天线原理与设计(王建)1pdf版

天线原理与设计天线原理与设计教师：教师： 王建王建电子工程学院二系电子工程学院二系绪论绪论绪论绪论 0.1 0.1 0.1 0.1 天线在无线电工程中的作用天线在无线电工程中的作用天线在无线电工程中的作用天线在无线电工程中的作用 一切无线电设备都离不开天线。一切无线电设备都离不开天线。无线电通讯无线电通讯 无线电广播无线电广播 电视电视 雷达雷达导航导航制导制导无线电探测等系统无线电探测等系统天线的作用是：天线的作用是：作发射时，它将电路中的高频电作发射时，它将电路中的高频电 流或传输线上的导行波转换为某种极化的空间电磁流或传输线上的导行波转换为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 路中的高频电流或或传输线上的导行波。路中的高频电流或或传输线上的导行波。(1)(1)能量转换能量转换 (2)(2)定向辐射或接收定向辐射或接收 简言之：简言之：天线的功能主要有两点：天线的功能主要有两点： 无线电通讯线路中的辐射和接收天线示意：无线电通讯线路中的辐射和接收天线示意：发射系统等效电路：发射系统等效电路：天线等效电路中最主要的一个参数天线等效电路中最主要的一个参数辐射电阻辐射电阻R R R Rr r r r。 可以认为天线辐射的电磁波能量全部由可以认为天线辐射的电磁波能量全部由R R R Rr r r r吸收。吸收。发射天线空间辐射方向图。发射天线空间辐射方向图。 典型的空间三维方向图典型的空间三维方向图典型的二维方向图典型的二维方向图各种各样的方向图是由各种各样的天线实现的。各种各样的方向图是由各种各样的天线实现的。0.2 0.2 0.2 0.2 天线的分类天线的分类天线的分类天线的分类 按工作性质分类按工作性质分类 可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。 按用途分类按用途分类 有通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航有通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航 天线、测向天线等。天线、测向天线等。 按天线特性分类按天线特性分类 从方向性分从方向性分：有强方向性天线、弱方向性天线、定向：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。天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等。 从极化特性分从极化特性分：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极：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。化天线。线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线。 从频带特性分从频带特性分：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频 带天线。带天线。 按天线上电流分布分类按天线上电流分布分类 有行波天线、驻波天线。有行波天线、驻波天线。 按使用波段分类按使用波段分类 有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波 天线、微波天线和毫米波天线。天线、微波天线和毫米波天线。 按载体分按载体分 有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。 按天线外形分类按天线外形分类 有鞭状天线、有鞭状天线、T T形天线、形天线、形天线、形天线、V V形天线、菱形天形天线、菱形天 线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、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。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。面的共形阵列天线等。 为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下 几大类：几大类： (1) (1) (1) (1) 线天线线天线(Wire Antennas) (Wire Antennas) (Wire Antennas) (Wire Antennas) (1(1(1(16)6)6)6)章章(2) (2) (2) (2) 口径天线口径天线(Aperture Antennas) (Aperture Antennas) (Aperture Antennas) (Aperture Antennas) (8(8(8(810101010章章) ) ) )(3) (3) (3) (3) 阵列天线阵列天线(Array Antennas) (Array Antennas) (Array Antennas) (Array Antennas) (1(1(1(1章部分，章部分，5 5 5 5章章) ) ) )(4) (4) (4) (4) 透镜天线透镜天线(Lens Antennas) (Lens Antennas) (Lens Antennas) (Lens Antennas) (10(10(10(10章部分章部分) ) ) )(5) (5) (5) (5) 反射器天线反射器天线(Reflector Antennas) (Reflector Antennas) (Reflector Antennas) (Reflector Antennas) (11(11(11(1112121212章章) ) ) )(6) (6) (6) (6) 微带天线微带天线( ( ( (MicrostripMicrostripMicrostripMicrostrip Antennas) Antennas) Antennas) Antennas) (14(14(14(14章章) ) ) )0.3 0.3 0.3 0.3 天线的发展天线的发展天线的发展天线的发展 自自1886188618861886年德国物理学家年德国物理学家HertzHertzHertzHertz在实验室采用一在实验室采用一 个长度为半波长的偶极子传送一个电火花脉冲，个长度为半波长的偶极子传送一个电火花脉冲， 并在附近的谐振圆环内检测，证实了并在附近的谐振圆环内检测，证实了MaxwellMaxwellMaxwellMaxwell方方 程以来，天线的发展已经历了程以来，天线的发展已经历了120120120120多年的时间。