电磁波与天线仿真与实践（下篇共上中下3篇）

谭立容电话858422751号实训楼B511电子信息学院南京信息职业技术学院引向天线引向天线和高增益引向天线——电视接收天线引向天线的组成结构图5-1引向天线的结构引向天线的最大辐射方向在垂直于各振子方向上，且由有源振子指向引向器，所以，它是一种端射式天线阵。引向天线的优点是：结构简单、牢固，馈电方便，易于操作，成本低，风载小，方向性较强，体积小。引向天线的主要缺点是：工作频带窄。引向天线的工作原理

1．工作原理

由天线阵理论可知，排阵可以增强天线的方向性，而改变各单元天线的电流振幅比可以改变方向图的形状，以获得所要的方向性。引向天线实际上也是一个天线阵，与前面介绍的天线阵相比，不同的是：只对其中的一个振子馈电，其余振子则是靠与馈电振子之间的近场耦合所产生的感应电流获得激励，而感应电流的大小取决于各振子的长度及其间距。因此，调整各振子的长度及间距可以改变各振子之间的电流振幅比，从而达到控制天线方向性的目的。图5-2二元阵图5-3表示由两个平行的半波振子构成的二元阵，其中,振子1为有源振子，振子2为无源振子。虽然振子2没有直接的激励，但邻近振子1的辐射将使它产生感应电流，同样也产生辐射作用。此时，二元阵的辐射场为有源振子上激励电流I1及无源振子上感应电流I2辐射作用的叠加。其中，I2=mI1ejψ,则无源振子2的感应电流的振幅与相位取决于有源振子与无源振子间的距离d和无源振子的长度2l2。那么如何使振子2起到引向器或者反射器的作用呢？图5-3二元等效四端网络(a)二元阵；(b)四端网络；(c)等效四端网络无源的2号天线相当于输入电压U2=0，即四端网络终端短路的情况。根据四端网络的概念，可写出下列方程：(5-1-1)(5-1-2)由式（5-1-2）得出两振子电流比：（5-1-3）式中，振幅比m以及相位差ψ分别为（5-1-4）（5-1-5）其中,相位差ψ由三部分组成：分子中的相角、分母中的相角和ejπ。对称振子的自阻抗Z22取决于它本身的长度，而互阻抗Z12则主要取决于两振子的间距。故调节无源振子2的长度2l2或它与有源振子的间距d，均可改变电流比m以及相位差ψ,进而改变二元阵的合成场和方向性，使二元阵在其赤道面内呈现不同的方向图。调节无源振子的电流，即m和ψ，使方向图主瓣指向有源振子一方，就称此无源振子为无源反射器；若方向图主瓣指向无源振子一方就称此无源振子为引向器。

2．改变无源振子的长度及其与有源振子的间距所产生的影响

由上面分析可知，改变无源振子的长度及其与有源振子的间距，就可以获得我们所需要的方向性。一般情况下，有源振子的长度为半个波长，称半波振子。图5-4中，考虑波长缩短效应，有源振子的长度为2l1/λ=0.475，并给出了无源振子在2l2为不同长度下且距有源振子为不同距离d时的H面方向图。图5-4二元引向天线的H平面方向图由图5-4可见，当无源振子与有源振子的间距d<0.25λ时，无源振子的长度略短于有源振子的长度，由于无源振子电流I2相位滞后于有源振子I1，故二元引向天线的最大辐射方向偏向无源振子的所在方向。此时，无源振子具有引导有源振子辐射场的作用，故称为引向器。反之，当无源振子的长度长于有源振子的长度时，无源振子的电流相位超前于有源振子，故二元引向天线的最大辐射方向偏向有源振子所在的方向。在这种情况下，无源振子具有反射有源振子辐射场的作用，故称为反射器。因此，通过改变无源振子的长度2l2以及它与有源振子的间距d来调整它们的电流振幅比m

和相位差ψ，就可以达到改变引向天线的方向图的目的。一般情况下，当只改变无源振子的长度2l2时，无源振子与有源振子的间距取d=(0.15～0.23)λ；当无源振子作为引向器时，其振子长度取为2l2＝（0.42～0.46）λ。当无源振子作为反射器时，其振子长度取为2l２＝（0.50～0.55）λ。还可以只调节无源振子与有源振子的间距d，即当无源振子作为引向器时，取间距d=(0.23~0.3)λ；当无源振子作为反射器时，取间距d=(0.15~0.23)λ。引向天线的设计方法与设计举例

1．引向天线的设计原则

1）确定单元数N及总长度L

引向天线的单元数N应根据要求的增益系数值或者主瓣宽度来确定。引向天线主瓣的半功率宽度的近似计算公式为(5-1-6)式中,L是引向天线的总长度，也就是从反射器到最后一根引向器的距离。图5-62θ0.5与L/λ的关系曲线图5-7L/λ—N曲线图5-8G—N曲线例如，设计一副增益为12dB的引向天线的步骤为：

(1)由图5-8查得当G=12dB时，N=8,即需8个单元(包括1个有源振子，1个反射器和6个引向器)。

(2)从图5-7查得当N=8时，可以初步确定天线的L/λ＝1.8。在给定天线增益时可根据图5-8确定振子数N，再按图5-7由N查得L。也可以参考表5-1来选定振子数N。或当给定主瓣宽度2θ0.5时，可先由图5-6查得天线的L/λ，再由图5-7得出振子数N。表5-1引向天线的增益

2)确定振子长度和间距（1）确定无源振子长度。反射器与引向器通常均采用单线振子。反射器的长度一般稍长于有源振子，即2l/λ在0.5～0.55之间。引向器的长度略短于有源振子，即2l/λ在0.4～0.44之间。引向器越多，引向器的长度越短。当引向器数量很多时，它们的长度有不同的组合方案：可以是全部等长（但间距不同）；也可以是随着与有源振子距离的加大，长度逐渐减小。（2）单元间距d的选择。单元间距的选择要同时从方向特性和阻抗特性两方面考虑。实验结果表明，引向器与有源振子的间距di较大时，方向图的主瓣较窄、增益较高，输入阻抗较高，天线的阻抗频带较宽，但副瓣较大，易接收干扰信号。但当di>0.4λ时，增益开始下降，故间距不宜太大。如果间距过小，振子间的互耦增大，有源振子的输入阻抗随频率的变化剧烈(说明带宽变窄)且电阻的数值变小，会影响到天线和馈线间的匹配，因此di取值不应小于0.1λ。综上所述，di的取值范围为（0.1～0.4）λ。通常，除第一引向器外，其他引向器按等间距排列。实际应用中也有采用不等间距的，其原则是距主振子越远的引向器与相邻单元之间的距离越大。反射器与有源振子的距离dr对天线方向图的前后比和输入阻抗的影响较大。dr的取值范围为（0.15～0.31）λ。当dr值较小（dr

