wave
接
避免能量损耗
收
发 射
天
防止干扰
线
天
线
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天线的方向性
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天线的方向性
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• 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。
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50年代-70年代
• 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。
• 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。
《天线与电波传播》
张忠祥
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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 2003年7月第一版
参考书： 《天线原理》
主 编：江贤祚
出版社：北京航空航天大学出版社 1993年第一版
《Antennas: For All Applications》
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1.1 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
最早的天线
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。
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线天线时期
• 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。
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天线的理论基础
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。
EE
E
B
如广播电台 电视台
B
声
电
声光
电
B
电磁波发射 电磁波发射
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主 编：John D. Kraus
出版社：the McGraw-Hill Companies 出版时间：2002
《天线》
编著：[美]John D.Kraus Ronald J. Marhefka
出版社：电子工业出版社 2004年4月 第一版
《Radio Propagation for Modern Wireless Systems》
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。
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天线功能
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。
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马可尼
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。
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天线的作用
• 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。
发射天线
Wave
接收天线
高频电流
发射机
高频电流
• 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。
线天线时期：1930年之前
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。
接收机
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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。
• 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。
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面天线时期：1945-1959
音频 基低频 低 频 中 频 高 频 甚高频 特高频 超高频 极高频
（VF)） （VLF） （LF） （MF） （HF） （VHF ） （UHF） （SHF） （EHF）
频段2 8
4
5
6
7
8
9
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11
12 13
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音频 视频
雷达频率 微波频率
红外
超长波 长波 中波 短波 超短波 分米波
（VLW） （LW） （MW） （SW） （VSW） （米波）
• 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。
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常见的天线形式
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70年代以后
• 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。