天線基礎(chǔ)知識全

1、會計學(xué)1天線基礎(chǔ)知識全天線基礎(chǔ)知識全第1章 天線基礎(chǔ)知識第2章 窄帶天線第3章 寬帶天線第4章 口徑天線第5章 天線新技術(shù)第6章 電波傳播概論 天線是任何無線電系統(tǒng)的基本組成部分 天線是一種用來發(fā)射或者接收電磁波的器件 天線是將傳輸線中的導(dǎo)行電磁波轉(zhuǎn)化為空間電磁波 IEEE：發(fā)射或者接收系統(tǒng)的一部分，為發(fā)射或者接收電磁波而設(shè)計高頻電流高頻電流發(fā)射機發(fā)射天線接收機接收天線Wave天線的作用天線的作用發(fā)射天線接收天線wave避免能量損耗避免能量損耗防止干擾防止干擾天線的作用天線的作用天線的方向性天線的方向性天線的方向性天線的方向性D=0.32 , S=0.25 , N=10天線的方向性天線的方向性

2、頻段2音頻8基低頻4低 頻（VF)） （VLF） （LF）5中 頻（MF）6高 頻7甚高頻8特高頻9超高頻10極高頻（HF） （VHF ） （UHF） （SHF） （EHF）11121314超長波長波中波超短波分米波厘米波毫米波3Hz30Hz300Hz3kHz30kHz300kHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz3THz30THz300THz105km 104km 103km102km 10km1km100m10m1m10cm1cm1mm10010 1 （公里）（米）（厘米）（毫米）（微米）短波（VLW） （LW） （MW） （SW） （VSW）（米波）音頻雷達(dá)頻率

3、微波頻率紅外視頻無線電廣播、通信、遙測、遙控以及導(dǎo)航等無線電系統(tǒng)都是利用無線電波來傳遞信號的，而無線電波的發(fā)射和接收都通過天線來完成。因此天線設(shè)備是無線電系統(tǒng)中重要的組成部分。圖1.和圖2.指出了天線設(shè)備在兩種典型的無線電系統(tǒng)中的地位。 天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰俊?這首先要求天線是一個良好的電磁開放系統(tǒng), 其次要求天線與發(fā)射機或接收機匹配。 天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上, 或?qū)Υ_定方向的來波最大限度的接受, 即天線具有方向性。 天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波, 即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。 天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。 由麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場產(chǎn)生變化由麥克斯韋

4、的電磁場理論，變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，這樣就產(chǎn)的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，這樣就產(chǎn)生了電磁波。生了電磁波。B BE EB BE EB B 如廣播電臺如廣播電臺聲聲電電電磁波發(fā)射電磁波發(fā)射電視臺電視臺聲光聲光電電電磁波發(fā)射電磁波發(fā)射E E天線的理論基礎(chǔ)天線的理論基礎(chǔ)最早的發(fā)射天線是赫茲在1887年為了驗證麥克斯韋根據(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(yuǎn)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(dāng)時，赫

5、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。 最早的天線最早的天線19091909年馬可尼獲得諾貝爾物理學(xué)獎，后來享有年馬可尼獲得諾貝爾物理學(xué)獎，后來享有“無線電之父無線電之父”的美譽。的美譽。19331933年年1212月月7 7日至日至1212日，馬可尼曾到我國訪問，并在南京停留，宣傳普及無線電知識，他特別日，馬可尼曾到我國訪問，并在南京停留，宣傳普及無線電知識，他特別講到：講到：“貴國地大民眾，無線電最有用處，望貴國人士深明此意，聯(lián)絡(luò)民眾，交換情感，可貴國地大民眾，無線電最有用處，望貴國人士深明此意，聯(lián)絡(luò)民眾，交換情感，可造成一強大無匹之國家造成一

6、強大無匹之國家”。馬可尼，意大利人，第一個采用大型天線實現(xiàn)遠(yuǎn)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。馬可尼馬可尼線天線時期：線天線時期：19301930年之前年之前線天線時期線天線時期面天線時期：面天線時期：1930-19451930-1945面天線時期：面天線時期：1945-19591945-19595050年代年代-70-70年代年代7070年代以后年代以后常見的天線形式常見的天線形式常見的天線形式常見的天線形式常見的天線形式常見的天線形式常見的天線形

