天线理论 - 快速指南

天线理论 - 基础知识

一个人需要传达一个想法、一个想法或一个疑问，可以通过语音通信来做到这一点。

下图显示了两个人相互通信。在这里，交流是通过声波进行的。但是，如果两个距离较远的人想要进行交流，那么我们就必须将这些声波转换成电磁波。将所需信息信号转换为电磁波的装置称为天线。

语音通讯

什么是天线？

天线是一种换能器，可将电能转换为电磁波，反之亦然。

天线既可以用作发射天线，也可以用作接收天线。

  • 发射天线就是一种将电信号转换为电磁波并辐射它们的天线。

  • 接收天线就是其中之一，它将接收到的波束中的电磁波转换为电信号。

  • 在双向通信中，同一天线可用于发送和接收。

天线也可以称为天线。它的复数形式是，天线或天线。如今，天线的尺寸和形状发生了许多变化。天线有多种类型，具体取决于其广泛的应用。

下图是不同类型天线的示例。

天线

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。

需要天线

在通信系统领域，每当需要无线通信时，就需要天线。天线具有发送或接收电磁波以进行通信的能力，而您不能指望铺设布线系统。下面的场景解释了这一点。

设想

为了联系偏远地区，必须沿着山谷、山脉、繁琐的路径、隧道等在整个路线上铺设布线，才能到达偏远地点。无线技术的发展使整个过程变得非常简单。天线是该无线技术的关键要素。

需要天线

在上图中，天线帮助在整个区域（包括山谷和山区）建立通信。这个过程显然比在整个区域铺设布线系统更容易。

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、接收还是两者兼而有之）可以通过传输线连接到站的电路。天线的功能取决于传输线的辐射机制。

设计用于以最小损耗长距离传输电流的导体称为传输线。例如，连接到天线的电线。一条以匀速传导电流的传输线，并且该线是无限延伸的直线，不辐射功率。

对于传输线来说，要成为波导或辐射功率，就必须进行这样的处理。

  • 如果必须辐射功率，尽管电流传导速度均匀，但电线或传输线应弯曲、截断或端接。

  • 如果这条传输线有电流，并且以时变常数加速或减速，那么即使电线是直的，它也会辐射功率。

  • 如果设备或管子弯曲或终止以辐射能量，则它被称为波导。它们特别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 -

传输线

上图代表了一个波导，它充当天线。来自传输线的功率穿过具有孔径的波导，以辐射能量。

天线的基本类型

天线可以分为多种类型，具体取决于 -

  • 天线的物理结构。

  • 操作频率范围。

  • 申请方式等

物理结构

以下是根据物理结构划分的天线类型。您将在后面的章节中了解这些天线。

  • 线状天线
  • 孔径天线
  • 反射面天线
  • 透镜天线
  • 微带天线
  • 阵列天线

操作频率

以下是根据工作频率划分的天线类型。

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

申请方式

以下是根据应用模式划分的天线类型 -

  • 点对点通信
  • 广播应用
  • 雷达通讯
  • 卫星通讯

天线理论-基本参数

本章讨论基本通信参数，以便更好地了解使用天线的无线通信。无线通信是以波的形式进行的。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
  • 带宽百分比
  • 辐射强度

现在，让我们详细了解它们。

频率

根据标准定义，“波在特定时间内的重复率称为频率”。

简单地说，频率是指事件发生的频率的过程。周期波在每“T”秒（时间段）后重复一次。周期波的频率只不过是时间周期（T）的倒数。

数学表达

从数学上来说，它的写法如下所示。

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

在哪里

  • f是周期波的频率。

  • T是波重复的时间周期。

单位

频率的单位是赫兹，缩写为Hz。

电压

上图表示一个正弦波，此处绘制的是电压（毫伏）与时间（毫秒）的关系。该波每 2t 毫秒重复一次。因此，时间段 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。 ”

简单地说，两个紧邻的正峰或两个紧邻的负峰之间的距离只不过是该波的长度。它可以被称为波长。

下图显示了周期波形。波长（λ）和振幅如图所示。频率越高，波长越小，反之亦然。

振幅

数学表达

波长的公式为：

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

在哪里

  • 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。常用术语是米。

阻抗匹配

根据标准定义，“当发射器的阻抗近似值等于接收器的阻抗近似值，或反之亦然时，称为阻抗匹配。”

