1.9 天线

1.9 天 线 1.9.1 天线种类 天线是无线电系统中不可缺少的部分。天线的种类繁多：按工作性质，天线可分为发射天线和接收天线；
按用途，可分为通信天线、雷达天线、导航天线、电视天线和广播天线等；按工作频段，可分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波
天线等；按其结构和分析方法，可大致分为线天线和面天线（口径）两大类。天线理论和分析计算方法是天线技术发展的基础。传输线理论、空间积
分方程法、等效原理、电磁场矢量积分法等是经典的天线理论和分析计算方法。目前，能够在计算机上运行的各种电磁场数值计算方法（如矩量法、
时域有限差分法和几何绕射理论等），是分析各种复杂天线问题的有力工具。天线阵理论是天线理论的重要组成部分。自适应天线和智能天线的基础
理论属于信号处理学科的范畴。自适应天线阵的理论极大地改变了天线阵的传统概念和设计方法，是天线理论的重要前沿分支。1．偶极天线、单极
天线和环天线偶极天线、单极天线和环天线等属于线天线。线天线由导线构成，其导线的长度比横截面大得多。这类天线在分析方法上的特征是利用
天线上的电流分布确定天线的辐射特性和阻抗特性。天线形式有双锥天线、细双锥天线、对称偶极天线、折合偶极天线、八木天线、旋转场天线、蝙
蝠翼天线、盘锥天线和环天线等。偶极天线与单极天线在长中波、短波和超短波波段都得到了广泛应用，是应用最为广泛的天线形式。小环天线在手
机等移动通信设备中广泛应用。 2．宽带天线非频变天线和行波天线是宽带天线中的两大类。（1）非频变天线非频变天线是指天线的方向图和阻
抗特性都与频率无关的天线。非频变天线的输入阻抗和方向特性都是宽带的。非频变天线可分为两类，一类是天线的形状仅由角度决定，这类天线可
以在连续变化的频率上得到非频变特性。平面等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线等属于这类天线。 另一类非频变天线基于电磁场的相似原理：若天
线的尺寸和工作频率按相同的比例变化，则天线的特性不变；这类天线的尺寸按特定的比例因子变化，仅在一系列离散频率点上可以得到准确的非频
变特性；在这些频率点之间天线的特性是变化的，若变化在允许的范围内仍可得到良好的非频变特性。属于这类天线的有各种对数周期天线。 （2
）行波天线行波天线上的电流按行波分布，根据传输线的理论，可以获得很宽的阻抗带宽。行波天线具有很宽的输入阻抗特性。获得行波的方法通常
是在天线的终端连接匹配电阻，单导线行波天线、V形天线、菱形天线等属于这种情况。若由于辐射使天线电流衰减到终端电流可以忽略不计的程度
，也可以不接匹配电阻，等角螺旋天线、阿基米德螺旋天线和粗螺旋天线都属于这种情况。3．超宽带天线超宽带（UWB，Ultra Wide
Band）无线电不使用载频，而是以占空比很低的冲激脉冲作为信息的载体，直接发射和接收冲激脉冲串。冲激脉冲通常采用单周期高斯脉冲，
频谱的宽度和中心频率由脉冲波形决定，一般脉冲宽度为0.2～1.5ns，重复周期为25～1000ns。冲激脉冲具有很宽的频谱，如宽度
为1ns的高斯脉冲，其中心频率为1GHz时相对带宽约为1GHz。超宽带天线要求天线的传输函数在整个带宽中具有平坦的幅频特性和线性的
相位特性，能够无畸变地辐射和接收超宽带脉冲信号。如窄带的细半波偶极天线的传输函数的相位特性近似是线性的，通过加载改善幅频特性，可以
应用于超宽带辐射。目前研究的超宽带天线形式有加载偶极天线、双锥天线及变形、TEM喇叭等，这几类天线的严格的数学分析都比较困难，多采
用FDTD（Finite Difference Time Domain，时域有限差分法）或者FDTD加遗传算法进行结构优化。4．波
导口和喇叭天线波导开口面是最简单的口径天线，但波导开口面辐射特性较差，很少直接作为辐射器。为了得到较好的辐射特性，通常把波导的开口
面逐渐扩大使波导口变成喇叭。喇叭天线结构简单，波瓣受其他杂散因素影响小，两个主平面的波瓣易被分别控制。常作为抛物面天线的馈源及标准
