最专业最全面天线原理汇总3

1.线天线

• 振子天线

• 分析方法

由上文基本电振子的辐射特性可知，长度为的电振子的远场“电场”和“磁场”分布为：

长度为的半波电振子的远场分布可利用基本振子的“电场”和“磁场”分布在线段“”积分而得：

• 辐射机理

半波振子上的电流分布如图所示， 电流的幅值呈余弦分布，电流的方向沿导线方向进行来回振荡 ，该电流是产生电磁辐射的主要原因。

半波偶极子天线电流分布

电流分布（量化）

由基本电振子的远场辐射方向图可知：电场和磁场的方向图函数一致，区别在于电场的方向与电流平行，而磁场的方向与电流垂直。其中E面方向图呈纺锤形，H面方向图为圆形。

振子天线方向图

• 螺旋天线

通过调节螺旋天线的直径d、螺距h等参数，可以实现三种方向图形式完全不同的天线：1）端射型；2）侧射型；3）圆锥辐射性。

螺旋天线构成

螺旋天线的辐射特性与螺旋线的直径和周长的比值有关，当,天线的最大辐射方向为环向，为侧射型，这种模式为法向模， 由于太细了，此时螺旋天线近似为一个单极子天线 ；当，即螺旋天线的一圈的周长约为一个波长，天线的最大辐射方向沿螺旋线的轴线方向，为端射型，这种模式为轴向模， 此时螺旋线上相邻圈上的电流相位近似同相，辐射电场沿轴向方向进行同相叠加 ，最终形成端射的辐射特性；当，天线的最大辐射方向将偏离螺旋线轴线，方向图变为圆锥形，相应的形成侧射型天线。

螺旋天线分类

下面将着重对侧射型和端射型两种形式的螺旋天线的辐射特性以及宽带特性进行说明。

• 螺旋天线-法向模

对于侧射型的螺旋天线，方向图与单极子天线近似，对比其上的电流分布，可以发现其与单极子天线电流分布相似， 为驻波型，这就意味着其带宽会相对较窄 。

侧射型螺旋天线方向图

电流分布

电压驻波比

• 螺旋天线-轴向模

当螺旋线的周长约等于一个波长时，此时天线的方向图如图所示，为端射型。与侧射型螺旋天线不同的是， 端射型螺旋天线具有很宽的带宽 ，这种宽带特性可以通过其上的电流分布而得。

当螺旋天线工作在低频段时，其上的电流分布呈驻波型。

电流分布

低频电流分布

随着工作频率的提高，其上的电流分布发生了显著的变化，将螺旋线上的电流分布分解为流出电流和反射电流， 由于反射电流在终端反射后迅速衰减，反射电流对不会对入射电流分布产生影响 ，使得占螺旋线大部分中间区域上以流出波为主而VSWR很小，其可以在很宽的频段范围内保持着很低的VSWR。

高频电流分布

电流的分解

宽带匹配

• 引向天线

八木天线是一种重要的引向天线，它是由日本东北大学的八木和宇田共同研制而成，全称“八木-宇田天线”，简称“八木天线”。

其被广泛应用于米波和分米波段的通信、雷达、电视及其他无线电技术设备中。八木天线的基本结构包括三个：1）有源振子；2）反射器；3）引向器，所有振子都排列在一个平面内，且相互平行，它们的中点都固定在一根金属杆上，除了有源振子馈电点与金属杆绝缘，无源振子与金属杆均短路连接，因为金属杆与各个振子垂直，所以金属杆上不感应电流，也不参与辐射。

基本结构组成

• 分析方法

感生电动势法是分析八木天线的一种基本方法，以约翰-克劳斯的《天线》中的分析观点， 将反射振子和引向振子看作有源振子的“寄生单元” ，其上的电流由有源振子的场感应产生。