＝（0.15～0.17）λ）时，后瓣电平低，方向图的前后辐射比较高，但天线的阻抗频带较窄，天线的输入电阻也较低。当dr

＝（0.2～0.31）λ时，后瓣电平高，方向图的前后辐射比较小，但天线的阻抗频带较宽，输入电阻也较高，便于和常用电缆匹配。当反射器不用单根导线，而用由多根导线构成的栅状平面或曲面代替时，可改善天线的前后辐射比。无源振子数量较少时，为取得最佳组合,它们的长度和间距常常各不相同；无源振子数量较多（如6个以上）时，全部引向振子常做成等长等间距，但其中第一个引向振子与有源振子的间距d′取的较小一些，与其他引向振子间的间距d的关系为d′=(0.6～0.7)d。表5-2均匀引向器的个数与长度之间的关系可调整引向器的间距d(一般取(0.15～0.27)λ)。若d取值较大，则增益高，方向性尖锐，但是副瓣也高，易接收干扰信号，且纵向尺寸长，支撑复杂。第一根引向器距有源振子之间的间距d2取得小些（一般取(0.1～0.15)λ）,这样有利于加宽频带。3)确定有源振子及尺寸图5-9折合半波振子天线的外形确定有源振子长度时应考虑天线的缩短效应，取(5-1-7)式中,δ为缩短系数,即（5-1-8）Δl为振子缩短长度：（5-1-9）d为折合振子的等效直径，可由式（3-2-4）求得:（5-1-10）有源振子馈电间隔aa′在VHF波段一般取50～80mm；在UHF波段一般取20mm。有源振子为折合半波振子时，折合振子宽度b取(0.01～0.08)λ。b值增大有利于加宽频带，但若b取得太大，则两条窄边（指折合振子的上下两臂连接处）会产生辐射，使天线增益下降，且方向图受到影响。b值太小，振子的输入阻抗要降低，容易引起阻抗失配。通常在VHF波段取b=0.02λ,UHF波段取b=0.08λ。

2．设计举例设计一个均匀引向天线，接收10～12频道节目，其增益大于9dB。（1）计算高/低端波长和中心波长λ:10频道频率范围是199～207MHz,12频道频率范围是215～223MHz，11频道在10和12频道之间。低端波长：高端波长：中心波长：（2）确定天线振子数目N:

根据给定增益，由图5-8查得G>9时，最少的单元数目为5。（3）确定折合半波振子长度2l、宽度b、接口宽度aa′:

取直径为10mm的金属管（铜管或铝管）作为振子材料,则：b＝0.03，λ＝43mm,aa′取50mm。用公式（5-1-10）计算：用公式（5-1-9）计算：用公式（5-1-8）计算：用公式(5-1-7)求得折合振子的长度L2为（4）确定引向器的长度和距离：由表5-2可查得，当引向器个数为5时，引向器长度Ln＝0.434λ0=618mm。引向器间距dn=0.34λ0=484mm。第一引向器与有源折合振子间距d2=0.15λ0=214mm。（5）确定反射器长度和间距:

反射器长度 反射器与折合振子的间距d1=0.25λ0=356mm。（6）天线总长度：L=d1+d2+d3+d4=356+214+484+484=1538(mm)图5-1010～12频道5单元引向天线（7）估算主瓣宽度（半功率角2θ0.5）:（8）复核增益:因所以取中间值:用分贝表示为G=10lg11.88=10.75dB,因此上述设计符合要求。

3.引向天线的计算机辅助设计技术（1）根据实际工程所提出的天线参数要求，用前面介绍的经验公式或者常用尺寸范围确定初始结构参数（如振子个数N的确定，振子的长度和间距的选取等）,这一点与前面介绍的常规设计中的方法一样。（2）将选定的初始结构参数带入前面的公式中计算天线的电特性，如各振子的电流、方向系数、方向图、半功率波瓣宽度、前后辐射比、天线的输入阻抗等。将用计算机软件计算出的结果与要求值比较，如果不符合要求，则重新选取一组结构参数，重新计算，直到满足给定的电参数要求为止。上述过程全部由计算机完成，代替了常规设计中的大量实验，也节省了大量的设计时间，降低了设计成本。（3）将满足电参数要求的结构参数进行微小的实验调整，确定天线的最终结构参数。谭立容电话858422751号实训楼B511电子信息学院南京信息职业技术学院宽频带天线宽频带天线6.1宽频带天线的条件6.2螺旋天线6.3对数周期天线6.1宽频带天线的条件1.角度条件

满足角度条件是指天线的形状仅取决于角度，而与其他尺寸无关。换句话说，当工作频率变化时，天线的形状、尺寸与波长之间的相应关系不变。图6-1所示为平面等角螺旋天线的一等角螺旋线。“等角”是指螺旋线与矢径ｒ间的夹角ψ处处相等。等角螺旋线的极坐标方程为(6-1-1)式中，r0是对应于φ=0°时的矢径；α是决定螺旋线张开快慢的一个参量，1/α称为螺旋率。图6-1平面等角螺旋天线2.终端效应弱实际天线的尺寸总是有限的，有限尺寸的结构不仅是角度的函数，也是长度的函数。因此，当天线为有限长时，是否具有近似无限长时的特性，是能否构成实际的非频变天线的关键。如果天线上的电流衰减很快，则天线辐射特性主要由载有较大电流的那部分决定，而其余部分作用较小，若将其截去，对天线的电性能影响也不大，这样的有限长天线就具有近似无限长天线的电性能，这种现象就称为终端效应弱。终端效应的强弱取决于天线的结构。满足上述两条件，即构成非频变天线。非频变天线分成两大类：等角螺旋天线和对数周期天线。6.2螺旋天线6.2.1螺旋天线的辐射特性与极化特性１．平面等角螺旋天线如图6-2所示是按角度条件由两个对称金属臂组成的平面等角螺旋天线，它可看成是一变形的传输线。图中，螺旋线与矢径的夹角ψ(称为螺旋角)为一常数，它只和螺旋率有关，即tanψ=1/a。当转角从φ=0°逆时针增大时，ｒ不断增大直至无穷大；当转角φ从φ=0°顺时针增大时，ｒ以指数规律减小，向原点逼近。每个臂的边缘线都满足式(6-1-1)的曲线方程且具有相同的α，只要将臂的一个边缘线旋转δ角就会与该臂的另一个边缘线重合。式（6-1-1）

又可写为如下形式：因此，等角螺旋天线又称为对数螺旋天线。（6-2-3）图6-2平面等角螺旋天线这时天线的金属臂与两臂之间的缝隙的形状相同，即两者互相补偿，称为自补结构。已知自补天线的阻抗具有下述性质：z缝隙·z金属=(60π)2

可以将天线两臂看成是一对变形的传输线，在螺旋天线的始端由电压激励激起电流并沿两臂边传输、边辐射、边衰减，臂上每一小段均可看成一个基本辐射元，总辐射场就是这些基本元辐射场的叠加。实验证明，臂上电流在流过一个波长的臂长后，电流迅速衰减到-20dB以下。因此其有效辐射区就是周长约为一个波长以内的部分。这种性质符合终端效应弱的条件。平面等角螺旋天线的电流分布自补等角螺旋天线的最大辐射方向垂直于天线平面，且为双向辐射,即在天线平面的两侧各有一个主波束。设天线平面的法线与幅射线之间的夹角为θ，其方向图可以近似表示为cosθ。在θ≤７０°的锥角范围内，场的极化接近于圆极化，极化方向由螺旋线张开的方向决定。天线的工作频带由截止半径r0和天线最外缘的半径R0决定。通常取一圈半螺旋来设计这一天线，即外径R0＝ｒ0ｅα3π。若以α=0.221代入，可得R0＝8.03r0，则工作波长的上下限为λmin≈(4～8)r0，λmax≈4R0,带宽在8倍频程以上。几何参量α和δ对天线性能也有影响：α愈小，螺旋线的曲率愈小，电流沿臂衰减愈快，波段性能愈好；δ则与天线的输入阻抗有关。但α和δ对天线方向图的影响均不大。自补等角螺旋天线的最大辐射方向垂直于天线平面，且为双向辐射加了金属背腔后变成单向辐射图6-50宽频带特性圆锥等角螺旋天线仿真模型也可将平面的双臂等角螺旋天线绕制在一个旋转的圆锥面上，这就构成了圆锥形等角螺旋天线。这一天线在沿锥尖方向具有最强的辐射，可以实现锥尖方向的单向辐射，它的其他性质与平面等角螺旋天线类似，且方向图仍然保持宽频带和圆极化特性。平面和圆锥等角螺旋天线的频率范围可以达到20倍频程或者更大。

