天線應用舉例（一文認識天線）

2023-07-25 19:37:27 2

天線定義：一種用來發射或接收電磁波的器件—將傳輸線中的高頻電流能量轉換為自由空間的電磁波，或將空間電磁波轉換成高頻電流能量。

No.1 天線的發展歷史

1887年，德國卡爾斯魯厄工學院的赫茲教授證實了電磁波的存在，並建立了第一個天線系統，當時的裝配設備如今可描述為工作在米波波長的完整無線電系統，其中採用了終端加載的偶極子作為發射天線，並採用了諧振方環作為接受系統。此外，赫茲還用拋物面反射天線做過實驗。

1901年12月，義大利博洛尼亞研究者馬可尼在赫茲的系統上添加了調諧電路，為較長波長配備了大的天線和接地系統，並在紐芬蘭的聖約翰斯接收到發自英格蘭波爾多的2.5km無線電報。在這些初期的研究上天線獲得廣泛的關注和應用，其發展大致可劃分為三個歷史階段。

1、線天線時期(19世紀末至20世紀30年代初)

1901年馬可尼在加拿大紐芬蘭收到的橫渡大西洋由英國康泛爾半島發來的「S」字母信開闢了無線電遠距離通信的新時代。其當時所用發射天線是從48m高的橫掛線斜拉下50根銅導線形成的扇形結構，可認為是第一副實用的單極天線，震蕩源是70Hz的火花發生器。隨後又利用4座木塔架設導線網構成方形單錐天線。

隨著20世紀初電子管的發明和發展，這一時期開頭利用長波進行通信，隨後發展到中波通信，並因電離層的發現，1924年前後開始了短波通信和遠程廣播。這一時期也建立了線天線的基本理論。

2、面天線時期(20世紀30年代初至50年代末)

二戰前夕，微波速調管和磁控管的發明，導致了微波雷達的出現，釐米波得以普及，無線電頻譜才得到更為充分的利用。這一時期廣泛採用了拋物面天線或其他形式的反射面天線，這些天線都是面天線或稱口徑天線。此外，還出現了波導縫隙天線、介質棒天線、螺旋天線等。戰後微波中繼通信、廣播和射電天文等應用使面天線和線天線技術進一步得到發展、提高。這時期建立了口徑天線和基本理論，如幾何光學、口徑場法等，發明了天線測試技術，開發了天線陣的綜合技術。

3、大發展時期(20世紀50年代至今)

1957年人造地球衛星上天標誌著人類進入了開發宇宙的新時代，也對天線提出了多方面的高要求，如高增益、精密跟蹤、快速掃面、寬頻帶、低旁瓣等。同時，電子計算機、微電子技術和現代材料的進展又為天線理論與技術的發展提供了必要的基礎。1957年，美國製成了用於精密跟蹤雷達AN/FPS-16的單脈衝天線，達0.1密位。1963年出現了高效率的雙模喇叭饋源，1966年發明了波紋喇叭，1968年製成了高功率相控陣雷達AN/FPS-85。1972年製成了第一批實用微帶天線，並作為火箭和飛彈的共形天線開始了應用。

近年來還出現了分形天線等小型化天線形式，另一重要進展時發展了天線的信號處理能力，理論上的進展是：創立了矩量法(MOM)，時域有限差分法(FDTD)和幾何繞射理論(GTD)等分析方法，並已形成商用軟體。在天線測量技術方面，發展了微波暗室和近場測量技術，研製了緊縮天線測試場和利用射電源的測試技術，並建立了自動化測試系統。

今天線技術已具有成熟科學的許多特徵，仍然是一個富有活力的技術領域。主要的發展方向是：多功能化(以一代多)、智能化(提供信息處理能力)，小型化、集成化及高性能化(寬頻帶、高增益、低旁瓣、低交叉極化等)。

