10、天线特性、设计与优化

天线特性、设计与优化

一、引言

天线在众多领域，如探地雷达（GPR）系统中发挥着关键作用。了解天线的各种特性、设计方法以及如何进行优化，对于提升系统性能至关重要。本文将详细介绍天线的辐射模式、波束宽度、辐射强度等多个重要特性，以及相关的设计和优化要点。

二、天线辐射模式

2.1 电场辐射模式

天线的电场辐射模式可以用归一化的电场辐射图来表示，分为 E 平面和 H 平面。例如，赫兹偶极子的归一化电场辐射模式在 E 平面和 H 平面有不同的表现。功率辐射模式可以通过场辐射模式的平方得到，公式为：
[
| f_p(\theta) | = | \sin^2 \theta |
]
并且有 ( | f_p(\theta) | = ( | f_e(\theta) | )^2 )，这一关系适用于任何天线。图 3.4 展示了赫兹偶极子在极坐标和直角坐标下的归一化场辐射模式和功率辐射模式，直角坐标表示有时更便于理解和分析。

2.2 波束宽度

波束宽度（BW）定义为辐射模式中波束比其最大值低 3 dB（半功率方向）的两点之间的角度，或者等效地，场为其峰值的 ( 1 / \sqrt{2} ) 时的角度。在图 3.5 中，波束宽度 ( \Delta\theta = \theta_2 - \theta_1 )。当辐射模式更复杂时，确定波束宽度可能更困难，但概念是明确的。在 H 平面，场分布是均匀的，意味着该平面的辐射是全向的。例如，赫兹偶极子的波束宽度为 90°（在 45°和 135°的半功率点之间）。

2.3 辐射强度

辐射强度定义为天线每单位立体角的