２．阿基米德螺旋天线另一种常用的平面螺旋天线是阿基米德螺旋天线，如图6-3（ａ）所示。该天线臂曲线的极坐标方程（可参照图6-1）为（6-2-4）式中，r0是对应于φ=0°的矢径。天线的两个螺旋臂分别是r1＝r0φ和r2＝r0(φ-π)。为了明显地将两臂分开，在图6-3（ｂ）中分别用虚线和实线表示这两个臂。图6-3阿基米德螺旋天线(a)天线的两个螺旋臂；(b)分别用虚线和实线表示两个臂研究图中Ｐ和Ｐ′点处的两线段，设OP和OQ相等，即P和Q为两臂上的对应点，对应线段上电流的相位差为π，由Q点沿螺旋臂到Ｐ′点的弧长近似等于π·r，这里ｒ为OQ的长度。故P点和Ｐ′点电流的相位差为π+β·πr=π+2π/λ·πr,若设r=λ/2π,则P点和Ｐ′点的电流相位差为2π。因此，若满足上述条件，则两线段的辐射是同相叠加而非相消的。也就是说,这一天线的主要辐射集中在r=λ/2π的螺旋线上，这称为有效辐射带。随着频率的变化，有效辐射带也随之而变，但由此产生的方向图的变化却不大，故阿基米德螺旋天线也具有宽频带特性。如果在这一天线面的一侧加一圆柱形反射腔，就构成了背腔式阿基米德螺旋天线，它可以嵌装在运载体的表面下。6.3对数周期天线６.３.１对数周期天线的结构特点与工作原理１．齿状对数周期天线1）结构特点

齿状对数周期天线的基本结构是将金属板刻成齿状，如图6-4所示，齿的分布是按等角螺旋线设计的，齿是不连续的，其长度是由从原点发出的两根直线之间的夹角决定的。若从螺旋线中心沿着矢径方向看去，同一臂上第ｎ个齿内缘的矢径为（6-3-1）则第ｎ＋１个齿内缘的矢径为第n+1个齿和第n个齿内缘的矢径之比为(τ为小于１的常数）同理，同一臂相邻齿外缘的比值τ也是一个常数，即τ称为周期率，它给出了天线结构的周期。（6-3-3）（6-3-2）图6-4平面对数周期天线齿状对数周期天线图6-5梯齿形对数周期天线（ａ）齿片结构;（ｂ）导线结构２）工作原理对于无限长的结构，当天线的工作频率变化τ倍，即频率从f变到τf，τ2f，τ3f,……时，天线的电结构完全相同，因此在这些离散的频率点f，τf，τ2f,……上具有相同的电特性。但在f～τf,τf～τ2f,……频率间隔内，天线的电性能有些变化，只要这种变化不超过一定的指标，就可认为天线基本上具有非频变特性。由于天线的这一性能可以在很宽的频率范围中以ln(1/τ)为周期作重复性变化，故命名为对数周期天线。实际上，天线不可能无限长，而齿的主要作用是阻碍径向电流。实验证明:齿片上的横向电流远大于径向电流，如果齿长恰好等于谐振长度(即齿的一臂约等于λ／4)，则该齿具有最大的横向电流，且附近的几个齿上也具有一定幅度的横向电流。而那些齿长远大于谐振长度的各齿，其电流会迅速衰减到谐振长度上电流最大值的30dB以下，这说明天线的终端效应很弱，因此有限长天线近似具有无限长天线的特性。

２．对数周期偶极子天线（简称ＬＰＤＡ）1）结构特点对数周期偶极子天线是由N个长度不同的对称振子，按一定间距排列在同一平面内构成的。各振子末端的连线交于一点，称做顶点。该天线的结构依据下列关系设计：（6-3-4）其中:n为振子序号，最长振子的序号为１；l表示振子的长度;ｄ表示相邻振子的间距;ｒ表示由顶点到振子的垂直距离;τ称作周期率。对数周期偶极子天线的结构如图6-6所示，天线的几何结构主要取决于参数τ、α和σ，它们之间满足下列关系：（6-3-5）（6-3-6）其中，α为各振子臂末端连线的夹角。图6-6对数周期偶极子天线阵LPDA的结构特点表明，当序号为n的振子的长度与位置确定后，就可按式(6-3-4)求出向顶点或其反向延伸的无限多个振子的长度和位置。换句话说，按比例系数τ变换天线结构后仍等于原来结构，即结构尺寸的对数以lnτ为周期。由于天线的性能取决于天线结构的电尺寸，那么天线呈现相同性能时的频率也有同样的对数周期。若随着振子序号的增加，振子的长度和距顶点的距离依次减小τ倍，即（6-3-7）相应地则有：上式表明，LPDA的天线结构和性能均以lnτ为周期重复变化，这就是对数周期天线名称的由来。当然，当频率从fn变到fn+1时，天线性能会随之变化。当比例系数τ较大(接近1)时，天线参数在一个周期内的变化不大。这样一来，可在极宽的频率范围(10多倍频程)内使天线参数变化不大，从而实现非频变特性，即宽频带特性。2）工作原理从馈电点对天线进行馈电后，电磁能量将沿集合线传输，依次对各振子激励。天线上那些长度为半波长左右的振子就发生谐振，谐振振子的阻抗主要主要取决于阻抗的实部,并在2l=λ/2的半波长振子上产生最大电流。天线的辐射场主要由这些半波长左右的振子决定。由半波振子到天线末端(最长振子方向)，振子上的电流迅速减小，一般经过两三个振子就接近于零值，这种现象称作“截除效应”。正因为有这种效应，才允许天线结构上的突然截断，才有可能使有限的天线结构具有理想的无限长天线结构同样的电特性。天线末端那些电流为零值的长振子组成了“未激励区”，它们没有被集合线上的电流激励，也不辐射能量，就好像不存在一样。对数偶极子天线的阻抗特性和方向特性通常可将LPDA分为三个区域：(1)馈电点附近的短振子区为传输区；(2)振子臂长接近谐振长度(λ/2)时的区域为辐射区；(3)振子臂更长的未激励区。传输区中对称振子的臂长远小于波长，呈现很大容抗。由于振子的输入阻抗很高，电流很小，辐射作用微弱，因此该区中的诸振子可看成是对集合线加载的并联电容。这个区域的作用是传输高频电磁能量,所以称为传输区。当天线馈电后，能量沿双绞线传输。当能量行至长度接近谐振长度的振子，或者说振子的长度接近于半波长时，发生谐振，振子上的输入阻抗呈现纯电阻，电流较大，向空间产生有效的辐射。整个天线的辐射主要由这部分振子产生，因此将它称为辐射区。由于大部分能量已被辐射区辐射出去，使集合线传至未激励区的能量很弱，此区域的振子呈现高感抗，因此，振子上的电流很小，其辐射微不足道，对辐射几乎没有贡献。图6-718元LPDA在三种频率下振子输入端的电流分布当集合线平均特性阻抗Z0=83Ω时，由图6-7中电流分布曲线可见，频率增高时，辐射区向短振子方向移动。f=200MHz时，n=3的振子接近谐振，电流最大；f=300MHz时，n=8的振子谐振；f=600MHz时，n=15的振子谐振。从电流分布曲线可看出传输区、辐射区与未激励区的电流分布情况。