如图所示为振子长度与阻抗之间的关系，由于互阻抗随振子长度的变化不是很剧烈，八木天线振子约半个波长，振子间的互阻抗主要取决于振子间的间距。

间距一般取0.15~0.4波长, 而自阻抗主要取决于振子本身的长度：1）无源振子的长度大于半波长时, 无源振子成“感性”，由图可知，R11>0和X11>0，，即无源振子上的电流相位超前有源振子， 依据阵理论 ，****最大辐射方向指向相位滞后的方向，在此方向上相邻单元之间的波程差产生的相位差恰好抵消电流的相位差，有源振子和无源振子的电磁场指向有源振子方向同向叠加得到最大值，因而沿寄生至馈电单元方向的场大于相反方向的场，这种“寄生单元”就是八木天线的反射器；2） 当无源振子的长度小于半波长时，无源振子的阻抗呈“容性” ，R11>0和X11<0,，即无源振子上的感应电流相位滞后有源振子，因而沿激励至寄生单元方向的场大于相反方向的场，这就是引向器。

阻抗的实部和虚部

如图所示为八木天线各振子上的电流分布，引向器的长度一般比激励单元短5%或5%以上，引向器上感应电流的大小也小于有源振子的电流强度。

各振子上的电流分布

由于反射器上感应电流的相位超前有源振子 , 而引向器上感应电流的相位依次滞后, 因而有慢波结构的表面波沿轴向传播, **八木天线实质上是端射行波天线 ** 。

如图所示，对比“半波振子”和“八木天线”的近场分布可知，因为“反射器”和“引向器”的作用，大部分电磁波朝引向器一侧传播。 各****个振子就如同赛艇上的每个桨手，划桨保持“同频同相” ，才能使得赛艇以最快的速度朝着一个方向行驶。****

仅有源振子的近场

包含反射器和引向器的八木天线的近场

适当的调节天线的几何参数, 即单元长度、直径和间距, 可使行波相速满足增强方向性条件, 得到最大的方向性系数 。如图所示，正是由于 有源振子和受激振子的“齐心协力” ，在引向器方向产生了较大增益。

辐射方向图

八木天线的优点是 结构简单、馈电方便，制作成本低 。但是，其辐射单元由半波振子组成，电流分布为驻波型， 带宽相对较窄 ，一般在5%以内。

八木天线的电压驻波比VSWR

• 非频变天线

• 宽带的基础

宽频带和窄频带的区别是什么？ 如下图（左）所示，为具有恒定阻抗的弯曲双锥V形天线就属于宽带类型。

宽带和窄带的结构和近场分布区别

这种天线具有恒定阻抗(导体间距S与半径r之比)的传输线，若长度L达到一个波长以上，则外向波的大部分能量被辐射而只有很少的能量被反射。

V形天线为非谐振的，具有很低的Q值的辐射器，其输入阻抗在很宽的频率范围内基本维持不变。此外，这种天线与空间有着良好的匹配，提供了从输入传输线的导行波到自由空间波的光滑过渡。

与之相反，下图(右)所示的短偶极子具有从传输线上导行波到空间波的突变转换，造成了很大的能量反射，在偶极子附近往返震荡，类似于在辐射前受囿于谐振的情况。这种天线是谐振的、具有相对较高Q值的天线，其输入阻抗随频率而迅速变化，属于窄带类型。

• 非频变的概念：拉姆塞原理

真正的非频变天线应该以固定的物理尺寸，在宽带上同时具有相对恒定的阻抗、方向图、极化和增益。

“如果天线的形状仅由角度来决定，则该天线具有非频变的阻抗和波瓣图特性”——拉姆塞原理

无限长的对数螺旋线能符合此要求，要以有限的结构实现非频变的要求，应使沿此结构的电流随着辐射和衰减而截断处可以忽略，为了产生辐射和衰减，电荷就必须被加速（或减速），这就要求导体按垂直于电荷运动的方向弯曲。于是，螺旋线的曲率所导致的辐射和衰减，使它在被截断时仍能提供宽频带上的非频变性能。

