天线理论 - 快速指南

---

---

天线理论 - 基础知识

需要表达思想、观点或疑问的人，可以通过语音通信来实现。

下图显示了两个人互相交流。在这里，通信通过声波进行。但是，如果两个人相距较远，则必须将这些声波转换成电磁波。将所需信息信号转换成电磁波的设备称为天线。

什么是天线？

天线是一种换能器，它将电能转换为电磁波，反之亦然。

天线可以用作发射天线或接收天线。

• 发射天线将电信号转换成电磁波并辐射出去。

• 接收天线将接收到的电磁波转换成电信号。

• 在双向通信中，可以使用同一根天线进行发射和接收。

天线也可以称为天线（Aerial）。其复数形式是天线（antennae）或天线（antennas）。如今，天线根据其尺寸和形状进行了许多改进。根据其各种应用，存在许多不同类型的天线。

以下图片是不同类型天线的示例。

在本章中，您将学习天线的基本概念、规格和不同类型的天线。

天线的需求

在通信系统领域，只要需要无线通信，就需要天线。天线能够发送或接收电磁波进行通信，在无法铺设线路系统的地方，天线是必不可少的。以下场景对此进行了说明。

场景

为了联系偏远地区，必须沿着整个路线铺设线路，穿过山谷、山脉、崎岖的小路、隧道等，才能到达偏远地区。无线技术的兴起使整个过程变得非常简单。天线是这项无线技术的关键要素。

在上图中，天线帮助在整个区域建立通信，包括山谷和山脉。这个过程显然比在整个区域铺设线路系统更容易。

辐射机制

天线的唯一功能是功率辐射或接收。天线（无论是发射、接收还是两者兼备）都可以通过传输线连接到基站的电路。天线的功能取决于传输线的辐射机制。

旨在以最小损耗传输大距离电流的导体称为传输线。例如，连接到天线的导线。以均匀速度传导电流且长度无限的直线传输线不会辐射功率。

为了使传输线成为波导或辐射功率，必须对其进行相应的处理。

• 如果需要辐射功率，即使电流传导速度均匀，导线或传输线也应该弯曲、截断或终端。

• 如果该传输线具有随时间变化的常数而加速或减速的电流，则即使导线是直的，它也会辐射功率。

• 如果弯曲或终端的装置或管子辐射能量，则称为波导。这些尤其用于微波传输或接收。

通过观察下图可以很好地理解这一点：

上图表示一个充当天线的波导。来自传输线的功率通过具有孔径的波导传播，以辐射能量。

天线的基本类型

天线可以根据以下方面分为多种类型：

• 天线的物理结构。

• 工作频率范围。

• 应用模式等。

物理结构

以下是根据物理结构分类的天线类型。您将在后面的章节中了解这些天线。

• 线天线
• 孔径天线
• 反射天线
• 透镜天线
• 微带天线
• 阵列天线

工作频率

以下是根据工作频率分类的天线类型。

• 甚低频 (VLF)
• 低频 (LF)
• 中频 (MF)
• 高频 (HF)
• 甚高频 (VHF)
• 超高频 (UHF)
• 特高频 (SHF)
• 微波
• 无线电波

应用模式

以下是根据应用模式分类的天线类型：

• 点对点通信
• 广播应用
• 雷达通信
• 卫星通信

天线理论 - 基本参数

本章讨论了基本的通信参数，以便更好地了解使用天线的无线通信。无线通信以波的形式进行。因此，我们需要了解通信中波的特性。

在本章中，我们将讨论以下参数：

• 频率
• 波长
• 阻抗匹配
• 驻波比和反射功率
• 带宽
• 百分比带宽
• 辐射强度

现在，让我们详细了解它们。

频率

根据标准定义，“在特定时间段内波的重复率称为频率”。

简单来说，频率指的是事件发生的频率。周期波每T秒（周期）重复一次。周期波的频率只是周期的倒数 (T)。

数学表达式

数学上，它写成如下所示。

$$f = \frac{1}{T}$$

其中

• f 是周期波的频率。

• T 是波重复的周期。

单位

频率的单位是赫兹，缩写为Hz。

上图表示正弦波，这里绘制的是毫伏电压对毫秒时间的曲线。该波每 2t 毫秒重复一次。因此，周期 T=2t 毫秒，频率 $f = \frac{1}{2T}KHz$

波长

根据标准定义，“两个连续最大点（波峰）之间或两个连续最小点（波谷）之间的距离称为波长”。

简单来说，两个相邻正峰或两个相邻负峰之间的距离就是该波的长度。它可以称为波长。

下图显示了一个周期性波形。图中表示了波长 (λ) 和振幅。频率越高，波长越短，反之亦然。

数学表达式

波长的公式是：

$$\lambda = \frac{c}{f}$$

其中

• λ 是波长

• c 是光速（$3 * 10^{8}$ 米/秒）

• f 是频率

单位

波长λ以长度单位表示，例如米、英尺或英寸。常用的单位是米。

阻抗匹配

根据标准定义，“当发射机的阻抗近似值等于接收机的阻抗近似值，反之亦然时，这称为阻抗匹配”。

天线和电路之间需要进行阻抗匹配。天线、传输线和电路的阻抗应匹配，以便在天线和接收器或发射器之间实现最大功率传输。

匹配的必要性

谐振器是在一定窄带频率下提供更好输出的器件。天线就是这样一种谐振器，如果其阻抗匹配，则会提供更好的输出。

• 如果天线阻抗与自由空间阻抗匹配，则天线辐射的功率将得到有效辐射。

• 对于接收天线，天线的输出阻抗应与接收器放大器电路的输入阻抗匹配。

• 对于发射天线，天线的输入阻抗应与发射器放大器的输出阻抗以及传输线的阻抗匹配。

单位

阻抗 (Z) 的单位是欧姆。

驻波比 (VSWR) & 反射功率

根据标准定义，“驻波中的最大电压与最小电压之比称为电压驻波比。”

如果天线、传输线和电路的阻抗不匹配，则功率将不能有效辐射。相反，部分功率将反射回。

主要特征如下：

• 表示阻抗不匹配的术语是VSWR。

• VSWR代表电压驻波比 (Voltage Standing Wave Ratio)。它也称为SWR。

• 阻抗失配越大，VSWR的值越高。

• 为了有效辐射，VSWR的理想值为1:1。

• 反射功率是前向功率中浪费的功率。反射功率和VSWR都表示相同的事物。

带宽

根据标准定义，“在波长中，为特定通信指定的频率范围称为带宽。”

信号在传输或接收时，是在一定频率范围内进行的。这个特定的频率范围分配给特定的信号，以便其他信号不会干扰其传输。

• 带宽是指信号传输的较高频率和较低频率之间的频率范围。

• 一旦分配了带宽，其他人就不能使用。

• 整个频谱被划分为不同的带宽，分配给不同的发射器。

我们刚才讨论的带宽也可以称为绝对带宽。

百分比带宽

根据标准定义，“绝对带宽与该带宽中心频率之比可以称为百分比带宽。”

频带内信号强度最大的特定频率称为谐振频率。它也称为频带的中心频率 (fC)。

• 较高和较低的频率分别表示为f_H和f_L。

• 绝对带宽由下式给出：f_H - f_L。

• 要了解带宽的宽度，必须计算分数带宽或百分比带宽。

数学表达式

计算百分比带宽是为了了解元件或系统可以处理多少频率变化。

$$百分比带宽 = \frac{绝对带宽}{中心频率} = \frac{f_{H} - f_{L}}{f_{c}}$$

其中

• ${f_{H}}$是较高频率

• ${f_{L}}$是较低频率

• ${f_{c}}$是中心频率

百分比带宽越高，信道的带宽越宽。

辐射强度

“辐射强度定义为单位立体角的功率”

天线发射的辐射在特定方向上更强烈，表示该天线的最大强度。最大限度地发射辐射就是辐射强度。

数学表达式

辐射强度是通过将辐射功率乘以径向距离的平方获得的。

$$U = r^{2} \times W_{rad}$$

其中

• U是辐射强度

• r是径向距离

• W_rad是辐射功率。

上述公式表示天线的辐射强度。径向距离的函数也表示为Φ。

单位

辐射强度的单位是瓦特/球面度或瓦特/弧度²。

天线理论 - 参数

天线的辐射强度与波束聚焦的方向和波束朝该方向的效率密切相关。在本节中，让我们看一下处理这些主题的术语。

方向性

根据标准定义，“被测天线最大辐射强度与辐射相同总功率的各向同性或参考天线的辐射强度之比称为方向性。”

天线辐射功率，但其辐射方向非常重要。正在观察其性能的天线称为被测天线。

它的辐射强度集中在特定方向，同时进行发射或接收。因此，据说天线在该特定方向具有其方向性。

• 天线在给定方向上的辐射强度与所有方向上的平均辐射强度之比，称为方向性。

• 如果没有指定该特定方向，则可以将观察到最大强度的方向作为该天线的方向性。

• 非各向同性天线的方向性等于给定方向上的辐射强度与各向同性源的辐射强度之比。

数学表达式

辐射功率是角位置和电路径向距离的函数。因此，它通过考虑θ和Ø这两个术语来表示。

$$方向性 = \frac{被测天线最大辐射强度}{各向同性天线的辐射强度}$$ $$D = \frac{\phi(\theta,\phi)_{max}(来自被测天线)}{\phi_{0}(来自各向同性天线) }$$

其中

• ${\phi(\theta,\phi)_{max}}$是被测天线的最大辐射强度。

• ${\phi_{0}}$是各向同性天线（无损耗的天线）的辐射强度。

孔径效率

根据标准定义，“天线的孔径效率是有效辐射面积（或有效面积）与孔径物理面积之比。”

天线有一个孔径，功率通过该孔径辐射。这种辐射应有效，损失最小。还应考虑孔径的物理面积，因为辐射的有效性取决于天线上物理的孔径面积。

数学表达式

孔径效率的数学表达式如下：

$$ \varepsilon_{A} = \frac{A_{eff}}{A_{p}}$$

其中

• $\varepsilon_{A}$是孔径效率。

• ${A_{eff}}$是有效面积。

• ${A_{p}}$是物理面积。

天线效率

根据标准定义，“天线效率是天线辐射功率与天线接受的输入功率之比。”

简单来说，天线旨在以最小的损耗辐射在其输入端提供的功率。天线的效率说明了天线能够多有效地输送其输出，同时在传输线中产生最小的损耗。

这也被称为天线的辐射效率系数。

数学表达式

天线效率的数学表达式如下：

$$ \eta_{e} = \frac{P_{rad}}{P_{input}}$$

其中

• $\eta_{e}$是天线效率。

• ${P_{rad}}$是辐射功率。

• ${P_{input}}$是天线的输入功率。

增益

根据标准定义，“天线的增益是给定方向上的辐射强度与如果天线接收的功率被各向同性辐射所获得的辐射强度之比。”

简单来说，天线的增益考虑了天线的方向性及其有效性能。如果天线接收的功率被各向同性地辐射（即向所有方向辐射），则我们可以将获得的辐射强度作为参考。

• 术语天线增益描述了在峰值辐射方向上与各向同性源相比传输了多少功率。

• 增益通常以dB为单位测量。

• 与方向性不同，天线增益还考虑了发生的损耗，因此侧重于效率。

数学表达式

增益G的方程式如下所示。

$$G = \eta_{e}D$$

其中

• G是天线的增益。

• $\eta_{e}$是天线的效率。

• D是天线的方向性。

单位

增益的单位是分贝或简称为dB。

天线理论 - 近场和远场

在上一节讨论的天线参数之后，另一个重要的考虑主题是天线的近场和远场区域。

在靠近天线处测量的辐射强度与远离天线处的辐射强度不同。尽管该区域远离天线，但它被认为是有效的，因为那里的辐射强度仍然很高。

近场

靠近天线的场称为近场。它具有感应效应，因此也称为感应场，尽管它具有一些辐射分量。

远场

远离天线的场称为远场。它也称为辐射场，因为该区域的辐射效应很高。许多天线参数以及天线的方向性和天线的辐射图仅在此区域中考虑。

场型

场分布可以用场强来量化，称为场型。这意味着，当绘制天线的辐射功率时，它以电场E（v/m）表示。因此，它被称为场型。如果它以功率 (W) 来量化，则它被称为功率型。