天线和电路之间必须进行阻抗匹配。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发生最大功率传输。

匹配的必要性

谐振装置就是其中之一，它可以在某些窄带频率下提供更好的输出。天线是一种谐振设备，如果阻抗匹配，可以提供更好的输出。

  • 如果天线阻抗与自由空间阻抗匹配，则天线辐射的功率将被有效辐射。

  • 对于接收天线，天线的输出阻抗应与接收放大器电路的输入阻抗匹配。

  • 对于发射器天线，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阻抗匹配。

单位

阻抗（Z）的单位是欧姆。

驻波比和反射功率

根据标准定义，“驻波中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，则功率将无法有效辐射。相反，一些功率会被反射回来。

主要特点是 -

  • 表示阻抗不匹配的术语是VSWR。

  • VSWR代表电压驻波比。也称为SWR。

  • 阻抗失配越高， VSWR值就越高。

  • 有效辐射的理想驻波比应为1:1。

  • 反射功率是前向功率中浪费的功率。反射功率和驻波比表示同一件事。

带宽

根据标准定义，“为特定通信指定的波长中的频带称为带宽。”

信号在发送或接收时是在一定频率范围内进行的。该特定频率范围被分配给特定信号，以便其他信号不会干扰其传输。

  • 带宽是传输信号的较高频率和较低频率之间的频带。

  • 带宽一旦分配，就不能被其他人使用。

  • 整个频谱被划分为带宽以分配给不同的发射机。

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，“绝对带宽与该带宽的中心频率的比率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） 。

  • 较高频率和较低频率分别表示为f H和f L。

  • 绝对带宽由- f H - f L给出。

  • 要了解带宽有多宽，必须计算分数带宽或百分比带宽。

数学表达

计算带宽百分比可以了解组件或系统可以处理多少频率变化。

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

在哪里

  • ${f_{H}}$ 频率较高

  • ${f_{L}}$ 是较低频率

  • ${f_{c}}$ 是中心频率

带宽百分比越高，通道的带宽就越宽。

辐射强度

“辐射强度定义为每单位立体角的功率”

从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。最大可能程度的辐射发射只不过是辐射强度。

数学表达

辐射强度是通过辐射功率乘以径向距离的平方得到的。

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

在哪里

  • U是辐射强度

  • r是径向距离

  • W rad是辐射功率。

上式表示天线的辐射强度。径向距离的函数也表示为Φ。

单位

辐射强度的单位为瓦特/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以及波束朝向该方向的效率密切相关。在本章中，让我们看一下涉及这些主题的术语。

方向性

根据标准定义，“在辐射相同总功率的情况下，目标天线的最大辐射强度与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，但辐射方向非常重要。正在观察其性能的天线被称为目标天线。

在发射或接收时，其辐射强度集中在特定方向。因此，据说天线在该特定方向上具有方向性。

  • 天线在给定方向上的辐射强度与所有方向上平均辐射强度的比率称为方向性。

  • 如果未指定该特定方向，则可以将观察到最大强度的方向视为该天线的方向性。

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

数学表达

辐射功率是角位置和距电路的径向距离的函数。因此，它是通过考虑术语θ和Ø来表达的。

$$方向性 = \frac{\主体\天线的最大\辐射\强度\}{\各向同性\天线的辐射\强度}$$ $$D = \frac{\phi(\theta,\phi) _{max}(来自\主体\天线)}{\phi_{0}(来自\一个\各向同性\天线)}$$

在哪里

  • ${\phi(\theta,\phi)_{max}}$ 是目标天线的最大辐射强度。

  • ${\phi_{0}}$ 是各向同性天线（零损耗天线）的辐射强度。

孔径效率

根据标准定义，“天线的孔径效率，是指有效辐射面积（或有效面积）与孔径物理面积的比值。”

