《电磁场微波技术与天线》第六章 天线基本理论

本章节以应用知识为主，拓宽大家的知识面。先看看会涉及哪些知识点？

1. 天线的定义与功能：

• 天线是用来辐射和接收无线电波的装置，其功能包括将导波能量尽可能多地转化为电磁波能量、使电磁波尽可能集中于确定的方向、发射或接收规定极化的电磁波以及有足够的工作频带。

2. 天线的分类：

• 按电流类型，可分为电流元天线、磁流元天线等；按用途，有通信天线、雷达天线、电视天线等；按使用范围，包括长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等；按特性，可分为全向天线、定向天线等；按馈电方式，有同轴馈电天线、微带馈电天线等；按波段，可分为不同波段的天线 。

3. 电基本振子：介绍电基本振子的概念，它是一段长度远小于波长、电流振幅均匀分布、相位基本相同的直线电流元，是分析天线辐射特性的基础。

4. 天线的电参数：

• 方向图：描述天线辐射场强在空间的分布情况，包括主瓣、旁瓣和后瓣等。

• 主瓣宽度：主瓣最大值两侧场强下降到一定程度（如半功率点）的夹角，衡量天线辐射的集中程度。

• 旁瓣电平：旁瓣最大值与主瓣最大值之比，通常用分贝表示，反映天线对不需要方向辐射的抑制能力。

• 方向系数：表示天线向某一个方向集中辐射电磁波的程度，定义为天线在远区最大辐射方向上某点的平均辐射功率密度与平均辐射功率相同的无方向性天线在同一点的平均辐射功率密度之比。

• 天线效率：天线的平均功率与平均输入功率之比，反映天线将输入功率转化为辐射功率的效率。

• 极化特性：指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律，分为线极化、圆极化和椭圆极化，圆极化和椭圆极化还可分为左旋和右旋。

• 频带宽度：天线能有效工作的频率范围。

• 输入阻抗：天线输入端的复电压与复电流之比，影响天线与传输线的匹配情况。

5. 对称振子天线：

• 分析对称振子的结构，由两根粗细和长度都相同的导线构成，中间为两个馈电点。

• 研究对称振子的电流分布，通常可近似认为是开路时的正弦分布模式。

• 探讨对称振子的辐射场，包括远区场的表达式和特点等。

• 计算对称振子的辐射电阻、方向图等特性参数。

6. 天线阵：

• 介绍天线阵的概念，由多个天线单元按一定方式排列组成。

• 分析二元阵天线的辐射特性，包括两个形式和取向相同的天线单元沿直线坐标系的某一坐标轴排列时的辐射场计算、方向图等。

• 阐述天线阵的方向性乘积定理，即天线阵的总方向图等于单元天线的方向图与阵因子的乘积。

7. 接收天线的理论：

• 讨论接收天线的基本原理，以及接收天线与发射天线的互易性。

• 说明接收天线的方向性要求，如主瓣宽度尽可能窄以抑制干扰、旁瓣电平尽可能低、最好能有一个或多个可控制的零点以便将零点对准干扰方向等。

8. 天线的有效长度：在保持实际天线最大辐射方向上场强不变的条件下，假设天线上电流为均匀分布时天线的有效长度，该长度越长，表明天线辐射能力越强 。

• 辐射场：
• 近区场：在近区（      ，      是自由空间相位常数，      是距离），电场和磁场存在      的相位差，能量在电场和磁场以及场和源之间交换，没有能量辐射，因此近区场也称为感应场。
• 远区场：在远区（      ），电场只有      分量，磁场只有      分量，且电场和磁场的相位相同。电磁波沿着球坐标系的      方向向外辐射，远区场也称为辐射场。远区场的电场、磁场和传播方向三者相互垂直，是横电磁波（TEM 波），且电场分量      和磁场分量      的比值为常数，等于自由空间的波阻抗（对于自由空间而言，波阻抗为      ，其中      为自由空间导磁率，      为自由空间介电常数）。
• 方向图：电基本振子的方向图是描述其辐射场在空间中相对强度分布的图形。在球坐标系中，电基本振子的辐射场具有方向性，在不同方向上的辐射强度不同。例如，在赤道平面（H 面）上，方向图是一个圆；在子午平面（E 面）上，方向图呈 “8” 字形。
• 辐射功率：电基本振子会向周围空间辐射电磁能量，其辐射功率与电流的大小、导线长度等因素有关。可以通过相关公式计算电基本振子的辐射功率。
• 应用：电基本振子是研究复杂天线辐射特性的基础，实际的天线可以看作是由许多电基本振子组成的。通过对电基本振子的研究和分析，可以了解天线的基本辐射原理和特性，为设计和优化各种天线提供理论依据。例如，半波振子天线（总长度为半个波长的对称振子）就是基于电基本振子的原理发展而来的，它在很多实际应用中广泛使用。

• 对偶关系：根据电磁场对偶性原理，磁基本振子的辐射场可从电基本振子的辐射场对应得出，它们的场具有一定的对偶性。比如，磁流元和电流元（电基本振子）的场成对偶关系，磁基本振子的方向图与电基本振子的方向图形式相同，差别仅在于含轴平面对电流元是 E 面（电场矢量所在的平面），而对磁基本振子是 H 面（磁场矢量所在的平面），垂直轴平面反之 12。
• 辐射特性：电基本振子是由实际的线电流上取出的一段非常短的直线电流，其长度远小于工作波长，沿线各点的电流可视为相同 2。磁基本振子同样可看作一个基本的辐射单元，载有交变磁流，能产生电磁场并向外辐射能量。

• 理论分析：虽然实际中可能不存在单独的磁基本振子，但它为分析复杂天线系统提供了理论基础。通过将复杂天线分解为多个基本振子的组合，可以利用磁基本振子的特性来近似计算和分析天线的辐射特性、方向性等，有助于深入理解天线的工作原理和性能。
• 天线设计：在一些天线结构的设计中，会利用到磁基本振子的概念来优化天线的性能。例如，在某些特殊形状或结构的天线中，通过合理布置电流和磁流的分布，使其产生类似于磁基本振子的辐射效果，以实现特定的方向图、增益等要求。

修订记录

20240816 完成初稿；

20241028 修订内容；