辐射场或功率的图形分布将是以下函数：

• 远场的空间角 (θ, Ø)。

• 近场的空间角 (θ, Ø) 和径向距离 (r)。

借助图表可以很好地理解近场和远场区域的分布。

场型可分为：

• 反向近场区域和辐射近场区域——两者均称为近场。

• 辐射远场区域——简称为远场。

非常靠近天线的场是反向近场或非辐射场，其中辐射不占主导地位。其旁边的区域可以称为辐射近场或菲涅耳场，因为辐射占主导地位，并且角场分布取决于与天线的物理距离。

其旁边的区域是辐射远场区域。在此区域中，场分布与天线的距离无关。在此区域观察到有效的辐射图。

天线理论 - 辐射方向图

辐射这个术语用于表示天线上波前的发射或接收，并指定其强度。在任何图示中，绘制以表示天线辐射的草图都是它的辐射图。只需查看其辐射图，就可以简单地了解天线的函数和方向性。

当从天线辐射功率时，它会在近场和远场区域产生影响。

• 从图形上看，辐射可以绘制为天线的角位置和径向距离的函数。

• 这是天线辐射特性的数学函数，表示为球坐标的函数，E (θ, Ø) 和 H (θ, Ø)。

辐射图

天线辐射的能量由天线的辐射图表示。辐射图是辐射能量分布到空间的图表表示，它是方向的函数。

让我们看一下能量辐射的模式。

上图显示了偶极子天线的辐射图。正在辐射的能量由特定方向上绘制的图案表示。箭头表示辐射方向。

辐射方向图可以是场型图或功率型图。

• 场型图是电场和磁场的函数图像。它们通常采用对数刻度。

• 功率型图是电场和磁场幅度平方的函数图像。它们采用对数刻度或常用的dB刻度。

三维辐射方向图

辐射方向图是一个三维图形，假设其原点位于球坐标系的中心，则用球坐标 (r, θ, Φ) 表示。它看起来像下图所示：

上图是一个全向图的三维辐射方向图。它清楚地显示了三个坐标 (x, y, z)。

二维辐射方向图

二维方向图可以通过将三维方向图分别划分到水平面和垂直面得到。这些生成的图形分别称为水平方向图和垂直方向图。

这些图显示了如上所述的 H 面和 V 面上的全向辐射方向图。H 面代表水平方向图，而 V 面代表垂直方向图。

瓣图形成

在辐射方向图的表示中，我们经常遇到不同的形状，这些形状指示主要的和次要的辐射区域，从而可以知道天线的辐射效率。

为了更好地理解，请考虑下图，该图表示偶极子天线的辐射方向图。

这里，辐射方向图具有主瓣、旁瓣和后瓣。

• 覆盖较大区域的主要辐射部分是主瓣或主波瓣。这是辐射能量最大的部分。该波瓣的方向指示天线的指向性。

• 辐射分布在侧面的图案的其他部分称为旁瓣或副波瓣。这些是能量浪费的区域。

• 还有一个波瓣，与主瓣的方向正好相反。它被称为后瓣，也是一个副波瓣。即使在这里，相当数量的能量也会浪费。

示例

如果雷达系统中使用的天线产生旁瓣，则目标跟踪将变得非常困难。这是因为这些旁瓣会指示虚假目标。区分真实目标和虚假目标非常麻烦。因此，为了提高性能和节省能量，必须消除这些旁瓣。

补救措施

这种形式浪费的辐射能量需要得到利用。如果消除这些副瓣并将这种能量转移到一个方向（即朝向主瓣），则天线的指向性会提高，从而导致天线性能更好。

辐射方向图类型

常见的辐射方向图类型包括：

• 全向图（也称为非定向图）：该图在三维视图中通常呈环形。然而，在二维视图中，它形成一个“8”字形图案。

• 铅笔束图：波束具有尖锐的定向铅笔形状图案。

• 扇形束图：波束具有扇形图案。

• 整形束图：波束不均匀且无规律，称为整形束。

所有这些类型的辐射的参考点都是各向同性辐射。尽管各向同性辐射在实践中是不可能的，但考虑它是重要的。

天线理论 - 各向同性辐射

在上一章中，我们已经学习了辐射方向图。为了更好地分析天线的辐射，需要一个参考点。各向同性天线的辐射填补了这一空白。

定义

各向同性辐射是指点源的辐射，在所有方向上均匀辐射，无论测量方向如何，强度都相同。

天线辐射方向图的改进总是使用该天线的各向同性辐射来评估。如果辐射在所有方向上都相等，则称为各向同性辐射。

• 点源是各向同性辐射器的示例。然而，这种各向同性辐射实际上是不可能的，因为每个天线都以一定的指向性辐射能量。

• 各向同性辐射就是全向辐射。

• 在三维视图中呈环形图案，在二维视图中呈“8”字形图案。

上图显示了各向同性或全向图案的辐射方向图。图1显示了三维环形图案，图2显示了二维“8”字形图案。(此处应插入两张图)

增益

各向同性辐射器具有单位增益，这意味着在所有方向上增益因子为 1。就 dB 而言，它可以称为 0dB 增益（零损耗）。

等效各向同性辐射功率

根据标准定义，“各向同性天线辐射以产生在最大天线增益方向上观察到的峰值功率密度所需的功率量，称为等效各向同性辐射功率。”

如果将天线的辐射能量集中在一个侧向或特定方向上，其辐射相当于该天线的各向同性辐射功率，则这种辐射称为 EIRP，即等效各向同性辐射功率。

增益

虽然各向同性辐射是虚构的，但它是天线所能提供的最佳辐射。这种天线的增益将为 3dBi，其中 3dB 是 2 的因子，'i' 代表各向同性条件的因子。

如果辐射集中在某个角度，则 EIRP 随着天线增益的增加而增加。通过将天线集中在特定方向上可以最好地实现天线增益。

有效辐射功率

如果以半波偶极子而不是各向同性天线为参考计算辐射功率，则可以将其称为ERP（有效辐射功率）。

$$ERP(dBW) = EIRP(dBW) - 2.15dBi$$

如果已知 EIRP，则可以使用上述公式计算 ERP。

天线理论 - 波束和极化

本章讨论天线辐射波束的参数。这些参数有助于我们了解波束规格。

波束面积

根据标准定义，“波束面积是天线辐射的所有功率都将通过的立体角，如果 P(θ, Ø) 在 Ω_A 上保持其最大值，而在其他地方为零。”

天线的辐射波束从天线的一个角度发出，称为立体角，在该角度处功率辐射强度最大。这个立体波束角称为波束面积。它用Ω_A表示。

在整个立体波束角 Ω_A 中，辐射强度 P(θ, Ø) 应保持恒定且最大，在其他地方其值为零。

$$辐射功率 = P(\theta,\Phi)\Omega_{A} \:瓦特$$

波束角是主瓣半功率点之间的角度集合。

数学表达式

波束面积的数学表达式为

$$\Omega_{A} =\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{\pi}P_{\pi}(\theta,\Phi)d\Omega\ 瓦特$$ $$d\Omega = \sin\theta\ d\theta\ d\Phi\ 瓦特$$

其中

• Ω_A 是立体波束角。
• θ 是角位置的函数。
• Φ 是径向距离的函数。

单位

波束面积的单位是瓦特。

波束效率

根据标准定义，“波束效率表示主波束的波束面积与辐射的总波束面积之比。”

当能量从天线辐射时，会根据天线的指向性进行投射。天线辐射功率较大的方向效率最高，而部分能量在旁瓣中损失。波束辐射的最大能量，最小损失，可以称为波束效率。

数学表达式

波束效率的数学表达式为：

$$\eta_{B} = \frac{\Omega_{MB}}{\Omega_{A}}$$

其中：

• η_B 是波束效率。
• Ω_MB 是主波束的波束面积。
• Ω_A 是总立体波束角（波束面积）。

天线极化

天线可以根据我们的要求进行极化。它可以是线极化或圆极化。天线极化的类型决定了接收或传输时的波束和极化模式。

线性极化

当传输或接收波时，可以沿不同的方向进行。天线的线性极化有助于将波保持在特定方向，避免所有其他方向。虽然使用了这种线性极化，但电场矢量仍保持在同一平面内。因此，我们使用这种线性极化来提高天线的指向性。

圆极化

当波圆极化时，电场矢量似乎会旋转，其所有分量都会失去方向。有时旋转模式也可能不同。但是，通过使用圆极化，可以减少多径效应，因此它用于卫星通信，例如GPS。

水平极化

水平极化使波变弱，因为地表反射会影响它。它们在低于 1GHz 的低频下通常较弱。水平极化用于电视信号传输以获得更好的信噪比。

垂直极化

低频垂直极化波有利于地波传输。它们不受地表反射的影响，例如水平极化波。因此，垂直极化用于移动通信。

每种类型的极化都有其自身的优点和缺点。射频系统设计人员可以根据系统要求自由选择极化类型。

天线理论 - 波束宽度

在本章中，我们将讨论天线辐射方向图中的另一个重要因素，即波束宽度。在天线的辐射方向图中，主瓣是天线的主要波束，天线辐射的最大和恒定能量流过该波束。

波束宽度是大部分功率辐射的角度。波束宽度的两个主要考虑因素是半功率波束宽度(HPBW)和第一零点波束宽度(FNBW)。

半功率波束宽度

根据标准定义，“辐射方向图幅度从主波束峰值下降 50%（或 -3dB）的角度间隔是半功率波束宽度。”

换句话说，波束宽度是大部分功率辐射的区域，即峰值功率。半功率波束宽度是在天线的有效辐射场中，相对功率大于峰值功率 50% 的角度。

HPBW 指示

在辐射图样的原点与主瓣上两侧的半功率点之间画一条线，这两条矢量之间的角度称为HPBW，即半功率波束宽度。借助下图可以更好地理解这一点。

该图显示了主瓣上的半功率点和HPBW。

数学表达式

半功率波束宽度的数学表达式为：

$$半功率波束宽度=70\lambda_{/D} $$

其中

• $\lambda$ 为波长 (λ = 0.3/频率)。

• D 为直径。

单位

HPBW 的单位为弧度或度。

第一零点波束宽度

根据标准定义，“相邻于主瓣的第一对辐射图样零点之间的角跨度称为第一零点波束宽度。”

简单来说，FNBW 是从主波束引出的角间距，该间距画在辐射图样主瓣上的零点之间。

FNBW 指示

从辐射图样的原点开始，在两侧画出与主波束相切的两条切线。这两条切线之间的角度称为第一零点波束宽度(FNBW)。

借助下图可以更好地理解这一点。

上图显示了半功率波束宽度和第一零点波束宽度，以及辐射图样中标注的副瓣和主瓣。

数学表达式

第一零点波束宽度的数学表达式为：

$$FNBW = 2 HPBW$$ $$FNBW\:2\left ( 70\lambda/D \right )\:=140\lambda/D$$

其中

• $\lambda$ 为波长 (λ = 0.3/频率)。
• D 为直径。

单位

FNBW 的单位为弧度或度。

有效长度和有效面积

在天线参数中，有效长度和有效面积也很重要。这些参数有助于我们了解天线的性能。

有效长度

天线有效长度用于确定天线的极化效率。

定义——“有效长度是指接收天线开路端电压幅值与入射波前场强幅值之比，方向与天线极化方向相同。”

