超宽带天线理论与技术2003-4-28

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1、超宽带天线理论与技术2003-4-28第一章超宽带天线原理天线是任何无线电系统都必不可少的组件。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电磁信号的传递。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—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

2、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。超宽带无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，其主要研究内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(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每λ/2之处电流为零。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

3、于传输线的箭头表示，磁场用环绕导体的箭头箭尾表示。特别要注意到，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（b）所示的形状，线之间的场就暴露在空间中，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，从而产生辐射。λλ/20（a）(b)图1.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)传输线终端张开形成半波振子天线。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；开路矩形波导末端逐渐张开形成角锥喇叭天线；短路传输线末端线间距

4、离拉开形成磁偶极子天线；开路圆锥传输线就是双圆锥天线；等等（请读者举出更多的例子）。由此，可以得出结论：天线是传输线的特殊形式，它起着能量转换作用（被导波与辐射波之间），也是一种特殊的能量传输形式。我们把这种学术思想称为天线的传输线模型。1．2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？这主要取决于应用环境和系统总体要求。通常有如下一些指标。辐射方向图F(θ,φ)：以天线为中心，辐射功率密度随角坐标变化的特性。定向的单波束或者多波束用于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）波束用于广播电视等场合；赋形主波束用于卫星通信和电视

5、覆盖特定区域的情况。方向性D：在离天线同样距离处测得的方向图上最大功率密度与各向同性平均功率密度之比。SiS副瓣主波束F(θ,φ)D=S/Si增益G：方向性因子乘以天线效率。天线效率是天线辐射功率与输入功率之比。它考虑了天线损耗，包括导体损耗，介质损耗和加载电路中的损耗。如果计入馈线系统的损耗，这时的天线增益称为实际增益。图2.辐射方向图F(θ,φ)和方向性D。S和Si分别是同距离处的实际功率密度和各向同性功率密度极化：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

6、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阻抗。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阻和输入电抗。输入电阻又包含辐射电阻和损耗电阻。为了实现匹配，首先要消去天线的输入电抗。带宽：在该频率范围内，一个选定的天线参数或者一组天线参数的变化是可以接

7、受的。有方向图带宽﹑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。波束扫描：辐射方向图在空间中运动情况，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。系统考虑：尺寸，重量，功率容量，雷达截面，工作环境条件，费用等等。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。我们这里从超宽带的角度，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，一般定义其半长度小于λ/2π的对