图6-8给出该LPDA在频率分别为200MHz、300MHz、450MHz、600MHz时的方向图。从图中可见，方向图形状基本不变。方向性系数与阻抗如表6-1所示。图6-8LPDA的方向图(a)f=200MHz;(b)f=300MHz;(c)f=450MHz;(d)f=600MHz表6-1图6-8所示的LPDA的方向性系数与输入阻抗对数周期天线的极化特性与宽频带特性对数周期天线电场的极化方向平行于振子方向，为线极化天线。当天线工作频率变化时，不同频率的高频电磁能量是由天线的不同部分辐射的。频率高的由短振子辐射；频率低的由长振子辐射。当频率由高向低变化时，辐射区由短振子一侧向长振子一侧移动。有效辐射区随频率的变化而左右移动，但电尺寸不变。因而，对数周期天线具有宽频带特性，其频带范围为10或者是15倍频程。目前，对数周期天线在超短波和短波波段获得了广泛的应用。6.3.4对数周期天线的馈电方法

N副对称振子用一对双线传输线(传输线又称为集合线)进行馈电，相邻振子的馈电线交叉连接，馈源接在短振子一端。LPDA交叉馈电的目的是使辐射区的振子电流有适宜的相位关系。从短振子端馈电时，馈线上的相位滞后发生在较长振子方向。但经过交叉后相位反转，较长振子上电流的相位就超前于较短振子，产生指向顶点方向的端射或辐射。这种相位关系很像引向天线：前有引向器，后有反射器，引向器的电流相位滞后主振子，反射器的电流相位超前主振子。有时在长振子端接一短路支节或在集合线终端接一负载电阻以改善传输线的匹配状态，调整其长度可减小集合线上终端电磁波的反射。练习

1写出宽频带天线的角度条件的表达式。

2简述宽频带天线终端效应弱的含义。谭立容电话858422751号实训楼B511电子信息学院南京信息职业技术学院缝隙天线7.1缝隙天线7.1.1理想缝隙天线的辐射和方向特性理想缝隙天线是开在无限大、无限薄的理想导电平面上的直线缝隙。缝隙的横向尺寸远小于波长，纵向尺寸通常为λ/2。设yOz为无限大和无限薄的理想导电平板，在此面上沿z轴开一个长为2l、宽为W(W<<λ)的缝隙，缝隙的场由加在缝中心O处的电势激励产生。实际缝隙是由外加电压或电场激励的，不论激励方式如何，缝隙中的场总垂直于缝的长边，如图7-1（a）所示。因此理想缝隙天线可等效为由磁流源激励的对称缝隙，如图7-1（b）所示。与之相对偶的是尺寸相同的与上述缝隙具有互补形状的金属薄片板状对称振子，如图7-1（c）所示。图7-1理想缝隙天线的辐射而板状对称振子的远区场与细长圆柱对称振子的相同。根据前面3.1.2节的介绍，长度为2l的对称振子的辐射场为(7-1-1)其方向性函数为(7-1-2)由于理想缝隙天线与板状对称振子具有对偶性。因此，根据对偶原理，理想缝隙天线的方向性函数与同长度的对称振子的方向性函数在E面和H面是相互交换的，如图7-2所示。图7-2理想缝隙（2l=λ/2）天线的辐射方向图7.1.2波导缝隙天线的辐射和方向特性请回答哪些是辐射缝隙，哪些是非辐射缝隙？图7-3波导内壁的电流分布与缝隙配置示意图单个缝隙波导天线的辐射方向图7.1.3波导缝隙天线阵的方向特性和宽频带特性1.谐振式缝隙阵图7-5宽壁纵向缝隙阵图7-6宽壁中线的纵向缝隙阵为了能在一定长度的波导壁上排列更多的缝隙元以提高其方向性，同时也是为了避免相邻缝隙间距d=λg>λ而出现栅瓣，通常都选择相邻缝隙间距为λg/2的排列方式，但需要采取适当方法以保证各缝隙同相激励。图7-7宽壁中线双侧纵向缝隙阵如图7-7所示，相邻缝隙相对中心线要交错放置，使谐振式波导缝隙阵对边开缝时相邻缝隙间的相位差为0，从而实现了各缝隙的同相激励,构成同相阵列。图7-8窄壁斜缝隙天线阵2.非谐振式缝隙阵图7-9非谐振式缝隙天线阵图中各缝隙间距不等于λg或λg/2，使各缝隙单元不同相，具有线性相位差。方向图的主瓣偏向电源或负载端，最大辐射方向与波导面法线的夹角为（7-1-4）式中，为相邻缝隙的激励相位差。其中,±π为缝隙的位置配置产生的附加相位差，d为相邻缝隙间距。由此可见，若利用移相器控制ψ0，就可实现最大辐射方向的电控扫描，故非谐振式缝隙天线阵很适宜用作电扫描天线。非谐振式缝隙天线阵的优点是频带较宽，缺点是效率较低，匹配负载的吸收功率通常为总输入功率的5%～10%。矩形波导缝隙阵的方向图可用方向图乘法定理求出。阵元的方向图即半波缝隙天线的方向图与半波对称振子的相同；阵方向图决定于阵元间距d以及阵元的电流相对激励幅度和相位差。读者可参阅有关直线阵的方向性进行计算。工程上波导缝隙天线阵的方向性系数可用下式近似估算：D≈3.2N式中,N为阵元(缝隙)的个数。练习1什么叫缝隙天线？理想缝隙天线的结构有哪些特点？2矩形波导缝隙天线阵有哪几种？各有什么特点？

