天線技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

1、 電磁場與電磁波小論文題 目： 天線技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用 院 系： 電氣院 專 業(yè)： 14級電信2班 姓 名： XX XX 學(xué) 號： xxxxxxxx 天線技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用天線（antenna)是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。在無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達、導(dǎo)航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線

2、作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。一、天線技術(shù)發(fā)展史最早的發(fā)射天線是H.R.赫茲在1887年為了驗證J.C.麥克斯韋根據(jù)理論推導(dǎo)所作關(guān)于存在電磁波的預(yù)言而設(shè)計的。它是兩個約為30厘米長、位于一直線上的金屬桿，其遠離的兩端分別與兩個約40厘米2的正方形金屬板相連接，靠近的兩端分別連接兩個金屬球并接到一個感應(yīng)線圈的兩端，利用金屬球之間的火花放電來產(chǎn)生振蕩。當時，赫茲用的接收天線是單圈金屬方形環(huán)狀天線，根據(jù)方環(huán)端點之間空隙出現(xiàn)火花來指示收到了信號。G.馬可尼是第一個采用大型天線實現(xiàn)遠洋通信的，所用的發(fā)射天線由30根下垂銅線組成，頂部用水平橫線連在一起，橫線掛在兩個支持塔上。這是人類真正付之實用的

3、第一副天線。自從這副天線產(chǎn)生以后，天線的發(fā)展大致分為四個歷史時期。（1）線天線時期在無線電獲得應(yīng)用的最初時期，真空管振蕩器尚未發(fā)明，人們認為波長越長，傳播中衰減越小。因此為了實現(xiàn)遠距離通信，所利用的波長都在1000米以上。在這一波段中，顯然水平天線是不合適的，因為大地中的鏡像電流和天線電流方向相反，天線輻射很小。此外，它所產(chǎn)生的水平極化波沿地面?zhèn)鞑r衰減很大。因此，在這一時期應(yīng)用的是各種不對稱天線，如倒L形、T形、傘形天線等。由于高度受到結(jié)構(gòu)上的限制，這些天線的尺寸比波長小很多，因而是屬于電小天線的范疇。這一時期除抗衰落的塔式廣播天線外，還設(shè)計出各種水平天線和各種天線陣，采用的典型天線有偶極天

4、線、環(huán)形天線、長導(dǎo)線天線、同水平天線、八木天線、菱形天線和魚骨形天線等。這些天線比初期的天線有較高的增益、較強的方向性和較寬的頻帶，后一直得到使用并經(jīng)過不斷改進。在這一時期，天線的理論工作也得到了發(fā)展。（2）面天線時期雖然早在1888年赫茲就首先使用了拋物柱面天線，但由于沒有相應(yīng)的震蕩源30年代才隨著微波電子管的出現(xiàn)陸續(xù)研制出各種面天線。這時已有類比于聲學(xué)方法的喇叭天線、類比于光學(xué)方法的拋物反射面天線和透鏡天線等。這些天線利用波的擴散、干涉、反射、折射和聚焦等原理獲得窄波束和高增益。第二次世界大戰(zhàn)期間出現(xiàn)雷達，大大促進了微波技術(shù)的發(fā)展。在面天線有較大發(fā)展的同時，線天線理論和技術(shù)也有所發(fā)展，如陣

5、列天線的綜合方法等。（3）從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束到50年代末期微波中繼通信、對流層散射通信、射電天文和電視廣播等工程技術(shù)的天線設(shè)備有了很大發(fā)展，建立了大型反射面天線。這時出現(xiàn)了分析天線公差的統(tǒng)計理論，發(fā)展了天線陣列的綜合理論等。1957年美國研制成第一部靶場精密跟蹤雷達AN/FPS-16，隨后各種單脈沖天線相繼出現(xiàn)，同時頻率掃描天線也付諸應(yīng)用。在50年代，寬頻帶天線的研究有所突破，產(chǎn)生了非頻變天線理論，出現(xiàn)了等角螺旋天線、對數(shù)周期天線等寬頻帶或超寬頻帶天線。（4）50年代以后人造地球衛(wèi)星和洲際導(dǎo)彈研制成功對天線提出了一系列新的課題，要求天線有高增益、高分辨率、圓極化、寬頻帶、快速掃描和精確跟蹤等

6、性能。從60年代到70年代初期，天線技術(shù)的發(fā)展空前迅速。一方面是大型地面站天線的修建了改進；另一方面，沉寂了將近30年的相控陣天線由于新型移相器和電子計算機的問世，以及多目標同時搜索與跟蹤等要求的需要，而重新受到重視并獲得了廣泛應(yīng)用的發(fā)展。到70年代，無線電頻道的擁擠和衛(wèi)星通信的發(fā)展，反射面天線的頻率復(fù)用、正交極化等問題和多波束天線開始受到重視；無線電技術(shù)向波長越來越短的毫米波、亞毫米波，以及光波方向發(fā)展，出現(xiàn)了介質(zhì)波導(dǎo)、表面波和漏波天線等新型毫米波天線。這一時期天線作為無線電通訊的發(fā)射和接收設(shè)備，直接影響電波信號的質(zhì)量，因而，天線在無線電通訊中占有極其重要的地位。二、天線的分類按工作性質(zhì)可分

