A 第7.1章 天線

1、第七章 天線相控陣天線110m “big ear” radio telescope of the Ohio State University天線的作用： v 能量的轉(zhuǎn)換：能量的轉(zhuǎn)換：自由空間的電磁能量與高頻自由空間的電磁能量與高頻電流能量的相互轉(zhuǎn)換；電流能量的相互轉(zhuǎn)換；v 能量的分配：能量的分配：使空間傳播的電磁波能量在使空間傳播的電磁波能量在指定的空域內(nèi)輻射傳播；指定的空域內(nèi)輻射傳播；信信息息源源信號(hào)變換信號(hào)變換發(fā)發(fā)信信機(jī)機(jī)收收信信機(jī)機(jī)信號(hào)變換信號(hào)變換受受信信者者 發(fā)射：高頻能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量；發(fā)射：高頻能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量； 向指定空域發(fā)射電磁波；向指定空域發(fā)射電磁波； 接收：電磁波能量

2、轉(zhuǎn)換成高頻電流形式的能量接收：電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻電流形式的能量 ； 收集指定空域內(nèi)的電磁波。收集指定空域內(nèi)的電磁波。能接收電能接收電磁能量磁能量 天線天線天線的影響 如設(shè)計(jì)、選擇和作用不合理，則可能使整個(gè)系統(tǒng)如設(shè)計(jì)、選擇和作用不合理，則可能使整個(gè)系統(tǒng)工作不正常。工作不正常。 天線的分類： 按用途按用途：通信天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線等：通信天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線等 按工作波長(zhǎng)按工作波長(zhǎng)：長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、：長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線、光學(xué)天線；超短波天線、微波天線、光學(xué)天線； 按天線的結(jié)構(gòu)按天線的結(jié)構(gòu)：線天線、面天線、陣列天線；：線天線、面天線、陣

3、列天線；7.1 基本元的輻射 基本元的類型基本元的類型： 電流元，電基本振子，電偶極子電流元，電基本振子，電偶極子 磁流元，磁基本振子，磁偶極子磁流元，磁基本振子，磁偶極子 面基本元，面元：面元上的場(chǎng)可用等效電流面基本元，面元：面元上的場(chǎng)可用等效電流元和等效磁流元來(lái)代替，利用電基本振子和元和等效磁流元來(lái)代替，利用電基本振子和磁基本振子的結(jié)果而得出面元的輻射特性磁基本振子的結(jié)果而得出面元的輻射特性 天線可分為無(wú)限多個(gè)基本元，其上有電流或磁流。每個(gè)基天線可分為無(wú)限多個(gè)基本元，其上有電流或磁流。每個(gè)基本元上的電流或磁流的振幅、相位和方向均為相同的。但本元上的電流或磁流的振幅、相位和方向均為相同的。但

4、各個(gè)元上的相應(yīng)參數(shù)是不同的。如掌握了每個(gè)基本元的輻各個(gè)元上的相應(yīng)參數(shù)是不同的。如掌握了每個(gè)基本元的輻射特性，則可根據(jù)電流或磁流的振幅、相位和方向在空間射特性，則可根據(jù)電流或磁流的振幅、相位和方向在空間的分布，則可得出各類天線的輻射特性。的分布，則可得出各類天線的輻射特性。電基本振子的輻射 電基本振子：一段載有高頻電流電基本振子：一段載有高頻電流的細(xì)導(dǎo)線（直線電流元），的細(xì)導(dǎo)線（直線電流元），l l l,沿線各點(diǎn)的電流的振幅和相位均沿線各點(diǎn)的電流的振幅和相位均相同（等幅同相分布）。設(shè)該直相同（等幅同相分布）。設(shè)該直流元流元Il沿沿z軸放置，如圖。軸放置，如圖。 對(duì)于電流元，已知：對(duì)于電流元，已知

5、： IIlzIlzSlJdSt=紛=vv則矢量位則矢量位 0( )44jkrjkrzJ r edAzIlezArrtmtmpp-=vv對(duì)于球坐標(biāo)，有對(duì)于球坐標(biāo)，有 0;sin;cosAAAAAzzr則磁場(chǎng)為：則磁場(chǎng)為： jkrjkrjkrzzzzerjkrIlrererrIlrArArrrrAArrrrrAH1sin4)sin(sin41cossinsinsin10sincos0sinsin1122可解得：可解得： 1sin40jkrrIleHjkrrHHjqqp-驏=+桫= 電場(chǎng)可由電場(chǎng)可由 HjE10sin14cos12222ErrjkkreIljErjkreIljEjkrjkrr2221