当入射波到达天线输入端时，该波具有一定的场强，其幅值取决于天线的极化。这种极化应与接收端电压的幅值匹配。

数学表达式

有效长度的数学表达式为：

$$l_{e} = \frac{V_{oc}}{E_{i}}$$

其中

• $l_{e}$ 为有效长度。

• $V_{oc}$ 为开路电压。

• $E_{i}$ 为入射波的场强。

有效面积

定义——“有效面积是指接收天线从入射波前吸收大部分功率的面积与暴露于波前的总面积之比。”

接收时，整个天线面积都面对入射电磁波，而天线只有一部分接收信号，这部分称为有效面积。

只有一部分接收到的波前被利用，因为一部分波会被散射，一部分会被耗散为热量。因此，不考虑损耗的情况下，将获得最大功率的面积与实际面积之比可以称为有效面积。

有效面积用$A_{eff}$表示。

天线理论 - 倒易性

天线既可以用作发射天线，也可以用作接收天线。在使用时，我们可能会遇到一个问题，即天线的特性是否会随着其工作模式的变化而变化。幸运的是，我们不必担心这个问题。天线的特性不变被称为互易性。

互易性下的特性

发射天线和接收天线表现出互易性的特性有：

• 方向图相等。
• 方向性相等。
• 有效长度相等。
• 天线阻抗相等。

让我们看看这些是如何实现的。

方向图相等

如果发射天线1向接收天线2发射信号的辐射图样等于天线2发射信号而天线1接收信号的辐射图样。

方向性相等

如果方向性的值在两种情况下都相同，即无论根据发射天线的功率还是接收天线的功率计算，方向性都相同，则方向性对于发射天线和接收天线都是相同的。

有效长度相等

发射天线和接收天线的最大有效孔径值相同。根据波长值保持发射天线和接收天线的长度相等。

天线阻抗相等

在有效的通信中，发射天线的输出阻抗和接收天线的输入阻抗相等。

即使同一根天线作为发射器或接收器工作，这些特性也不会改变。因此，遵循互易性。

天线理论 - 坡印廷矢量

天线辐射电磁能量来发射或接收信息。因此，能量和功率这两个术语与这些电磁波相关，我们必须讨论它们。电磁波既有电场也有磁场。

考虑任何时刻的波，它可以在两个矢量中观察到。下图显示了电磁波中电场和磁场分量的表示。

电波垂直于电磁波的传播方向，而磁波则水平放置。这两个场互相垂直。

坡印廷矢量

坡印廷矢量描述了在任何给定时刻单位时间单位面积的电磁波能量。约翰·亨利·坡印廷于1884年首次推导出该矢量，因此以他的名字命名。

定义——“坡印廷矢量给出单位面积的能量传递速率”

或

“波每单位时间每单位面积携带的能量由坡印廷矢量给出。”

坡印廷矢量用Ŝ表示。

单位

坡印廷矢量的SI单位为W/m²。

数学表达式

用于描述与电磁波相关的功率的量是瞬时坡印廷矢量，其定义为

$$\hat{S} = \hat{E} \times \hat{H}$$

其中

• $\hat{S}$ 为瞬时坡印廷矢量 (W/m²)。

• $\hat{E}$ 为瞬时电场强度 (V/m)。

• $\hat{H}$ 为瞬时磁场强度 (A/m)。

这里需要注意的重要一点是，在电磁波中，E 的幅值大于 H。但是，两者贡献的能量相同。Ŝ 是既有方向又有大小的矢量。Ŝ 的方向与波的速度相同。其大小取决于 E 和 H。

坡印廷矢量的推导

为了更清楚地了解坡印廷矢量，让我们逐步了解坡印廷矢量的推导过程。

让我们想象一下，电磁波垂直于X轴（波沿X轴传播）通过面积(A)。在无穷小时间(dt)内，波传播距离(dx)。

$$dx = C\ dt$$

其中

$$C = 光速 = 3\times 10^{8}m/s$$ $$体积, dv = Adx = AC\ dt$$ $$d\mu = \mu\ dv = (\epsilon_{0}E^{2})(AC\ dt)$$ $$= \epsilon_{0} AC \ E^{2}\ dt$$

因此，单位时间(dt)单位面积(A)传递的能量为：

$$S = \frac{能量}{时间\times 面积} = \frac{dW}{dt\ A} = \frac{\epsilon_{0}ACE^{2}\ dt}{dt\ A} = \epsilon_{0}C\:E^{2}$$

由于

$$\frac{E}{H} = \sqrt{\frac{\mu_{0}}{\epsilon_{0}}} \ 则\ S= \frac{CB^{2}}{\mu_{0}}$$

由于

$$C = \frac{E}{H} \ 则 \ S = \frac{EB}{\mu_{0}}$$ $$= \hat{S} = \frac{1}{\mu_{0}}(\hat{E}\hat{H})$$

Ŝ 表示坡印廷矢量。

上述等式给出了任何给定时刻单位时间单位面积的能量，这称为坡印廷矢量。

天线理论 - 天线类型

为了更清晰地了解天线的物理结构和功能，必须对天线进行分类。根据应用的不同，天线有很多类型。

我们将在接下来的章节中详细讨论上述各种类型的天线。

天线理论 - 线天线

线天线是最基本的天线类型。它们是众所周知且广泛使用的天线。为了更好地了解这些线天线，让我们首先了解一下传输线。

传输线

导线或传输线具有一定的功率，该功率从一端传播到另一端。如果传输线的两端都连接到电路，则信息将使用这两条电路之间的导线进行传输或接收。

如果导线的一端未连接，则其中的功率将试图逸出。这导致无线通信。如果导线的一端弯曲，则能量比以前更有效地试图从传输线逸出。这种有目的的逸出称为辐射。

为了有效地进行辐射，传输线开路端的阻抗应与自由空间的阻抗匹配。考虑一根四分之一波长大小的传输线。它的远端保持打开并弯曲以提供高阻抗。这充当半波偶极子天线。它已经在传输线的一端具有低阻抗。具有高阻抗的开路端与自由空间的阻抗匹配，以提供更好的辐射。

偶极子

当通过这种弯曲的导线辐射能量时，这种传输线的末端称为偶极子或偶极子天线。

输入阻抗的电抗是偶极子半径和长度的函数。半径越小，电抗的幅度越大。它与波长成正比。因此，还应考虑偶极子的长度和半径。通常，其阻抗约为72Ω。

借助下图可以更好地理解这一点。

该图显示了连接到传输线的普通偶极子的电路图。偶极子的电流在中心最大，在端点最小。电压在其中心最小，在其端点最大。

线天线的类型包括半波偶极子、半波折叠偶极子、全波偶极子、短偶极子以及无穷小偶极子。所有这些天线都将在后续章节中讨论。

天线理论 - 半波偶极子

偶极子天线经过切割和弯折以实现有效辐射。用作偶极子的总导线长度等于波长的一半（即，l = λ/2）。这种天线被称为半波偶极子天线。由于其优点，它是使用最广泛的天线。它也称为赫兹天线。

频率范围

半波偶极子工作的频率范围约为3KHz到300GHz。这主要用于无线电接收机。

半波偶极子的结构和工作原理

它是一种普通的偶极子天线，其工作频率是其波长的一半。因此，它被称为半波偶极子天线。

偶极子的边缘具有最大电压。此电压本质上是交流电（AC）。在电压的正峰值时，电子倾向于朝一个方向移动，而在负峰值时，电子朝另一个方向移动。下图可以解释这一点。

上图显示了半波偶极子的工作原理。

• 图1显示了当感应电荷处于正半周期时的偶极子。现在电子倾向于向电荷移动。

• 图2显示了感应负电荷的偶极子。这里的电子倾向于远离偶极子。

• 图3显示了下一个正半周期的偶极子。因此，电子再次向电荷移动。

这种累积效应产生变化的场效应，该效应以在其上产生的相同模式辐射。因此，输出将是遵循输出电压模式周期的有效辐射。因此，半波偶极子有效辐射。

上图显示了半波偶极子中的电流分布。半波偶极子的方向性为2.15dBi，相当好。其中，“i”表示各向同性辐射。

辐射图

这种半波偶极子的辐射方向图在H平面内是全向的。这对于许多应用（例如移动通信、无线电接收机等）是理想的。

上图显示了半波偶极子在H平面和V平面中的辐射方向图。

在这个半波偶极子中，偶极子的半径不影响其输入阻抗，因为这个偶极子的长度是半波长，并且是第一个谐振长度。天线在其谐振频率下有效工作，谐振频率在其谐振长度下出现。

优点

以下是半波偶极子天线的优点：

• 输入阻抗不敏感。

• 与传输线阻抗匹配良好。

• 长度合理。

• 天线长度与尺寸和方向性匹配。

缺点

以下是半波偶极子天线的缺点：

• 由于单元素，效率不高。

• 它只有与组合使用才能更好地工作。

应用

以下是半波偶极子天线的应用：

• 用于无线电接收机。

• 用于电视接收机。

• 与其他天线一起使用时，可用于各种应用。

天线理论 - 半波折叠偶极子

折叠偶极子是一种天线，两侧连接两根导体，并折叠成圆柱形封闭形状，并在中心馈电。偶极子的长度是波长的一半。因此，它被称为半波折叠偶极子天线。

频率范围

半波折叠偶极子工作的频率范围约为3KHz到300GHz。这主要用于电视接收机。

半波折叠偶极子的结构和工作原理

这种天线通常与阵列式天线一起使用以增加馈电阻抗。最常用的是与八木宇田天线一起使用。下图显示了半波折叠偶极子天线。

与之前的偶极子天线相比，这种天线使用额外的导电元件（一根导线或一根杆）。通过在阵列式天线中并排放置一些导电元件，并在它们之间设置绝缘层来实现这一点。

下图解释了半波折叠偶极子天线在激励时的工作原理。

如果主导体和折叠偶极子的直径相同，则天线的馈电阻抗将增加四倍（平方数的两倍）。馈电阻抗的这种增加是这种折叠偶极子天线广泛使用的主要原因。由于双线，阻抗将约为300Ω。

辐射图

半波折叠偶极子的辐射方向图与半波偶极子天线的辐射方向图相同。下图显示了半波折叠偶极子天线的辐射方向图，它是全向的。

半波折叠偶极子天线用于需要最佳功率传输和需要大阻抗的地方。

这种折叠偶极子是八木宇田天线的主要元件。下图显示了一个八木宇田天线，我们稍后将学习它。这里使用的主要元件是这个折叠偶极子，天线馈电就连接在此处。几十年来，这种天线已广泛用于电视接收。