天线具有一个孔径，通过该孔径辐射功率。这种辐射应该有效且损失最小。还应考虑孔径的物理面积，因为辐射的有效性取决于孔径的面积，物理上取决于天线。

数学表达

孔径效率的数学表达式如下 -

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

在哪里

  • $\varepsilon_{A}$ 是孔径效率。

  • ${A_{eff}}$ 是有效面积。

  • ${A_{p}}$ 是物理区域。

天线效率

根据标准定义，“天线效率是天线的辐射功率与天线接受的输入功率的比值”。

简而言之，天线旨在以最小的损耗辐射其输入处给出的功率。天线的效率解释了天线能够以最小的传输线损耗有效地提供输出的能力。

这也称为天线的辐射效率因数。

数学表达

天线效率的数学表达式如下 -

$$\eta_{e} = \frac{P_{rad}}{P_{输入}}$$

在哪里

  • $\eta_{e}$是天线效率。

  • ${P_{rad}}$ 是辐射功率。

  • ${P_{input}}$ 是天线的输入功率。

获得

根据标准定义，“天线的增益是指给定方向上的辐射强度与天线接受的功率各向同性辐射时所获得的辐射强度之比”。

简而言之，天线的增益考虑了天线的方向性及其有效性能。如果天线接受的功率是各向同性（即向各个方向）辐射的，那么我们得到的辐射强度就可以作为参考。

  • 天线增益一词描述了在峰值辐射方向上向各向同性源传输了多少功率。

  • 增益通常以dB为单位进行测量。

  • 与方向性不同，天线增益还考虑了发生的损耗，因此重点关注效率。

数学表达

增益 G 的方程如下所示。

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

在哪里

  • 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dB。

天线理论 - 近场和远场

在上一章讨论了天线参数之后，另一个需要考虑的重要主题是天线的近场和远场区域。

靠近天线测量的辐射强度与远离天线的辐射强度不同。尽管该区域远离天线，但由于辐射强度仍然很高，因此被认为是有效的。

近场

距离天线较近的场称为近场。它具有感应效应，因此也称为感应场，尽管它具有一些辐射成分。

远处的荒（田）野

远离天线的场称为远场。也称为辐射场，因为该区域的辐射效应较高。许多天线参数以及天线方向性和天线的辐射方向图仅在该区域中考虑。

场模式

场分布可以用场强度来量化，称为场模式。这意味着，绘制时天线的辐射功率以电场 E (v/m) 表示。因此，它被称为场模式。如果以功率 (W) 来量化，则称为功率模式。

辐射场或功率的图形分布将是以下函数

  • 远场的空间角度 (θ, Ø)。

  • 近场的空间角度 (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。

场模式

场模式可分为 -

  • 反应性近场区域和辐射性近场区域——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应性近场或非辐射场，其中辐射不占主导地位。它旁边的区域可称为辐射近场或菲涅尔场，因为辐射占主导地位，并且角场分布取决于距天线的物理距离。

它旁边的区域是辐射远场区域。在该区域中，场分布与距天线的距离无关。在此区域观察到有效辐射方向图。

天线理论-辐射方向图

辐射是一个术语，用于表示天线处波前的发射或接收，指定其强度。在任何图示中，表示天线辐射的草图就是其辐射方向图。通过观察天线的辐射方向图，人们可以简单地了解天线的功能和方向性。