6、cos21sin41sin40jkrrjkrjkrrIleEjjkrrIlejkEjkrrrIleHjkrrHHEqjqjqpweqpweqp-驏= -+桫驏= -+桫驏=+桫=電基本振子的場(chǎng)為：電基本振子的場(chǎng)為：近場(chǎng)區(qū)：近場(chǎng)區(qū)：電偶極子的場(chǎng)區(qū)可分為：遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)；近場(chǎng)區(qū)；中間場(chǎng)區(qū)。電偶極子的場(chǎng)區(qū)可分為：遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)；近場(chǎng)區(qū)；中間場(chǎng)區(qū)。 當(dāng)當(dāng)kr1,即即r 1時(shí)，為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，輻射場(chǎng)（一般時(shí)，為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，輻射場(chǎng)（一般 r=5l l:感應(yīng)場(chǎng)比輻感應(yīng)場(chǎng)比輻射場(chǎng)低射場(chǎng)低30分貝）分貝） 其場(chǎng)分布為其場(chǎng)分布為 0sin600sin2llEHHerlIjEEerlIjHrjkrArjkrA222 21cos211sin4

7、1sin40jkrrjkrjkrrIlk eEjjkrrIlkejEjrkrk rIlkeHjrkrHHEqjqjqpweqpweqp-驏= -+桫驏= - +桫驏=+桫=遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)分析遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)分析4）電偶極子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為一沿徑向向外傳播的橫電磁波。電磁）電偶極子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為一沿徑向向外傳播的橫電磁波。電磁能量離開場(chǎng)源向空間輻射出去，因此稱為輻射場(chǎng)。在方位能量離開場(chǎng)源向空間輻射出去，因此稱為輻射場(chǎng)。在方位上，場(chǎng)與上，場(chǎng)與 有關(guān)，在不同的有關(guān)，在不同的 方向上，其輻射強(qiáng)度是不同的。方向上，其輻射強(qiáng)度是不同的。當(dāng)當(dāng) =90方向時(shí)，輻射最強(qiáng)；當(dāng)方向時(shí)，輻射最強(qiáng)；當(dāng) 0方向時(shí)，輻射為零。方向時(shí)，輻射為零。sin

8、260sin0jkrAjkrArrI lHjerI lEjerHHEEjqjjqlpql-=3） 的比值為的比值為120 ，為波阻抗。由，為波阻抗。由h h0表示。故可只討表示。故可只討論一個(gè)場(chǎng)分量即可論一個(gè)場(chǎng)分量即可;HE 和1）僅有）僅有 兩個(gè)場(chǎng)分量，該兩場(chǎng)分兩個(gè)場(chǎng)分量，該兩場(chǎng)分量與矢徑量與矢徑r三者方向相互垂直，且符合三者方向相互垂直，且符合右手螺旋法則。場(chǎng)強(qiáng)與右手螺旋法則。場(chǎng)強(qiáng)與r成反比，即隨成反比，即隨距離的增加而減小。等相位面只與距離的增加而減小。等相位面只與r有有關(guān)關(guān)-球面波球面波;HE 和2） 兩者在時(shí)間上同相，其平均坡印廷矢量?jī)烧咴跁r(shí)間上同相，其平均坡印廷矢量 是實(shí)數(shù)，為有功

9、功率且指向是實(shí)數(shù)，為有功功率且指向r 的增加方向的增加方向;HE 和*1Re2avSE H=vvv對(duì)偶性原理與磁基本振子對(duì)偶性原理與磁基本振子 如描述物理現(xiàn)象的方程具有相同的數(shù)學(xué)形式，則其解也將如描述物理現(xiàn)象的方程具有相同的數(shù)學(xué)形式，則其解也將有相同的數(shù)學(xué)形式。相對(duì)應(yīng)的量稱為對(duì)偶量，其方程稱為有相同的數(shù)學(xué)形式。相對(duì)應(yīng)的量稱為對(duì)偶量，其方程稱為對(duì)偶性方程。對(duì)偶性方程。 由麥克斯韋方程組：由麥克斯韋方程組： DBtBEtDJH0由電流和電荷由電流和電荷所產(chǎn)生的場(chǎng)所產(chǎn)生的場(chǎng) 0DBtBJEtDHmm單由磁流和磁荷單由磁流和磁荷產(chǎn)生的場(chǎng)應(yīng)滿足產(chǎn)生的場(chǎng)應(yīng)滿足 DBtBJEtDJHmm引入磁荷和磁流，引入

10、磁荷和磁流，則麥克斯韋方程則麥克斯韋方程組為對(duì)稱形式：組為對(duì)稱形式：互換規(guī)則是：將原式中互換規(guī)則是：將原式中的參量進(jìn)行下列替換的參量進(jìn)行下列替換 hh1,emAmmemAJJEHJJHE7.2天線的電參數(shù) 能量轉(zhuǎn)換：輸入阻抗、輻射電阻、效率、增益系數(shù)能量轉(zhuǎn)換：輸入阻抗、輻射電阻、效率、增益系數(shù)能量分配：波瓣寬度、旁瓣電平、方向性系數(shù)能量分配：波瓣寬度、旁瓣電平、方向性系數(shù) 輻射功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)天線向圍繞它的整個(gè)球面輻輻射功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)天線向圍繞它的整個(gè)球面輻射的總能量稱為輻射功率。用射的總能量稱為輻射功率。用PS S表示。表示。與輸入功率與輸入功率Pin有關(guān)。有關(guān)。1.1.發(fā)射天線發(fā)射天線