7、式常見的天線形式常見的天線形式常見的天線形式常見的天線形式常見的天線形式常見的天線形式常見的天線形式美國新墨西哥州的射電望遠(yuǎn)鏡陣列是由27面直徑25米的拋物面天線組成，甚大天線陣每個天線重230噸，架設(shè)在鐵軌上，可以移動，所有天線呈Y型排列，每臂長21千米。該甚大天線陣隸屬于美國國家射電天文臺（NRAO），于1981年建成。常見的天線形式常見的天線形式 天線輻射是電磁場中輻射源產(chǎn)生的一種擾動。天線輻射是電磁場中輻射源產(chǎn)生的一種擾動。 天線輻射是時變電流源產(chǎn)生，或者說是由作加天線輻射是時變電流源產(chǎn)生，或者說是由作加速運動的電荷所激發(fā)。速運動的電荷所激發(fā)。ZlzIqvzzllzdIdvqq adt

8、dtzzllzdIdvllqlq adtdtzzllzdIdvllqlq adtdt天線工作原理天線工作原理天線工作原理天線工作原理天線工作原理天線工作原理天線工作原理天線工作原理天線工作原理天線工作原理天線工作原理天線工作原理天線的種類很多，按用途可將天線分為通信天線、 廣播電視天線、雷達(dá)天線等; 按工作波長, 可將天線分為長波天線、中波天線、 短波天線、 超短波天線和微波天線等； 按輻射元的類型可將天線分為兩大類: 線天線和面天線。所謂線天線是由半徑遠(yuǎn)小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成, 主要用于長波、中波和短波波段; 面天線是由尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的, 主要用于微波波段, 超短波波段則兩者

9、兼用。 把天線和發(fā)射機或接收機連接起來的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)。饋線的形式隨頻率的不同而分為雙導(dǎo)線傳輸線、同軸線傳輸線、波導(dǎo)或微帶線等。由于饋線系統(tǒng)和天線的聯(lián)系十分緊密, 有時把天線和饋線系統(tǒng)看成是一個部件, 統(tǒng)稱為天線饋線系統(tǒng), 簡稱天饋系統(tǒng)。 研究天線問題, 實質(zhì)上是研究天線在空間所產(chǎn)生的電磁場分布。空間任一點的電磁場都滿足麥克斯韋方程和邊界條件,因此, 求解天線問題實質(zhì)上是求解電磁場方程并滿足邊界條件,但這往往十分繁雜, 有時甚至是十分困難的。在實際問題中, 往往將條件理想化, 進(jìn)行一些近似處理, 從而得到近似結(jié)果, 這是天線工程中最常用的方法； 在某些情況下, 如果需要較精確的解, 可借助電

10、磁場理論的數(shù)值計算方法來進(jìn)行。 本書盡可能地繞過繁雜的推導(dǎo)、計算, 主要介紹天線的基本概念、基本理論及與現(xiàn)代 通信緊密相關(guān)的新技術(shù)及其應(yīng)用。 電小天線 諧振天線 寬帶天線 口徑天線23.0023.2523.5023.7524.0024.2524.5024.7525.00Freq GHz-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(St(1,1)Ansoft LLCPatch_Antenna_ADKv1Return LossCurve InfodB(St(1,1)Setup1 : Sweep1-200.00-150.00-100.00-50.00 0.0050.0010

11、0.00150.00200.00Theta deg-25.00-20.00-15.00-10.00-5.00-0.005.0010.00Y1Ansoft LLCPatch_Antenna_ADKv1XY Plot 2Curve InfodB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq=24.125GHz Phi=0degdB(GainTotal)_1Setup1 : LastAdaptiveFreq=24.125GHz Phi=90deg主要電氣參數(shù)主要電氣參數(shù)主要電氣參數(shù)主要電氣參數(shù)-200.00-150.00-100.00-50.00 0.0050.00100.

12、00150.00200.00Theta deg-40.00-30.00-20.00-10.000.0010.0020.00Y1Ansoft LLC18X1_array_new_feedline1XY Plot 3m1m2m3m4m5Curve InfodB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq=24.125GHz Phi=0degdB(GainTotal)_1Setup1 : LastAdaptiveFreq=24.125GHz Phi=90degNameXYm10.000018.0932m22.500014.6833m315.00000.5783m419.0

13、00018.2796m5-20.5000 18.8487電基本振子是線狀天線的基本單元,因此討論電基本振子具有重要的實際意義。對電基本振子的分析,我們采用球坐標(biāo)系。將電基本振子的中心放在坐標(biāo)系原點。如下圖所示所謂電基本振子是指一段載有高頻電流的短導(dǎo)線,導(dǎo)線全長 l ,導(dǎo)線直徑d l ，線上的電流振幅是相等的，線上各點的電流相位亦認(rèn)為是同相的。IPzr電基本振子電基本振子reee利用矢量磁位A ，不難求得空間P點的場強。由于電流元的直徑很小，可忽略，所以電流元上的電流可視為線電流，即設(shè)沿z軸方向，長為z的電基本振子，其電流分布為Ij tie/20/24j RzzzeAIdzR假設(shè)：, z0Rr