从天线辐射的功率在近场和远场区域都有影响。

  • 以图形方式，可以将辐射绘制为角位置和距天线的径向距离的函数。

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

辐射方向图

天线辐射的能量由天线的辐射方向图表示。辐射方向图是辐射能量在空间中的分布的图解表示，作为方向的函数。

让我们看看能量辐射的模式。

辐射方向图

上图显示了偶极子天线的辐射方向图。辐射的能量由沿特定方向绘制的图案表示。箭头代表辐射方向。

辐射方向图可以是场方向图或功率方向图。

  • 场模式被绘制为电场和磁场的函数。它们以对数刻度绘制。

  • 功率模式被绘制为电场和磁场幅度的平方的函数。它们以对数或通常以 dB 刻度绘制。

3D 辐射图

辐射方向图是一个三维图形，并以球面坐标（r、θ、Φ）表示，假设其原点位于球面坐标系的中心。如下图所示 -

辐射图 3D

给定的图是全向图的三维辐射图。这清楚地指示了三个坐标（x、y、z）。

二维辐射图

将三维图案分为水平面和垂直面即可得到二维图案。这些所得图案分别称为水平图案和垂直图案。

二维辐射图

这些图显示了 H 和 V 平面中的全向辐射图，如上所述。H 平面代表水平图案，而 V 平面代表垂直图案。

波瓣形成

在辐射方向图的表示中，我们经常会遇到不同的形状，这些形状表示主要和次要的辐射区域，通过这些形状可以得知天线的辐射效率。

为了更好地理解，请考虑下图，它表示偶极子天线的辐射方向图。

波瓣形成

这里，辐射方向图具有主瓣、旁瓣和后瓣。

  • 覆盖较大区域的辐射场的主要部分是主瓣或主瓣。这是存在最大辐射能量的部分。该波瓣的方向表示天线的方向性。

  • 辐射分布在侧面的方向图的其他部分称为旁瓣或小瓣。这些都是浪费电力的地方。

  • 还有另一个瓣，与主瓣的方向正好相反。它被称为后叶，也是小叶。即使在这里，也浪费了相当多的能源。

例子

如果雷达系统中使用的天线产生旁瓣，目标跟踪就会变得非常困难。这是因为，这些旁瓣指示了错误目标。追踪真品和识别假品是很混乱的。因此，为了提高性能并节省能量，必须消除这些旁瓣。

补救

需要利用以这种形式浪费的辐射能量。如果这些小瓣被消除，并且该能量被转移到一个方向（即朝向主瓣），那么天线的方向性就会增加，从而导致天线具有更好的性能。

辐射方向图的类型

辐射模式的常见类型是 -

  • 全向图案（也称为无方向图案）：该图案在三维视图中通常具有圆环形状。然而，在二维视图中，它形成了八字形图案。

  • 铅笔束图案- 光束具有锐利的定向铅笔形图案。

  • 扇形光束图案- 光束具有扇形图案。

  • 成形光束图案- 不均匀且无图案的光束称为成形光束。

所有这些类型的辐射的参考点是各向同性辐射。考虑各向同性辐射很重要，尽管它不切实际。

天线理论 - 各向同性辐射

在上一章中，我们已经了解了辐射方向图。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充满了这个空间。

定义

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

天线辐射方向图的改善始终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相等，则称为各向同性辐射。

  • 点源是各向同性辐射体的一个例子。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方向性辐射其能量。

  • 各向同性辐射只不过是全向辐射。

  • 在 3D 中观察时，它具有甜甜圈形状的图案；在 2D 中观察时，它具有 8 字形图案。

全向辐射

上面给出的图显示了各向同性或全向方向图的辐射方向图。图 1 显示了 3D 中的环形图案，图 2 显示了 2D 中的 8 字形图案。

获得

各向同性辐射器具有单位增益，这意味着在所有方向上的增益因子均为 1。以dB为单位，可称为0dB增益（零损耗）。

等效各向同性辐射功率

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

如果使天线的辐射能量集中在一侧或某一特定方向，则辐射等效于该天线的各向同性辐射功率，这样的辐射将被称为EIRP，即等效各向同性辐射功率。

获得

尽管各向同性辐射是一种想象的辐射，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 会随着天线增益的增加而增加。天线的增益最好通过将天线聚焦在某个方向来实现。

有效辐射功率

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

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

如果 EIRP 已知，则可以根据上面给出的公式计算 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梁的规格。

光束面积

根据标准定义，“波束面积是一个立体角，如果 P (θ, Ø) 保持在 Ω A上的最大值并且在其他地方为零，则天线辐射的所有功率将通过该立体角流动。”

