量 220

7.4 典型測量系統(tǒng) 221

第8章 天線罩 224

8.1 天線罩的基本概念 224

8.1.1 什么是天線罩 224

8.1.2 天線罩的分類 225

8.1.3 天線罩對天線電氣性能的影響 226

8.1.4 天線罩的性能要求 227

8.2 罩壁傳輸特性 229

8.2.1 通用計算公式 229

8.2.2 單層結構傳輸特性 231

8.2.3 A型夾層傳輸特性 232

8.2.4 多層夾層傳輸特性 233

8.2.5 B型夾層傳輸特性 233

8.2.6 內含金屬物介質層傳輸特性 233

8.2.7 空間骨架結構傳輸特性 234

8.3 天線罩電氣特性分析方法 234

8.3.1 天線罩分析方法發(fā)展歷程 234

8.3.2 高頻分析方法 235

8.3.3 全波分析方法 237

8.3.4 高低頻混合方法 239

8.3.5 各種分析方法適用范圍 240

8.4 天線罩電氣分析實例——幾何光學法 241

8.4.1 引言 241

8.4.2 計算原理 242

8.4.3 罩體曲面形狀的描述 243

8.4.4 電磁射線與罩壁的交點 244

8.4.5 入射波的入射角 245

8.4.6 入射波的極化角 246

8.4.7 透射場計算 246

8.4.8 加罩前后方向圖計算 248

8.4.9 天線罩電氣性能計算 249

8.5 天線罩電氣測量技術 252

8.5.1 天線罩材料特性測量 252

8.5.2 罩壁傳輸特性測量 254

8.5.3 整罩性能測量 257

參考文獻 260

移動通信常用的基站天線、直放站天線與室內天線。

天線15.1 板狀天線

無論是GSM 還是CDMA， 板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用壽命長。

板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線，根據作用扇形區(qū)的范圍大小，應選擇相應的天線型號。

天線15.2 天線指標

頻率范圍： 824-960 MHz

頻帶寬度： 70MHz

增益： 14 ~ 17 dBi

極化： 垂直

標稱阻抗： 50 Ohm

電壓駐波比≤ 1.4

前后比 >25dB

天線15.3 板狀天線

1. 采用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣

2. 在直線陣的一側加一塊反射板 （以帶反射板的二半波振子垂直陣為例）

增益為 G = 11 ~ 14 dBi

1. 為提高板狀天線的增益，還可以進一步采用八個半波振子排陣

前面已指出，四個半波振子排成一個垂直放置的直線陣的增益約為 8 dBi；一側加有一個反射板的四元式直線陣，即常規(guī)板狀天線，其增益約為 14 ~ 17 dBi。

一側加有一個反射板的八元式直線陣，即加長型板狀天線，其增益約為 16 ~ 19 dBi。 不言而喻，加長型板狀天線的長度，為常規(guī)板狀天線的一倍，達 2.4 m 左右。

天線15.4 高增益柵狀

從性能價格比出發(fā)，人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由于拋物面具有良好的聚焦作用，所以拋物面天線集射能力強，直徑為 1.5 m 的柵狀拋物面天線，在900兆頻段，其增益即可達 G = 20dBi。它特別適用于點對點的通信，例如它常常被選用為直放站的施主天線。

拋物面采用柵狀結構，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風的阻力。

拋物面天線一般都能給出 不低于 30 dB 的前后比 ，這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對接收天線所提出的必須滿足的技術指標。

天線15.5 八木定向天線

八木定向天線，具有增益較高、結構輕巧、架設方便、價格便宜等優(yōu)點。因此，它特別適用于點對點的通信，例如它是室內分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。

八木定向天線的單元數越多，其增益越高，通常采用 6 - 12 單元的八木定向天線，其增益可達 10-15dBi。

天線15.6 室內吸頂天線

室內吸頂天線必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點?，F(xiàn)今市場上見到的室內吸頂天線，外形花色很多，但其內芯的構造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線的內部結構，雖然尺寸很小，但由于是在天線寬帶理論的基礎上，借助計算機的輔助設計，以及使用網絡分析儀進行調試，所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內的駐波比要求，按照國家標準，在很寬的頻帶內工作的天線其駐波比指標為VSWR ≤ 2 。當然，能達到VSWR ≤ 1.5 更好。順便指出，室內吸頂天線屬于低增益天線, 一般為G = 2 dBi。

天線15.7 環(huán)形天線

環(huán)形天線和人體非常相似， 有普通的單極或多級 天線功能。再加上小型環(huán)形天線的體積小、高可靠性

和低成本，使其成為微小型通信產品的理想天線。典型的環(huán)形天線由電路板上的銅走線組成的電回路構成，也可能是一段制作成環(huán)形的導線。其等效電路相當于兩個串連電阻與一個電感的串連( 如圖1 所示) 。Rrad 是環(huán)形天線實際發(fā)射能量的電阻模型，它消耗的功率就是電路的發(fā)射功率。