14、04j rzIdz eAr磁場強度：0000011111 =zzzzHAA zAzAzAz4j rI z eHzr 04j rzIdz eAr4j rI z eHzr 利用球坐標(biāo)系中的梯度公式，可得144j rj rI zeI zeHrzjrzrrrr00( cossin )sin2rzrr 11sin2j rjI zeHj rr由方程 可以得到電場強度11sin2j rjI zeHj rr01EHj020222cos2111sin2j rrj rjI zeEj rrj rjI zeEj rrj r由上式可見,電基本振子的電場有r和方向兩個分量,而磁場只有方向分量。而且電場矢量和磁場矢量相互垂

15、直。在Er，E和H分量中都含有1/r,1/r2和1/r3三 項或其中二項?，F(xiàn)根據(jù)觀察點P離元電輻射體的遠(yuǎn)近可分為三個區(qū)域:近區(qū)(r1)和中間區(qū)域。1)1) 近區(qū)場近區(qū)場11sin2j rjI zeHj rr020222cos2111sin2j rrj rjI zeEj rrj rjI zeEj rrj r1 rr或 203sin42cossin4j rnfj rnfI z eHrjI z eErr 23111rrr1j re近區(qū)場近區(qū)場: : 在近區(qū), kr1, r，電場E和Er與靜電場問題中的電偶極子的電場相似, 磁場H和恒定電流場問題中的電流元的磁場相似, 所以近區(qū)場稱為準(zhǔn)靜態(tài)場; 由于場

16、強與1/r的高次方成正比, 所以近區(qū)場隨距離的增大而迅速減小, 即離天線較遠(yuǎn)時, 可認(rèn)為近區(qū)場近似為零。 電場與磁場相位相差90（電場滯后于磁場）, 說明玻印廷矢量為虛數(shù), 也就是說, 電磁能量在場源和場之間來回振蕩, 沒有能量向外輻射, 所以近區(qū)場又稱為感應(yīng)場。 202251sinsin 2232nfnfnfI zEHjrr S近區(qū)場近區(qū)場: :1r23111rrr0sin2sin2rjrjrEEIzEjerIzHjer2) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)區(qū)場區(qū)場由此可見遠(yuǎn)區(qū)場具有下列特點:(1)在遠(yuǎn)區(qū), 電基本振子的場只有E和H兩個分量, 它們在空間上相互垂直, 在時間上同相位,所以其玻印廷矢量 是實數(shù),且指向 r

17、 方向。這說明電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場是一個沿著徑向向外傳播的橫電磁波,所以遠(yuǎn)區(qū)場又稱輻射場;(2)遠(yuǎn)區(qū)場縱向分量ErE,而磁場分量只有橫向分量H, E/H=0u0/0=120（）是一常數(shù), 即等于媒質(zhì)的本征阻抗, 因而遠(yuǎn)區(qū)場具有與平面波相同的特性;故遠(yuǎn)區(qū)場近似為TEM波。12EHS(3) 遠(yuǎn)區(qū)場的相位隨r的增加不斷滯后,其等相位面為r等于常數(shù)的球面。輻射場的強度與距離成反比, 隨著距離的增大, 輻射場減小。這是因為輻射場是以球面波的形式向外擴散的,當(dāng)距離增大時, 輻射能量分布到更大的球面面積上;(4)在不同的方向上, 輻射強度是不相等的。 這說明電基本振子的輻射是有方向性的。2*0221122 6

18、0sin2SEHHrI zrr22230022sin 60sin2 40SSSPS dsS rrd dI zddI z (5)輻射功率與輻射電阻：天線通過輻射場向外部空間輻射電磁波,其輻射功率即為通過包圍此天線的閉合曲面的功率流的總和,即由上式可見輻射功率與天線的結(jié)構(gòu),電尺寸以及激勵電流有關(guān)。為了說明輻射體本身的特性,我們引入另一個參量輻射電阻R,定義為電基本振子的輻射電阻：22PRI2280zR(6) 方向性： 由式可以看出,電基本振子的輻射場強值在等r距離的球面空間各個方向上是不相同的。 方向性函數(shù)的坐標(biāo)圖形稱為方向性圖,它形象描寫輻射體向空間不同方向上的輻射能力。由于方向性函數(shù)是坐標(biāo)和的