7、為發(fā)射天線和接收天線。發(fā)射天線：在無線電設(shè)備中用來發(fā)射電磁波的部件接收天線：在無線電設(shè)備中用來接收電磁波的部件一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達天線等。按方向性可分為全向天線和定向天線等。全向天線：即在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性。一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用距離近，覆蓋范圍大，價格便宜。增益一般在9dB以下 。定向天線：在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，也就是平常所說的有方向性。同全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。定向天線在通

8、信系統(tǒng)中一般應(yīng)用于通信距離遠，覆蓋范圍小，目標密度大，頻率利用率高的環(huán)境。按工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。按結(jié)構(gòu)形式和工作原理可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參量有方向圖、方向性系數(shù)、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻寬按維數(shù)來分可以分成兩種類型：一維天線和二維天線一維天線：由許多電線組成，這些電線或者像手機上用到的直線，或者是一些靈巧的形狀，就像出現(xiàn)電纜之前在電視機上使用的老兔子耳朵。單極和雙級天線是兩種最基本的一維天線。二維天線：變化多樣，有片狀（一塊正方形金屬）、陣列狀（組織好的二維模式的一束片），還有喇叭狀，碟狀。天線根據(jù)使用場合

9、的不同可以分為：手持臺天線、車載天線、基地天線三大類。手持臺天線：就是個人使用手持對講機的天線，常見的有橡膠天線和拉桿天線兩大類。車載天線：是指原設(shè)計安裝在車輛上通訊天線，最常見應(yīng)用最普遍的是吸盤天線。車載天線結(jié)構(gòu)上也有縮短型、四分之一波長、中部加感型、八分之五波長、雙二分之一波長等形式的天線?；嘏_天線：在整個通訊系統(tǒng)中具有非常關(guān)鍵的作用，尤其是作為通訊樞紐的通信臺站。常用的基地臺天線有玻璃鋼高增益天線、四環(huán)陣天線（八環(huán)陣天線）、定向天線。三、天線技術(shù)的現(xiàn)況在無線通信技術(shù)的發(fā)展中，智能天線已成為一個最活躍的領(lǐng)域，近年內(nèi)，幾乎所有先進的無線通信系統(tǒng)都將采用此技術(shù)。智能天線技術(shù)對無線通信系統(tǒng)所帶

10、來的優(yōu)勢是目前任何技術(shù)難以替代的。智能天線技術(shù)已經(jīng)成為無線通信中最具有吸引力的技術(shù)之一。 到目前為止，無線系統(tǒng)中的智能天線都被作為增強技術(shù)，在它們的設(shè)計階段都沒有考慮復(fù)雜度和性能折衷的優(yōu)化；而在下一代無線系統(tǒng)中，智能天線技術(shù)將是系統(tǒng)設(shè)計固有的部分。目前對于智能天線的研究主要集中在下列幾個方面： 高級智能天線處理算法的設(shè)計和開發(fā)，該算法對變化的傳播特性和網(wǎng)絡(luò)條件具有適應(yīng)性和健壯性。系統(tǒng)性能的優(yōu)化策略和不同無線系統(tǒng)、平臺之間的透明操作。 根據(jù)信道和干擾模型對提出的算法和策略進行實際性能的評估，研究合適的性能度量和仿真方法。四、天線技術(shù)的發(fā)展趨勢從無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢及運營

11、商面臨的各種挑戰(zhàn)來看，天線技術(shù)未來的發(fā)展必將遵循以下幾個方向。天線體積小型化天線小型化是在保證天線性能基本不變的條件下，減小天線的體積。小型化是一個基礎(chǔ)性技術(shù)，是天線永恒的發(fā)展方向。多種制式網(wǎng)絡(luò)共天饋應(yīng)用未來多種制式共用一面超寬帶天線，不僅天線工作頻段覆蓋多個制式，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的不同要求實現(xiàn)每一個制式的獨立調(diào)節(jié)。多制式天線的應(yīng)用將節(jié)省建站成本和天面資源，靈活滿足每種制式的網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求。天線功能模式向智能化功能方向發(fā)展未來天線實現(xiàn)智能化的波束賦形、波束指向控制、波束分裂和遠程控制，靈活滿足各種場景的應(yīng)用需求。通過天線的智能化實現(xiàn)系統(tǒng)間互操作和資源的優(yōu)化利用，最終實現(xiàn)智能化的運維方式。天線與射頻模塊連接由分離式向集中式發(fā)展未來集中式的設(shè)備代替分離式的設(shè)備，光纖代替電纜，天線與主設(shè)備實現(xiàn)小型化和一體化并充分結(jié)合，實現(xiàn)天面資源的節(jié)約和靈活的部署方式，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)扁平化的發(fā)展趨勢。五、小結(jié)本文以天線技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用為主題，講述了