天线的辐射波束从天线的某个角度（称为立体角）射出，在该角度处功率辐射强度最大。该固体光束角度称为光束区域。用Ω A表示。

辐射强度 P (θ, Ø) 应在整个固体光束角 Ω A内保持恒定且最大，在其他地方其值为零。

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

波束角是主瓣半功率点之间的一组角度。

数学表达

光束面积的数学表达式为

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

在哪里

  • $\Omega_{A}$ 是固体光束角度。
  • $\theta$ 是角位置的函数。
  • $\Phi$ 是径向距离的函数。

单位

光束面积的单位是瓦。

光束效率

根据标准定义，“光束效率是指主光束的光束面积与辐射总光束面积的比值”。

从天线辐射的能量根据天线的方向性进行投射。天线辐射更多功率的方向具有最大效率，而一些能量在旁瓣中损失。光束辐射的最大能量和最小损耗可称为光束效率。

数学表达

光束效率的数学表达式为 -

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

在哪里，

  • $\eta_{B}$ 是光束效率。
  • $\Omega_{MB}$ 是主光束的光束面积。
  • $\Omega_{A}$ 是总固体光束角度（光束面积）。

天线极化

天线可以根据我们的要求进行极化。它可以是线偏振或圆偏振。天线极化的类型决定了接收或发送时波束和极化的模式。

线性偏振

当发射或接收波时，可以在不同的方向上进行。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。尽管使用这种线性偏振，但电场矢量保持在同一平面内。因此，我们利用这种线性极化来提高天线的方向性。

圆偏振

当波被圆偏振时，电场矢量似乎发生了旋转，其所有分量都失去了方向。旋转模式有时也可能不同。然而，通过使用圆偏振，可以减少多路径的影响，因此它被用于卫星通信，例如GPS。

水平偏振

水平偏振使波变弱，因为地球表面的反射会影响它。它们通常在 1GHz 以下的低频下较弱。水平偏振用于电视信号的传输，以达到更好的信噪比。

垂直极化

低频垂直极化波有利于地面波传输。它们不像水平偏振的那样受到表面反射的影响。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。RF 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，主瓣是天线的主波束，天线辐射的最大且恒定的能量在此流动。

波束宽度是大部分功率辐射的孔径角。该波束宽度的两个主要考虑因素是半功率波束宽度（HPBW）和第一零波束宽度（FNBW）。

半功率波束宽度

根据标准定义，“辐射方向图的幅度从主波束峰值减少 50%（或 -3dB）的角距，就是半功率波束宽度。”

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

HPBW的指示

当在辐射方向图的原点和主瓣上的半功率点之间画一条线时，在两侧，这两个矢量之间的角度称为HPBW，即半功率波束宽度。借助下图可以很好地理解这一点。

半功率点

该图显示了主瓣和 HPBW 上的半功率点。

数学表达

半功率波束宽度的数学表达式为 -

$$一半\:功率\:光束\:with=70\lambda_{/D} $$

在哪里

  • $\lambda$ 是波长（λ = 0.3/频率）。

  • D是直径。

单位

HPBW 的单位是弧度或度。

第一零波束宽度

根据标准定义，“与主瓣相邻的第一个模式零点之间的角跨度称为第一零点波束宽度”。

简单地说，FNBW 是远离主波束的角距，主波束是在其主瓣上辐射图的零点之间绘制的。

FNBW 的指示

从辐射方向图的原点开始，在两侧绘制与主光束相切的切线。这两条切线之间的角度称为第一零波束宽度(FNBW)。

借助下图可以更好地理解这一点。

半功率波束宽度

上图显示了半功率波束宽度和第一零波束宽度，以辐射方向图以及次瓣和主瓣标记。

数学表达

第一零波束宽度的数学表达式为

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

在哪里

  • $\lambda$ 是波长（λ = 0.3/频率）。
  • D 是直径。

单位

FNBW 的单位是弧度或度。

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。这些参数可以帮助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- “有效长度是接收天线开路端子处的电压幅值与天线极化方向相同的入射波前场强幅值之比。”

当入射波到达天线的输入端子时，该波具有一定的场强，其大小取决于天线的极化。该极化应与接收器端子处的电压大小相匹配。

数学表达

有效长度的数学表达式为 -

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

在哪里

  • $l_{e}$ 是有效长度。

  • $V_{oc}$ 是开路电压。

  • $E_{i}$ 是入射波的场强。

有效面积

定义- “有效面积是接收天线的面积，它吸收来自入射波前的大部分功率，到暴露在波前的天线总面积。”

