天线模型与常见的天线类型

无论是在雷达通信还是电子战中，天线都是一个重要的组成部分，它将无线电波转换为电信号，或将电信号转换为无线电波。天线的性能是通过其方向图来描述的，它展示天线在各个方向上发送或接收信号的强度。

天线模型

天线的半功率波束宽度是描述天线主瓣的宽度的一种方式。主瓣是天线发射功率最大的方向。垂直和水平半功率波束宽度是主瓣在垂直和水平方向上的宽度。为了进行天线的计算，通常会采用一些简化或模型。将垂直和水平半功率波束宽度分别使用矩形模型，可得到一个天线的矩形模型。实际上，由于天线的发射和接收特性在不同的方向上会有所不同，所以当我们将垂直和水平半功率波束宽度组合起来考虑时，结果更像是一个实心角。这意味着天线方向图的形状实际上更接近于一个椭圆，而非矩形。这个椭圆形模型更准确地反映了天线的性能，因为它考虑了在所有方向上的信号强度，而不仅仅是在主瓣的方向上。因此，这种模型更适用于设计和优化天线，以满足特定的应用需求。

图中两种模型之间的差异对应着16和4π之间的差异，约为78%。为了纠正这些相对于真实天线的偏差，可使用天线效率因子ka来进行估计。不同波长和天线尺寸下的天线模型的边界并没有统一的定义，根据波长λ和天线尺寸的大小，天线的辐射场分为三个区域，分别是电抗性近场，辐射近场（又称为“菲涅耳区Fresnel”），以及辐射远场（又称为“夫琅和费区Fraunhofer”）。

射频信号加载到天线后，紧邻天线除了辐射场之外，还有一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离增大迅速减小。在这个区域，由于电抗场占优势，因而将此区域称为电抗近场区，它的界限通常取λ/2π。超过电抗近场区就到了菲涅耳区。

在近场和菲涅耳区，无论辐射天线类型如何，从天线发出的辐射基本上都是球形波前(等相位面)，而在夫琅和费区域，波前可以用平面波表示。

天线增益与方向图

天线增益和方向图是描述天线性能的两个重要参数。天线增益是一个衡量天线能够将输入功率集中到特定方向的能力的参数。相对于一个理想的全向天线（在所有方向上均匀发射和接收信号）或者一个理想的偶极子天线（在垂直方向上发射和接收信号）的。增益越高，天线在特定方向上发送和接收信号的能力就越强。天线增益通常用dBi（相对于一个理想的全向天线）或者dBd（相对于一个理想的偶极子天线）来表示。

方向图则是一个图形表示，描述了天线在不同方向上发送和接收信号的能力。方向图通常在极坐标或者球坐标中表示，其中角度代表方向，距离或者颜色代表信号强度。方向图可以帮助我们理解天线的辐射模式，包括主瓣（天线最强的发射和接收方向）和副瓣（天线其他的发射和接收方向）。

天线增益和方向图是相互关联的。一般来说，天线的增益越高，其主瓣在方向图上就越窄，意味着天线在特定方向上的发射和接收能力更强。反之，如果天线的增益较低，其主瓣在方向图上就越宽，这意味着天线在更广的方向上都有较好的发射和接收能力。

理论模型中的天线效率和增益通常是理想化的，因此与实际天线的性能可能有所不同。实际天线的效率和增益可能会受到多种因素的影响，包括天线的设计、制造材料、安装位置、工作频率等。理论模型可以提供一个关于天线性能的基本理解，在实际应用中，需要进行实测和调整，以达到最佳的性能。

以非对称55%效率的抛物面天线为例，它的增益会相对较高。这是因为抛物面天线能够将更多的输入功率集中到主瓣，从而在特定方向上实现更高的发射和接收能力。

这意味着如果是对称的抛物面天线，波束宽度如果是1°，那么它的增益约为43.6dBi。如果效率不同，那么相对于55%效率的抛物面天线，需要做一定的调整，具体如下表：

具有窄波束宽度的高增益天线可以提供强大的远距离信号，但它需要精确的瞄准或定位。相反，具有宽波束宽度的低增益天线不需要精确的瞄准，使其更适合短距离或移动应用。

常见的天线类型

每种天线类型都有其独特的设计和性能特点，具体可以查看下表。

审核编辑 黄宇