超宽带天线经典书籍（天线是任何无线电系统必不可少的组件。它的功能是辐射或者接收无线电波。它把被导电磁波转变为自由空间的无线电波（在发射系统中），或者做相反的变换（在接收系统中），从而在任意两点之间实现无线电信号的传递）微波技术网技术资料库~天线技术更多内容详见htp://imw.itow.cC独家整理,转载请注明本站资源第一章超宽带天线原理天线是仁何无线电系统必不可少的组件。它的功能是辐射或者接收无线电波。它把被导电磁波转变为自由空间的无线电波(在发射系统中),或者做相反的变换(在接收系统中),从而在任意两点之间实现无线电信号的传递。天线的发明使得电磁频谱成为人类最大的可重复使用的自然资源之一。随着社会的进步,科学技术的发展,无线电频谱不断地得到开拓,无线电系统的带宽也不断地扩展,促进了二十世纪末一门新的学科一超宽带电磁学的诞生。超宽带电磁学指出,时域电磁波也是人类非常重要的自然资源,而且是尚待开发、非常宝贵的自然资源。天线理论与技术已经有了很长的发展历史,无数的学者研制出了能满足各种无线电系统要求的天线。无论无线电如何发展,天线都是不可替代的。超宽带尢线电系统要求超宽带天线来完成超宽带被导电磁波和自由空间无线电波之间的转变工作。超宽带天线与常规的窄带天线在辐射原理上并没有本质区别,超宽带天线是在常规的窄带天线基础上发展起来的,其主要研究內容是探索频带宽度极大地扩展之后给天线带来的新理论、新技术和新方法。1.1天线的传输线模型图1.1(a)给出了开路双线传输线上的电荷、电流、电场和磁场分布传输线上没有行波只有驻波,传输线终端以及离开终端n/2(n是整数)之处电流为岺。导线上传导电流用箭头标出,相邻λ/2传输线上电流方向相反。电场用垂直于传输线的箭头表示,磁场用环绕导体的箭头超宽带天线理论与技术第3页,共555贞微波技术网技术资料库~天线技术更多内容详见htp://imw.itow.cC独家整理,转载请注明本站资源和箭尾表示。特别要注意到,两导线之间的场得到加强,其他地方的场都被削弱。这主要是因为导线之间的距离远远小于波长。如果传输线的末端弯曲成图1.1(b)所示的形状,线之间的场就暴露在自由空间中,这时上下导体垂直段上的电流方向不再相反,远区的场不是互相抵消而是互相叠加,从而广生辐射。我们还可以举出许多其它类似的情况,例如开路平行板传输线终端张开形成TEM喇叭天线;开口Q⊙A/20a图1.L.开路传输线演变为电偶极子天线。(a)开路传输线中的电荷,电流和场;(b)传输线终端张廾形成半波振子犬线。矩形波导末端逐渐张开形成角锥喇叭天线;拉开短路传输线末端导线之间的距离形成磁偶极子天线;开路圆锥传输线就是刈圆锥天线;等等,还可以举出更多的例子。天线和传输线不同,传输线两端都是闭合电路,天线的一端是闭合电路(发射源),一端是自由空间(负载),但本质上是传输电磁能量,是一种特殊的能量传输形式。由此,可以得出结论:天线是传输线的特殊形式,它起着被导波与辐射波之间能超宽带天线理论与技术第4负,共555贞微波技术网技术资料库~天线技术更多内容详见htp://imw.iow.C独家整理,转载请注明本站资源量转换的作用。我们把这种学术思想称为天线的传输线模型。2天线性能参数如何描述天线转换电磁能量的能力大小,辐射性能好坏?这主要取决于应用坏境和系统总体要求。通常有如下一些指标。辐射方向图F(8,四):在特定频率点上,天线的远区辐射场可以表示为E(r,6,9)=Kf(6,q)其中f(0,g)为天线的方向性函数,用图形表示出来即天线方向图。令方向性函数的最大值为1,画出的天线方向图为归一化方向图可以设计天线具有不同的波束形式,定向的单波束或者多波束用干点对点通信或者一点对多点通信;全向(在一个指定平面内有均匀辐射特性)波東用于广播巾视等场合;赋形主波束用于卫星通信和巾视覆盖特定区域的情况。方向性D:为了定量地描述天线的方向性,并便于不同天线之间的比较,定义了天线的方向性系数D。在同样距离和相同辐射功率条件下,天线方向图上最大功率密度与全向天线(点源)的辐射功率密度之比定义为天线方向性系数。D(1.2)on]o1增益G:在同样距离和相同输入功率条件下,天线方向图上最大功率密度与理想全向天线(效率为100%)的辐射功率密度之比定义为天线增益。超宽带天线理论与技术共555微波技术网技术资料库~天线技术更多内容详见htp://imw.iow.C独家整理,转载请注明本站资源EDmax2m入相同Em入功相同F(,中)副疆主波束D=S/S,图12.辐射方向图F(0,d)和方向性D。S和S分别是同距离处的实际功率密度和各向同性功率密度考忐天线上的损耗,增益G等于方向性系数乘以天线效率。天线效率是天线辐射功率与输入功率之比。如果计入馈线系统的损耗,这时的天线增益称为实际增益。极化:一个发射天线辐射时,其最大辐射方向上,随着时间变化电场矢量(端点)在空间描出的轨迹。天线的极化形式分为线极化,圆极化和椭圆极化三种。线极化和圆极化是椭圆极化的特例。