如图所示，阿基米德螺旋线上的高电流分布区域随着工作频率的提高，迅速向中心收缩，定量的观察螺旋线上的电流分布可知，电流在中心向外流动的过程先期出现了快速下降，然后是缓慢波动，靠近截断区，电流幅值很小，该电流分布形式与工作于轴向模状态螺旋天线上的电流分布形式很相似，正如克劳斯所说的那样，因为先期电流的快速衰减，使得电流传播至截断处时，已经可以忽略不计，从而无法产生很强的反射电流对入射电流的幅值产生影响，最终使得天线在很宽的频段内均具有极低的VSWR（驻波比）。

螺旋臂上的电流变化

天线螺旋臂上的电流分布

天线的驻波比

通过对螺线上的电流分布进行积分，可以计算出其方向图分布如图所示，其最大辐射方向为沿轴向对称分布。

阿基米德螺旋线的方向图

2.面天线

• 喇叭天线

喇叭天线应用十分广泛，它的工作原理类似于声学中使用的传声筒，喇叭天线的优点是结构简单、馈电方便、频带较宽，功率容量大以及增益高。微波测试中经常使用喇叭天线作为定标天线和收发天线。

喇叭的常见使用场景

按照结构形状区分，常见的喇叭共分为四种：1）H面喇叭；2）E面喇叭；3）角锥喇叭；4）圆锥喇叭。本文将重点就“角锥喇叭”进行讨论。

常见的四种喇叭类型

• 分析方法

依据上文提到的口径天线辐射分析的“等效原理”，喇叭天线远场辐射分析可以转化为对喇叭口面处的“电场”和“磁场”产生的等效源的辐射分析。如图所示，可以将口径划分为许多“惠更斯元”dS，每个“惠更斯元”可以等效为一个电振子和磁振子。

喇叭口径可以划分为许许多多的惠更斯元

依据“等效面元”分析理论可知，等效的电振子和磁振子分别为：

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：

总的辐射电场可以表示为：

最终，整个口径的“场分布”在远区产生的辐射场即为所有“惠更斯面元”的求和：

• 辐射机理

如图所示，虽然波导也具有一定的方向性，但是由于开口较小，增益也相对较小，定向性不明显，当给波导添加一个角锥喇叭后，天线的增益得到了大幅提高10倍有余（10dB左右），波束变得更加尖锐，定向性显著增强。

这就犹如《功夫》中的包租婆在给她的“狮吼功”加持一个“钟”之后，瞬间提高了狮吼功的威力，其主要原因倒不是包租婆的功力（波导端口的馈电功率）瞬间提高，而是钟（角锥喇叭）的加持，极大提高了声波（电磁波）的定向性，使得某个方向上的能量密度大幅提高。

角锥段使得增益极大提高喇叭天线内的电磁场的传播过程，其与“烟囱冒烟”的过程很是相似，在波导内时，电磁波会老老实实地呈规则的TE10模进行传播，脱离了波导约束进入角锥段后，“场分布”开始逐渐扩散，逐步向自由空间传播的TEM模式转变。

如图所示为角锥喇叭天线与波导天线的宽带上的“驻波比”对比，结果显示，角锥的添加还是显著改善了波导的宽带匹配性。究其原因，正如约翰-克劳斯阐述的宽带产生的基础，渐变的角锥使得波导中传输的“TE10模式”光滑的过渡至自由空间的“TEM模式”****，光滑的变换减少了回波，从而改善了天线的匹配性能。

宽带匹配特性

喇叭结构尺寸

当喇叭天线的长度R固定时，是不是口径D越大，天线的增益就越大呢？其实不然，由喇叭内的电场相位分布可知，电磁波在到达喇叭口面上时，并不是平面波，而是近似球面波，口面上的电场（或磁场）的相位不一致， 且口径D越大，中心和边沿的相位差越大，增大至一定值后，反而会导致天线增益下降 。

电场相位分布

工程上通常规定E面的口径相差要不大于，H面上的口径相差不大于，可以获得较好的方向图。

口径上不同位置处的相位分布