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可见，天线方向图是在远区球面上的场强分布。
●归一化方向图
f (θ ,ϕ ) F (θ ,ϕ ) = f (θ m ,ϕ m )
(0.3)
式中，(θm ,φm)为天线最大辐射方向；
f (θm ,φm)为方向图函数的最大值。
由归一化方向图函数绘制出的方向图称为归 一化方向图。由式(0.1)和(0.2)可以看出，天线远 区辐射电场和磁场的方向图函数是相同的，因 此，由方向图函数和归一化方向图函数表示的方 向图统称为天线的辐射场方向图。
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：
(1～6)章 (1) 线天线(Wire Antennas) —— ——(1
(8～10章) (2) 口径天线(Aperture Antennas) —— ——(8
(3) 阵列天线(Array Antennas) —(1章部分，5章)
(4) 透镜天线(Lens Antennas) —(10章部分)
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 方面都在突飞猛进的发展。
(1)在天线理论方法方面
■几何绕射理论 ■平面波谱展开法 ■时域有限差分法 ■天线近场测量理论 ■矩量法 ■有限元法 ■时域积分方程法 ■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， 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。
■ HFSS软件 ■ CST软件 ■ FEKO软件
■ IE3D软件 ■ FIDELITY软件
(2)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 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。 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。 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 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。 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 展，其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频 谐振等。
简言之：天线的功能主要有两点： (1)能量转换 (2)定向辐射或接收 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：
天线等效电路中最主要的一个参数——辐射电阻Rr。 可以认为天线辐射的电磁波能量全部由Rr吸收。
发射天线空间辐射方向图。
●典型的空间三维方向图
●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。
0.4 天线的基本参数
天线性能需要一套电气指标来衡量，这些电 气指标由天线的特性参数来描述。这些参数包括： ■方向图形状 ■主瓣宽度 ■ 副瓣电平 ■ 增益 ■ 极化 ■ 输入阻抗 ■工作频率和频带宽度 ■天线有效长度、有效面积 ■口径效率和波束效率等
0.4.1 天线的方向图
0.4.1.1 方向图函数及方向图 天线方向图是指天线辐射特性与空间坐标之 间的函数图形。大多情况下，天线方向图是在远 场区确定的，所以又叫做远场方向图。 天线辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相 位和极化。因此，天线方向图又分为： ■场强方向图 ■功率方向图 ■相位方向图 ■极化方向图
■辐射功率Pr 坡印亭矢量是功率密度矢量。取坡印亭矢量W 与一个面积元矢量ds的标积就是通过该面积元的 辐射功率dPr=W· ds ，沿包围天线的整个表面s的 积分就可得到天线的辐射总功率Pr。其公式为 1 * ˆ ds W s E H Pr = � ⋅ d = × ⋅n (0.6) ∫∫ s � ∫∫ s 2
(a)水平全向方向图
(b)笔形波束方向图
(c)余割ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方波束方向图
0.4.2 辐射功率和辐射强度
■坡印亭矢量W 描述功率与电磁场的关系往往采用坡印亭矢 量，其定义为
1 W = E × H* 2
式中，W为坡印亭矢量，单位为瓦/m2；
(0.5)
E为电场强度矢量，单位为V/m； H 为磁场强度矢量，单位为 A/m ，上标 ‘ * ’ 号表示取复数共轭。 式 (0.5) 说明坡印亭矢量是电场和磁场强度矢 量的叉积，乘上因子1/2后，该式表示为坡印亭矢 量的时间平均值。
天线原理与设计
教师： 王建 电子工程学院二系
绪论
0.1 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。 ▲无线电通讯 ▲无线电广播 ▲电视 ▲雷达 ▲导航 ▲制导
▲无线电探测等系统
天线的作用是：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 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 路中的高频电流或或传输线上的导行波。
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F22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 术含量最高，功能最强。
到了80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 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 智能化理论和技术的不断发展，使得80年代成为 国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制 了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国 也不例外，到1993年，我国的相控阵雷达不仅在 军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经 从军用扩展到了民用。
●天线方向图形式
{ 直角坐标方向图 {三维方向图 { 直角坐标方向图 球坐标方向图
二维方向图 ●绘制天线方向图的两个途径 ■由理论分析计算并绘制得到方向图; ●天线的方向图函数
极坐标方向图
幅度 分贝 幅度 分贝
■通过实验测得天线的方向图数据绘出方向图。 大多线极化天线的远区辐射电磁场一般可表示 为如下形式：
(5) 反射器天线(Reflector Antennas) —(11～12章)
(6) 微带天线(Microstrip Antennas) —(14章)
0.3 天线的发展
自1886年德国物理学家Hertz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， 并在附近的谐振圆环内检测，证实了Maxwell方 程以来，天线的发展已经历了120多年的时间。 但是，天线一直在新技术的推动下发展着。 在1940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 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。 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 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。
0.4.1.1 主瓣宽度
定义： 指方向图主瓣上两个半功率点 (或场强下降到 最大值的0.707倍处或分贝值从最大值下降 3dB处对 应的两点)之间的夹角。记为2θ0.5。 主瓣宽度又称为半功率波束宽度或 3dB波束宽度。 一般情况下，天线的E面和H面方向图的主瓣宽度不 等，可分别记为2θ0.5E和2θ0.5H 。 【例0.1】已知某天线的方向图函数为F(θ)＝sinθ， 求其主瓣宽度。 解：方向图最大值F(θm)＝1，其 方向角为θm=90o，见图。设方向 角为θ1时，F(θ1)=sinθ1=0.707， 得θ1=45o。 所以 θ0.5=θm- θ1=45o。 主瓣宽度为：2θ0.5=90o 。
按天线上电流分布分类
有行波天线、驻波天线。
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 天线、微波天线和毫米波天线。
按载体分
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
有鞭状天线、T形天线、Γ形天线、V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、 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 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。
链接
0.4.1.3 副瓣电平
定义：指副瓣最大值模值与主瓣最大值模值之比， 通常用分贝表示。即
| Ei max | SLLi = 20log | Emax |
(0.4)
链接
式中，Eimax为第i个副瓣的场强最大值， Emax为主瓣 最大值。这样，对于各个副瓣均可求得其副瓣电平 值。如前面图中的SLL1、SLL2 、SLL3和SLL4 。在工 程实际中，副瓣电平是指所有副瓣中最大的那一个 副瓣的电平，记为SLL。一般情况下，紧靠主瓣的 第一副瓣的电平值最高。 副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。 因此，天线副瓣电平愈低，表明天线在不需要方向 上辐射或接收的能量愈弱，或者说在这些方向上对 杂散的来波抑制能力愈强，抗干扰能力就愈强。
E面：指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。 H面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。
E面
H
面
H面
E面
表0-1 上图所示的八木天线和角锥喇叭天线的E面和H面 及其方向图函数表示
■ 七元八木天线的H面方向图
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(a) 极坐标幅度方向图
(b) 直角坐标幅度方向图
(a) 极坐标分贝方向图
不同用途要求天线有不同的方向图。例如，广 播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在 水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定的 方向性以提高天线增益，见下图(a)； 对微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星 接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图，见 下图(b)； 对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图 为扇形波束，见下图(c)。
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 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 继出现了对数周期、等角螺旋、阿基米德螺旋等 宽带天线。 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 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 扫描和精密跟踪等问题。