优点

以下是半波折叠偶极子天线的优点：

• 接收平衡信号。

• 在不损失质量的情况下接收来自一定频率范围的特定信号。

• 折叠偶极子可最大限度地提高信号强度。

缺点

以下是半波折叠偶极子天线的缺点：

• 天线的移动和调整很麻烦。

• 当天线尺寸增加时，户外管理可能很困难。

应用

以下是半波折叠偶极子天线的应用：

• 主要用作八木天线、抛物面天线、十字转门天线、对数周期天线、相控阵和反射阵等中的馈电元件。

• 通常用于无线电接收机。

• 最常用于电视接收天线。

天线理论 - 全波偶极子

如果偶极子的长度，即总导线长度等于全波长λ，则称为全波偶极子。如果使用全波长偶极子进行发射或接收，让我们看看辐射将如何进行。

全波偶极子的结构和工作原理

这里显示了具有电压和电流分布的全波偶极子。波的正峰值和负峰值分别感应正电压和负电压。然而，由于感应电压相互抵消，因此不存在辐射问题。

上图显示了长度为λ的全波偶极子的电压分布。可以看出，两个半波偶极子连接在一起构成一个全波偶极子。

当同时感应其正电荷和负电荷时，电压模式相互抵消，如图所示。由于感应电荷被抵消，因此不会进一步尝试辐射。全波发射偶极子的输出辐射将为零。

辐射图

由于没有辐射方向图、方向性和增益，全波偶极子很少用作天线。这意味着，虽然天线会辐射，但这只是某种热耗散，是功率的浪费。

缺点

以下是全波偶极子天线的缺点。

• 热耗散
• 功率浪费
• 没有辐射方向图
• 没有方向性和增益

由于这些缺点，全波偶极子很少使用。

天线理论 - 短偶极子

短偶极子是一种简单的线天线。它的一端是开路的，另一端连接交流电源。这种偶极子因其长度而得名。

频率范围

短偶极子工作的频率范围约为3KHz到30MHz。这主要用于低频接收机。

短偶极子的结构和工作原理

短偶极子是其导线长度短于波长的偶极子天线。电压源连接在一端，同时形成偶极子形状，即线在另一端终止。

显示了长度为L的短偶极子的电路图。天线的实际尺寸无关紧要。通向天线的导线必须小于波长的十分之一。那是

$$L < \frac{\lambda}{10}$$

其中

• L是短偶极子导线的长度。

• λ是波长。

另一种短偶极子是无穷小偶极子，其长度远小于其波长。其结构与其类似，但使用电容板。

无穷小偶极子

长度远小于波长的偶极子为无穷小偶极子。这种天线实际上是不切实际的。这里，偶极子的长度甚至小于波长的五十分之一。

偶极子的长度，Δl << λ。其中，λ是波长。

$$ \Delta l = \frac{\lambda}{50} $$

因此，顾名思义，这是一个无限小的偶极子。

由于这些偶极子的长度非常小，因此导线中的电流将为dI。这些导线通常与两侧的电容板一起使用，在需要低互耦合的地方。由于电容板，我们可以说存在均匀的电流分布。因此，这里的电流不为零。

电容板可以是简单的导体或导线等效物。径向电流辐射的场在远场中倾向于相互抵消，因此电容板天线的远场可以由无穷小偶极子近似。

辐射图

短偶极子和无穷小偶极子的辐射方向图类似于半波偶极子。如果偶极子是垂直的，则图案将是圆形的。当在二维图案中查看时，辐射方向图呈“8字形”图案。

下图显示了短偶极子天线的辐射方向图，它是全向的。

优点

以下是短偶极子天线的优点：

• 由于尺寸小，易于构造

• 功耗效率更高

缺点

以下是短偶极子天线的缺点：

• 高电阻损耗
• 高功耗
• 低信噪比
• 辐射低
• 效率不高

应用

以下是短偶极子天线的应用：

• 用于窄带应用。
• 用作调谐电路的天线。

本章讨论了流行且使用最广泛的短线天线。我们将在接下来的章节中讨论长线天线。

天线理论 - 长线天线

我们已经学习了不同类型的短线天线。现在，让我们看看长线天线。长线天线是通过使用多个偶极子形成的。这些类型的天线中的导线长度是n倍λ/2

$$L = n \ \lambda/2$$

其中：

• L是天线的长度，

• n 代表元素个数。

• λ 是波长

随着 ‘n’ 的增加，方向性也随之增强。

长线天线的类型

长线天线主要分为两种：谐振天线和非谐振天线。

谐振天线

谐振天线是指在特定频率下，天线接收到的辐射功率出现尖峰，形成驻波的天线。这种类型的天线辐射波的辐射方向图与负载阻抗不匹配。

谐振天线具有周期性。它们也被称为双向行波天线，因为辐射波沿两个方向传播，这意味着此处同时存在入射波和反射波。在这些天线中，天线的长度和频率成正比。

非谐振天线

非谐振天线是指不会出现谐振频率的天线。波沿正方向传播，因此不会形成驻波。在非谐振天线中，辐射波的辐射方向图与负载阻抗匹配。

这些非谐振天线是非周期性的。它们也被称为单向行波天线，因为辐射波仅沿正方向传播，这意味着只有入射波存在。随着频率的增加，天线的长度减小，反之亦然。因此，频率和长度成反比。

这些长线天线是构建V形天线或菱形天线的基本单元。

天线理论 - V型天线

长线天线一个更好的版本是V形天线。这种天线是通过将长线排列成V形图案形成的。端线被称为支腿。这种天线是双向谐振天线。

频率范围

V形天线的操作频率范围约为3至30 MHz。这种天线工作在高频范围。

V形天线的结构和工作原理

两根长线以V形连接构成V形天线。这两根长线以180˚反相激励。随着这些导线长度的增加，增益和方向性也随之增加。

下图显示了一个V形天线，其传输线阻抗为z，导线长度为λ/2，与轴线成Φ_m角，该角称为顶角。

V形天线实现的增益高于普通单根长线天线。这种V形结构的增益与长度等于V形天线支腿的单根长线天线相比，几乎是两倍。如果要获得较宽的辐射范围，则顶角应在较高和较低频率之间取平均值，以λ/2在每条支腿中的数量表示。

辐射图

V形天线的辐射方向图是双向的。将每条传输线上获得的辐射相加即可得到最终的辐射方向图。下图对此进行了很好的解释：

该图显示了V形天线的辐射方向图。形成V形图案的两条传输线为AA’和BB’。图中显示了各个传输线的图案和最终图案。最终图案沿轴线显示。这种图案类似于宽边阵列。

如果在此天线上添加另一个V形天线，并以90˚的相位差馈电，则最终图案将是端射的，功率增益加倍。通过添加V形天线阵列，方向性进一步提高。

优点

以下是V形天线的优点：

• 结构简单
• 高增益
• 制造成本低

缺点

以下是V形天线的缺点：

• 会形成驻波
• 出现的旁瓣也较强
• 仅用于固定频率操作

应用

以下是V形天线的应用：

• 用于商业用途
• 用于无线电通信

天线理论 - 倒V形天线

在上一章中，我们学习了V形天线。其工作频率有限。这可以通过使用另一种天线来修改，该天线是非谐振天线或行波天线。行波天线不会产生驻波，如前所述。

频率范围

倒V形天线（或V形天线）的工作频率范围约为3至30 MHz。这种天线工作在高频范围。

倒V形天线的结构和工作原理

用于高频段的行波天线是倒V形天线。这种倒V形天线很容易安装在非导电杆上。

请看下图。它显示了一个安装在屋顶上的倒V形天线。

倒V形天线的最大辐射在其中心。它类似于半波偶极子天线。天线呈倒V形排列，其两条传输线或支腿弯向地面，它们之间的夹角为120°或90°。天线的中心高度不应高于λ/4。

其中一条支腿与天线轴线所成的角称为倾斜角，用θ表示。

辐射图

倒V形天线的辐射方向图是单向的，因为这里不形成驻波。从下面的辐射方向图可以清楚地看出。

该图说明了倒V形天线的辐射方向图。上图所示的图中显示了主辐射场以及倾斜角为120˚和90˚时的场。通过使用天线阵列可以提高增益和方向性。

优点

以下是倒V形天线的优点：

• 占用水平空间较小

• 不形成驻波

• 高增益

缺点

以下是倒V形天线的缺点：

• 它有相当大的不需要的旁瓣

• 旁瓣产生水平极化的波

应用

以下是倒V形天线的应用：

• 用于调谐电路应用

• 用于无线电通信

• 用于商业应用

在V形天线和倒V形天线之后，另一种重要的长线天线是菱形天线。它是两个V形天线的组合。这将在下一章中讨论。

天线理论 - 菱形天线

菱形天线是一种等边平行四边形天线。通常，它有两个相对的锐角。倾斜角θ大约等于主瓣角的90°减去。菱形天线的工作原理是行波辐射器。它呈菱形或钻石形排列，水平悬挂在地面上方。

频率范围

菱形天线的工作频率范围约为3MHz至300MHz。这种天线工作在HF和VHF频段。

菱形天线的构造

菱形天线可以看作是两个端对端连接的V形天线，形成钝角。由于其简单易于构建，因此用途广泛：

• 用于HF传输和接收

• 商业点对点通信

菱形天线的构造呈菱形，如图所示。

菱形的两侧被认为是双线传输线的导体。当该系统设计合理时，辐射将在辐射主轴上集中。实际上，一半的功率会消散在天线的终端电阻中。其余功率则被辐射出去。浪费的功率会导致旁瓣。