11、1.1 1.1 方向圖、主瓣寬度和旁瓣電平方向圖、主瓣寬度和旁瓣電平天線的方向性：天線的方向性：距離天線距離天線相同距離相同距離而在不同方向上各點(diǎn)上而在不同方向上各點(diǎn)上的電場(chǎng)強(qiáng)度（功率密度）的相對(duì)關(guān)系。的電場(chǎng)強(qiáng)度（功率密度）的相對(duì)關(guān)系。方向函數(shù)：方向函數(shù)： 用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示天線方向性；用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示天線方向性；歸一化方向函數(shù)：歸一化方向函數(shù)：令空間場(chǎng)強(qiáng)（功率）的最大值等于令空間場(chǎng)強(qiáng)（功率）的最大值等于1 1，相，相應(yīng)的方向性函數(shù)為應(yīng)的方向性函數(shù)為歸一化方向函數(shù)歸一化方向函數(shù)。 其歸一化方向性函數(shù)為其歸一化方向性函數(shù)為 max),(),(ffF如天線的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)：如天線的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)： jkrAefrI

12、rE),(60),(式中式中f( ( , , ) )為方向性函數(shù)。為方向性函數(shù)。方向圖：或天線波瓣圖，方向圖：或天線波瓣圖，由圖形表示方向函數(shù)；一般在兩正由圖形表示方向函數(shù)；一般在兩正交的主平面上（即當(dāng)交的主平面上（即當(dāng) = =常數(shù)，或常數(shù)，或 = =常數(shù)）的場(chǎng)強(qiáng)常數(shù)）的場(chǎng)強(qiáng)或功率的分布；或功率的分布；歸一化方向圖：歸一化方向圖：由圖形表示的歸一化方向函數(shù)；由圖形表示的歸一化方向函數(shù)；主平面主平面：E面面-與電場(chǎng)相平行的面與電場(chǎng)相平行的面 H面面-與磁場(chǎng)相平行的面與磁場(chǎng)相平行的面 無(wú)方向性天線：無(wú)方向性天線：理想點(diǎn)源理想點(diǎn)源, , 它它在任意一個(gè)方向所產(chǎn)生的在任意一個(gè)方向所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度都是一

13、樣的。電場(chǎng)強(qiáng)度都是一樣的。 主瓣寬度：主瓣寬度： -3dB(半功率點(diǎn)半功率點(diǎn))波瓣寬度，主波瓣場(chǎng)強(qiáng)在波瓣寬度，主波瓣場(chǎng)強(qiáng)在1到到0.707之間的角度的兩倍，又有零功率波瓣寬度。之間的角度的兩倍，又有零功率波瓣寬度。旁瓣電平：旁瓣電平：付瓣電平，指第一付瓣電平，以分貝數(shù)表示付瓣電平，指第一付瓣電平，以分貝數(shù)表示 1212lg20lg10lg10EEPPFSLL主瓣最大值第一旁瓣最大值旁瓣電平方向圖方向圖E面面H面的方向圖中面的方向圖中的波瓣具有多瓣性的波瓣具有多瓣性主瓣：主瓣：輻射的最大方向所在的波瓣；輻射的最大方向所在的波瓣；尾瓣：尾瓣：與主瓣方向相反的波瓣；與主瓣方向相反的波瓣；旁瓣、副瓣或

14、柵瓣：旁瓣、副瓣或柵瓣：其它方向的波瓣。其它方向的波瓣。前后比：最大輻射方向的電平與尾瓣電平之比。前后比：最大輻射方向的電平與尾瓣電平之比。 (dB) 1.2 方向系數(shù)方向系數(shù) 方向性系數(shù)方向性系數(shù)：在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射方向上輻射的功率密度線在最大輻射方向上輻射的功率密度Pmax與無(wú)方向性天線與無(wú)方向性天線的輻射功率密度的輻射功率密度P0之比稱為天線的方向性系數(shù)。之比稱為天線的方向性系數(shù)。constPconstPconstPEEPPPPDLSS202max0max0max無(wú)方向性天線的天線最大輻射方向上constEPPDSS點(diǎn)