谭立容电话858422751号实训楼B511电子信息学院南京信息职业技术学院微带天线7.2微带天线7.2.1微带天线的结构及主要特点图7-11微带天线的结构微带天线图7-12微带天线的馈电同轴馈线微带天线近年来越来越受到人们的重视，因为它具有很多其他天线所没有的特点：可方便地实现线极化或圆极化以及双频率工作；体积小，重量轻，价格低，尤其具有很小的剖面高度，易于附着于任何金属物体表面，最适用于某些高速运行的物体，如飞机，火箭，导弹等；容易和有源器件、微波电路集成为统一的组件，因而适合大规模生产。在现代通信中，微带天线广泛地应用于100MHz～50GHz的频率范围。7.2.2微带天线的辐射原理图7-13矩形微带天线开路端的电场结构图7-14场分布侧视图图7-15矩形微带天线的电场分布图7-16等效辐射缝隙7.2.3微带天线的方向特性建立如图7-17所示的坐标，设缝隙上电压为U，缝的切向电场Ex=U/h，可以等效为沿z方向的磁流。考虑到理想接地板上磁流的镜像，缝隙的等效磁流为（7-2-1）设磁流沿x和z方向都是均匀的，则单缝的辐射场为（7-2-2）式中:（7-2-3）又因为沿x轴排列、间距l≈λ／2的二元阵的阵因子为（7-2-4）分别令θ=90°和φ=90°，由方向图乘积定理即可得到微带天线的E面和H面的方向性函数为（7-2-5）（7-2-6）7.2.4实用微带天线（1）增加介质基片厚度h，这等效于增大辐射缝隙的宽度或降低微带结构的特性阻抗，使天线输入阻抗随频率变化的速度减慢。但是，种方法的效果是有限的，而且增加厚度与降低剖面高度的要求是矛盾的。这可采用较高相对介电常数εr的介质来解决，但这又增大了天线的损耗。（2）采用如图7-19所示的叠片结构，即上层较小的辐射片以下层较大的辐射片为接地板，相叠的两片分别调谐于不同的频率。这类双层结构因有两个导体贴片，因而具有两个谐振频率。如果结构参数设计得当，可使两个谐振频率适当接近，与电路中的双调谐回路参差调谐原理类似，形成频带大大展宽的双峰谐振电路，使总的工作频带变宽。图7-19叠片形结构微带天线图7-20微带天线阵图7-21微带天线阵形式之一微带天线阵练习

1什么是微带天线？其馈电方式有哪几种？

2仿真微带天线，得到方向图并分析其方向图特点。谭立容电话858422751号实训楼B511电子信息学院南京信息职业技术学院面天线常用面式天线8.1面天线辐射的基本原理8.2喇叭天线8.3抛物面天线8.4卡塞格伦天线图喇叭天线用作馈源8.1面天线辐射的基本原理8.1.1面元的辐射图8-1面天线的原理由于在封闭面上有一部分是导体面S′，所以其上的场为零，这样使得面天线的辐射问题简化为口面S的辐射，即S０=S′+S→S。设口面上的场分布为ES，根据惠更斯—菲涅尔原理，把口面分割为许多面元dS,称为惠更斯元。图8-2惠更斯元在远区任一点M产生的辐射场应该是口面上所有面元在该点产生的辐射场的和。图8-4惠更斯元的方向图综合矩形和圆形不同口面的辐射特性，对同相口面场而言，可得到以下几个结论：（1）最大辐射方向总是在同相口面平面的法线方向（即θ=0°）上。这是因为在此方向上，平面口面上所有的惠更斯元到观察点的波程相位差为零，与同相离散天线阵的情况是一样的。（2）在口面场分布一定的情况下，平面口面电尺寸越大，方向性越强，主瓣越窄，增益（方向性系数）越高。口面利用因数越大。（3）口面场幅度分布对方向性有很大影响，口面场分布越均匀，方向性越强，主瓣越窄，增益越高，但副瓣电平也越高，口面利用因数越大。8.2喇叭天线8.2.1喇叭天线的结构和特点根据惠更斯原理，终端开口的波导管可以构成一个辐射器。但是，波导口面的电尺寸很小，其辐射的方向性很差;而且，在波导开口处波的传播条件发生突变，波导与开口面以外的空间特性阻抗不相匹配，将形成严重的反射，因而它的辐射特性差。所以，开口波导不宜作天线使用。为了避免波导末端反射，将波导逐渐地张开就成为喇叭天线。因为波导逐渐地张开，使其逐渐过渡到自由空间，因此可以改善波导与自由空间在开口面上的匹配情况，另外，喇叭的口面较大，可以形成较好的定向辐射。从而取得良好的辐射特性。图8-11常用喇叭天线8.2.2喇叭天线的方向特性工程上常用近似方法求解喇叭天线的辐射特性。图8-12表示出喇叭天线的一般几何关系。图中，馈电波导可以是矩形或圆形的,W是矩形口径的宽度，r是圆形口径的半径，R称为斜径，从口径中心到波导与喇叭接口处的距离是轴长L。由馈电波导中的传输模式可求出喇叭口径面上场的振幅分布，其相位分布近似为平方律相差。设由顶点发出的是球面波，则斜径R与轴长L至顶点的差是用波长λ去除Δ，得到平方律相差的无量纲常数S由于多数实用喇叭天线的半张角θ0较小，因此常采用平方律相差近似。（8-2-1）图8-12喇叭天线的一般几何关系1.矩形口径喇叭（角锥喇叭）图8-13矩形喇叭的几何关系通常各喇叭壁的斜径是不相等的。输入波导的高为b而宽为a，口径E面即yOz面高为H，H面即xOz面宽度为W。每个口径截面上都有各自的平方相差常数，它们是（8-2-2）矩形波导中的最低模式TE10型波的场分布为其中，a为矩形波导的宽边。在矩形喇叭口径面上的场分布可近似地写为或（8-2-3）当Re=Rh=R时，角锥喇叭从楔形变成尖顶形。其口径场为（8-2-4）当Rh→∞时，可得E面扇形喇叭口径场为（8-2-5）当Re→∞时，可得H面扇形喇叭口径场为（8-2-6）当Re=Eh=∞时，可得矩形波导中TE10型波的口径场为（8-2-7）由以上各式可见，普通矩形喇叭的口径场的振幅分布都保留矩形波导TE10波的余弦规律，口径场的相位则因波导壁的逐渐张开而呈平方律变化。在已知口径场的分布后，就可按前面计算面天线辐射场的方法求以上各种喇叭天线的辐射场，并确定其方向性。2．喇叭天线的方向性图8-14矩形口径喇叭E面的通用方向图(TE10波)图8-15矩形口径喇叭H面的通用方向图(TE10波)角锥形喇叭天线的方向性系数为（8-2-12）式中，DH与DE分别为H面扇形喇叭和E面扇形喇叭的方向性系数。图8-16H面扇形喇叭天线的方向性系数DH