增益天线等使用。喇叭天线有H面扇形喇叭、E面扇形喇叭、角锥喇叭、圆锥喇叭、多模喇叭、波纹喇叭等多种形式。在喇叭天线中可以利用透镜将
喇叭内的球面波或者柱面波变成平面波，构成透镜天线。 5．反射面天线反射面天线通常由馈源和反射面组成。馈源可以是振子、喇叭、缝隙等弱
方向性天线，反射面可以是旋转抛物面、切割抛物面、柱形抛物面、球面、平面等。旋转抛物面是一种主瓣窄、副瓣低、增益高的微波天线，常用来
得到笔形波束、扇形波束或具有特殊形状的波束，在雷达、通信、天文等领域有着广泛的应用。反射面天线辐射场的计算方法主要有感应电流法、口
径场法和几何绕射理论。感应电流法（又称镜面电流法）和口径场法是计算反射面天线的两种经典方法。6．缝隙天线缝隙天线是由金属面上的缝隙
构成的天线。缝隙天线的形式很多，可以加工在各种形状的金属面上，缝隙可由同轴线或波导馈电。缝隙天线在飞机、导弹等高速飞行器上得到了广
泛应用。加工在波导壁上的缝隙天线阵是缝隙天线的另一种形式，由于这种天线阵对天线口径内场的幅度分布容易控制，口径面利用率高，体积小，
易于实现低副瓣特性，因而在各种地面、舰载、机载、弹载、导航、气象等雷达领域获得了广泛应用。 7．微带天线微带天线有微带贴片天线、微
带振子天线、微带线型天线、微带缝隙天线、微带天线阵等多种形式。微带贴片天线是在带有导体接地板的介质基片上附加导体贴片构成的天线，贴
片可以是矩形、圆形、圆环形、窄条形等各种规则形状。如果贴片是窄长形的薄片振子则称为微带振子天线。微带线型天线利用微带传输线的各种弯
曲结构形成的不连续性来辐射电磁波。微带缝隙天线是由介质基片另一侧的微带线激励的接地板上的缝隙构成的一种缝隙天线或口径天线。微带天线
阵由微带天线元组成，有直线阵和平面阵形式。微带天线的剖面低、重量轻，可与各种载体共形。馈电网络可与天线印制在一起，适合采用印制电路
技术批量生产，便于实现圆极化、双极化、双频段工作，但功率容量小，损耗（介质损耗和表面波损耗等）大，因此效率低、频带窄。微带天线的分
析方法主要有传输线模型法和空腔模型法。传输线模型法主要用于矩形微带贴片天线，是一种一维空间的分析方法。空腔模型法是一种二维空间的分
析方法，适用于基片厚度远小于波长的情况。对于电磁耦合微带天线、多层结构等复杂微带天线结构的分析采用积分方程法或谱域导抗法。8．阵列
天线阵列天线是使用某些方向图较尖锐的天线（如抛物面天线），或者用某种弱方向性的天线按一定的方式排列起来组成天线阵。组成天线阵的天线
叫做天线元。常用的天线阵按其维数分为一维线阵和二维面阵。线阵是天线阵的基础，天线阵的主要参数有阵元数、阵元的空间分布、各阵元的激励
幅度和激励相位等。阵列天线适合点对点通信、雷达等要求天线方向图较尖锐和增益较高的情况下使用。 9．自适应天线阵自适应天线阵通过对各
阵元信号的幅度和相位进行自适应控制，使天线阵的主瓣方向自动对准需要的信号，零点方向自动对准干扰信号，以达到增强有用信号、抑制干扰信
号的目的。自适应天线阵极大地改变了天线阵的传统概念和设计方法，已成为天线理论的重要前沿分支。自适应天线阵通过最小均方误差（MSE）
准则、最大信噪比（SNR）准则、最大似然比（LH）准则、最小噪声方差准则等不同的准则来确定自适应权，并利用不同的算法来实现这些准则
。自适应算法主要分为闭环算法和开环算法。主要的闭环算法有最小均方（LMS）算法、差分最陡下降算法（DSD）、加速梯度算法（AG），
以及它们的一些变形算法。闭环算法实现简单、性能可靠，不需要数据存储，但收敛于最佳权的响应时间取决于数据特征值的分布，在某些干扰分布
情况下算法收敛速度较慢。开环算法主要有直接矩阵求逆（DMI或SMI）法。DMI法的收敛速度和相消性能都比闭环算法好得多。开环算法被
认为是实现自适应处理的最佳途径。自适应算法和工程实现是自适应天线理论研究的热点。1.9.2 天线的基本参数天线的方向特性、阻抗特