15、源0或或D 亦可用分貝數(shù)表示：亦可用分貝數(shù)表示： DdBDlg10)(對(duì)于無(wú)方向性天線，它所產(chǎn)生的輻射功率密度為對(duì)于無(wú)方向性天線，它所產(chǎn)生的輻射功率密度為24021Re42020EHErPPS故：故： 22060rPES則有：則有： 222maxmax2060ErEDPES=對(duì)于已知天線，可求其最大方向的輻射場(chǎng)強(qiáng)：對(duì)于已知天線，可求其最大方向的輻射場(chǎng)強(qiáng)： rDPES60max場(chǎng)點(diǎn)與源點(diǎn)場(chǎng)點(diǎn)與源點(diǎn)之間的距離之間的距離輻射功率輻射功率天線方向性的強(qiáng)弱決定于工作波長(zhǎng)、天線的形式和尺寸。天線方向性的強(qiáng)弱決定于工作波長(zhǎng)、天線的形式和尺寸。對(duì)于所討論的天線，設(shè)其歸一化方向函數(shù)為對(duì)于所討論的天線，設(shè)其歸一化

16、方向函數(shù)為F( (,) )，則，則其任意方向的場(chǎng)強(qiáng)與功率密度分別為：其任意方向的場(chǎng)強(qiáng)與功率密度分別為： max( , )( , )EEFq fq j=222max( , )( , )( , )240240EEPFq jq jq jpp=則輻射功率為：則輻射功率為： 222max001( , )sin240PEFrd dppq jq q jpS S2=蝌則方向系數(shù)：則方向系數(shù)： 2002sin),(4ddFD歸一化方向函數(shù)歸一化方向函數(shù) 由上式可見，天線主瓣越寬，則方向系數(shù)小。由上式可見，天線主瓣越寬，則方向系數(shù)小。 點(diǎn)源點(diǎn)源 D =1, 對(duì)于電基本振子：對(duì)于電基本振子：D =1.5。 1.3

17、輸入阻抗和輻射電阻輸入阻抗和輻射電阻為比較不同的天線輻射能力的相對(duì)大小，一般不采用輻為比較不同的天線輻射能力的相對(duì)大小，一般不采用輻射功率的大小來(lái)說(shuō)明，因?yàn)檩椛涔β逝c發(fā)射機(jī)的輸入功射功率的大小來(lái)說(shuō)明，因?yàn)檩椛涔β逝c發(fā)射機(jī)的輸入功率有關(guān)，故采用輻射電阻參量來(lái)描述天線的輻射能力。率有關(guān)，故采用輻射電阻參量來(lái)描述天線的輻射能力。 2IPRSS式中式中 PS S 為該天線的輻射功率為該天線的輻射功率輻射電阻輻射電阻：是指相對(duì)于一定天線電流值的輻射功率。：是指相對(duì)于一定天線電流值的輻射功率。它代表天線輻射能力的大小。它代表天線輻射能力的大小。1）輻射電阻：）輻射電阻：2）輸入阻抗：）輸入阻抗： 天線的主

18、要作用是將高頻電流能量轉(zhuǎn)化為電磁波能量天線的主要作用是將高頻電流能量轉(zhuǎn)化為電磁波能量發(fā)射出去，若要從饋線上獲取較大的能量，則需要使天線發(fā)射出去，若要從饋線上獲取較大的能量，則需要使天線的輸入阻抗與饋線的波阻抗匹配。若不匹配，則會(huì)引起饋的輸入阻抗與饋線的波阻抗匹配。若不匹配，則會(huì)引起饋線中產(chǎn)生駐波，天線所獲取的功率就會(huì)很小。線中產(chǎn)生駐波，天線所獲取的功率就會(huì)很小。2inininininininPVZRjXII=+G源源天線的輸入阻抗天線的輸入阻抗：輸入端點(diǎn)或饋電點(diǎn)所呈現(xiàn)的阻抗。：輸入端點(diǎn)或饋電點(diǎn)所呈現(xiàn)的阻抗。 天線與饋線的阻抗一般不匹配，可接入匹配網(wǎng)絡(luò)天線與饋線的阻抗一般不匹配，可接入匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)

19、消除天線的電抗，使電阻等于饋線的特性阻抗。此時(shí)來(lái)消除天線的電抗，使電阻等于饋線的特性阻抗。此時(shí) =1, G G =0。 天線的輸入阻抗決定于天線本身的結(jié)構(gòu)和尺寸，天線的輸入阻抗決定于天線本身的結(jié)構(gòu)和尺寸，工作頻率以及天線的周圍物體的影響等。工作頻率以及天線的周圍物體的影響等。當(dāng)輸入電阻等于輻射電阻時(shí)，則天線為理想狀態(tài)（無(wú)損耗）。當(dāng)輸入電阻等于輻射電阻時(shí)，則天線為理想狀態(tài)（無(wú)損耗）。求輸入阻抗的方法：求輸入阻抗的方法：理論計(jì)算；理論計(jì)算； 實(shí)驗(yàn)確定。實(shí)驗(yàn)確定。inlRRR=+S SinRR=S S輻射電阻與損輻射電阻與損耗電阻之和耗電阻之和 1.4 效率效率 則天線的效率：則天線的效率： 0Ai