图8-17E面扇形喇叭天线的方向性系数DE

H面扇形和E面扇形喇叭的方向性系数均可近似为（8-2-13）式中,S=W·H为口径面积，v=0.64为口面利用系数。角锥喇叭的最佳尺寸就是H面扇形和E面扇形都取最佳尺寸，方向性系数仍用式（8-2-13）计算，而最佳角锥喇叭的口面利用系数可根据式（8-2-12）和式（8-2-13）得出，即v=0.51。这表明，最佳角锥喇叭的口面利用系数比最佳E面或H面扇形喇叭的口面利用系数小，这是因为角锥喇叭口径场沿两个方向均呈平方律变化的缘故。设计喇叭天线时，不一定都要求设计成最佳喇叭，应按具体情况进行。通常，当给定增益系数时应将喇叭设计成最佳喇叭。此时，首先根据工作波长确定馈电波导的尺寸，从而确定喇叭颈部尺寸，然后根据要求的增益系数确定喇叭天线的最佳尺寸。角锥喇叭天线的尺寸应满足如下几何关系（参见图8-13）:（8-2-14）另一种是根据方向图设计喇叭，通常就不选最佳尺寸了。设计中常用尝试法，要反复进行多次尺寸修正，直到完全符合要求为止。图8-18角锥喇叭的三维方向图8.3抛物面天线图8-19抛物面天线的形状(a)旋转抛物面；(b)柱形抛物面；(c)切割抛物面8.3.1抛物面天线的工作原理图8-20旋转抛物面天线示意图图8-21旋转抛物面天线(1)天线口面——以抛物面的边缘线为周界的平面。口面直径以D表示，半径以R0表示，口面面积以S表示。(2)抛物面轴线——与口面平面垂直，并通过其中心的直线，即z轴，或称为对称轴。(3)抛物面顶点——z轴与抛物面的交点，即顶点O。(4)抛物面的焦距——由焦点F到顶点O的距离，用f表示。(5)抛物面口面张角——在通过抛物面轴线的平面上，由焦点F向抛物面边缘相对的两点所引的连线间的夹角，用2φ0表示。图8-22抛物面的几何关系（1）如图8-22(b)所示，焦点F到抛物面上任一点M的连线FM与M点的法线MN的夹角∠FMN等于FM与抛物面轴线FO的夹角ψ的一半。这意味着自焦点F发出的任一条射线经抛物面反射后，均成为与抛物面轴线平行的射线（电磁波）。（2）如图8-22(a)所示，抛物线是到一定点（焦点F）和一定直线（准线NM″）距离相等的动点的轨迹。抛物线上任一点到焦点F的距离与它到准线的距离相等。因此，由图8-22可知:（8-3-1）这说明由焦点经反射后到抛物面口面或参考面SS′的距离为一个常数，即2f。在直角坐标中，旋转抛物面的方程是x2+y2=4fz

（8-3-2）为了分析方便，抛物线方程也经常用原点与焦点F重合的极坐标（ρ,ψ）来表示，即ρ+ρ·cosψ=2f（8-3-3）式中，ρ=FM是从焦点F到抛物面上任一点M的距离，ψ为ρ与轴线OF的夹角。抛物面对天线性能有重要影响的一个几何参数是口径焦距比D/f。由式（8-3-3）可得:设口面半径为R0,口面张角为2ψ0，焦点至口面边缘的距离为ρ，则由图8-21和图8-22可得（8-3-4）当x=D/2=R0，ψ=ψ0时，代入式(8-3-4)得或（8-3-5）

D/f（或ψ0）的大小对抛物面天线的性能有很大影响。根据这一关系式，可以将抛物面按焦距长短分为三种情况：（1）f>D/4(ψ0<90°)，为长焦距抛物面；（2）f=D/4(ψ0=90°)，为中焦距抛物面；（3）f<D/4(ψ0>90°)，为短焦距抛物面。同时，只要知道了抛物面的张角和口面直径，就能求出它的焦距。8.3.2抛物面天线的方向特性与增益图8-23抛物面天线的H面方向图图8-24抛物面天线的E面方向图当R0/f=1.3时，由曲线图可求得相应的半功率张角宽度如下。由βR0sinθ0.5H≈βR0θ0.5H=1.85得抛物面天线的方向性系数主要取决于反射面口面的面积及口面场的分布情况。抛物面天线的方向性系数可用口面面积S及口面利用系数ν表示为其中，ν与口面场分布的均匀程度有关。抛物面天线的辐射效率η通常都小于1，原因是辐射器发出的功率有相当一部分不能被反射面截获，而从反射面边缘越过，造成泄漏损耗。抛物面天线的增益系数常表示为（8-3-7）8.3.3抛物面天线的馈源（辐射器）1．对辐射器的要求(1)在抛物面的泄漏功率为最小的前提下，保证对抛物面有均匀照射，使抛物面反方向不辐射或辐射尽量地小。因为这种辐射会使抛物面天线的方向图变坏。(2)辐射器应位于抛物面的焦点上，这样当其辐射的各射线经抛物面反射后,将以相同的射程到达抛物面的口面上，使口面均保持等相位分布。

(3)辐射器对抛物面的阻挡作用应尽量小，避免它阻挡截获的一部分功率通过辐射器进入馈电系统，造成失配现象。(4)辐射器在整个工作频带内应与馈线保持良好的匹配。

2．辐射器的类型和馈电方法（1）由金属圆盘反射器和半波振子构成的辐射器适宜于分米波段，用同轴线馈电。同轴线在抛物面中心从后面穿入。金属圆盘反射器应在距半波振子四分之一波长处，如图8-25所示。为了保证对振子馈电的对称性，必须加装平衡器。在图8-25中，采用了λ/4的杯形平衡器。同轴线外导体在圆盘处的短路不会影响半波振子的输入阻抗。将同轴线内导体长为λ/4的一段加粗，是为了改变其特性阻抗，构成λ/4阻抗变换器，这将有利于振子与馈线间的匹配。图8-25同轴线馈电的抛物面天线（2）用波导激励的二元振子阵适合厘米波段。二元振子阵被装置于波导终端的金属片上,如图8-26所示。波导管从抛物面后部穿入，其终端张口做成尖削状，以利于振子的辐射。金属小片与波导内电场相垂直，故不会改变波导内的场结构;而振子则平行于波导内电场，能够受到激励。靠近波导口的是半波振子（因考虑到终端效应，所以其实际长度应略短于λ/2）,距波导口约为0.2λ。另一副略长于λ/2，它对第一副振子起反射器的作用。两副振子间距约为λ/3。适当调节波导口的尖削程度及金属小片插入波导内的深度及振子的尺寸，将能调节二元阵与波导间的匹配情况。（3）喇叭辐射器是厘米波波段的常用形式之一，采用波导馈电,如图8-27所示。与振子型辐射器相比，喇叭辐射器的优点是便于取得设计要求的辐射器方向图。缺点是它具有更大的阻挡作用，影响了抛物面天线的方向图和增益系数；而且一部分功率经抛物面反射后又通过喇叭进入馈电波导，将引起馈电系统的失配。这种辐射器比较适合于大口径的抛物面天线。因为口径大时，辐射器的阻挡作用及由反射引起的失配作用相对较小。图8-26波导馈电的抛物面天线图8-27喇叭辐射器8.4卡塞格伦天线8.4.1卡塞格伦天线的组成与工作原理1.组成

双反射器天线由主反射器、副反射器（或分别称为主反射面、副反射面）和辐射器三部分组成，如图8-31所示。主反射器为旋转抛物面，副反射器通常为一旋转双曲面，也可以是旋转椭球面。当使用后一种副反射器时，称之为格里高利天线。辐射器一般都采用喇叭。图8-31双反射器天线结构2.工作原理图8-32卡塞格伦天线图8-33双反射器天线的几何关系作为双反射器天线一部分的双曲线具有两个重要的几何特性：（1）双曲线上任一点P到两焦点的距离差等于常数，即（8-4-1）由此可见，从实焦点F1出发，经双曲面反射的任一射线，比从虚焦点Ｆ2发出的射线都相差一个常数相位。这使得双反射器天线口面场保持均匀相位分布,即在主反射抛物面的口面上得到的仍是同相口面场。（2）双曲线上任一点P的法线PN，平分由P点向两焦点连线F1P和F2P所构成角（∠F1P）的补角（∠F1PM），即∠α=∠β。若称α为入射角，则β相当于反射角或反之。由此可见，如果将辐射源放在焦点F1，由F1发出的射线经过双曲线反射后，所有反射线的方向就如同是从焦点F2发出来的一样。通常，称F1为实焦点，F2为虚焦点。不难想像，如果把馈源放在实焦点上，并使双曲线的虚焦点与抛物面的焦点重合，那么就构成了如图8-31所示的双反射器天线系统。射线再经过抛物面反射后，就汇聚成平行的射线。因此，由馈源（F1）发出的任意射线经双曲面反射后，不仅相互平行，而且到达抛物面口径时所经路程也相等，即馈源发出的球面波变成为口径面上的平面波。由于口径面尺寸远大于波长，因此具有极强的方向特性。这就是卡塞格伦天线的工作原理。3.在工程上的分析方法图8-34双反射器天线的等效抛物面(a)实际天线；(b)等效天线所谓等效抛物面是这样作出的：从实焦点F1发出来的射线的延长线，与经过副反射器、主反射器上两次反射后形成的平行线的交点K的轨迹，就是等效抛物面。由图8-34可见：已知抛物面的几何性质为ρsinφ=ρesinθ