No.2．天線的種類

無線通信系統的多樣性使得天線的類型也多種多樣。

用途分類：通信天線、廣播電視天線、雷達天線、導航天線和測向天線等；

工作波長分類：長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等；

特性分類：圓極化天線、線極化天線、窄頻帶天線

寬頻帶天線、非頻變天線和智能天線等；

結構分類：線天線和面天線。

1，對稱陣子 和螺旋天線

2，菱形天線

3，口徑天線

4，對數周期天線

5，微帶天線

5，陣列天線

6，反射面天線

7，透鏡天線

No.3 天線的基本參數

3.1 方向性函數

任何天線輻射的電磁波都不是均勻平面波，其輻射場都具有方向性。所謂的方向性函數，就是在相同距離的條件下天線的輻射場的相對值與空間方向的關係，一般用

來表示。

對於一個理想的點源，其輻射場是無方向性的，在相同距離處，任何方向場強大小均相等，歸一化方向性函數。

3.2 方向性圖

將方向性函數以曲線方式描繪出來，稱之為方向圖。它是描述天線輻射場在空間相對分布隨方向變化的圖形。通常指歸一化方向圖。

1. 方向圖分類

空間維數：三維立體方向圖、二維平面方向圖；

主截面：E面方向圖、H面方向圖；

坐標系：平面直角坐標系方向圖、極坐標系方向圖；

不同對象：功率方向圖、場強方向圖。

2. 立體方向圖

變化和得到的方向圖為立體方向圖，它綜合描述了天線在各個方向上的輻射情況。圖是基本電振子的歸一化立體方向圖。

3. E面、H面方向圖

E面—包含最大輻射方向的電場矢量所在的平面。用E面去截取立體方向圖，則得到E面方向圖。

H面—包含最大輻射方向的磁場矢量所在的平面。用H面去截取立體方向圖，則得到H面方向圖。

對於基本電振子，E面是包含z軸的任一平面，例如平面，此面上，方向函數為。而H面為平面，此面上，方向函數為。

3.3 方向圖參數

實際天線的方向圖比較複雜，通常有多個波瓣，包括主瓣（主波束）、多個副瓣（旁瓣）和後瓣（尾瓣），如圖所示。

1． 半功率波瓣寬度（Half-power Beamwidth）

半功率波瓣寬度又稱主瓣寬度或3dB波瓣寬度，是指主瓣最大值兩邊場強等於最大值的0.707倍（最大功率密度下降一半）的兩輻射方向之間的夾角，通常用

表示。

基本電振子的半功率波瓣寬度。

2． 零功率波瓣寬度（First Null Beamwidth）

主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角，通常用

表示。

3． 副瓣電平（Side Lobe Level）

副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般用分貝表示，即：

通常，最靠近主瓣的第一個副瓣是所有副瓣中最大的，為衡量輻射功率集中於主瓣的程度，引入第一副瓣電平（First Side LobeLevel）的概念，它是第一副瓣最大值與主瓣最大值之比。副瓣電平通常指第一副瓣電平。

4． 前後比

主瓣最大值與後瓣最大值之比，以分貝表示。

3.4 方向係數（Directivity）

在相同距離及相同輻射功率條件下，天線在最大輻射方向上的輻射功率密度與無方向性天線（點源）的輻射功率密度之比，稱為方向係數。一般用D表示，即：

Pr--天線的輻射功率

Pr0--無方向性天線的輻射功率

Emax--天線最大輻射方向上的電場強度

E0--無方向性天線的電場強度

3.5 天線效率

天線輻射功率與輸入功率之比稱為天線的效率，用表示，即：

如果考慮到饋線與天線失配引入的反射損耗，則天線的總效率應為：

3.6 增益（Gain）

在相同距離和相同輸入功率的條件下，天線在最大輻射方向上的輻射功率密度和理想無方向性天線的輻射功率密度之比，以G表示。

3.7 極化（Polarization）

天線的極化是天線在最大輻射方向上輻射場的極化，一般是指輻射電場的空間取向。

輻射場的極化是指在空間某一固定位置上電場矢量端點隨時間運動的軌跡。根據軌跡形狀不同，可分為線極化、圓極化和橢圓極化。

線極化：電場矢量沿著一條線做往復運動。線極化分為水平極化和垂直極化。

圓極化：電場矢量的大小不變，其末端做圓周運動。分為左旋圓極化和右旋圓極化。

橢圓極化：電場矢量大小隨時間變化，其末端運動的軌跡是橢圓。分為左旋橢圓極化和右旋橢圓極化。

圓極化方式判斷：拇指指向電磁波的傳播方向，四指指向電場的旋轉方向，符合右手定則稱為右旋（橢）圓極化，符合左手定則稱為左旋（橢）圓極化。

極化匹配問題：某種極化方式的天線，只能接收與其極化方式相同的電磁波，稱謂極化匹配。如水平線極化天線只能接收水平極化的電磁波，右旋極化的天線只能接收右旋極化電磁波。極化失配意味著功率損失，例如用線極化天線接收左旋或右旋圓極化波，用右旋或左旋圓極化天線接收線極化波，均有3dB的功率損耗。

主極化與交叉極化：在垂直於矢徑的平面（等相位面）上，可以將電場矢量分解為兩個相互正交的極化分量，與設計初衷一致的稱為主極化分量，相反的稱為交叉極化分量。主極化分量與交叉極化分量的比值，稱為極化隔離度，通常用dB表示。

一個線極化波可以分解成水平極化分量和垂直極化分量；橢圓極化波可以分解成兩個幅度不等、旋向相反的圓極化分量。極化隔離度充分大的前提下，同一頻率可正交復用，即利用兩個相互正交的極化，以實現收發之間的同頻隔離。

3.8 有效長度

定義：在保持實際天線最大輻射方向上的場強值不變的條件下，假設天線上的電流為均勻分布時天線的等效長度。

3.9 輸入阻抗（InputImpedance）

天線輸入端電壓與電流之比定義為天線的輸入阻抗，用天線輸入端電壓與電流之比定義為天線的輸入阻抗，用表示。即：

Zin --輸入電阻

Xin --輸入電抗

由於計算天線上的電流很困難，工程上常採用近似計算或實驗測定的方法確定天線的輸入阻抗。

3.10 輻射阻抗（RadiationResistance）

天線的輻射阻抗是一個假想的等效阻抗，與歸算電流密切相關，歸算電流不同，輻射阻抗的數值也不同。

3.11 頻帶寬度(Bandwidth)

定義：當工作頻率變化時，天線的相關電參數變化的程度在所允許的範圍內，此時對應的頻率範圍稱為頻帶寬度。

相對帶寬：

絕對帶寬：

根據帶寬的不同，天線可分為窄帶天線、寬帶天線和超寬帶天線。

4. 接收天線

接收天線是把空間電磁波能量轉換成高頻電流能量的轉換裝置，其工作過程是發射天線的逆過程。

4.1. 收發天線的互易性

任意類型的天線用作接收時，其極化、方向性、有效長度、增益和阻抗特性等均與它用作發射天線時的相同。這種同一天線收發參數相同的性質被稱為天線的收發互易性。

4.2. 最佳接收條件

（1）接收天線的最大方向對準來波方向；

（2）接收天線的極化與來波的極化匹配；

（3）接收天線的負載與自身的阻抗匹配。

4.3. 等效噪聲溫度

天線在接收無線電波的同時，也接收空間的噪聲信號，噪聲功率的大小用天線等效噪聲溫度TA來表示。