20、nllPPRRPPPRRRhSSSSSS=+輻射電阻輻射電阻 損耗電阻損耗電阻 天線系統(tǒng)如圖。天線系統(tǒng)如圖。 GPGPinPS S發(fā)生器的發(fā)生器的輸出功率輸出功率進(jìn)入到天線進(jìn)入到天線的功率的功率Pin天線的輻天線的輻射功率射功率如果計(jì)入傳輸系統(tǒng)的效率如果計(jì)入傳輸系統(tǒng)的效率h hf f，整個(gè)天線系統(tǒng)的效率為：，整個(gè)天線系統(tǒng)的效率為： inAGinGPPPPP PfhhhSS=2(1)inGPP=- G2(1)Ah=- G若傳輸線無(wú)耗若傳輸線無(wú)耗如傳輸線無(wú)耗如傳輸線無(wú)耗當(dāng)天線的電尺寸當(dāng)天線的電尺寸l /l l 很?。ㄖ虚L(zhǎng)波）的天線，很小（中長(zhǎng)波）的天線，RS S較小，較小，地面及鄰近物體的吸收所造

21、成的損耗電阻較大，因此地面及鄰近物體的吸收所造成的損耗電阻較大，因此天線效率很低，只有百分之幾。天線效率很低，只有百分之幾。而天線電尺寸較大時(shí)，如微波或超短波的面天線，其而天線電尺寸較大時(shí)，如微波或超短波的面天線，其輻射電阻較大，輻射能力強(qiáng)，其效率可接近于輻射電阻較大，輻射能力強(qiáng)，其效率可接近于1。1.5 增益增益發(fā)射天線增益系數(shù)的定義：發(fā)射天線增益系數(shù)的定義：在相同輸入功率的條件下，天在相同輸入功率的條件下，天線在最大輻射線在最大輻射(某某)方向某點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度與理想點(diǎn)源（效方向某點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度與理想點(diǎn)源（效率率100%）同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度的比值，）同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度的比值，-此天線

22、的增益。此天線的增益。 輸入功率相同的輻射功率密度該天線在無(wú)損耗時(shí)平均射方向的功率密度有損耗時(shí)天線在最大輻G相同相同無(wú)耗ininppEEppG202max0maxS用分貝數(shù)表示：用分貝數(shù)表示： GdBGlg10)(與方向系數(shù)的定義的不同點(diǎn)：與方向系數(shù)的定義的不同點(diǎn)：1）方向系數(shù)是從輻射功率出發(fā)，）方向系數(shù)是從輻射功率出發(fā)，而增益系數(shù)則是以輸入功率作參考；而增益系數(shù)則是以輸入功率作參考；2）在增益系數(shù)中點(diǎn)源是）在增益系數(shù)中點(diǎn)源是理想的，即天線效率等于理想的，即天線效率等于1。 maxmax00inAinpPpPGDpPPhSS=耗無(wú)耗耗相同最大方向的增益系數(shù)。用理想點(diǎn)源作基準(zhǔn)，為絕對(duì)增益。最大方

23、向的增益系數(shù)。用理想點(diǎn)源作基準(zhǔn)，為絕對(duì)增益。若以其它天線對(duì)比，稱為相對(duì)增益。若以其它天線對(duì)比，稱為相對(duì)增益。 實(shí)際增益（系統(tǒng)）、有效增益（天線）、方向增益（方實(shí)際增益（系統(tǒng)）、有效增益（天線）、方向增益（方向系數(shù)）之間的關(guān)系：向系數(shù)）之間的關(guān)系： DGGAGh)1 ()1 (22GGAGDh=即有即有由最大方向的輻射場(chǎng)強(qiáng)，有：由最大方向的輻射場(chǎng)強(qiáng)，有： max606060GGD PGPDPErrrhS=AGPPfhhhS=AGDh=由由對(duì)于理想的無(wú)方向性天線，對(duì)于理想的無(wú)方向性天線，D =1,h hA=1,G =1max60GPEr=1.6 極化極化 發(fā)射天線的極化是指在在最大輻射方向上輻射電

24、波的極化，發(fā)射天線的極化是指在在最大輻射方向上輻射電波的極化，其定義為在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡。其定義為在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡。 分類：線極化（水平極化或垂直極化）分類：線極化（水平極化或垂直極化） 圓極化（左旋圓極化天線或右旋圓極化天線）圓極化（左旋圓極化天線或右旋圓極化天線） 橢圓極化（雙極化橢圓極化（雙極化-水平極化和垂直極化）水平極化和垂直極化）應(yīng)用：線極化，傳播接收應(yīng)為同極化；應(yīng)用：線極化，傳播接收應(yīng)為同極化； 圓極化，可傳播接收任意方向的線極化波；圓極化，可傳播接收任意方向的線極化波；發(fā)射發(fā)射接收接收電場(chǎng)極化電場(chǎng)極化可以接收到場(chǎng)可以接收到場(chǎng) 1.7 有