图1显示了菱形天线在过去用于点对点通信的构造。图2显示了如今用于电视接收的菱形UHF天线。

菱形天线从通过馈电点终止于自由空间的主轴方向获得最大增益。水平菱形天线获得的极化位于菱形的平面内，即水平方向。

辐射图

菱形天线的辐射方向图如下图所示。最终图案是天线所有四个支腿辐射的累积效应。这种图案是单向的，而通过去除终端电阻可以使其变为双向的。

菱形天线的最大缺点是，未与主瓣组合的辐射部分会导致相当大的旁瓣，这些旁瓣具有水平和垂直极化。

优点

以下是菱形天线的优点：

• 输入阻抗和辐射方向图相对恒定

• 可以连接多个菱形天线

• 简单有效的传输

缺点

以下是菱形天线的缺点：

• 终端电阻浪费功率

• 需要较大的空间

• 传输效率降低

应用

以下是菱形天线的应用：

• 用于HF通信

• 用于长距离天波传播

• 用于点对点通信

另一种使用长线的方法是弯曲导线并将其制成环形图案，并观察其辐射参数。这种类型的天线被称为环形天线。

天线理论 - 环形天线

载有射频电流的线圈绕成单圈环，可以用作称为环形天线的天线。通过该环形天线的电流将同相。磁场将垂直于整个载流环。

频率范围

环形天线的工作频率范围约为300MHz至3GHz。这种天线工作在UHF频段。

环形天线的结构和工作原理

环形天线是一个载有射频电流的线圈。根据设计者的方便，它可以是任何形状，例如圆形、矩形、三角形、正方形或六边形。

环形天线有两种类型。

• 大型环形天线
• 小型环形天线

大型环形天线

大型环形天线也称为谐振天线。它们具有较高的辐射效率。这些天线的长度几乎等于预期的波长。

$$L =\lambda$$

其中：

• L 是天线的长度

• λ 是波长

该天线的主要参数是其周长，约为一个波长，并且应是一个封闭的环。蜿蜒环路以减小尺寸并不是一个好主意，因为这会增加电容效应并导致效率降低。

小型环形天线

小型环形天线也称为磁环天线。这些天线的谐振性较低。这些天线主要用作接收器。

这些天线的尺寸为波长的十分之一。

$$L =\frac{\lambda}{10}$$

其中：

• L 是天线的长度

• λ 是波长

小型环形天线的特点：

• 小型环形天线的辐射电阻低。如果使用多匝铁氧体芯结构，则可以获得较高的辐射电阻。

• 由于损耗高，其辐射效率低。

• 其结构简单，体积小，重量轻。

由于其电抗高，其阻抗难以与发射机匹配。如果环形天线必须用作发射天线，则这种阻抗失配肯定是一个问题。因此，这些环形天线最好用作接收天线。

常用环路

小型环形天线主要有两种类型：

• 圆形环形天线
• 方形环形天线

环形天线主要有这两种类型被广泛使用。其他类型（矩形、三角形、椭圆形等）也会根据设计者的规格进行制造。

上图显示了圆形和方形环形天线。这类天线由于具有较高的信噪比，因此主要用作调幅接收器。它们也很容易在无线电接收器的Q谐振电路中进行调谐。

环形天线的极化

环形天线的极化将根据馈电位置而垂直或水平极化。垂直极化位于垂直边的中心，而水平极化位于水平边的中心，具体取决于环形天线的形状。

小型环形天线通常是线性极化的。当这种小型环形天线安装在便携式接收器顶部，其输出连接到仪表时，它就成为一个很好的方向查找器。

辐射图

这些天线的辐射方向图与短水平偶极天线的辐射方向图相同。

上图显示了小型高效环形天线的辐射方向图。图中也清晰地说明了不同环绕角度的辐射方向图。0°处的切线表示垂直极化，而90°的线表示水平极化。

优点

环形天线的优点如下：

• 尺寸紧凑
• 高方向性

缺点

环形天线的缺点如下：

• 阻抗匹配可能并不总是很好
• 具有非常高的谐振品质因数

应用

环形天线的应用如下：

• 用于RFID设备
• 用于中频、高频和短波接收器
• 用于飞机接收器进行方向查找
• 用于超高频发射器

天线理论 - 螺旋天线

螺旋天线是线天线的一个例子，它本身就形成螺旋状。这是一种宽带甚高频和超高频天线。

频率范围

螺旋天线的运行频率范围约为30MHz至3GHz。该天线在甚高频和超高频范围内工作。

螺旋天线的结构和工作原理

螺旋天线或螺旋状天线是一种导线以螺旋状缠绕并通过馈线连接到接地板的天线。它是提供圆极化波的最简单天线。它用于涉及卫星中继等的外星际通信。

上图显示了一个用于卫星通信的螺旋天线系统。这些天线需要更大的室外空间。

它由一段以螺纹形状缠绕的粗铜线或管子组成的螺旋线组成，与称为接地板的平板金属一起用作天线。螺旋线的一端连接到电缆的中心导体，外导体连接到接地板。

上图显示了详细说明天线部件的螺旋天线图像。

螺旋天线的辐射取决于螺旋线的直径、匝间距和螺距角。

螺距角是螺旋线切线与垂直于螺旋线轴的平面之间的角度。

$$α = \tan^{-1}(\frac{S}{\pi D})$$

其中：

• D 是螺旋线的直径。

• S 是匝间距（中心到中心）。

• α 是螺距角。

工作模式

螺旋天线的主要工作模式为：

• 法向或垂直辐射模式。

• 轴向或端射或波束辐射模式。

让我们详细讨论一下。

法向模式

在法向辐射模式下，辐射场垂直于螺旋轴。辐射波为圆极化波。如果螺旋线的尺寸远小于波长，则可以获得这种辐射模式。这种螺旋天线的辐射方向图是短偶极天线和环形天线的组合。

上图显示了螺旋天线法向辐射模式的辐射方向图。

它取决于螺旋线直径D及其匝间距S的值。这种工作模式的缺点是辐射效率低和带宽窄。因此，它几乎不用。

轴向模式

在轴向模式辐射中，辐射沿螺旋轴的端射方向，波为圆极化或近似圆极化。通过将周长提高到波长(λ)的量级，并将间距约为λ/4，可以获得这种工作模式。辐射方向图沿轴向波束很宽且定向，在倾斜角度产生较小的旁瓣。

该图显示了螺旋天线轴向辐射模式的辐射方向图。

如果该天线设计用于右旋圆极化波，则它将不会接收左旋圆极化波，反之亦然。这种工作模式很容易产生，并且更实用。

优点

螺旋天线的优点如下：

• 设计简单
• 最高方向性
• 更宽的带宽
• 可以实现圆极化
• 也可以用于高频和甚高频波段

缺点

螺旋天线的缺点如下：

• 天线较大，需要更多空间
• 效率随着匝数的增加而降低

应用

螺旋天线的应用如下：

• 单个螺旋天线或其阵列用于发射和接收甚高频信号

• 经常用于卫星和空间探测器通信

• 用于地球站与弹道导弹和卫星的遥测链路

• 用于建立月球与地球之间的通信

• 射电天文学中的应用

天线理论 - 孔径天线

末端带有孔径的天线可以称为孔径天线。波导是孔径天线的一个例子。当传输线的边缘以开口终止时，会辐射能量。这个开口，即孔径，使其成为孔径天线。

孔径天线的主要类型包括：

• 波导天线
• 喇叭天线
• 缝隙天线

现在让我们来看看这些类型的孔径天线。

波导天线

波导在一端激励而在另一端打开时能够辐射能量。波导中的辐射大于双线传输线。

频率范围

波导的工作频率范围约为300MHz至300GHz。该天线在超高频和极高频频率范围内工作。下图显示了一个波导。

这个末端终止的波导充当天线。但只有一小部分能量被辐射，而大部分能量被反射回开路。这意味着驻波比（驻波比，在基本参数章节中讨论）值会增加。波导周围的衍射导致辐射不良和非定向辐射方向图。

辐射图

波导天线的辐射较差，方向图是非定向的，这意味着全向的。全向方向图是没有特定方向性但在所有方向上都辐射的，因此称为非定向辐射方向图。

上图显示了全向方向图的顶部剖视图，也称为非定向方向图。二维视图是如图8字形的方向图，我们已经知道了。

优点

孔径天线的优点如下：

• 辐射大于双线传输线
• 辐射为全向的

缺点

孔径天线的缺点如下：

• 驻波比增加
• 辐射不良

应用

孔径天线的应用如下：

• 微波应用
• 地面搜索雷达应用

波导天线必须进一步改进以实现更好的性能，这导致了喇叭天线的形成。

天线理论 - 喇叭天线

为了提高波束的辐射效率和方向性，应为波导提供扩展的孔径，以便将波的突然不连续性转换为逐渐的变换。这样所有朝前方向的能量都会被辐射出来。这可以称为喇叭状。现在，这可以使用喇叭天线来完成。

频率范围

喇叭天线的工作频率范围约为300MHz至30GHz。该天线在超高频和超高频频率范围内工作。

喇叭天线的结构和工作原理

当波束的能量缓慢地转换为辐射时，损耗会减少，并且波束的聚焦会得到改善。喇叭天线可以认为是喇叭状波导，通过它可以改善方向性和减少衍射。

上图显示了喇叭天线的模型。喇叭的喇叭状很明显。有几种喇叭配置，其中三种配置最常用。

扇形喇叭

这种类型的喇叭天线只在一个方向上喇叭状。沿电场矢量方向喇叭状产生扇形E面喇叭。类似地，沿磁场矢量方向喇叭状产生扇形H面喇叭。

锥形喇叭

这种类型的喇叭天线在两侧都有喇叭状。如果在矩形波导的E面和H面上都进行喇叭状，则会产生锥形喇叭天线。该天线呈截头锥体形状。

圆锥喇叭

当圆形波导的壁喇叭状时，它被称为圆锥喇叭。这是圆形波导的逻辑终端。

上图显示了前面讨论过的喇叭配置类型。

喇叭状有助于将天线阻抗与自由空间阻抗匹配，以获得更好的辐射。它避免了驻波比，并提供更大的方向性和更窄的波束宽度。喇叭状波导在技术上可以称为电磁喇叭辐射器。

喇叭天线的喇叭角Φ是一个重要的考虑因素。如果喇叭角太小，则产生的波将是球面波而不是平面波，辐射波束将不具有方向性。因此，喇叭角应具有最佳值，并且与其长度密切相关。

组合方式

喇叭天线也可以与抛物面反射天线组合，形成特殊类型的喇叭天线。这些包括：

• 卡塞格伦喇叭天线 (Cass-horn antenna)

• 猪鼻喇叭天线或三倍折叠喇叭反射器 (Hog-horn or triply folded horn reflector)

在卡塞格伦喇叭天线中，无线电波由大的底部表面（抛物面弯曲）收集，并以45°角向上反射。撞击顶部表面后，它们被反射到焦点。它们的增益和波束宽度与抛物面反射器相同。

在猪鼻喇叭天线中，抛物柱面连接到锥形喇叭，波束到达喇叭的顶点。它形成一个低噪声微波天线。猪鼻喇叭天线的主要优点是，即使天线绕其轴旋转，其接收点也不会移动。

辐射图

喇叭天线的辐射方向图是球面波阵面。下图显示了喇叭天线的辐射方向图。波从孔径辐射，最大限度地减少了波的衍射。喇叭的张开保持波束聚焦。辐射波束具有高方向性。

优点

喇叭天线的优点如下：

• 旁瓣小
• 阻抗匹配良好
• 方向性强
• 波束宽度窄
• 避免驻波

缺点

喇叭天线的缺点如下：

• 喇叭角的设计决定了方向性
• 喇叭角和喇叭长度不应过小

应用

喇叭天线的应用如下：

• 用于天文研究
• 用于微波应用

天线理论 - 槽天线

缝隙天线是孔径天线的一个例子。在导电板上开一个矩形缝隙。这些缝隙天线可以通过简单地在安装它们的表面上开一个切口来形成。

频率范围

缝隙天线的应用频率范围为300 MHz 至 30 GHz。它工作在超高频 (UHF) 和超短波 (SHF) 频率范围。

缝隙天线的构造和工作原理

通过其工作原理可以很好地理解缝隙天线的用途。让我们看一下缝隙天线的结构。

当在无限大的导电板上开一个矩形切口并在孔径（称为缝隙）中激发场时，它被称为缝隙天线。这可以通过观察缝隙天线的图像来理解。下图显示了缝隙天线的模型。

通过巴比涅原理可以很容易地理解缝隙天线的工作原理。这个概念介绍了缝隙天线。

巴比涅原理

巴比涅原理指出：“当带有开口的屏幕后面的场与互补结构的场相加时，其和等于没有屏幕时的场”。

上图清楚地解释了该原理。在所有与波束非共线的区域中，图1和图2中的这两个屏幕产生相同的衍射图案。

情况1 - 考虑一个光源和一个带孔的导电平面（场）在屏幕前。光不会穿过不透明区域，但会穿过孔径。

情况2 - 考虑光源和一个与前一情况中孔径大小相同的导电平面，将其固定在屏幕上。光不会穿过平面，但会穿过剩余的部分。

情况3 - 将这两种情况的两个导电平面组合起来，放在光源前面。不放置屏幕来观察组合的结果。屏幕的效果被抵消了。

缝隙天线的工作原理

该光学原理应用于电磁波以使波辐射。确实，当高频场存在于导电平面中的狭窄缝隙上时，能量会辐射出来。

该图显示了一个缝隙天线，很好地解释了它的工作原理。

考虑一个无限大的平面导电屏幕，并在其上打出所需形状和大小的孔，这将是缝隙天线的屏幕。另一个屏幕被认为是交换孔径和屏幕区域的位置，即互补屏幕。

这两个屏幕被称为互补屏幕，因为它们形成了完整的无限金属屏幕。现在，这变成了缝隙天线。终端阻抗非常适合辐射。

辐射图

缝隙天线的辐射方向图是全向的，就像半波偶极子天线一样。请看下图。它分别在水平面和垂直面绘制了缝隙天线的辐射方向图。

优点

缝隙天线的优点如下：

• 它可以制造并隐藏在金属物体中
• 它可以与小型发射机实现隐蔽通信

缺点

缝隙天线的缺点如下：

• 交叉极化水平较高
• 辐射效率低

应用

缝隙天线的应用如下：

• 通常用于雷达导航
• 用作由波导馈电的阵列

天线理论 - 微带天线

微带天线是低剖面天线。安装在地面上的金属贴片，中间有介电材料，构成微带天线或贴片天线。这些天线尺寸非常小，辐射低。

频率范围

贴片天线在高于100MHz的频率下很流行，适用于低剖面应用。

微带天线的构造和工作原理

微带天线由放置在地面平面上的非常薄的金属条组成，中间有介电材料。辐射单元和馈线通过在介电材料上进行光刻工艺来放置。通常，为了分析和制造的方便，贴片或微带的形状选择为正方形、圆形或矩形。下图显示了一个微带天线或贴片天线。