天线在接收时的整个区域都会面对传入的电磁波，而只有天线的某些部分接收信号，称为有效区域。

仅利用了接收到的波前的一部分，因为波的一部分被散射，而另一部分则作为热量耗散。因此，在不考虑损耗的情况下，对实际面积利用最大功率的面积可称为有效面积。

有效面积用$A_{eff}$表示。

天线理论 - 互易性

天线既可以用作发射天线，也可以用作接收天线。在使用过程中，我们可能会遇到一个问题，天线的特性是否会随着工作模式的改变而改变。幸运的是，我们不必担心这一点。天线的这种不变性称为互易性。

互惠条件下的性质

表现出互易性的发射和接收天线的属性是 -

  • 方向模式相等。
  • 方向性平等。
  • 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。

方向模式相等

如果发射天线 1 发射信号且天线 1 接收信号，则发射天线 1 向接收天线 2 发射信号的辐射方向图与天线 2 的辐射方向图相同。

方向性相等

如果两种情况的方向性值相同，即无论是根据发射天线的功率还是接收天线的功率计算的方向性都相同，则发射天线和接收天线的方向性是相同的。

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

在有效通信中，发射天线的输出阻抗和接收天线的输入阻抗相等。

尽管同一天线用作发射器或接收器，这些属性不会改变。因此，遵循互惠性质。

天线理论-坡印廷矢量

天线辐射电磁能来传输或接收信息。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。电磁波同时具有电场和磁场。

考虑任意时刻的波，它可以在两个向量中查看。下图显示了电磁波中电场和磁场分量的表示。

电磁波

电波与电磁波的传播垂直，而磁波则水平。两个区域彼此成直角。

坡印廷矢量

坡印廷矢量描述了在任何给定时刻每单位时间每单位面积的电磁波的能量。约翰·亨利·坡印廷 (John Henry Poynting)于 1884 年首次推导了该向量，因此以他的名字命名。

定义- “坡印廷矢量给出了每单位面积的能量传递率”

或者

“波在单位时间内、单位面积上携带的能量由坡印廷矢量给出。”

坡印廷向量由Ŝ表示。

单位

坡印廷矢量的SI单位是W/m 2。

数学表达

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

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

在哪里

  • $\hat{S}$ 是瞬时坡印廷矢量(W/m 2 )。

  • $\hat{E}$ 是瞬时电场强度(V/m)。

  • $\hat{H}$ 是瞬时磁场强度(A/m)。

这里需要注意的重要一点是，在电磁波中 E 的幅度大于 H。然而，两者贡献的能量相同。Ŝ 是向量，有方向和大小。Ŝ 的方向与波速相同。其大小取决于 E 和 H。

坡印廷向量的推导

为了对坡印廷矢量有一个清晰的了解，让我们逐步推导该坡印廷矢量。

让我们想象一下，电磁波穿过垂直于波传播的 X 轴的区域 (A)。当波穿过 A 时，在无穷小时间 (dt) 内，波传播一段距离 (dx)。

$$dx = C\ dt$$

在哪里

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

因此，每面积 (A) 在时间 (dt) 上传输的能量为 -

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

自从

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

自从

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

Ŝ表示坡印廷矢量。

上式给出了任意给定时刻每单位时间、每单位面积的能量，称为坡印廷矢量。

天线理论 - 天线的类型

必须对天线进行分类，才能更清楚地了解其物理结构和功能。根据应用的不同，天线有多种类型。

天线类型 例子 应用领域
线状天线 偶极天线、单极天线、螺旋天线、环形天线 个人应用、建筑物、船舶、汽车、航天器
孔径天线 波导（开口）、喇叭天线 齐平安装应用、飞机、航天器
反射面天线 抛物面反射器、角反射器 微波通信、卫星跟踪、射电天文学
镜头天线 凸平面、凹平面、凸凸透镜、凹凹透镜 用于甚高频应用
微带天线 地平面上方的圆形、矩形金属贴片 飞机、宇宙飞船、卫星、导弹、汽车、手机等。
阵列天线 八木宇田天线、微带贴片阵列、孔径阵列、开缝波导阵列 用于非常高增益的应用，主要是在需要控制辐射方向图时