25、效長(zhǎng)度有效長(zhǎng)度 則天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)為則天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)為 對(duì)于線天線，天線的有效長(zhǎng)度是其上的電流分布與對(duì)于線天線，天線的有效長(zhǎng)度是其上的電流分布與電基本振子相同，其上的電流同相且均勻分布，電流的電基本振子相同，其上的電流同相且均勻分布，電流的大小等于實(shí)際天線的饋電點(diǎn)電流（或波腹電流）。并在大小等于實(shí)際天線的饋電點(diǎn)電流（或波腹電流）。并在同一距離的遠(yuǎn)區(qū)，實(shí)際天線在最大輻射方向的場(chǎng)強(qiáng)等于同一距離的遠(yuǎn)區(qū)，實(shí)際天線在最大輻射方向的場(chǎng)強(qiáng)等于此天線在該方向產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)。此天線在該方向產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)。lledllIIl)(1,30),(FrIklEe1.8 工作頻帶寬度工作頻帶寬度 阻抗帶寬：能滿足天線阻抗要求（或歸

26、一化輸入電流阻抗帶寬：能滿足天線阻抗要求（或歸一化輸入電流為為0.707時(shí)）的頻帶寬度。如中心頻率為時(shí)）的頻帶寬度。如中心頻率為f0，歸一，歸一化輸入電流為化輸入電流為0.707時(shí)為時(shí)為 ，或輸入功率為一，或輸入功率為一半時(shí)，則稱半時(shí)，則稱2D Df 為為3dB帶寬，一般用其駐波比表示，帶寬，一般用其駐波比表示，如對(duì)于某短波天線，駐波比如對(duì)于某短波天線，駐波比VSWR小于小于2的帶寬為的帶寬為5M10MHz的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。ffD0方向性帶寬：當(dāng)主瓣歸一化場(chǎng)強(qiáng)電平降到方向性帶寬：當(dāng)主瓣歸一化場(chǎng)強(qiáng)電平降到0.707時(shí)的帶寬。時(shí)的帶寬。增益寬帶：增益寬帶：倍頻程：倍頻程：f2 /f1, (如兩個(gè)

27、倍頻程，五個(gè)倍頻程）如兩個(gè)倍頻程，五個(gè)倍頻程）相對(duì)帶寬：相對(duì)帶寬： 2D Df /f100%1.9功率容量功率容量 功率容量限制因素：功率容量限制因素： 天線表面的電場(chǎng)；天線表面的電場(chǎng)； 介質(zhì)材料的性質(zhì)（天線周圍的空氣及天線絕緣子的介介質(zhì)材料的性質(zhì)（天線周圍的空氣及天線絕緣子的介質(zhì)強(qiáng)度）；質(zhì)強(qiáng)度）； 場(chǎng)強(qiáng)過(guò)大場(chǎng)強(qiáng)過(guò)大-空氣電離空氣電離-擊穿擊穿 起始場(chǎng)強(qiáng)：約為起始場(chǎng)強(qiáng)：約為30kV/cm 2. 2. 接收天線接收天線 天線的接收原理：天線導(dǎo)體在天線的接收原理：天線導(dǎo)體在外電場(chǎng)的作用下激勵(lì)產(chǎn)生感應(yīng)外電場(chǎng)的作用下激勵(lì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并在天線回路中產(chǎn)生電電動(dòng)勢(shì)并在天線回路中產(chǎn)生電流。流。 由互易定理分

28、析可得：同一副天線在用作接收時(shí)和用作由互易定理分析可得：同一副天線在用作接收時(shí)和用作發(fā)射時(shí)，其各電參數(shù)相同。只是其含義不同。發(fā)射時(shí)，其各電參數(shù)相同。只是其含義不同。 有效接收面積（有效面積或?qū)嵭娣e）有效接收面積（有效面積或?qū)嵭娣e） 天線的極化與來(lái)波的極化完全匹配以及其負(fù)載與天天線的極化與來(lái)波的極化完全匹配以及其負(fù)載與天線阻抗共軛匹配條件下，天線在某方向所接收的功率線阻抗共軛匹配條件下，天線在某方向所接收的功率Pre(,)與入射電磁波功率密度與入射電磁波功率密度 p 之比稱為天線在方之比稱為天線在方向向(,)上的有效面積，上的有效面積， 當(dāng)天線效率等于當(dāng)天線效率等于1，在最大接收方向上，稱為