金属贴片的长度为λ/2。当天线被激励时，在介电材料内产生的波会发生反射，能量从金属贴片的边缘辐射出来，能量非常低。

辐射图

微带天线或贴片天线的辐射方向图是宽的。它具有低辐射功率和窄频率带宽。

上图显示了微带天线或贴片天线的辐射方向图。它的方向性较低。为了获得更高的方向性，可以使用这些贴片天线形成阵列。

优点

微带天线的优点如下：

• 重量轻
• 成本低
• 易于安装

缺点

微带天线的缺点如下：

• 辐射效率低
• 频率带宽窄

应用

微带天线的应用如下：

• 用于航天器应用
• 用于飞机应用
• 用于低剖面天线应用

天线理论 - 透镜天线

到目前为止，我们讨论的天线都使用了平面。透镜天线使用曲面进行发射和接收。透镜天线由玻璃制成，遵循透镜的会聚和发散特性。透镜天线用于较高频率的应用。

频率范围

透镜天线的适用频率范围从1000 MHz 开始，但在3000 MHz 及以上频率的应用更多。

为了更好地理解透镜天线，必须了解透镜的工作原理。普通的玻璃透镜的工作原理是折射。

透镜天线的构造和工作原理

如果假设光源位于透镜的焦点处，该焦点距离透镜的焦距，则光线穿过透镜后成为在平面波阵面上的准直光或平行光线。

穿过透镜中心的光线比穿过透镜边缘的光线折射少。所有光线都平行于平面波阵面发送。透镜的这种现象称为发散。

如果从同一透镜的右侧发送光束到左侧，则该过程将反向进行。然后，光束会发生折射，并在距离透镜焦距的点（称为焦点）处相遇。这种现象称为会聚。

通过观察下图可以更好地理解这一点：

光线图表示从光源到透镜的焦点和焦距。获得的平行光线也称为准直光线。

在上图中，位于焦点处的源（距离透镜的焦距）在平面波阵面中被准直。这种现象可以反转，这意味着如果光从左侧发送，则会聚在透镜的右侧。

正是由于这种互易性，透镜可以用作天线，因为同样的现象有助于利用同一根天线进行发射和接收。

显示了透镜天线模型的图像。

为了在较高频率下实现聚焦特性，折射率应小于1。无论折射率是多少，透镜的目的是矫正波形。基于此，开发了E面和H面透镜，它们还可以延迟或加速波阵面。

透镜天线的类型

以下是可用的透镜天线类型：

• 介质透镜或H面金属板透镜或延迟透镜（行波被透镜介质延迟）

• E面金属板透镜

• 非金属介质型透镜

• 金属或人工介质型透镜

优点

透镜天线的优点如下：

• 在透镜天线中，馈电和馈电支撑不会阻塞孔径。

• 它具有更大的设计公差。

• 可以处理比抛物面反射器更多的波。

• 波束可以相对于轴线进行角度移动。

缺点

以下是透镜天线的缺点：

• 透镜天线笨重，尤其是在较低频率下

• 设计复杂

• 与同规格的反射器相比，成本更高

应用

以下是透镜天线的应用：

• 用作宽带天线

• 尤其用于微波频率应用

透镜天线的聚合特性可用于开发更高级的天线，称为抛物面反射器天线，广泛用于卫星通信。我们将在下一章讨论它们。

天线理论 - 抛物面反射器

抛物面反射器是微波天线。为了更好地理解这些天线，必须讨论抛物面反射器的概念。

频率范围

抛物面反射器天线应用的频率范围为高于1MHz。这些天线广泛用于无线电和无线应用。

工作原理

抛物线的标准定义是：一个点的轨迹，该点以这样的方式移动：它到固定点（称为焦点）的距离加上它到一条直线（称为准线）的距离是常数。

下图显示了抛物面反射器的几何形状。点F是焦点（馈电点），V是顶点。连接F和V的线是对称轴。PQ是反射光线，其中L表示反射点所在的准线（表示它们是共线的）。因此，根据上述定义，F和L之间的距离相对于聚焦的波是恒定的。

反射波形成一个来自抛物线形状的准直波阵面。焦距与孔径大小之比（即，f/D）称为“f/D比”，是抛物面反射器的一个重要参数。其值在0.25到0.50之间变化。

反射定律指出，入射角和反射角相等。当与抛物线一起使用时，该定律有助于聚焦光束。抛物线的形状

当用于波的反射时，表现出抛物线的一些特性，这些特性有助于利用反射波构建天线。

抛物线的特性

• 所有起源于焦点的波都反射回抛物线轴。因此，到达孔径的所有波都同相。

• 由于波是同相的，沿抛物线轴的光束将很强且集中。

根据这些要点，抛物面反射器有助于产生具有较窄波束宽度的指向性。

抛物面反射器的构造和工作原理

如果抛物面反射器天线用于发射信号，则来自馈电的信号会从偶极子或喇叭天线发出，以将波聚焦到抛物线上。这意味着波从焦点发出并撞击抛物面反射器。如前所述，该波现在被反射为准直波阵面，以便进行发射。

同一根天线用作接收器。当电磁波撞击抛物线的形状时，波会被反射到馈电点。在其馈电处充当天线接收器的偶极子或喇叭天线接收此信号，将其转换为电信号并将其转发到接收电路。

下图显示了抛物面反射器天线。

抛物面的增益是孔径比(D/λ)的函数。天线的有效辐射功率(ERP)是馈送到天线的输入功率及其功率增益的乘积。

通常使用波导喇叭天线作为抛物面反射器天线的馈电辐射器。除了这种技术之外，我们还有另一种馈电方式提供给抛物面反射器天线，称为卡塞格伦馈电。

卡塞格伦馈电

卡塞格伦是另一种提供给反射器天线的馈电方式。在这种类型中，馈电位于抛物面的顶点，与抛物面反射器不同。一个凸形反射器（充当双曲线）放置在与天线馈电相对的位置。它也称为二次双曲线反射器或副反射器。它的位置使得它的一个焦点与抛物线的焦点重合。因此，波会被反射两次。

上图显示了卡塞格伦馈电的工作模型。

卡塞格伦天线的工作原理

当天线充当发射天线时，来自馈电的能量通过喇叭天线辐射到双曲线凹面反射器上，然后再次反射到抛物面反射器上。信号从那里反射到空间。因此，功率损耗得到控制，方向性得到改善。

当同一根天线用于接收时，电磁波撞击反射器，反射到凹面双曲线上，然后从那里到达馈电。一个波导喇叭天线在那里接收此信号并将其发送到接收电路进行放大。

请看下图。它显示了一个带有卡塞格伦馈电的抛物面反射器。

优点

以下是抛物面反射器天线的优点：

• 减少旁瓣

• 减少功率损耗

• 实现等效焦距

• 馈电可以根据我们的方便放置在任何位置

• 通过调整反射面来调整波束（变窄或变宽）

缺点

以下是抛物面反射器天线的缺点：

• 从抛物面反射器反射的部分功率会被阻塞。对于小型抛物面来说，这是一个问题。

应用

以下是抛物面反射器天线的应用：

• 卡塞格伦馈电抛物面反射器主要用于卫星通信。

• 也用于无线电信系统。

让我们看看另一种类型的馈电，称为抛物面反射器的格里高利馈电。

格里高利馈电

这是另一种使用的馈电类型。存在一对特定的配置，其中馈电波束宽度逐渐增加，而天线尺寸保持固定。这种类型的馈电称为格里高利馈电。在这里，卡塞格伦的凸形双曲线被一个凹形抛物面反射器代替，当然，它的尺寸较小。

这些格里高利馈电型反射器可以以四种方式使用：

• 在F1焦点处使用椭球副反射器的格里高利系统。

• 在F2焦点处使用椭球副反射器的格里高利系统。

• 使用双曲线副反射器（凸）的卡塞格伦系统。

• 使用双曲线副反射器（凹，但馈电非常靠近它）的卡塞格伦系统。

这些只是为了提及，因为它们并不流行且没有广泛使用。它们有其局限性。

该图清楚地描绘了所有类型反射器的运行模式。还有其他类型的抛物面反射器，例如：

• 截断抛物面
• 抛物柱面
• 药丸形抛物面

然而，由于它们在工作条件下的局限性和缺点，所有这些都很少使用。

因此，在所有类型的反射器天线中，简单的抛物面反射器和卡塞格伦馈电抛物面反射器是最常用的。

天线理论 - 天线阵列

当天线单独可以向特定方向辐射一定量的能量，从而实现更好的传输时，如果添加更多元件以产生更高效的输出会怎样？正是这个想法导致了天线阵列的发明。

通过观察下图可以更好地理解天线阵列。观察天线阵列是如何连接的。

天线阵列是一个辐射系统，它由单个辐射器和元件组成。每个辐射器在工作时都有其自身的感应场。元件放置得非常靠近，以至于每个元件都位于相邻元件的感应场中。因此，它们产生的辐射图将是各个辐射图的矢量和。下图显示了天线阵列的另一个示例。

在设计这些天线时，还应记住元件之间的间距以及根据波长的元件长度。

天线单独辐射，而在阵列中，所有元件的辐射相加，形成具有高增益、高方向性和更好性能以及最小损耗的辐射波束。

优点

以下是使用天线阵列的优点：

• 信号强度增加
• 获得高方向性
• 旁瓣大大减少
• 实现高信噪比
• 获得高增益
• 减少功率损耗
• 获得更好的性能

缺点

以下是阵列天线的缺点：

• 电阻损耗增加
• 安装和维护困难
• 需要巨大的外部空间

应用

以下是阵列天线的应用：

• 用于卫星通信
• 用于无线通信
• 用于军事雷达通信
• 用于天文研究

阵列类型

阵列的基本类型是：

• 共线阵列
• 宽边阵列
• 端射阵列
• 寄生阵列
• 八木天线阵列
• 对数周期阵列
• 转栅阵列
• 超级转栅阵列

我们将在接下来的章节中讨论这些阵列。

天线理论 - 共线阵列

共线阵列由两个或多个半波偶极子组成，它们首尾相连。这些天线放置在一条公共线或轴线上，平行或共线。

这些阵列中的最大辐射是宽边且垂直于阵列线的。这些阵列也称为广播或全向阵列。

频率范围

共线阵列天线工作的频率范围约为30 MHz至3 GHz，属于VHF和UHF波段。

阵列的构造

这些共线阵列是具有高增益的**单向天线**。该阵列的主要目的是通过避免能量在其他方向上的损失来增加辐射功率并提供高方向性波束。

以上图片显示了共线阵列的图片。图1中，可以看到共线阵列是用折叠偶极子形成的，而在图2中，共线阵列是由普通偶极子形成的。两种类型都是常用的半波偶极子。

辐射图

这些共线阵列的辐射方向图类似于单个偶极子的辐射方向图，但是随着偶极子数量的增加，阵列方向图会发生变化。

分别使用两个、三个和四个单元组成的共线阵列的辐射方向图如上图所示。

**宽边阵列**也具有相同的模式，其中最大辐射方向垂直于天线线。

优点

共线阵列天线的优点如下：

• 使用阵列可以减小宽端并增加方向性
• 最小化旁瓣
• 减少功率损耗

缺点

共线阵列天线的缺点如下：

• 这些天线的移位是一项困难的任务
• 仅用于户外区域

应用

共线阵列天线的应用如下：

• 用于VHF和UHF频段
• 用于双向通信
• 也用于广播目的

天线理论 - 旁瓣阵列

天线阵列最简单的形式是，具有许多大小相等、沿直线或轴线等距排列的单元，形成共线点，所有偶极子处于相同相位，来自同一源，共同构成**宽边阵列**。

频率范围

共线阵列天线的工作频率范围约为**30 MHz至3 GHz**，属于**VHF**和**UHF**频段。

宽边阵列的结构和工作原理

根据标准定义，“辐射的主要方向垂直于阵列轴线以及包含阵列单元的平面”被称为**宽边阵列**。因此，天线的辐射方向图垂直于阵列所在的轴线。

下图分别显示了宽边阵列的正面图和侧视图。

宽边阵列在垂直于阵列平面的方向上具有很强的方向性。但是，由于连接中心的能量抵消，平面内的辐射会非常小。

下图显示了单元间距为λ/4的宽边阵列。

宽边阵列中典型的单元长度为2到10个波长。典型的间距为λ/2或λ。偶极子的馈电点如图所示连接。

辐射图

这种天线的辐射方向图是双向的，并且垂直于平面。波束非常窄，增益很高。

上图显示了宽边阵列的辐射方向图。该波束略宽，旁瓣大大减少。

天线理论 - 端射阵列

**端射阵列**的物理排列与宽边阵列相同。每个单元中的电流大小相同，但是这些电流之间存在相位差。这种能量的感应在每个单元中有所不同，这可以通过下图理解。

上图分别显示了端射阵列的俯视图和侧视图。

由于抵消，垂直于阵列平面的方向没有辐射。第一个和第三个单元的反相馈电，因此相互抵消辐射。类似地，第二个和第四个单元反相馈电，以实现抵消。

通常的偶极子间距为λ/4或3λ/4。这种布置不仅有助于避免垂直于天线平面的辐射，而且还有助于将辐射能量转向整个阵列的辐射方向。因此，避免了旁瓣，并增加了方向性。随着单元数量的增加，波束变得更窄。

