天线基础知识(全)

《天线与电波传播》2/15/20201Dept.PEEHefeiNormalUniversity张忠祥2/15/20202Dept.PEEHefeiNormalUniversity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:ForAllApplications》1993年第一版主编：JohnD.Kraus出版社：theMcGraw-HillCompanies出版时间：2002《天线》编著：[美]JohnD.KrausRonaldJ.Marhefka出版社：电子工业出版社2004年4月第一版《RadioPropagationforModernWirelessSystems》编著：[美]JohnD.Kraus出版社：电子工业出版社RonaldJ.Marhefka2002年8月第一版天线与电波传播2/15/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity3第1章天线基础知识第2章窄带天线第3章宽带天线第4章口径天线第5章天线新技术第6章电波传播概论2/15/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity41.1天线概述什么是天线？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个换能器。高频电流高频电流发射机发射天线接收机接收天线Wave2/15/20205Dept.PEEHefeiNormalUniversity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。发射天线接收天线wave避免能量损耗防止干扰2/15/20206Dept.PEEHefeiNormalUniversity天线的作用2/15/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity7天线的方向性2/15/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity8天线的方向性2/15/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity9D=0.32λ,S=0.25λ,N=10天线的方向性2/15/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity10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3Hz30Hz300Hz3kHz30kHz300kHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz3THz30THz300THz105km104km103km102km10km1km100m10m1m10cm1cm1mm100µ10µ1µ（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。2/15/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity11无线电系统中的应用①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。②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。③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。④天线应有足够的工作频带。2/15/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity12天线功能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，这样就产生了电磁波。BEBEB如广播电台声电电磁波发射电视台声光电电磁波发射E2/15/202013Dept.PEEHefeiNormalUniversity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，根据方环端点之间空隙出现火花来指示收到了信号。2/15/202014Dept.PEEHefeiNormalUniversity最早的天线1909年马可尼获得诺贝尔物理学奖，后来享有“无线电之父”的美誉。1933年12月7日至12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：“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”。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。2/15/202015Dept.PEEHefeiNormalUniversity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、较强的方向性和较宽的频带，后来一直得到使用并经过不断改进。2/15/202016Dept.PEEHefeiNormalUniversity线天线时期：1930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δ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。2/15/202017Dept.PEEHefeiNormalUniversity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。2/15/202018Dept.PEEHefeiNormalUniversity面天线时期：1930-1945•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。2/15/202019Dept.PEEHefeiNormalUniversity面天线时期：1945-1959•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。2/15/202020Dept.PEEHefeiNormalUniversity50年代-70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。2/15/202021Dept.PEEHefeiNormalUniversity70年代以后2/15/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity22常见的天线形式2/15/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity23常见的天线形式2/15/202024Dept.PEEHefeiNormalUniversity常见的天线形式2/15/202025Dept.PEEHefeiNormalUniversity常见的天线形式2/15/202026Dept.PEEHefeiNormalUniversity常见的天线形式2/15/202027Dept.PEEHefeiNormalUniversity常见的天线形式2/15/202028Dept.PEEHefeiNormalUniversity常见的天线形式2/15/202029Dept.PEEHefeiNormalUnive