性、效率、极化特性、有效长度、有效面积、频带宽度、接收天线的等效噪声温度等参数是评价天线电性能的主要指标。根据互易原理，同一天线用
做接收和发射时性能相同，因此除了专用于描述接收天线性能的等效噪声温度之外，天线电参数的定义都建立在发射天线的基础之上。1．天线的方
向特性参数一般说来，天线的辐射场E在球坐标系中总可以表示为
（1.9.1）式中，A(r)为幅度因子；f(?, ?)为方向因子，称为天
线的方向性函数。在各种坐标系中，根据天线的方向性函数绘出的表征天线方向特性的图，称为天线的方向图，如场强振幅方向图、功率方向图、相
位方向图和极化方向图。场强振幅方向图表征天线的场强振幅方向特性，功率方向图表征天线的功率方向特性，相位方向图表征天线的相位方向特性
，极化方向图表征天线的极化方向特性。通常使用的是功率方向图或场强振幅方向图。 天线的方向图是一个三维图形，为了方便，常采用两个相互
正交的主平面上的剖面图来描述天线的方向性，通常取E平面（电场矢量与传播方向构成的平面）和H平面（磁场矢量与传播方向构成的平面）作为
两个正交的主平面。通常采用极坐标或直角坐标绘制方向图，极坐标方向图直观性强，直角坐标方向图易于表示和比较各方向上场强电平的相对大小
。为了便于比较各种天线的方向图，方向图一般都对最大值归一化。在天线方向图中的最强辐射区域称为天线方向图的主瓣，其他辐射区域称为副瓣
或旁瓣。副瓣中最值得注意的是主瓣两边的第一副瓣和与主瓣方向相反的后瓣，主瓣和副瓣统称为方向图的波瓣。波瓣之间存在辐射强度为零的区域
称为方向图的零点。 半功率波瓣宽度和零点波瓣宽度是两个描述方向图主瓣在给定主截面上特性的重要参数。半功率主瓣宽度定义为
（1.9.2）式中
， 和 为从天线的最大辐射方向到半功率点的角度。零点波瓣宽度定义为
（1.9.3）式中， 和
为从最大辐射方向到第一零点之间的角度。 天线最大辐射强度与天线最大副瓣辐射强度之比定义为天线的副瓣电平（SLL
）。天线的最大辐射强度与相反方向上的辐射强度之比定义为天线的后瓣电平（FBR）。天线的功率方向图及相关参数的示意图如图1.9.1所
示。 图1.9.1 天线的功率方向图及相关参数示意图方向性系数用来表征天线辐射能量集中的程度，其定义为：在相同的辐射功率下，某天
线在空间某点产生的电场强度的平方与理想无方向性点源天线（该天线的方向图为一球面）在同一点产生的电场强度平方的比值，即
相同辐射功率 （1.9.4）由于辐射功率和电场强度成正比，方向性
系数也可以定义为在某点产生相等电场强度的条件下无方向性点源辐射功率P0与某天线的总辐射功率Pr之比，即
相同电场强度 （1.9.5）天线增益的定义与方向性系数相似，但实际
天线与理想天线场强平方的比值是在相同输入功率条件下进行的，即在相同的输入功率下，某天线在空间某点产生的电场强度的平方与理想无方向性
点源天线在同一点产生的电场强度平方的比值： 相同输入功率
（1.9.6） 同样，增益也可以定义为在某点产生相等电场强度的条件下，无方向性点源天线输入功率Pin0与某天线的总输入功率Pi
n之比，即 相同电场强度 （1.9.7） 2．天
线的阻抗特性将天线辐射功率等效为一个电阻吸收的功率，这个等效电阻就称为天线的辐射电阻。辐射电阻可以作为天线辐射能力的表征。辐射功率
与辐射电阻的关系为
（1.9.8）式中，电流I若取天线上的波腹电流，则Rr称为“归于波腹电流的辐射电阻”；若电流I取天线的输入电流，则Rr又称为“归于
输入电流的辐射电阻”。天线的输入电压与输入电流的比值称为天线的输入阻抗，是决定天线与馈线匹配状态的重要参数。在理想情况下，天线的输
入阻抗是一个恒定的电阻，其值等于该天线归于输入电流的辐射电阻。此时天线可以直接与特性阻抗（等于该天线辐射电阻的传输线）相连，传输线
馈入天线的功率全部被辐射到空间。当天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗不匹配时，馈到天线的功率会被反射。天线与馈线匹配愈好，驻波比或回