圆极化又分为正交的左旋和右旋圆极化。椭圆极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波。两种正交极化的电磁场可以在相同频率上传输不同的信息(极化复用)。接收天线的极化与来波一致称为极化匹配输入阻抗:天线馈电端口电压和电流之比称为天线输入阳抗。Rin +jX(14)设计天线的一个很重要的工作是使天线输入阻抗与标准馈线的特性阻抗匹配。天线输入阻抗取决于天线的工作原理,结构尺寸,周围介质,工作环境以及工作频率。一般情况下,输入阻抗包含了输入电超宽带天线理论与技术第6贞,共555贝微波技术网技术资料库~天线技术更多内容详见htp://imw.itow.cC独家整理,转载请注明本站资源阻和输入电抗。输入电阻又包辐射电阻和损耗电阳。为了实现匹配,第一步要消去天线的输入电抗带宽:天线总是在一定频率范围内工作,在该频率范围内,一个或者一组选定的大线参数的变化不超出可以接受的允许值。天线有多种形式的带宽,方向图带宽、增益带宽、输入阻抗带宽等,用得较多的是天线输入阻抗带宽。在超宽带天线研究领域,天线带宽始终是个重要参数。天线效率:天线辐射功率总是比输入到天线的功率小一些,也就是说天线有损耗。天线效率定义为P+ p其屮P,P,P分别是天线的辐射功率、损耗功率和输入功率。天线损耗包括导体损耗、介质损耗和加载电路中的损耗,波東扫描:辐射方向图在空间中的运动情况,或者机械扫描,或者电扫描,或者二者结合起来实现波束扫描。对于阵列天线,除了可以提高天线增益以外,另一个优点是有可能实现波束电扫描系统考虑:天线性能参数、尺寸、重量、功率容量、雷达截面、工作环境条件和费用,等等,都是天线系统设计必须考虑的因素。1.3天线类型随着应用环境和系统总体要求不同,天线的种类非常之多,没有一部天线专著能够概括全部天线类型。我们这里从超宽带电磁学的角度,大致把天线分为如下几类。电小天线:天线尺寸远小于波长的天线。有电偶极子天线,磁偶超宽带天线理论与技术第7,共555贞微波技术网技术资料库~天线技术更多内容详见htp://imw.itow.cC独家整理,转载请注明本站资源极子天线,单极子天线以及其他形式的偶极子天线。对于电偶极子般定义其长度小于/2的对称振子天线为电小偶极子天线;对于磁偶极子,一般定义其周长远小于λ的环天线磁偶极子天线。电小天线的特点是,辐射电阻非常小,输入电抗非常高;辐射效率非常低;方向性很弱。电小天线的结构简单,其性能对其精细结构不敏感。轿乍上用的垂直极化单极子天线是一个很好的例子,它的电长度仅仅0.003A,有全向水平方向图。这是移动通信希望得到的方向图。电小天线在工程中有非常广泛的应用,但是,其性能乂比较差,改善电小天线的性能是天线⊥作者一个长期任务。h电偶极子单极子磁偶极子图1.3.电小天线谐振天线:在一个点频或者比较窄的频带范围内有谐振特性,天线的典型尺寸接近半波长。例如,半波振子天线,微带贴片天线,八入/2图1.4.谐振天线:八木天线和微带贴片天线木天线等。其特点是有近似纯电阻的输入阻抗,宽的主波束、较低的天线增益和较窄的带宽。一般说来,微带贴片天线的带宽比较窄,许多学者研究探索了各种展宽徵带天线带宽的技术,现在已经使徼带贴超宽带天线理论与技术第8页,共555贞微波技术网技术资料库~天线技术更多内容详见htp://imw.itow.cC独家整理,转载请注明本站资源片天线带宽接近一个倍频程孔径天线:有喇叭天线,反射面天线等,其辐射源是一个二维场分布。喇叭天线有漏斗状的结构,直接与波导连接。这类天线的尺寸通常有几个波长,其特点是可以得到很高的天线增益,一般情况下频圆锥喇叭抛物反射血天线图1.5.圆锥喇叭天线和抛物反射血天线率越高增益越高;其带宽主要取决于馈源,设计良好的喇叭天线带宽可以达到1-18GHz宽带天线:是我们的主要研究内容。越来越多的无线电系统应用要求宽带天线。这类天线有:频率无关天线(螺旋天线,对数周期天线),双锥天线,V锥天线,TEM喇叭天线,波纹喇叭天线等。天线参数(增益,输入阻抗和方向图等)在很宽频带内差不多保持为常数。般说来,宽带天线的增益较低,与频率无关,输入阳抗接近为实数C图1.6给出了几种主要的宽带天线inner side超宽带天线理论与技术第9负,共555贞微波技术网技术资料库~天线技术更多内容详见htp://imw.itow.cC独家整理,转载请注明本站资源(c)/2(e)图1.6.宽带天线(a)双锥天线,(b)V锥天线,(c)螺旋天线(d)对数周期天线,(e)TM喇叭天线,(f)波纹喇叭天线阵列天线:许多单元天线按一定布阵方法在空间中排列并按一定方式互相连接起来构成的天线。有许多结构简单的单元天线可以用来组阵,以使得到单元天线不能达到的性能指标,例如高增益、窄波束电扫描等等。阵列天线的典型代表是相控阵天线,它的特点是可以实b.5-0515··C25图17.球面阵列天线超宽带天线理论与技术第10,共555页