辐射图

端射阵列的辐射方向图是**单向的**。一个主瓣出现在一端，那里存在最大辐射，而旁瓣代表能量损失。

该图解释了端射阵列的辐射方向图。图1是单个阵列的辐射方向图，而图2、3和4分别代表多个阵列的辐射方向图。

端射阵列与宽边阵列

我们已经学习了这两种阵列。让我们尝试比较端射阵列和宽边阵列及其特性。

该图说明了端射阵列和宽边阵列的辐射方向图。

• 端射阵列和宽边阵列都是线性的且谐振的，因为它们由谐振单元组成。

• 由于谐振，这两种阵列都显示出更窄的波束和更高的方向性。

• 这两种阵列都用于发射。

• 两者都不用于接收，因为任何类型的接收都需要覆盖一定范围的频率。

天线理论 - 寄生阵列

如上所述，天线阵列用于提高增益和方向性。

**寄生单元**是一个依赖于其他馈电的单元。它没有自己的馈电。因此，在这种类型的阵列中，我们采用这种单元，它有助于间接增加辐射。

这些寄生单元不直接连接到馈电。

上图显示了一个寄生阵列的示例。图片中看到的网状结构只不过是一组反射器。这些反射器没有电气连接。它们通过增加波束的方向性来增加信号强度。

寄生阵列的结构和工作原理

让我们看看寄生阵列的重要组成部分以及它们的工作原理。

主要部件包括：

• 驱动单元
• 寄生单元
  • 反射器
  • 定向器
• 臂

驱动单元

天线单独辐射，而在阵列中，所有单元的辐射相加形成辐射波束。阵列的所有单元都不需要连接到馈电。连接到馈电的偶极子称为**驱动单元**。

寄生单元

添加的单元之间没有电气连接到驱动单元或馈电。它们的位置使得它们位于驱动单元的感应场中。因此，它们被称为**寄生单元**。

反射器

如果其中一个寄生单元比驱动单元长5%，并且放置在靠近驱动单元的地方，则它充当凹面镜，将能量反射到辐射方向图的方向，而不是它自己的方向，因此被称为**反射器**。

定向器

一个比驱动单元短5%的寄生单元，从它接收能量，倾向于增加它自身方向上的辐射，因此表现得像会聚凸透镜。这个单元称为**定向器**。放置多个定向器以增加方向性。

臂

放置所有这些单元的单元称为**臂**。它是一种非金属结构，提供绝缘，以便阵列的其他单元之间不会发生短路。

这些都是所有贡献辐射的主要单元。借助图表可以更好地理解这一点

上图是寄生阵列的图像，显示了寄生阵列的各个部分，例如驱动单元、定向器和反射器。馈电通过馈线提供。

这些阵列用于从**2MHz**到**几GHz**的频率范围。它们尤其用于获得高方向性和更好的前向增益以及**单向性**。这种类型阵列最常见的例子是**八木天线**。四木天线也可以作为另一个例子。

天线理论 - 八木天线

**八木天线**是过去几十年来最常用的电视接收天线类型。它是最流行和易于使用的天线类型之一，性能更好，以其高增益和方向性而闻名。

频率范围

八木天线的工作频率范围约为**30 MHz至3 GHz**，属于**VHF**和**UHF**频段。

八木天线的构造

在过去的几十年里，几乎每家每户屋顶上都能看到八木天线。寄生单元和偶极子共同构成八木天线。

该图显示了一个**八木天线**。可以看到，放置了许多定向器以增加天线的方向性。馈线是折叠偶极子。反射器是位于结构末端的较长单元。

该图描绘了八木天线的清晰形式。单元安装在其上的中心杆状结构称为**臂**。连接粗黑头的单元是**驱动单元**，传输线通过该黑色螺柱在内部连接。位于驱动单元后面的单个单元是**反射器**，它将所有能量反射到辐射方向图的方向。驱动单元之前的其他单元是**定向器**，它们将波束引导到所需的角度。

设计

要设计这种天线，应遵循以下设计规范。

它们是：

如果遵循上述规范，则可以设计八木天线。

辐射图

八木天线的指向性图是**高度指向性的**，如下面的图所示。

通过在天线上添加定向器，可以抑制旁瓣并提高主瓣的方向性。

优点

八木天线的优点如下：

• 获得高增益。
• 获得高方向性。
• 易于操作和维护。
• 浪费的功率较少。
• 更广泛的频率覆盖范围。

缺点

八木天线的缺点如下：

• 容易受到噪声的影响。
• 容易受到大气影响。

应用

八木天线的应用如下：

• 主要用于电视接收。
• 用于需要单频应用的地方。

天线理论 - 对数周期天线

八木天线主要用于家用。但是，对于商业用途以及在一定频率范围内进行调谐，我们需要另一种称为**对数周期天线**的天线。对数周期天线的阻抗是频率的对数周期函数。

频率范围

对数周期天线的工作频率范围约为**30 MHz至3 GHz**，属于**VHF**和**UHF**频段。

对数周期天线的结构与工作原理

对数周期天线的结构和工作原理类似于八木天线。这种天线的主要优点是其在所需的工作频率范围内具有恒定的特性。它具有相同的辐射电阻，因此具有相同的驻波比。增益和前后比也相同。

图片显示了一个对数周期天线。

随着工作频率的变化，有效区域在各个单元之间移动，因此并非所有单元在单个频率上都处于有效状态。这是它的特殊特性。

对数周期天线有多种类型，例如平面型、梯形型、锯齿型、V型、槽型和偶极子型。最常用的是对数周期偶极子阵列，简称LPDA。

上面给出了对数周期阵列的示意图。

观察其物理结构和电气特性，可以发现它们本质上是重复的。该阵列由不同长度和间距的偶极子组成，这些偶极子由两线传输线馈电。该线在每对相邻偶极子之间进行转置。

偶极子的长度和间距由以下公式确定：

$$\frac{R_{1}}{R_{2}} = \frac{R_{2}}{R_{3}} = \frac{R_{3}}{R_{4}} = T = \frac{l_{1}}{l_{2}} = \frac{l_{2}}{l_{3}} = \frac{l_{3}}{l_{4}}$$

其中

• τ是设计比，且τ<1
• R是馈电点和偶极子之间的距离
• l是偶极子的长度。

获得的定向增益从低到中等。辐射方向图可能是单向的或双向的。

辐射图

对数周期天线的辐射方向图可以是单向的或双向的，这取决于对数周期结构。

对于单向对数周期天线，朝向较短单元的辐射量相当大，而在前向方向上，辐射量很小或为零。

上面给出了单向对数周期天线的辐射方向图。

对于双向对数周期天线，最大辐射位于天线表面法线方向的宽边。

上图显示了双向对数周期天线的辐射方向图。

优点

对数周期天线的优点如下：

• 天线设计紧凑。
• 增益和辐射方向图可根据要求进行调整。

缺点

对数周期天线的缺点如下：

• 需要外置安装。
• 安装成本高。

应用

对数周期天线的应用如下：

• 用于高频通信。
• 用于特定类型的电视接收。
• 用于高频段的全方位监测。

天线理论 - 旋转栅天线

旋转栅天线是另一种阵列天线。这种阵列的形状象征着旋转栅，后者用于某些场所的入口处。这种天线在军事应用中具有多种用途。

频率范围

旋转栅天线的工作频率范围约为30 MHz至3 GHz，属于甚高频 (VHF)和超高频 (UHF)频段。

旋转栅天线的结构与工作原理

两个相同的半波偶极子相互垂直放置，并同相馈电。这些偶极子彼此之间相位差为90°。旋转栅阵列也可称为交叉偶极子阵列。

上图说明了旋转栅天线。

为了获得高方向性，可以沿垂直轴堆叠多个旋转栅，并按上图所示进行定相。这些旋转栅天线的极化取决于其工作模式。

这种偶极子对经常堆叠在一起，被称为单元 (BAY)。在上图中，两个单元之间相隔半个波长(λ/2)，并且相应的单元同相馈电。单元组合产生的辐射导致更好的方向性。

工作模式

旋转栅天线的工作模式如下。

法向模式

在正常工作模式下，天线辐射水平极化波，这些波垂直于其轴线。

轴向模式

在轴向工作模式下，天线沿其轴线（即平行于其轴线）辐射圆极化波。

对于圆极化，使用右旋圆极化辐射的发送器应具有相同的右旋圆极化接收器，反之亦然。如果它是左旋圆极化的，与发送器不同，则会严重损失增益。

超级旋转栅天线

对于旋转栅天线，辐射功率比辐射相同功率的半波偶极子的最大辐射低3dB。因此，为了克服这一缺点，建造了超级旋转栅天线。

超级旋转栅天线中简单的偶极子单元被四个平板单元代替。超级旋转栅阵列的设计使得可以在单个桅杆上建造1到8个单元。超级旋转栅天线的另一个名称是蝙蝠翼天线。

上图显示了超级旋转栅天线。图1显示了超级旋转栅阵列的布置，红色点是馈电点。图2显示了用于卫星通信的堆叠式旋转栅阵列。

辐射图

辐射方向图将类似于两个叠加偶极子的辐射方向图。虽然它接近全向图，但它留下了三叶草形状的图样。

上图显示了旋转栅阵列的辐射方向图。典型的“8”字形图样组合在一起，产生了一个近似圆形的图样。

• 图A显示了组合在一起的各个图样。

• 图B显示了单个单元的垂直图样以及四个单元的组合图样。

• 图C显示了四个单元的组合图样，显示出更好的方向性。

优点

旋转栅天线的优点如下：

• 通过堆叠实现高增益

• 超级旋转栅产生高增益输出

• 实现更好的方向性

缺点

旋转栅天线的缺点如下：

• 辐射功率比辐射相同功率的半波偶极子的最大辐射低3dB。

应用

旋转栅天线的应用如下：

• 用于甚高频通信

• 用于调频和电视广播

• 用于军事通信

• 用于卫星通信

天线理论 - 频谱与传输

在地球大气层中，波的传播不仅取决于波的特性，还取决于环境效应和地球大气层。为了了解波如何在环境中传播，必须研究所有这些因素。

让我们看一下发生信号传输或接收的频谱。根据天线的工作频率范围，制造不同类型的。天线。

电磁频谱

无线通信基于电磁波的广播和接收原理。这些波可以通过它们的频率 (f) 和波长 (λ) 来表征。

下图给出了电磁频谱的图示。

低频段

低频段包括频谱的无线电、微波、红外和可见光部分。它们可以通过调制波的幅度、频率或相位来用于信息传输。

高频段

高频段包括X射线和伽马射线。理论上，这些波更适合信息传播。然而，由于难以调制以及这些波对生物体有害，因此在实践中不使用这些波。此外，高频波不容易穿过建筑物。

频段及其用途

下表显示了频段及其用途：

频谱分配

由于电磁频谱是公共资源，任何人都可以访问，因此已经制定了一些国家和国际协议，规定频谱内不同频段的用途。各国的政府为调幅/调频广播、电视广播、移动电话、军事通信和政府用途等应用分配频谱。