多年的时间。 但是，天线一直在新技术的推动下发展着。但是，天线一直在新技术的推动下发展着。在在1940194019401940以前，天线的发展是在广播、电视和以前，天线的发展是在广播、电视和 通信技术的推动下发展的，那时候有关长波、中通信技术的推动下发展的，那时候有关长波、中 波和短波线形天线的理论大体上已经成熟。一些波和短波线形天线的理论大体上已经成熟。一些 主要天线形式直到现在还在使用。主要天线形式直到现在还在使用。在第二次世界大战期间，随着电子技术和雷在第二次世界大战期间，随着电子技术和雷 达技术的发展，超短波与微波天线得到了飞速的达技术的发展，超短波与微波天线得到了飞速的 发展。如喇叭天线、反射面天线、透镜天线、介发展。如喇叭天线、反射面天线、透镜天线、介 质棒天线、波导缝隙天线、阵列天线等。质棒天线、波导缝隙天线、阵列天线等。第二次世界大战之后，无线电技术的发展更第二次世界大战之后，无线电技术的发展更 加迅速，微波中继通信、散射通信、广播、电视加迅速，微波中继通信、散射通信、广播、电视 技术的发展对天线提出了许多新的要求。技术的发展对天线提出了许多新的要求。上世纪五十年代提出了非频变天线理论，相上世纪五十年代提出了非频变天线理论，相 继出现了对数周期、等角螺旋、阿基米德螺旋等继出现了对数周期、等角螺旋、阿基米德螺旋等 宽带天线。宽带天线。五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现 后，人类进入了宇宙空间时代，航空航天技术的后，人类进入了宇宙空间时代，航空航天技术的 发展对天线的研究又提出了许多新的课题，这时发展对天线的研究又提出了许多新的课题，这时 要求解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速要求解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速 扫描和精密跟踪等问题。扫描和精密跟踪等问题。六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这 个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用 方面都在突飞猛进的发展。方面都在突飞猛进的发展。 (1)(1)在天线理论方法方面在天线理论方法方面 几何绕射理论几何绕射理论 平面波谱展开法平面波谱展开法矩量法矩量法 有限元法有限元法 时域有限差分法时域有限差分法时域积分方程法时域积分方程法 天线近场测量理论天线近场测量理论阵列分析与综合理论阵列分析与综合理论这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础，这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础， 随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自动随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自动 化设计软件。化设计软件。 HFSSHFSSHFSSHFSS软件软件 CSTCSTCSTCST软件软件 IE3DIE3DIE3DIE3D软件软件 FIDELITYFIDELITYFIDELITYFIDELITY软件软件 FEKOFEKOFEKOFEKO软件软件(2)(2)在天线技术应用方面在天线技术应用方面 卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线 的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面 天线馈源。天线馈源。雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉 冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波 甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带 化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、 印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便 于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发 展，其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频展，其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频 谐振等。谐振等。有源天线的发展形成了现在非常先进的有源相控阵雷有源天线的发展形成了现在非常先进的有源相控阵雷 达天线。二维有源相控阵已装备在最先进的猛禽达天线。二维有源相控阵已装备在最先进的猛禽F22F22F22F22第四第四 代战机上。值得一提的是相控阵天线，因为相控阵雷达技代战机上。值得一提的是相控阵天线，因为相控阵雷达技 术含量最高，功能最强。术含量最高，功能最强。到了到了80808080年代，由于电子计算机和超大规模集年代，由于电子计算机和超大规模集 成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相 器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束 形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及形成