让我们在接下来的章节中详细讨论上述类型的天线。

天线理论 - 电线

线天线是天线的基本类型。这些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，首先让我们看一下传输线。

传输线

电线或传输线具有一些功率，从一端传输到另一端。如果传输线的两端都连接到电路，那么信息将通过这根线在这两个电路之间传输或接收。

如果这根电线的一端没有连接，那么其中的电力就会试图逸出。这导致了无线通信。如果电线的一端弯曲，则能量会比以前更有效地尝试从传输线中逸出。这种有目的的逃逸被称为辐射。

传输线

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。考虑四分之一波长尺寸的传输线。它的远端保持开放并弯曲以提供高阻抗。这充当半波偶极天线。它在传输线一端已经具有低阻抗。开放端具有高阻抗，与自由空间的阻抗相匹配，以提供更好的辐射。

偶极子

当通过这种弯曲的导线进行能量辐射时，这种传输线的末端被称为偶极子或偶极天线。

输入阻抗的电抗是偶极子的半径和长度的函数。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。一般情况下，其阻抗在72Ω左右。

借助下图可以更好地理解这一点。

偶极子半波天线

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处最大，在其两端处最小。中心电压最小，两端电压最大。

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、短偶极子和无穷小偶极子。所有这些天线将在后续章节中讨论。

天线理论 - 半波偶极子

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

频率范围

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

半波偶极子的构造和工作

它是一个普通的偶极天线，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。该电压本质上是交流电压。在电压的正峰值处，电子倾向于沿一个方向移动，而在负峰值处，电子倾向于沿另一方向移动。这可以通过下面给出的图来解释。

工作半波偶极子

上图显示了半波偶极子的工作原理。

  • 图1显示了感应电荷处于正半周时的偶极子。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的偶极子。因此，电子再次向电荷移动。

这种累积效应会产生不同的场效应，并以与其上产生的相同图案辐射。因此，输出将是遵循输出电压模式的周期的有效辐射。因此，半波偶极子有效地辐射。

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，相当不错。其中，“i”代表各向同性辐射。

辐射方向图

该半波偶极子的辐射方向图在 H 平面上是全向的。它是许多应用所需要的，例如移动通信、无线电接收器等。

全向

上图显示了半波偶极子在 H 平面和 V 平面上的辐射方向图。

在该半波偶极子中，偶极子的半径不影响其输入阻抗，因为该偶极子的长度是半波，并且是第一谐振长度。天线在其谐振频率下有效工作，谐振频率发生在其谐振长度处。

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。

  • 有合理的长度。

  • 天线的长度与尺寸和方向性相匹配。

缺点

以下是半波偶极子天线的缺点 -

  • 由于单一元素，效果不大。

  • 只有结合起来才能发挥更好的作用。

应用领域

    以下是半波偶极子天线的应用 -

  • 用于无线电接收器。

  • 用于电视接收机。

  • 与其他人一起使用时，可用于多种应用。

天线理论-半波折叠偶极子

折叠偶极子是一种天线，两侧连接有两个导体，折叠成圆柱形封闭形状，在中心为其馈电。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 至 300GHz。这主要用于电视接收器。

半波折叠偶极子的构造和工作

该天线通常与阵列型天线一起使用，以增加馈电电阻。最常用的是八木宇田天线。下图显示了半波折叠偶极子天线。

半波偶极子

与之前的偶极天线相比，该天线使用了额外的导电元件（电线或棒）。通过在阵列类型的天线中并行放置几个导电元件（其间具有绝缘层）来继续此操作。

下图解释了半波折叠偶极子天线在提供激励时的工作原理。

半波折叠偶极子

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（平方的两倍）。馈电阻抗的增加是这种折叠偶极子天线得到广泛使用的主要原因。由于采用双引线，阻抗约为 300Ω。

辐射方向图

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。下图为半波折叠偶极子天线的辐射方向图，为全向方向图。

半波折叠辐射

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。下图是八木宇田天线，我们稍后会研究它。这里使用的主要元件是折叠偶极子，向其提供天线馈电。在过去的几十年里，这种天线被广泛用于电视接收。