波损耗愈小。天线输入阻抗与天线的输入电流、天线的辐射功率、损耗功率和近区场中储存的无功能量等有关。一般情况下，天线的输入阻抗既有实
部也有虚部。天线输入阻抗的计算是比较困难的，特别是输入电抗，因为它需要准确地知道天线上的电流分布和近区感应场的表达式。 3．天线的
效率天线的效率定义为天线的辐射功率与输入功率之比，即
（1.9.9）式中，Pr，Pin，Pl分别是天线的辐射功率、输入功率和损耗功率。也可以写成
（1.9.10）式中，Rr，Rin
，Rl分别是天线的归于输入电流的辐射电阻、输入电阻和损耗电阻。从式（1.9.10）可见，为了提高天线的效率，应尽可能提高天线的辐射
电阻Rr和降低损耗电阻Rl。4．天线的极化特性天线的极化特性是指天线辐射电磁波的极化特性。由于电场与磁场有恒定的关系，通常都以电场
矢量端点轨迹的取向和形状来表示电磁波的极化特性，电场矢量方向与传播方向构成的平面称为极化平面。电磁波的极化方式有线极化、圆极化和椭
圆极化。 电场矢量恒定指向某一方向的波称为线极化波，工程上常以地面为参考。电场矢量方向与地面平行的波称为水平极化波，电场矢量方向与
地面垂直的波称为垂直极化波。若电场矢量存在两个具有不同幅度和相位相互正交的坐标分量，则在空间某给定点上合成电场矢量的方向将以场的频
率旋转，其电场矢量端点的轨迹为椭圆，而随着波的传播，电场矢量在空间的轨迹为一条椭圆螺旋线，这种波称为椭圆极化波。当电场的两正交坐标
分量具有相同的振幅时，椭圆变成圆，此时这种波称为圆极化波。椭圆极化波可视为两个同频率线极化波的合成，或两个同频反相圆极化波的合成。
线极化波和圆极化波可视为椭圆极化波的特例。根据天线辐射的电磁波是线极化或圆极化，相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。极化效率是接
收天线的极化参数。极化效率定义为：天线实际接收的功率与极化匹配良好时天线在此方向所应接收的功率之比。当入射平面波的极化椭圆在给定方
向上与接收天线具有相同的轴比、倾角和极化方向时，在此给定方向上天线将获得最大信号，这种情况称为极化匹配。5．天线的有效长度和有效面
积有效长度和有效面积是用来表示天线发射和接收电磁波能力的参数，有效长度是针对线天线定义的，有效面积是针对口径天线定义的。对于发射天
线的有效长度定义为：天线的有效长度是指假想天线的长度，该假想天线的电流是均匀分布的，其大小等于原天线输入端电流，且在最大辐射方向能
产生与原天线相等的电场。发射天线的有效面积定义为一具有均匀口径场分布的口径天线的面积，该口径天线与原口径天线在最大辐射方向产生相同
的辐射场强。接收天线的有效面积定义为：天线所接收的功率等于单位面积上的入射功率乘以它的有效面积。 6．天线频带宽度天线的以上各种参
数都和天线的工作频率有关。天线的频带宽度根据天线参数的允许变动范围来确定，这些参数可以是方向图、主瓣宽度、副瓣电平、方向性系数、增
益、极化、输入阻抗等。天线的频带宽度随规定的参数不同而不同，由某一参数规定的频带宽度一般并不满足另一参数的要求。若同时对几个参数都
有要求，则应以其中最严格的要求作为确定天线频带宽度的依据。天线频带宽度通常用相对带宽表示，即 （1.9.11）天线的带宽目前习惯按以下的相对带宽分类。窄带天线：0％≤B≤1％；宽带天线：1％≤B≤25％；超宽带天线：25％≤B≤200％。天线带宽还可用比值fmax / fmin来表示。7．接收天线的等效噪声温度等效噪声温度是接收天线的特殊参数，是天线用于接收微弱信号时的一个重要参数。在接收信号十分微弱且干扰十分突出的场合，仅仅用天线的增益、有效面积等参数已不能衡量天线性能的优劣，必须把天线输送给接收机的信号功率和噪声功率的比值作为重要参数。表征天线向接收机输送噪声功率的参数就是天线的等效噪声温度。噪声温度的概念来源于电阻的热噪声。为了降低天线的噪声温度，应该减小天线损耗，提高天线的效率；减小指向地面的副瓣，降低环境温度；对天线制冷，降低天线自身温度。天线等效噪声温度与天线所处的环境密切相关，因此计算十分困难，一般由测量确定。