目 录
一 、天线的基本原理和主要参数 ...................................................................................................... 2
1.1天线的基本原理 .................................................................................................................... 2
1.1.1电基本振子的辐射 ....................................................................................................... 2 1.1.2 对称阵子的辐射.......................................................................................................... 4 1.2 天线的主要参数 ................................................................................................................... 5
1.2.1方向函数 ..................................................................................................................... 5 1.2.2 方向图........................................................................................................................ 6 1.2.3方向系数 ..................................................................................................................... 6 1.2.4输入阻抗 ..................................................................................................................... 7 1.2.5天线的增益 ................................................................................................................. 7
1.2.6电流分布 ..................................................................................................................... 8
二、引向天线 .................................................................................................................................... 8
2.1 引向天线简介....................................................................................................................... 8 2.2 引向天线工作原理................................................................................................................ 9 三、引向天线的设计 ......................................................................................................................... 9
3.1 设计目的.............................................................................................................................. 9 3.2 设计软件.............................................................................................................................10 3.3 天线参数设定......................................................................................................................10
3.3.1 振子数的确定 ............................................................................................................10
3.3.2 有源振子的结构和尺寸 .............................................................................................. 11 3.3.3引向器长度选择 ......................................................................................................... 11 3.3.4 反射器长度的选择 .....................................................................................................12 3.3.5引向器的间距、反射器与有源振子的间距选择 ............................................................12 3.4 总体设计规划......................................................................................................................12 四、MATLAB仿真...........................................................................................................................13
5.1 MATLAB仿真源程序 ...........................................................................................................13 5.2 MATLAB仿真结果 ..............................................................................................................17 六、设计总结 ...................................................................................................................................18 七、参考资料 ...................................................................................................................................19
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引向天线的研究与设计
一 、天线的基本原理和主要参数
1.1天线的基本原理
1.1.1电基本振子的辐射
电基本振子（Electric Short Dipole）又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l远小于波长λ，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流I处处等幅同相。用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。
zEr?H?IlOrE?y?x图(1) 电基本振子的坐标
电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为：
2
Hr?0??H??0??Ilk1?jkrH??sin?(j?2)e?4?rr??Il2k1?jkr?Er?cos(2?j3)e?4???0rr?2Il1kk1?jkr?E??Asin?(j?2?j3)e?4???0rrr?E??0?? （1-1）
电基本振子的辐射场可以分为近区场和远区场。如果kr<<1即（r<<λ/(2π)）的区域称为近区，近区场的另一个重要特点是电场和磁场之间存在π/2的相位差，于是坡印廷矢量的平均值为0，能量在电场和磁场以及场与源之间交换而没有辐射，所以近区场也称为感应场。
本实验计算的远区场kr>>1（即r>>λ/(2π)的区域称为远区），在此区域内，电基本振子满足条件：
1kr??1(kr)2??1(kr)
3则远区场表达式为：
??2?r?60?Il?jkr?E??jsin?e??r?Hr?H??Er?E??0??? （1-2） H??jsin?e?jkrIl可见场强只有两个相位相同的分量（Eθ,Hφ）。
根据方向函数可定义：
f(?,?)?E(r,?,?)60I/r （1-3）
可得电基本振子的方向函数为：
f(?,?)?f(?)??l?sin? （1-4）
根据归一化方向函数定义：
3
F(?,?)?f(?,?)fmax(?,?)?E(?,?)Emax （1-5）
可得电基本阵子归一化方向函数为：
F(θ,φ)=|sinθ| （1-6）
将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图(Fileld Pattern)。方向图就是与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图。
在实际中，工程上常常采用两个特定正交平面方向图。在自由空间中，两个最重要的平面方向图是E面和H面方向图。E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；H面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。
方向图可用极坐标绘制，角度表示方向，矢径表示场强大小。
1.1.2 对称阵子的辐射
对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。一臂的导线半径为a，长度为l。两臂之间的间隙很小，理论上可忽略不计，所以振子的总长度L=2l。对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。
O2al~lz图(2) 对称振子结构及坐标图
由教材可知对称阵子辐射场为
E?(?)?j60?Ime?jkr?rsin??l?lsink(l?z)ejkzcos?dz?j60Imcos(klcos?)?cos(kl)?sin?e?jkr（1-7）
根据方向函数的定义，对称振子以波腹电流归算的方向函数为 ：
f(?)?E?(?)60Im/r?cos(klcos?)?cos(kl)sin? （1-8）
上式实际上也就是对称振子E面的方向函数
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1.2 天线的主要参数
1.2.1方向函数
由电基本振子的分析可知，天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波，但却不是均匀球面波，因此，任何一个天线的辐射场都具有方向性。所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向(?,?)的关系。
天线在(?,?)方向辐射的电场强度(
式中，
A0E??,??)的大小可以写成
E??,???A0f??,?? (1)
f??,??是与方向无关的常熟；
f??,???E??,??A0为场强方向函数；则可以得到
(2)
为了便于比较不同天线的方向性，常采用归一化方向函数，用F??,??表示，即
F??,???f??,??fmax??,??E??,???Emax (3)
下面以电基本振子为例具体介绍方向函数的概念。
E?r,?,??60Ir?E?r,?,???若天线辐射的电场强度为
E?r,?,????，把电场强度的模值为写成：
f??,?? (4)
因此，场强方向函数f??,??可定义为
E?r,?,??f??,????
60Ir (5)
j?0I?ze2??j?r将电基本振子的辐射场表达式数为
E??rsin?代入上式，则电基本振子的方向函
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