（8-4-2）（8-4-3）将上式带入式（8-4-2），并应用三角函数式可得:（8-4-4）令（8-4-5）则有（8-4-6）式（8-4-6）与式（8-4-3）具有相似的形式，也是一个抛物面的方程。ρe是等效抛物面的矢径。令fe=Mf

8.4.2卡塞格伦天线的增益与主要优点综上所述，卡塞格伦天线可以用一个口径尺寸与原抛物面相同，但焦距放大了M倍的旋转抛物面天线来等效，且具有相同的场分布。这样，就可以用前面介绍的旋转抛物面天线的理论来分析卡塞格伦天线的辐射特性及各种电参数。应当指出，由于这种等效方法是由几何光学原理得到的，而微波频率远低于光频，因此这种等效只能是近似的。尽管如此，在一般情况下，用它来估算卡塞格伦天线的一些主要性质还是非常有效的。卡塞格伦天线的结构不同于普通抛物面天线的结构，影响天线增益的因素也就不同。卡塞格伦天线的增益仍可用下式计算:（8-4-7）g=ην

（8-4-8）η=ηsηmηbηr

（8-4-9）式中：g为增益因数；ν为口面利用系数；η为效率。其他符号的定义（参见图8-35）分别为（8-4-10）（8-4-11）（8-4-12）ηr为其余因素引起的增益下降系数。例如，由主、副面制造公差，安装误差，自重形变等引入的杂乱反射而引起的增益下降。图8-35卡塞格伦天线的能量漏失卡塞格伦天线与普通抛物面天线相比，其主要优点在于：(1)因为有主、副面的两次反射，便于使主面口径场的振幅分布最佳化，所以改善了天线的电性能，尤其是提高了天线的口面利用系数。(2)因为馈源置于靠近主面顶点处向副面辐射，能方便地从主面后伸出，从而减小了馈线的长度，接收机的高频部分可以直接安放在主面后部靠近馈源处，这样大大缩短了高频馈线的长度，这对于单脉冲系统与低噪音系统有重要意义，所以说卡塞格伦天线结构紧凑，馈电方便。(3)因为卡塞格伦天线用短焦距抛物主面实现了长焦距抛物面天线的性能，所以缩短了天线的纵向尺寸，使其结构更加合理。(4)由于与馈源对着的是双曲面，双曲面的反射把馈源辐射的能量散开，使返回馈源的能量比抛物面天线的要少，从而减少了馈源的失配。卡塞格伦天线的缺点是副面边缘绕射效应比较大，这引起口径场振幅的起伏和相位的畸变，使增益下调，副瓣电平升高。8.4.3改进型卡塞格伦天线图8-36修改前后的副面形状表8-23种天线的基本参数练习1扇形和角锥喇叭天线的结构有什么特点？2简述旋转抛物面天线的结构及其工作原理。天线在物联网中的应用

物联网概述物联网(Internetofthings)定义：通过射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感器设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，使用LAN，GPRS，Wi－Fi，Bluetooth，Zigbee，UWB等进行信息交换和通信，以实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。国际电信联盟（ITU）曾描绘“物联网”时代的情形：司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求;……物联网定义的理解技术理解物联网是指物体的信息通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。应用理解物联网是指把世界上所有的物体都联接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物联网”又与现有的“互联网”结合,实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精细和动态的方式去管理生产和生活。通俗理解将RFID（无线射频识别）和WSN（无线传感器网络）结合为用户提供生产生活的监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的服务。物联网中的天线物联网技术的三大基础技术之一即为通信技术，而且主要集中在无线通信。目前得到广泛应用的无线通信设备，诸如手机、射频识别RFID、蓝牙Bluetooth、无线局域网WLAN网卡以及全球卫星定位系统GPS等产品均为物联网的构成部分，这些产品都需要使用天线来发射和接收无线电信号。物联网中的天线移动通信天线物联网中的天线移动通信天线物联网中的天线Radiofrequencyidentification(RFID)技术是一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技术。它包括电子标签(tag)和读写器(reader)2个主要部分RFID天线电子标签天线简介作为射频电子标签的天线必须满足一下的性能要求：（1）足够小以至于能够嵌入制造到本身就很小的电子标签上。（2）有全向或半球覆盖的方向性。（3）提供最大可能的信号给标签的芯片，并给标签提供能量。（4）无论标签处于什么方向，天线的极化都能与阅读器的询问信号相匹配。（5）具有鲁棒性。（6）作为损耗件的一部分，天线的价格必须非常便宜。因此，在选择天线的时候，必须考虑如下因素：（1）天线的类型。（2）天线的阻抗。（3）在应用到电子标签上时的射频性能。（4）在有其他的物品围绕标签物品时的射频性能。在实际应用中，标签的使用方式有两种，一种是标签移动，通过固定的阅读器进行识别；一种是标签不动，通过手持机等移动的阅读器来进行识别。在一个电子标签中，标签面积主要是由天线面积决定的。然而天线的物理尺寸受到工作频率电磁波波长的限制，如超高频（900MHz）的电磁波波长为30cm，因此应该在设计时考虑到天线的尺寸，一般设计为5~10cm的小天线。此外，考虑到天线的阻抗问题、辐射模式、局部结构、作用距离等因素的影响，为了以最大功率进行传输数据，天线后的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗相匹配。电子标签天线的分类

RFID电子标签主要有线圈型、微波RFID天线等。工作距离小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，工作在中、低频段。工作在1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子的RFID天线，工作在高频及微波频段。

1线圈型某些应用要求RFID的线圈天线外形很小，且需要一定的工作距离，如动物识别。为了增大RFID与读写器之间的天线线圈互感量，通常在天线线圈内部插入具有高磁导率μ的铁氧体材料，来补偿线圈横截面小的问题。

2微波RFID天线微波RFID天线中常见微带贴片天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片导体构成的。微带贴片天线质量轻，体积小，剖面薄，其馈线方式和极化制式的多样化及馈电网络、有源电路集成一体化等特点成为了印刷天线的主流。微带贴片天线适用于通信方向变化不大的RFID应用系统中。线圈型

