天线最全参数总结

本文给出了天线的18个参量和求解方法，分别为：天线的定义，天线的求解过程，方向图，E面和H面定义，方向性系数，任意方向方向性系数，主瓣宽度，副瓣电平定义，辐射效率，反射效率，总效率，天线的增益，输入阻抗，极化，有效长度，有效面积，口径效率，带宽。

1.天线的定义

天线是一种发射和接收电磁波的装置。下图是天线作为发射装置的情形，可看到天线可以实现电磁波从传输系统内的导波到空间自由波的相互转换。

天线也可以通过微波电路来建模，如下图：天线可以看作微波电路中的负载的一部分。其中，R_L为负载电阻，R_r为辐射电阻，X_A为辐射电抗。

2.天线的求解过程

天线辐射的机理就是电荷的振荡。天线的求解过程就是根据麦克斯韦方程组，用源求解到场。

其中源包括，电型源和磁型源。电型源的参量为电流密度J和电荷密度ρ。磁型源的参量为磁流密度J_M和电荷密度ρ_M。

场包括，电场E和磁场强度H。

求解的方法包括直接法和间接法两种。直接法就是根据J、ρ、J_M、ρ_M，再通过亥姆霍兹方程，求解出E和H。间接法就是根据J、ρ、J_M、ρ_M，求得一个矢量磁位A作为中间量，再通过A求出E和H。

3.天线的辐射方向图

将天线远区辐射场的振幅与方向之间的关系用曲线表示出来，这种曲线图称为天线的辐射方向图。

将离开天线一定距离R处的天线远区的辐射电场与角度坐标等参数的关系式称为天线的方向图函数，记作|F(θ，φ)|。

将方向图|F(θ，φ)|关于它的最大值进行归一化，得到的函数称为归一化方向图函数，记为|f(θ，φ)|。

天线的方向图分为场强方向图、功率方向图、相位方向图和极化方向图。通常所说的方向图是我们上面所表示的场强方向图。

4.方向图的E面和H面

E面就是电场所在的面，电场线不会穿透的面。

H面就是磁场所在的面，磁场线穿不透的面。

5.天线的方向性系数

天线的方向性系数定义为天线在远场区最大辐射方向上，某点的平均辐射功率密度与辐射功率相同的各项同性天线在同一点的辐射密度之比，记为D₀。

其中，某点的辐射功率密度记为(S_av)_max，各向同性天线的辐射密度记为(S₀)_av,下式中η₀ =120π为自用空间的波阻抗。

总辐射功率P_r等于功率流密度矢量S_av沿着球面的面积分。

另外，按照上面的天线微波电路图，总辐射功率也等于被辐射电阻R_r吸收的功率。由此一般通过两个总辐射功率的式子可以求出天线的辐射电阻R_r。

对于无方向性的天线（也就是各项同性天线），它的辐射密度 (S0)av和方向性系数等于下式，公式中的R是指离开天线的距离：

对于任意一个天线，方向性系数的计算式为下式：

6.任意方向的方向性系数D

上面所讲到的D₀是最大辐射方向上的方向性系数。那么，任意方向的方向性系数，可用D来表示：

另外，上式也可写作：

方向性系数D₀、辐射电阻R_r、方向性函数|F(θ，φ)|，三者之间的关系为：

7.方向图的主瓣宽度

方向图的主瓣宽度又要做半功率波束宽度。最大辐射方向上的电场方向图最大值为Emax，将Emax下降根号二分之一倍，此时功率下降为1/2倍，这个时候的夹角称为主瓣宽度，又称3dB波束宽度，记作2θ_0.5。

8.副瓣电平

副瓣电平是指副瓣的最大值与主瓣最大值的比值，通常用dB表示：

副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。所以副瓣电平越低，表示天线在不需要的方向上辐射或接收的能量越低，所以在这些不需要的方向上对杂散来波的抑制能力越强，抗干扰能力也越强。

9.天线的辐射效率

天线的辐射效率定义为天线的辐射功率P_r与输入功率P_in之比，记为η_A。

式中，P_L为天线的损耗功率，I_m为天线输入电流的幅值。其中，P_L等于：

所以天线的辐射效率也等于下式：

10.天线的反射效率

天线的反射效率定义为天线输入端的反射效率，记为η_r，等于下式：

其中，

11.天线的总效率

12.天线的增益

将方向性系数和天线效率联系起来，就得到天线的增益，用G₀。

此外，在仿真软件中有Realized Gain，是我们真正关心的天线增益，它等于下式：

13.天线的输入阻抗

14.天线的极化

天线的极化是电场矢量的终端移动的轨迹。

接收天线最佳接收条件是：负载与自身的输入阻抗共轭匹配，最大接收方向对准来波方向，天线的极化与来波的极化匹配。

15.天线的有效长度

天线作为接收时，其有效长度L_e定义为：天线上的开路感应电压U_A与入射电场E_i之比。相距甚远的发射天线所辐射的电磁波，在接收天线处可等效为均匀平面波，所以天线上的开路电压为有效长度乘以入射电场：

如果来波电场极化方向与接收天线极化不同，开路感应电压写作以下：

天线作为发射天线时，有效长度有两种定义方法：

定义一，天线的有效长度L_e等于：物理长度乘以天线上的电流用输入端电流来归一化后的平均电流。

对于沿着z轴放置，且原点在天线中心位置的直线天线，其物理长度假设为2h，则归一化的平均电流为：

式中，I(z)为天线上的电流分布，I_in为输入电流。

定义二：在天线最大辐射方向上产生相同电场的条件下，用一个长度L_e的假想的基本振子来代替该天线，其中基本振子上的均匀电流幅度等于该天线输入端电流I_in，则此时基本振子的长度就为该天线的有效长度。

16.天线的有效面积

天线的有效面积S_e定义为：在天线的极化与来波极化完全匹配，以及负载与天线阻抗共轭匹配的情况下，天线在某方向上接收并传输至负载的功率P_re(θ,φ)与入射来的均匀平面波功率密度W_i之比。

天线接收功率最大的方向，有效面积也最大。

17.天线的口径效率

天线的口径效率定义为天线的有效面积与物理面积之比。

18.天线的频带宽度

天线的性能参数如输入阻抗、方向图、主瓣宽度、副瓣电平、波束指向、极化、增益都是随频率的改变而改变。工程中一般要给出天线的频带宽度，简称天线的带宽，其定义为天线某个性能参数符合规定标准时的频率范围。频率范围的中心处频率称为中心频率f₀。

（1）绝对带宽

指天线能实际工作的频率范围，即上下限频率之差：

（2）相对带宽

由上下限频率之差与中心频率之比来表示：

（3）比值带宽

指上下限频率之比，即f₂:f₁。

对于中等以下带宽的天线，一般用相对带宽表示。对于超宽带天线，可采用比值带宽来表示。