假設流過天線回路的電流為I，那么Rrad 的消耗功率，即RF 功率為Pradiate=I2·Rrad。電阻Rloss 是環(huán)形天線因發(fā)熱而消耗能量的電阻模型，它消耗的功率是一種不可避免的能量損耗，其大小為Ploss=I2·Rloss。如果Rloss>Rrad，那么損耗的功率比實際發(fā)射的功率大，因此這個天線是低效的。天線消耗的功率就是發(fā)射功率和損耗功率之和。實際上，環(huán)形天線的設計幾乎無法控制Ploss 和Prad，因為Ploss 是由制作天線的導體的導電能力和導線的大小決定的，而Prad 是由天線所圍成的面積大小決定的。

天線15.8 室內壁掛天線

室內壁掛天線同樣必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點。

現(xiàn)今市場上見到的室內壁掛天線，外形花色很多，但其內芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內部結構，屬于空氣介質型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結構，借助計算機的輔助設計，以及使用網絡分析儀進行調試，所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出，室內壁掛天線具有一定的增益，約為G = 7 dBi。

影響天線性能的臨界參數有很多，通常在天線設計過程中可以進行調整，如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和帶寬等。另外，發(fā)射天線還有最大額定功率，而接收天線則有噪聲抑制參數。

天線14.1 諧振頻率

“諧振頻率”和“電諧振”與天線的電長度相關。電長度通常是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數（尤其是輻射方向圖和阻抗）隨頻率而變，所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數的中心頻率相近。

天線可以在與目標波長成分數關系的長度所對應的頻率下諧振。一些天線設計有多個諧振頻率，另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬帶天線是對數周期天線，但它的增益相對于窄帶天線則要小很多。

天線14.2 增益

“增益”指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比取對數。如果參考天線是全向天線，增益的單位為dBi。比如，偶極子天線的增益為2.14dBi 。偶極子天線也常用作參考天線（這是由于完美全向參考天線無法制造），這種情況下天線的增益以dBd為單位。

天線增益是無源現(xiàn)象，天線并不增加激勵，而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正，由于天線的能量守恒，它在其他方向上的增益則為負。因此，天線所能達到的增益要在天線的覆蓋范圍和它的增益之間達到平衡。比如，航天器上碟形天線的增益很大，但覆蓋范圍卻很窄，所以它必須精確地指向地球；而廣播發(fā)射天線由于需要向各個方向輻射，它的增益就很小。

碟形天線的增益與孔徑（反射區(qū)）、天線反射面表面精度，以及發(fā)射/接收的頻率成正比。通常來講，孔徑越大增益越大，頻率越高增益也越大，但在較高頻率下表面精度的誤差會導致增益的極大降低。

“孔徑”和“輻射方向圖”與增益緊密相關?？讖绞侵冈谧罡咴鲆娣较蛏系摹安ㄊ苯孛嫘螤睿嵌S的（有時孔徑表示為近似于該截面的圓的半徑或該波束圓錐所呈的角）。輻射方向圖則是表示增益的三維圖，但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。高增益天線輻射方向圖常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷達等系統(tǒng)需要判定信號方向的時候，會影響天線質量，由于功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。

增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高?？梢赃@樣來理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點處產生一定大小的信號，如果用理想的無方向性點源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需 100 / 20 = 5W 。換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數。

半波對稱振子的增益為G=2.15dBi。

4個半波對稱振子沿垂線上下排列，構成一個垂直四元陣，其增益約為G=8.15dBi ( dBi這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源)。

如果以半波對稱振子作比較對象，其增益的單位是dBd。

半波對稱振子的增益為G=0dBd（因為是自己跟自己比，比值為1，取對數得零值。）垂直四元陣，其增益約為G=8.15–2.15=6dBd。

增益特性：

⑴天線是無源器件，不能產生能量，天線增益只是將能量有效集中向某特定的方向輻射或接收電磁波能力。

⑵天線增益由振子疊加而產生，增益越高，天線長度越長。

⑶天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

天線14.3 帶寬

天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍，通常以其諧振頻率為中心。天線帶寬可以通過以下多種技術增大，如使用較粗的金屬線，使用金屬“網籠”來近似更粗的金屬線，尖端變細的天線元件（如饋電喇叭中），以及多天線集成的單一部件，使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便，但在帶寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。

天線14.4 阻抗

“阻抗”類似于光學中的折射率。電波穿行于天線系統(tǒng)不同部分（電臺、饋線、天線、自由空間）是會遇到阻抗差異。在每個接口處，取決于阻抗匹配，電波的部分能量會反射回源，在饋線上形成一定的駐波。此時電波最大能量與最小能量比值可以測出，稱之為駐波比（SWR）。駐波比為1:1是理想情況。1.5:1的駐波比在能耗較為關鍵的低能應用上被視為臨界值。而高達6:1的駐波比也可出現(xiàn)在相應的設備中。極小化各處接口的阻抗差（阻抗匹配）將減小駐波比并極大化天線系統(tǒng)各部分之間的能量傳輸。