在全球范围内，国际电信联盟无线电通信(ITU-R)局的一个机构，即世界无线电行政会议(WARC)，试图协调各国政府的频谱分配，以便可以制造可在多个国家/地区工作的通信设备。

传输限制

影响电磁波传输的四种类型的限制是：

衰减

根据标准定义，“信号质量和强度下降称为衰减”。

信号强度随传输介质中的距离而下降。衰减程度是距离、传输介质以及底层传输频率的函数。即使在自由空间中，没有任何其他损伤，传输信号也会随着距离衰减，这仅仅是因为信号正在传播到越来越大的区域。

失真

根据标准定义，“任何改变信号的频率分量之间的基本关系或信号的幅度水平的变化都称为失真”。

信号失真是一个过程，它会扰乱信号的特性，增加一些不需要的成分，从而影响信号的质量。这通常发生在调频接收器中，其中接收到的信号有时会完全失真，输出嗡嗡声。

色散

根据标准定义，“色散是电磁波的传播速度取决于波长的现象”。

色散是指电磁能量脉冲在传播过程中扩散的现象。它在有线传输中尤其普遍，例如光纤。由于色散，快速连续发送的数据脉冲往往会合并。导线的长度越长，色散的影响越严重。色散的影响是限制 R 和 L 的乘积。其中‘R’代表数据速率，‘L’代表距离。

噪声

根据标准定义，“任何形式的干扰能量，都会妨碍对所需信号的正确和轻松接收和再现，这种能量被称为噪声”。

最普遍的噪声形式是热噪声。它通常使用加性高斯模型进行建模。热噪声是由电子的热扰动引起的，并且在整个频谱中均匀分布。

其他形式的噪声包括：

• 互调噪声 - 由在载波频率的和或差频率产生的信号引起。

• 串扰 - 两个信号之间的干扰。

• 脉冲噪声 - 由外部电磁干扰引起的能量高的不规则脉冲。脉冲噪声可能不会对模拟数据产生重大影响。但是，它对数字数据有明显的影响，导致突发错误。

天线理论 - 传播类型

本章，让我们一起学习一些有趣的主题，例如无线电波的特性、无线电波的传播及其类型。

无线电波

无线电波易于产生，并且由于其能够穿透建筑物并传播很长距离的能力，因此广泛用于室内和室外通信。

主要特征如下：

• 由于无线电传输本质上是全向的，因此不需要物理对准发射器和接收器。

• 无线电波的频率决定了许多传输特性。

• 在低频下，波可以轻松地穿过障碍物。但是，它们的功率随距离的平方反比关系下降。

• 高频波更容易被雨滴吸收，并被障碍物反射。

• 由于无线电波的传输范围长，传输之间的干扰是一个需要解决的问题。

在甚低频 (VLF)、低频 (LF) 和中频 (MF) 波段，波的传播（也称为地波）遵循地球的曲率。这些波的最大传输范围约为几百公里。它们用于低带宽传输，例如调幅 (AM) 广播。

高频 (HF) 和甚高频 (VHF) 波段的传输被地球表面的大气吸收。但是，一部分辐射（称为天波）会向外和向上辐射到高层大气中的电离层。电离层包含由太阳辐射形成的电离粒子。这些电离粒子将天波反射回地球。强大的天波可以在地球和电离层之间反射多次。业余无线电爱好者和军事通信都使用天波。

无线电波传播

在无线电通信系统中，我们使用无线电磁波作为信道。不同规格的天线可用于此目的。这些天线的大小取决于待传输信号的带宽和频率。

电磁波在大气和自由空间中的传播方式可分为以下三类：

• 视距 (LOS) 传播
• 地波传播
• 天波传播

在极低频 (ELF) 和甚低频 (VLF) 频段，地球和电离层充当电磁波传播的波导。

在这些频率范围内，通信信号实际上可以传播到世界各地。信道带宽较小。因此，通过这些信道传输的信息速度较慢，并且仅限于数字传输。

视距 (LOS) 传播

在各种传播模式中，视距传播是我们通常注意到的那种。在视距通信中，顾名思义，波传播的距离最小。这意味着它传播到肉眼可见的距离。之后会发生什么？我们需要在这里使用放大器加发射器来放大信号并再次传输。

借助下图可以更好地理解这一点。

该图非常清楚地描述了这种传播模式。如果在传输路径中出现任何障碍物，则视距传播将不平滑。由于信号在这种模式下只能传播较短的距离，因此这种传输用于红外线或微波传输。

地波传播

波的地波传播遵循地球的轮廓。这种波称为直达波。波有时会因地球磁场而弯曲，并被反射到接收器。这种波可以称为反射波。

上图描述了地波传播。当波穿过地球大气层时，称为地波。直达波和反射波共同贡献接收站的信号。当波最终到达接收器时，延迟被抵消。此外，对信号进行滤波以避免失真，并进行放大以获得清晰的输出。

天波传播

当波需要传播更长距离时，首选天波传播。此处，波被投射到空中，然后再次反射回地球。

天波传播在上图中得到了很好的描述。这里显示波从一个地方发射，并被许多接收器接收。因此，它是一个广播的例子。

从发射天线发射的波从电离层反射。它由几层带电粒子组成，高度范围从地球表面上方 30-250 英里不等。这种波从发射器到电离层，再从电离层到地球上的接收器的传播称为天波传播。电离层是地球大气层周围的电离层，适合天波传播。

天线理论 - 电离层及其各层

地球大气层有几层。这些层在无线通信中起着重要作用。它们主要分为三层。

对流层

这是地球上紧挨地面的那一层。我们，动植物都生活在这一层。地波传播和视距传播都发生在这里。

平流层

这是地球上位于对流层上方的那一层。鸟类在这一区域飞行。飞机也在这区域飞行。臭氧层也存在于这个区域。地波传播和视距传播都发生在这里。

电离层

这是地球大气的上层，电离作用明显。太阳辐射的能量不仅加热该区域，还会产生正离子和负离子。由于太阳不断辐射紫外线且气压低，这一层促进了粒子的电离。

电离层的重要性

由于以下原因，电离层在波传播阶段是一个非常重要的考虑因素：

• 电离层下方的层具有较高数量的空气颗粒和较低的紫外线辐射。因此，发生更多碰撞，粒子的电离最小且不恒定。

• 电离层上方的层具有非常少量的空气颗粒，电离密度也相当低。因此，电离不充分。

• 电离层具有良好的紫外线辐射成分和平均空气密度，不会影响电离。因此，该层对天波传播的影响最大。

电离层具有不同压力下的不同气体。不同的电离剂在不同的高度电离这些气体。由于在每个级别都进行了不同程度的电离，并且具有不同的气体，因此在电离层中形成了具有不同特性的几层。

可以从下图研究电离层的各层。

层的数量、高度以及可以弯曲的天波数量会逐日、逐月和逐年变化。对于每一层，都存在一个频率，如果将波垂直向上发送，则该频率高于该频率，波就会穿透该层。

这些层的功能取决于一天中的时间，即白天和黑夜。白天有三个主要层：E 层、F1 层和 F2 层。还有一个称为 D 层的层位于 E 层下方。该层位于对流层上方 50 至 90 公里处。

下图描述了地球大气中白天和黑夜存在的各层。

该 D 层导致白天 HF 波的衰减。在夜间，该 D 层几乎消失，F1 层和 F2 层合并形成 F 层。因此，夜间只有E 层和 F 层。

天线理论 - 波传播中的术语

在波传播过程中，我们经常遇到一些术语。让我们逐一讨论这些术语。

虚拟高度

当波被折射时，它会逐渐向下弯曲，而不是急剧弯曲。但是，如果波是从该层更高的高度表面反射的，则入射波和反射波的路径相同。这种较高的高度称为虚拟高度。

该图清楚地区分了虚拟高度（假设反射的波的高度）和实际高度（折射高度）。如果已知虚拟高度，则可以找到入射角。

临界频率

某层的临界频率决定了该层将在被发射机直接向上发射到空中后返回到地球的最高频率。

当电离密度以方便的方式通过各层变化时，波将向下弯曲。以最小衰减弯曲并到达接收站的最大频率可以称为临界频率。这用f_c表示。

多径

对于高于 30 MHz 的频率，存在天波传播。信号多径是电磁波通过天波传播的常见问题。从电离层反射的波可以称为跳跃或跳频。信号可能有多次跳跃，因为它可能在电离层和地球表面之间多次来回移动。这种信号的移动可以称为多径。

上图显示了一个多径传播的示例。多径传播是一个术语，它描述了信号到达目的地所经过的多个路径。这些路径包括许多跳跃。这些路径可能是反射、折射甚至衍射的结果。最后，当来自这些不同路径的信号到达接收器时，它会携带传播延迟、额外噪声、相位差等，从而降低接收输出的质量。

衰落

信号质量的下降可以称为衰落。这是由于大气效应或多径反射引起的。

衰落是指信号强度随时间/距离变化的现象。它在无线传输中非常普遍。无线环境中衰落最常见的原因是多径传播和移动性（物体以及通信设备的移动）。

跳跃距离

从发射机到接收机在地球表面上可测量的距离，在此距离上，从电离层反射的信号可以以最少的跳跃或跳跃次数到达接收机，被称为跳跃距离。

最大可用频率 (MUF)

最大可用频率 (MUF) 是发射机发射的最高频率，与发射机的功率无关。从电离层反射到接收机的最高频率称为临界频率，fc。

$$MUF = \frac{临界频率}{\cos\theta} = f_{c}\sec\theta$$

最佳工作频率 (OWF)

对于特定传输最常使用的频率，并且预测在特定时间段内、在特定路径上使用的频率，称为最佳工作频率 (OWF)。

符号间干扰

符号间干扰 (ISI) 在通信系统中更为常见。这也是信号多径的主要原因。当信号通过不同的传播路径到达接收站时，它们会相互抵消，这被称为信号衰落现象。这里应该记住，信号以矢量方式相互抵消。

趋肤深度

电磁波不适合水下传播。但是，如果我们将传播频率降低到极低，它们可以在水下传播。水下电磁波的衰减用趋肤深度表示。趋肤深度定义为信号衰减到1/e的距离。它是衡量电磁波可以穿透的深度的量度。趋肤深度表示为δ（delta）。

波导传播

在对流层约50米的高度，存在一种现象：温度随高度增加。在对流层的这个区域，高频或微波频率倾向于折射回地球大气层，而不是射入电离层反射。这些波即使传播到1000公里远的距离，也能绕过地球曲率传播。

这种折射在这个对流层区域持续进行。这可以称为超折射或波导传播。

上图显示了波导传播的过程。波导形成的主要要求是温度反转。温度随高度增加而不是降低的现象称为温度反转现象。

我们讨论了在波传播中遇到的重要参数。使用这种波传播技术传输和接收高频波。