29、天，在最大接收方向上，稱為天線的有效接收面積。線的有效接收面積。 ()22( , ),4reePAGFpq jlq jp=2( , )4reePADpq jlp=3. 3. 電基本振子的電參數(shù)電基本振子的電參數(shù) 方向性函數(shù)：方向性函數(shù)： )sin(),(F其其E面（面（ 0 0）面方向性函數(shù)：）面方向性函數(shù)： )sin(),(F1F =H面（面（ 90 90）方向性函數(shù)為：）方向性函數(shù)為：其波瓣寬度：其波瓣寬度： 9025 . 0無(wú)副瓣。無(wú)副瓣。 由場(chǎng)由場(chǎng) sin260sin0jkrAjkrArrI lHjerI lEjerHHEEjqjjqlpql-=基本振子的方向系數(shù)基本振子的方向系數(shù) 電

30、基本振子的方向系數(shù)：電基本振子的方向系數(shù)： D =1則其有效面積為則其有效面積為 220.124eDAllp=3電基本振子輻射電阻電基本振子輻射電阻 2/2AIPRSS2)/(80llR S7.3 電波傳播電波傳播 直射直射：在無(wú)界均勻線性媒質(zhì)中，電波以直線方式傳播。：在無(wú)界均勻線性媒質(zhì)中，電波以直線方式傳播。 發(fā)收菲涅爾區(qū)菲涅爾區(qū)dd d 與傳輸波長(zhǎng)成正比。與傳輸波長(zhǎng)成正比。光為直線傳播。光為直線傳播。 當(dāng)電波傳播的過(guò)程中有障礙物時(shí)，電波將產(chǎn)生當(dāng)電波傳播的過(guò)程中有障礙物時(shí)，電波將產(chǎn)生反射、折射、繞射、和散射。反射、折射、繞射、和散射。多多 徑徑1. 1. 無(wú)線電波的傳播機(jī)制：無(wú)線電波的傳播機(jī)

31、制： 反射反射：當(dāng)障礙物：當(dāng)障礙物表面平表面平滑滑、且、且遠(yuǎn)大于傳播電波遠(yuǎn)大于傳播電波的波長(zhǎng)的波長(zhǎng)時(shí)，電波會(huì)產(chǎn)生時(shí)，電波會(huì)產(chǎn)生反射；反射；導(dǎo)體入射波反射波非導(dǎo)體入射波折射波反射波繞射散射 散射散射：當(dāng)障礙物：當(dāng)障礙物表面粗糙表面粗糙或障礙物或障礙物遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)小于波長(zhǎng)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生散射；時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生散射； 折射折射：當(dāng)障礙物：當(dāng)障礙物表面平滑表面平滑、且當(dāng)且當(dāng)障礙物為非導(dǎo)體障礙物為非導(dǎo)體時(shí)，則時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生折射；會(huì)產(chǎn)生折射； 繞射繞射：當(dāng)：當(dāng)障礙物可與波長(zhǎng)相比障礙物可與波長(zhǎng)相比時(shí)，時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生繞射；則會(huì)產(chǎn)生繞射；2. 無(wú)線電波的空間傳播方式：無(wú)線電波的空間傳播方式： 主要傳播特點(diǎn)：傳輸損耗小，作用

32、距離遠(yuǎn)；受電離層擾主要傳播特點(diǎn)：傳輸損耗小，作用距離遠(yuǎn)；受電離層擾動(dòng)影響小，傳播情況穩(wěn)定；有較強(qiáng)的動(dòng)影響小，傳播情況穩(wěn)定；有較強(qiáng)的穿透海水及土壤的能力；但大氣噪聲穿透海水及土壤的能力；但大氣噪聲電平高，工作頻帶窄。電平高，工作頻帶窄。地波 地波地波：電磁波沿地球表面?zhèn)鞑?；：電磁波沿地球表面?zhèn)鞑ィ?對(duì)流層電波傳播：電波在低空大氣對(duì)流層電波傳播：電波在低空大氣對(duì)流層中的傳播對(duì)流層中的傳播a) 視距傳播視距傳播（距離（距離1050km，110GHz），）， 主要特點(diǎn)：傳播區(qū)域限于視線距離以內(nèi)；頻率越高受地形、主要特點(diǎn)：傳播區(qū)域限于視線距離以內(nèi)；頻率越高受地形、地物的影響越大；微波衰落嚴(yán)重；大氣吸收及

33、雨衰減嚴(yán)重地物的影響越大；微波衰落嚴(yán)重；大氣吸收及雨衰減嚴(yán)重（1GHz）散射通信發(fā)收視距傳播發(fā)收b)散射傳播散射傳播: 利用對(duì)流層中利用對(duì)流層中介質(zhì)的不均勻性對(duì)電波介質(zhì)的不均勻性對(duì)電波的散射作用實(shí)現(xiàn)超視距的散射作用實(shí)現(xiàn)超視距傳播傳播(200MHz5GHz，300800km)；特點(diǎn)特點(diǎn): 傳輸損耗大，但單跳傳輸損耗大，但單跳距離大；適用于無(wú)法建距離大；適用于無(wú)法建立微波中繼站的區(qū)域，立微波中繼站的區(qū)域，如海島之間。如海島之間。 電離層電波傳播：電離層電波傳播：散射通信發(fā)收b)電離層電離層散射傳播散射傳播（3050MHz，10002000km）；利用電離層中）；利用電離層中電子濃度的不均勻性對(duì)電波