天線的復阻抗涉及該天線工作時的電長度。通過調節(jié)饋線的阻抗，即將饋線當作阻抗變換器，天線的阻抗可以和饋線和電臺相匹配。更為常見的是使用天線調諧器、巴倫、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網絡，或者如伽馬匹配的匹配段。

天線14.5 輻射方向圖

半波雙極子天線（同上）增益（dBi）輻射方向圖是天線發(fā)射或接受相對場強度的圖形描述。由于天線向三維空間輻射，需要數個圖形來描述。如果天線輻射相對某軸對稱（如雙極子天線、螺旋天線和某些拋物面天線），則只需一張方向圖。

不同的天線供應商/使用者對于方向圖有著不同的標準和制圖格式。

天線14.6 特性阻抗

無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Z0 表示。同軸電纜的特性阻抗的計算公式為

Z。=〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 歐]。

式中，D 為同軸電纜外導體銅網內徑； d 為同軸電纜芯線外徑；

εr為導體間絕緣介質的相對介電常數。

通常Z0 = 50 歐 ，也有Z0 = 75 歐的。

由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導體直徑D和d以及導體間介質的介電常數εr有關，而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗無關。

天線14.7 衰減系數

信號在饋線里傳輸，除有導體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應合理布局盡量縮短饋線長度。

單位長度產生的損耗的大小用衰減系數 β 表示，其單位為 dB / m （分貝/米），電纜技術說明書上的單位大都用 dB / 100 m（分貝/百米） .

設輸入到饋線的功率為P1 ，從長度為 L（m ）的饋線輸出的功率為P2 ，傳輸損耗TL可表示為：

TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB )

衰減系數為

β = TL / L ( dB / m )

例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜， 900MHz 時衰減系數為 β= 4.1 dB / 100 m ，也可寫成 β=3 dB / 73 m ， 也就是說， 頻率為 900MHz 的信號功率，每經過 73 m 長的這種電纜時，功率要少一半。

而普通的非低耗電纜，例如， SYV-9-50-1， 900MHz 時衰減系數為 β = 20.1 dB / 100 m ，也可寫成β=3dB / 15 m ，也就是說， 頻率為 900MHz 的信號功率，每經過15 m 長的這種電纜時，功率就要少一半。

天線14.8 輸入阻抗

定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ，即 Zin = Rin j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上，即使是設計、調試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。

輸入阻抗與天線的結構、尺寸以及工作波長有關，半波對稱振子是最重要的基本天線 ，其輸入阻抗為 Zin = 73.1 j42.5 (歐) 。當把其長度縮短（3～5）%時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,（標稱 75 歐） 。注意，嚴格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。

順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍，即 Zin = 280 (歐) ,（標稱300歐）。

有趣的是，對于任一天線，人們總可通過天線阻抗調試，在要求的工作頻率范圍內，使輸入阻抗的虛部很小且實部相當接近 50 歐，從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的。

天線14.9 工作頻率

無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義：

一種是指：在駐波比SWR ≤ 1.5 條件下，天線的工作頻帶寬度；

一種是指：天線增益下降 3 分貝范圍內的頻帶寬度。

在移動通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR 不超過 1.5 時，天線的工作頻率范圍。

一般說來，在工作頻帶寬度內的各個頻率點上, 天線性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。

內容簡介

本書主要講述天線工程設計的基本理論和設計方法。

全書共分10章：

第1章簡要介紹了天線的基本原理、概念和表征天線性能的技術參數；

第2章重點對電磁仿真算法進行了分析，對基于矩量法、有限元法和有限積分法的幾種仿真軟件進行了介紹；

第3章講述了無線通信系統(tǒng)中常用線天線的設計及仿真問題;

第4章介紹在天線工程設計中有著重要用途的寬頻帶天線，包括加載鞭天線、對數周期天線、錐削槽天線等；

第5章簡要介紹微帶天線的理論及設計實例；

第6章講述陣列天線問題，包括直線陣列天線、平面陣列天線、相控陣天線及設計實例；

第7章對用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的圓極化天線設計進行了分析；

第8章討論了口徑天線的基本概念和相應的設計問題；

第9章綜述天線測量的基本知識；

第10章對天線的新技術發(fā)展進行了介紹。

本書內容偏重工程設計，可以為天線設計人員提供各種常用類型天線的設計思路和方法，也能夠為他們的科研實踐提供幫助。

本書適合作為電磁場和微波技術相關專業(yè)的教材，也可作為專業(yè)技術人員的參考資料。