最专业最全面天线原理汇总2

球坐标系

将电流元沿球坐标的Z轴放置，中心位于原点，如图所示，因为电流元上电流分布为理想的线电流，则有，利用磁矢位“A”的求解公式，可得：

可知，由于电流“J”的方向沿z方向，所以磁矢位“A”的方向也只有z方向的分量。依据上式中定义的“H”与“A”的关系，可以计算出“H”的分布为：

即磁场“H”只有“”方向分量，再依据maxwell方程，即可求出空间电场“E”的分布：

即电场“E”只有“R”和“”方向的分量。至此，就完成电流元空间电磁场分布的计算。

• 功率流

随着时间的推移，电流元产生的电磁场从场源向外空间传播，形成电磁波。电磁波向外传播的过程中伴随着的能量的传递，坡印廷矢量表征的就是电磁波传播的过程中的功率流密度，其定义为：

可知，坡印廷矢量沿“R”方向为实数，而沿“”方向则为虚数 ，表明电磁波传播的过程中，沿径向确实存在着能量的流动，而沿环向，能量则是以“电场储能”和“磁场储能”的形式不断的转化。实功率密度表示为：

• 场的分区

电磁场的分布与距离电流元的距离“R”存在着密切联系，距离的远近决定了场分布的主要形式有所不同。

近区场

近区场指的是，即（但），在此区域，电场和磁场的表达式可近似表示为：

可知，磁场为纯实数，电场为纯虚数，因此坡印廷廷矢量为纯虚数，表示近场区的能量传递形式主要以“电场储能”与“磁场储能”相互转换的形式存在。

可知， 电场只有“ ”方向分量，磁场只有“”方向分量 ，其表达式仅相差“”倍，且电场与磁场均为纯虚数，则坡印廷矢量为纯实数，即远区场的能量传递形式主要以电磁辐射为主。对于天线电性能的研究，我们主要考察还是远区场的辐射特性，其电场方向图为下图所示的“纺锤形”，磁场的远区场强分布形式与电场一致，区别在于方向与电场方向相垂直。

振子方向图

• • 基本磁振子的辐射

依据对偶原理，通过“基本电振子”的场分布形式，可以直接获得基本磁振子的辐射特性：

对比基本电振子的远区场分布，电场和磁场的方向图因子（反映了方向图的形）没有变，只是电场的方向变成了沿“”方向，而磁场的方向变成了沿“”方向。

• 基本缝隙的辐射

基本缝隙等效

依据巴比涅互补原理， 基本缝隙与基本电振子互补 ，要想求的基本缝隙的辐射特性，我们先计算一下基本电振子的辐射特性。

由于互补的基本电振子为无限薄的片状振子，其截面周长可视为2d，于是基本电振子上的面电流密度以及电流可表示为：

可知基本磁振子的辐射取决于振子表面的切向电场" Et" ,而对于基本缝隙，如果缝隙上的外加电压为，，则有：

对比磁振子的方向图特性，可知：1）基本缝隙天线的辐射的方向图与基本磁振子的辐射方向图一致；2）电场与磁场的方向相替换。

• 基本面元的辐射

等效原理

面天线通常由金属面S1和初级辐射器组成，假设封闭曲面S将空间分成为两个区域，其中区域Ⅰ包含源，区域Ⅱ不包含源，面天线的辐射问题就转化为口径S2的辐射， 依据惠更斯-菲涅尔原理，将口径面分割成许许多多面元，这些面元称为惠更斯元 。

惠更斯元

面元上的等效电流和等效磁流为：

在E面上（yoz平面），辐射电场的组成包括两个方面，等效电流产生的电场以及等效磁流源产生的电场，其中等效电振子产生的辐射电场为：

等效基本磁振子产生的辐射电场为：

考虑到，，以及和，并令dS=dxdy，则总的辐射电场可以表示为：

坐标关系

同样地，也可以得到H面上的远区辐射场为：

这表明惠更斯元在E面和H面远区辐射场具有完全一致的形式 ，可以统一写为：

其方向图如图所示，可知，不同于偶极子阵列的对称指向，基本面元最大增益指向一个方向。

基本面元的方向图

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三、工程参数

如图所示，天线作为连接微波器件和自由空间的纽带，在研究其功能特性时，我们既需要关注其作为微波元器件的**“电路参数” ，还需要关注其作为向自由空间辐射电磁波的 “场参数”**，同时将二者联系起来的则是决定其上电流分布的结构物理参量，这也正是天线的分析需要使用基于“麦克斯韦方程”的场分析方法，同时还需要“等效电路”的分析方法。

天线工程参量分类

1.方向图相关参数

天线方向图作为天线设计最重要的一个参数，直接决定了天线辐射定向性能的优劣。 波束越窄，表示天线的定向性能越好，反之，波束越宽，则表示天线的全向性能越好 ，两种不同形式的方向图分布分别用于不同的场合。方向图相关参数分别有：

• 增益
• 主瓣宽度
• 副瓣电平
• 旁瓣电平

天线方向图构成

2.效率

由于实际天线中导体和介质要引入一定的欧姆损耗，因此天线的辐射功率Pr，一般都小于天线的输入功率Pin， 天线的效率就定义为两个之间的比值 （Pd为损耗的功率）。

3.增益系数

为了全面衡量天线能量转换和方向性性能，通常将方向图系数和天线效率两者联系起来，引入一个新的特性参数——增益系数。其定义为， 天线在远区最大辐射方向上某点的功率密度与输入功率相同的无方向性天线在同一点的功率密度之比 。

4.有效长度

为了衡量天线的辐射能力，通常引入天线有效长度这一参数，天线的有效长度定义为，在保持实际天线最大辐射方向上场强值不变的条件下， 假设天线上电流为均匀分布时的天线长度 ，它是将天线最大辐射方向上的场强与天线的电流联系起来的一个参数。

5.输入阻抗

对于线天线，其输入阻抗定义为天线输入端的复电压与复电流之比，其为复数，包含着实部（电阻）和虚部（电抗）：

6.天线极化

电磁波是矢量，矢量除了有大小还有方向，如果用箭头表示电场矢量（长度表示电场幅值，指向代表方向）。如图所示，随着电磁波传输， 如果箭头端头始终在画直线，则为线极化，同理，画圆就是圆极化，画椭圆就是椭圆极化 。而天线的极化指的就是其辐射出的电磁波的极化方式。（图片来自网络）

电磁波的三种极化方式

四、天线家族

介绍完天线的基础理论后，就开始利用这些理论对常见的几种天线进行分析，按照天线的结构形式主要分为两类：1）线天线；2）面天线。

其中线天线主要介绍：1)振子天线；2）螺旋天线；3）引向天线；4）非频变变天。面天线主要介绍：1）喇叭天线；2）抛物面天线；3）缝隙天线；4）微带天线。

我们希望利用上文提到的分析理论，对不同天线的分析方式进行简单阐述，同时结合全波仿真软件，按照不同天线的性能特点，对其工程参数进行形象地展示，力图让大家快速建立起对这些常见天线最直观的认识。