微波RFID天线的结构、图片图6.5给出了几种实际RFID微波天线的图片，由这些图片可以看出各种微波RFID天线的结构以及与天线相连的芯片。微波RFID天线主要采用偶极子天线、微带天线等远距离RFID系统中，常用偶极子天线。信号从偶极子天线中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上产生一定的电流分布，从而在天线周围空间激发起电磁场。RFID系统中，实际使用的偶极子天线多为印刷偶极子天线的变形。物联网常用读写器天线在无线射频识别系统中，阅读器是主要的组成部分之一。它在射频识别系统中起到了举足轻重的作用。在射频识别系统工作过程中，通常由阅读器在一个区域内发送射频能量形成电磁场。电子标签通过这一区域时被触发，发送存储在电子标签中的数据，或根据阅读器的指令来改写存储在电子标签中的数据。根据天线和阅读器模块是否分离，可以分为分离式阅读器和集成式阅读器。常见的分离式阅读器有固定式阅读器，而典型的集成式阅读器有手持阅读器。手持式电子标签阅读器功能简介：

可读写和识别EPCClass1被动式电子标签；

是一款基于EPC_Class1标准的UFH波段手持式电子标签阅读器;产品集成了ARM9硬件环境，Win_CE.net操作系统和UFH波段电子标签识别模块;同时可以支持移动数据库，WiFi无线局域网，GPRS等多种应用需求，是一款资源丰富，功能完善的电子标签移动识别产品。

UHF固定式阅读器技术指标

工作频率：902～928MHz

通信接口：串行接口RS232/RS485Wiegand26/34口。

工作模式：读/写双工

读写速率：单张小于30ms

电源要求100～240VAC（自适应）

工作距离:读取距离可调

读取距离大于8m，写操作距离大于5m产品特点

RF功率可调（0~+31.5dbm）

单天线输出口

多标签读写功能，最多每秒可读写30张

具备超强的抗干扰能力

能够兼容多家公司标签协议：SCS、ISO-18000-6等主要应用

广泛应用于交通运输车辆的自动化管理、工业生产数据自动管理、公路自动识别收费、商品防伪监控系统、仓储/物流的自动化识别管理、人员/车辆门禁保安管理、电子防伪及自动识别门票管理、养殖业的动物自动跟踪识别管理等。

读写器天线有很多种形式和结构，如平板天线、环形天线、螺旋天线等。在电感耦合RFID系统中主要使用环形天线。环形天线主要用于中、低频射频识别系统中，用来实现能量和数据的电磁耦合。读写器天线读写器天线在电磁散射RFID系统中常使用微带天线。主要用于超高频、微波频段射频识别系统中读写器天线读写器天线1：天线结构根据数据管理系统的功能需求以及不同设备制造商的生产习惯，阅读器有不同的结构与外观形式。物联网中的天线GPS天线就是通过接收卫星信号，进行定位或者导航。而接收信号就必须用到天线。常用GPS卫星信号有L1波段1.57542GHz、L2波段1.22760GHz、L3波段1.38105GHz和L4波段1.84140GHz等，其中L1为开放的民用信号，信号为圆极化。GPS信号强度比较弱，这决定了要为GPS信号准备专门的接收天线。大部分GPS天线为陶瓷介质的右旋极化微带天线，如图。GPS天线物联网中的天线无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork，简称WLAN)由无线网卡和无线接入点(AccessPoint，AP)构成。简单地说WLAN就是指不需要网线就可以通过无线方式发送和接收数据的局域网，只要通过安装无线路由器或无线AP，在终端安装无线网卡就可以实现无线连接。无线局域网中天线类型有很多，例如：鞭状的单极天线、微带天线等。无线局域网天线物联网中的天线蓝牙技术中常用一种特别小型化的陶瓷天线。该陶瓷天线的种类可分为块状陶瓷天线与多层陶瓷天线，前者是使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部份印在陶瓷块的表面上；后者则采用低温共烧（LTTC）的方式将多层陶瓷迭压对位后再低温烧结，所以天线的金属导体可以依设计需要印在每一层陶瓷介质层上，故可有效缩小天线所需尺寸，并能达到隐藏天线设计布局的目的。由于该天线尺寸极度小，其增益低、效率低、频带窄。蓝牙天线物联网中的天线物联网技术中天线类型很多，在各应用领域中天线作用都是基本相同，其主要作用是辐射或接收无线电波，辐射时将高频电流转换为电磁波，将电能转换电磁能；接收时将电磁波转换为高频电流，将电磁能转换为电能。应根据不同的地理环境、不同服务要求需要，选用不同类型、不同规格的天线。天线在广播电视信号发射中的应用电视发射天线电视发射天线的特点和要求

1．电视发射天线的特点（1）频率范围宽。我国电视广播所用的频率范围：1～12频道（VHF频段）为48.5～223MHz；13～68频道（UHF频段）为470～956MHz。（2）覆盖面积大。

2．对发射天线的方向性要求要求发射天线在水平面内无方向性，而在垂直面内有较强的方向性，以有效地利用电波能量，使能量集中于用户所在的水平方向，而不向上空发射。

3．要解决零点填充问题在以零辐射方向为中心的一定的立体角所对的区域内，电视信号变得十分微弱，因此零辐射方向的出现对电视广播来说是不好的，所以要解决零点填充问题。

4．对极化方式的要求由于工业干扰大多是垂直极化波，因此我国的电视发射信号采用水平极化，即天线及其辐射电场平行于地面。电视信号比语音广播信号包含更多的信息，所以说电视广播发射的功率通常很大，提高天线馈电效率非常重要。因此，要求电视发射天线能在很宽的频带内满足对驻波比的要求，使天线与馈电系统处于良好的匹配状态。旋转场天线图5-16正交电基本振子及其坐标图5-16为正交电基本振子及其坐标，两电基本振子分别沿x方向与y方向放置，且两电基本振子的电流大小相等，相位相差π/2，即I1=I2，相位差ψ＝π/2，则在电流元组成的xOy平面内的任一点上，它们产生的场强分别为（5-2-1）令式（5-2-1）中 ,I1=I2＝I,略去因子e-jβr且时间因子ejωt用cosωt表示，又因为I1与I2时间相位相差90°，故E2中的时间函数为sinωt，则式（5-2-1）又可以写成下面的形式：（5-2-2）在水平面内任意点上两个场强的方向相同，所以总场强就是两者的代数和，即E=E1+E2=A(sinφcosωt+cosφsinωt)=Asin(ωt+φ)式中,A是与距离r、电流I和电流元长度l有关而与方向性无关的一个因子。（5-2-3）归一化方向性函数，则有其方向图见图5-17。式（5-2-4）表明，在xOy平面内，场强的大小与φ无关，均可达到最大值1，稳态方向图为圆。任何瞬时方向图同电基本振子的方向图相同，呈8字形，但这个8字形的方向图随着时间的增加，围绕z轴以角频率ω旋转，其轮廓是一个圆，属于圆极化波。由图5-17可见，旋转场天线方向图是一个“8”字形，以角频率ω在水平面内旋转，其效果是在水平面内没有方向性，稳态方向图是个圆。这就是称这种天线为旋转天线的由来。（5-2-4）图5-17旋转场天线方向图(a)单个电流元的方向图；(b)旋转场由于电流元的辐射比较弱，因此实际应用的旋转场天线是用半波振子或折合振子代替电基本振子组成的，此时水平面的方向图近似于圆（见图5-18）。合成场的方向性函数为（5-2-5）也近似于旋转场状态。电场仍近似为圆极化波,它的方