按外形分类，可分为线天线、面天线等
线天线：
天线的直径远小于其几何长度
可不考虑天线横截面上的电流分布
天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、 不同场合、不同要求等不同情况下使用。
偶极子天线
单极天线
环天线
螺旋天线
天线的辐射源
电流连续性方程：


J
t
结论：天线的辐射源——电流（位移电流）
2）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线， 可用下式估算其增益：
GdBi


10
lg

32000

E
H

3）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：
GdBi


10
lg
4.5


2D
0

式中， D 为抛物面直径； λ0 为中心工作波长。
4）对于直立全向天线，可用下式近似计算其增益：
0 Z0
ZA
IA
IA

0
Z0 ZA

Ele Z0 ZA
F ,
结论：1)接收天线的感应电流与来波方向有关 ——接收天线的方向性
2)天线用作发射和接收的方向性函数相等 ——收、发天线的互易性
1．接收功率和接收面积
当天线的最大接收方向对准来波方向，并且 接收机的输入阻抗与天线完全匹配时，天线向接 收机的输出功率最大。
GdBi


10
lg
2l
0

式中， l 为天线长度； λ0 为中心工作波长。
5. 天线效率
定义： 天线辐射功率与输入有功功率的比值，
称为天线的效率。
PA P Pn
Pn

1 2
I
2 m
Rn
P

1 2
I
2 m
R
P PA P P Pn R R Rn
00
通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方
向性系数，此时，F (1,1) 1
D
2
4
F 2 , sindd
00
2）已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向 性函数，求D
S1,1

1 2Z
E 2 1,1
SD P 4r 2
二、天线的特性参数
机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性 等
一次参数：方向性图，输入阻抗，效率
电特性参
数
二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度，
前后比，极化特性等
1．天线的辐射功率和辐射阻抗
辐射功率： 在单位时间内通过球面向外辐射的电磁能 量的平均值。
辐射电阻： 将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，并使 流过电阻的电流等于天线上的电流振幅，则该 电阻就称为天线的辐射电阻。
方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线 输入功率的G倍。
增益的单位： dBi：表示比较对象是各向均匀辐射的理想 点源； dBd：表示以半波对称振子为比较对象。
近似计算方法：
1）若已知天线在E面和H面的方向性图，则
G 27000 EH
E ,H : 在E面和H面上，以度为单位的波瓣宽度。
式称为天波。
沿地球 表面进 行传播 的电波 传播模 式称为 地表面 波。
在大气对流层中进行的 电波传播方式称为空间
波。
各种电波传播方式的主要特点
空间波：在传播过程中，电波会发生折射、反射、 散射等现象。在微波通信中采用视距传播。天线架 设在地面以上大于几个波长处。
地表面波：长波，中波一般采用这种传播方式。天 线直接架设在地面。
例：求半波对称振子的校正系数？
解：对于半波对称振子
le

K

20
log



6
当 f 150 MHz 时，K 10dB
第三部分 电波传播
电磁波在收、发天线之间的空间中传播
1．三种电波传播的基本方式及其特点
电波利用电离层的折射、反 射和散射作用进行传播的方
卫星通信
Earth Station Satellite Dish (Reflector Antenna)
TV Satellite Dish (Reflector Antenna)
广播电视天线
电路的辐射
电缆的辐射
天线的作用
高频电流
发射 接收
空间电磁波
收、发天线具有互易性
(Propagation)
前后比F / B 的计算： F / B = 10 Lg {（前向功率密度） /（ 后向功率密度）}
3. 天线的方向性系数
定义：
天线辐射功率一定，在任意方向 (1,1)
辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时的 平均功率密度之比。
D S (1,1) SD
物理意义： 由于天线有方向性，使某方向的辐射功
电磁场、天线与 电波传播
闻映红 北京交通大学电信学院
EMC研究室
学习天线与电波传播的意义
系统设计
收、发信设备指标 天线的性能 天线的架设方式
通信质量评定 不同通信业务之间相互干扰的预测和
解决
影响天线特性的因素
天线的形状 采用的材料 制作工艺 使用环境 用途
影响电波传播特性的因素
频率 距离 极化方式 天线高度 地形地物 地面电特性参数 时间、季节
第一部分 电磁场的基础理论
一、麦克斯韦方程组
描述了空间电场与磁场的关系
本构关系式（与媒质有关的特性方程）：

J E E'
麦克斯韦方程组的正弦稳态相量形式：


H J j E
位移电流：由于电位移的变化引起的真实的电的流动。

D
J d t
++++ ----
q
+
I
+


+
E
H
~
-
-
I
-
t
三、波动方程
四、平面电磁波
Ex
z Hy
平面电磁波的特性
平面电磁波的极化
第二部分 天线
一、天线的基本概念
移动通信
A 3G (WCDMA) handset Outdoor Base Station for 800 and 1900MHz CDMA cells.
主瓣宽度： 主瓣电平的最大值降到该值的0.707倍（即
-3dB）时，两个方向之间的张角宽度。
－3dB点
20.5
峰值
－3dB点
旁瓣电平：相对主瓣最大值的比值。
n Enmax Emax Fnmax( ,)
前后抑制比： 方向图中，前后瓣最大值之比称为前
后比，记为 F / B 。 前后比越大，天线的 后向辐射（或接收）越小。
等效天线实际为一电流元
7. 天线的极化方向
定义： 天线向周围空间辐射电磁波，电磁
波由电场和磁场构成。规定电场的方向 就是天线极化方向。
天线的垂直极化：电场垂直于入射面 天线的水平极化：电场平行于入射面
三、接收天线的特性
接收天线接收电磁波的过程
感应
电磁波
高频电流
注：只有电场沿天线导体表面的切向分量 才能感应出电流，垂直分量不能。
—— 反映了天线在不同方向的场分布。
归一化方向性图： 表示归一化方向性函数的空间立体图形。
通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤道 面/E面和H面）的平面图来表示。
CDMA天线
CDMA垂直极化定向天线
方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平
在方向性图中，一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣 中，最大辐射方向所在波瓣称为主瓣，其余波瓣称为旁瓣。
2．天线的方向性
天线的辐射场强与方向有关的特性，称为 天线的方向性。
以电流元为例：
E

j
60Il sin e jkr r
H

j
Il sin e jkr 2r
Er E Hr H 0

天线的方向性函数和方向性图
用于表示天线方向性特性的函数：f ( ,)
SG

PA
4r 2

P

4r 2

SD

G S1,1 S1,1 D
SG
SD
G D
GdB 10lg G
6. 天线的有效长度
定义： 用一等效天线代替被研究天线，此等效
天线上的电流是以被研究天线的输入电流振 幅均匀分布，并在最大辐射方向产生与被研 究天线相等的电场强度。则等效天线的长度 就称为被研究天线的有效长度。
D S1,1 E2 1,1 2r2
SD
ZP
当天线位于自由空间时，Z0 120 ；
在最大辐射方向上，
大多数简单 常规天线的 最大场强值
E(1,1)

Em a x
60Im r
fmax ,
又
P

1 2
I
2 m
R
D

60I m
2
f
2

f
m
2 ax

,



120 80
1.5
DdB 10lg1.5 1.76dB
4. 天线增益
定义：
在任意方向 (1,1) , 辐射功率密度与将相等的
输入功率均匀辐射时的平均功率密度之比，即 天线增益为：
G S (1,1) SG
SG PA 4r 2
物理意义： 为了在观察点有相等的辐射功率密度，