八木宇田天线

优点

以下是半波折叠偶极子天线的优点 -

  • 接收平衡信号。

  • 从频段接收特定信号而不损失质量。

  • 折叠偶极子可以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 -

  • 天线的位移和调整很麻烦。

  • 当天线尺寸增大时，室外管理可能会变得困难。

应用领域

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、相控阵和反射器阵列等的馈线元件。

  • 一般用于无线电接收机。

  • 最常用于电视接收器天线。

天线理论 - 全波偶极子

如果偶极子的长度，即总导线的长度等于全波长λ，则称为全波偶极子。如果全波长偶极子用于传输或接收，让我们看看辐射会如何。

全波偶极子的构造和工作

此处显示了全波偶极子及其电压和电流分布。波的正峰值和负峰值分别感应出正电压和负电压。然而，由于感应电压相互抵消，因此不存在辐射问题。

上图为长度为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形成全波偶极子。

全波偶极子

同时感应出其正电荷和负电荷时的电压图案如图所示相互抵消。感应电荷不再尝试辐射，因为它们被抵消了。对于全波传输偶极子，输出辐射为零。

辐射方向图

由于没有辐射方向图、无方向性、无增益，全波偶极子很少用作天线。这意味着，虽然天线有辐射，但这只是一些热量耗散，这是一种电力浪费。

缺点

以下是全波偶极子天线的缺点。

  • 散热
  • 浪费电力
  • 无辐射方向图
  • 无方向性、无增益

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。它的一端开路，另一端由交流电源供电。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至30MHz。这主要用于低频接收器。

短偶极子的构造和工作

短偶极子是其导线长度比波长短的偶极子天线。电压源连接在一端，同时形成偶极子形状，即线路终止于另一端。

短偶极子

显示了长度为 L 的短偶极子的电路图。天线的实际尺寸并不重要。连接到天线的电线必须小于波长的十分之一。那是

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

在哪里

  • 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，但使用电容器板。

无穷小偶极子

长度远小于波长的偶极子是无穷小偶极子。这种天线实际上不实用。这里，偶极子的长度甚至小于波长的五分之一。

偶极子的长度，Δl << λ。其中，λ为波长。

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

因此，顾名思义，这是无限小的偶极子。

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器板一起使用，在需要低互耦合的情况下。由于电容器板的存在，我们可以说存在均匀的电流分布。因此这里的电流不为零。

电容器板可以是简单的导体或等效电线。径向电流辐射的场在远场中趋于相互抵消，使得电容板天线的远场可以用无穷小偶极子来近似。

辐射方向图

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。当以二维图案观察时，辐射图案呈“八字形”图案形状。

下图显示了短偶极子天线的辐射方向图，该天线为全向方向图。

全向模式

优点

以下是短偶极子天线的优点 -

  • 由于尺寸小，易于施工

  • 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

应用领域

以下是短偶极子天线的应用 -

  • 用于窄带应用。
  • 用作调谐器电路的天线。

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

我们已经了解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。此类天线中导线的长度是n乘以λ/2

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

在哪里，

  • L是天线的长度，

  • n是元素的数量，

  • λ是波长

随着“n”的增加，方向特性也会增加。

长线天线的类型

长线天线分为两种类型，即谐振天线和非谐振天线。

谐振天线

谐振天线是指天线在特定频率处截获辐射功率的尖峰以形成驻波的天线。辐射波的辐射方向图与此类天线中的负载阻抗不匹配。

谐振天线本质上是周期性的。它们也称为双向行波天线，因为辐射波在两个方向上移动，这意味着这里同时发生入射波和反射波。在这些天线中，天线的长度和频率彼此成正比。

非谐振天线

非谐振天线是不发生谐振频率的天线。波向前移动，因此不会形成驻波。辐射波的辐射方向图与非谐振天线中的负载阻抗匹配。

这些非谐振天线本质上是非周期性的。它们也称为单向行波天线，因为辐射波仅向前移动，这意味着仅存在入射波。随着频率的增加，天线的长度减小，反之亦然。因此，频率和长度彼此成反比。

这些长线天线是构建 V 形天线或菱形天线的基本元件。

天线理论 - V 型天线

长线天线的更好版本是V