34、的散電子濃度的不均勻性對(duì)電波的散射作用完成遠(yuǎn)距離通信。射作用完成遠(yuǎn)距離通信。a)電離層反射傳播電離層反射傳播, 天波天波: 主要用于中波、短波的遠(yuǎn)距離的主要用于中波、短波的遠(yuǎn)距離的廣播、通信，岸船間航海移動(dòng)移動(dòng)通信，飛機(jī)地面間航廣播、通信，岸船間航海移動(dòng)移動(dòng)通信，飛機(jī)地面間航空移動(dòng)通信?？找苿?dòng)通信。 其特點(diǎn)：傳播損耗?。ㄟh(yuǎn)），衰其特點(diǎn)：傳播損耗?。ㄟh(yuǎn)），衰落現(xiàn)象嚴(yán)重，短波傳播受電離落現(xiàn)象嚴(yán)重，短波傳播受電離層擾動(dòng)大；層擾動(dòng)大；c) 流星流星電離電離余跡余跡反（散）射傳播。反（散）射傳播。天波衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信: 地與宇宙飛地與宇宙飛船、人造地球衛(wèi)星及星船、人造地球衛(wèi)星及星體等之間的通信。體等之間

35、的通信。 （f =3GHz10GHz） 外大氣層及行星際空間電波傳播外大氣層及行星際空間電波傳播 地地-電離層波導(dǎo)傳播電離層波導(dǎo)傳播:低頻、甚低頻遠(yuǎn)距離傳播、標(biāo)準(zhǔn)頻率和時(shí)間信號(hào)的傳播低頻、甚低頻遠(yuǎn)距離傳播、標(biāo)準(zhǔn)頻率和時(shí)間信號(hào)的傳播;特點(diǎn)：傳播損耗小，受電離層擾動(dòng)小，傳播相位穩(wěn)定，特點(diǎn)：傳播損耗小，受電離層擾動(dòng)小，傳播相位穩(wěn)定，有良好的可預(yù)測(cè)性，但大氣噪聲電平離，工作頻有良好的可預(yù)測(cè)性，但大氣噪聲電平離，工作頻帶窄。帶窄。3. 自由空間的電波傳播自由空間的電波傳播 設(shè)有一天線置于自由空間，在最大輻射方向上、距離為設(shè)有一天線置于自由空間，在最大輻射方向上、距離為r的的接收點(diǎn)處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為：接收點(diǎn)處

36、產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為： 06060(/)ttPGP DEV mrrS=t 代表發(fā)射天線，代表發(fā)射天線，Pt為發(fā)射天線的輸入功率，為發(fā)射天線的輸入功率，Gt為發(fā)射天線為發(fā)射天線的增益，的增益，r為天線間的距離。接收天線的接收功率為：為天線間的距離。接收天線的接收功率為： 222()444ttrerttrP GPSAGPG GWrrllppp驏=桫式中式中S為坡印廷矢量（為坡印廷矢量（W/m2）, Ae為接收天線的有效面積為接收天線的有效面積(m2)，Gr為接收天線的增益。為接收天線的增益。 自由空間的基本傳輸損耗自由空間的基本傳輸損耗Lbf： 自由空間內(nèi)發(fā)射天線的發(fā)射功率自由空間內(nèi)發(fā)射天線的發(fā)射功率Pt

37、與接收天線與接收天線的輸出功率的輸出功率Pr之比。之比。241tbfrtrPrLPGGpl驏=桫用用dB表示：表示： 10lg32.4520lg()20lg ()()tbfrrtPLPf MHzr kmGGdB=+-自由空間的傳輸損耗：自由空間的傳輸損耗：電磁波的衰減電磁波的衰減可由自由空間傳輸損耗可由自由空間傳輸損耗Ldf表示。自由空間表示。自由空間傳輸損耗傳輸損耗Ldf是用在自由空間內(nèi)兩個(gè)理想點(diǎn)源天線（是用在自由空間內(nèi)兩個(gè)理想點(diǎn)源天線（G=1）之間的傳輸損耗來(lái)定義。之間的傳輸損耗來(lái)定義。 241,1tdftrrPrLGGPpl驏=桫用用dB表示：表示： 10lg32.4520lg()20lg ()()tdfrPLPf MHzr kmdB=+自由空間的傳輸損耗自由空間的傳輸損耗Ldf：自由空間內(nèi)理想點(diǎn)源天線的發(fā)：自由空間內(nèi)理想點(diǎn)源天線的發(fā)射功率射功率Pt與與Gr=1的接收天線的輸出功率的接收天線的輸出功率Pr之比。亦即不包之比。亦即不包含天線時(shí)的自由空間路徑損耗：含天線時(shí)