19、函數(shù),因此三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的方向性圖為立體圖。0sin2sin2jrjrIzEjerIzHjer(7) 遠(yuǎn)區(qū)場的E和H兩個分量中包含了3個部分：比例系數(shù)方向性函數(shù) F(,)=sin球面波因子0sin2sin2jrjrIzEjerIzHjer02Ilj rer在討論了電基本振子的輻射情況后, 現(xiàn)在再來討論一下磁基本振子的輻射。我們知道, 在穩(wěn)態(tài)電磁場中, 靜止的電荷產(chǎn)生電場, 恒定的電流產(chǎn)生磁場。那么, 是否有靜止的磁荷產(chǎn)生磁場, 恒定的磁流產(chǎn)生電場呢？ 迄今為止還不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在。但是, 如果引入這種假想的磁荷和磁流的概念, 將一部分原來由電荷和電流產(chǎn)生的電磁場用能夠

20、產(chǎn)生同樣電磁場的磁荷和磁流來取代,即將“電源”換成等效“磁源”, 可以大大簡化計算工作。小環(huán)天線：最大尺寸不超過十分之一波長的閉合電流環(huán)路“小”- 電尺寸，相對于工作波長而言磁基本振子：小環(huán)天線 （當(dāng)交變電流通過小環(huán)天線時，其外界電磁場分布相當(dāng)于一個極性N-S交替變化的條形磁鐵分布，故小環(huán)天線也成為磁基本振子、磁流元），小電流環(huán)的輻射場與磁偶極子的輻射場相同，穩(wěn)態(tài)場有這種特性, 時變場也有這種特性。 cosRej ti tItIe8.3.1 小電流環(huán)及其等效磁矩0000,MEMEMMHEEHqqII0Misql0ddddMMsqiItlt對偶原理法對偶原理法設(shè)有一個電流密度為J1的電流源，其媒

21、質(zhì)參數(shù)為（1 1 1），其滿足：1111111EjHHjEJ 設(shè)有一個磁流密度為M2的電流源，其媒質(zhì)參數(shù)為（2 2 2），其滿足：2222222HjEEjHM 1 1中變量中變量2 2中替代變量中替代變量J1M212 1 2E1H2H1-E2磁基本振子完整場解磁基本振子完整場解22202011sin 2111sin 222 cos 2mj rmj rmj rjIzeEj rrjIzeHj rrj rjIzerj rrj r 磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場解磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場解220sin 2sin 2mj rmj rjIz eErjIz eHr 比較電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場E與磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場E可以發(fā)現(xiàn)它們具

22、有相同的方向函數(shù)|sin|, 而且在空間相互正交, 相位相差90。所以將電基本振子與磁基本振子組合后,可構(gòu)成一個橢圓（或圓）極化波天線。直接積分法直接積分法參考課本第參考課本第1818頁頁 天線輻射的方向性 輻射功率密度的方向性 電基本振子遠(yuǎn)區(qū)輻射場：2*0221122 60sin2SEHHrI zrr沿z軸方向無輻射，在與振子垂直的方向輻射最強。 功率密度S分布的不均勻性，并不是電基本振子的特有現(xiàn)象，它是一切矢量波輻射系統(tǒng)的共同特征。電磁波屬于矢量波，所以任何形式的真實天線發(fā)出的功率密度S在空間的分布都是不均勻的（S的不均勻性源于遠(yuǎn)區(qū)電場E/遠(yuǎn)區(qū)磁場H的不均勻性）?？梢宰C明，任何一個（相位中

23、心和坐標(biāo)原點重合的）實際天線（含天線陣列），必然滿足如下遠(yuǎn)區(qū)電場分布通式： 0,j reEUVffr 式中，U0()是與場點坐標(biāo)(r,)無關(guān)的復(fù)常數(shù)，僅取決于場源的強度；f(,)為電場分布的方向函數(shù)。P.22，例1-4，給出了基本振子的遠(yuǎn)區(qū)電場通式的具體表達(dá)式22,fff 通式中，復(fù)常數(shù)U0()并沒有唯一性，與方向函數(shù)的寫法有關(guān)。 方向函數(shù)的寫法，一般應(yīng)兼顧數(shù)學(xué)和工程上的習(xí)慣： （1）電流分布具有圍繞z軸旋轉(zhuǎn)對稱且沿z軸流動，則 （2）磁流分布具有圍繞z軸旋轉(zhuǎn)對稱且沿z軸流動，則 （3）電流分布具有圍繞z軸旋轉(zhuǎn)對稱且沿方向流動，則 0,j reEUVffr , 0fff , 0fff , 0f

24、ff垂直極化垂直極化水平極化水平極化水平極化水平極化P.22 P.22 例例 1-51-5 線極化線極化 圓極化、橢圓極化圓極化、橢圓極化空間上空間上、正交的電場分量通式存在僅僅是圓正交的電場分量通式存在僅僅是圓/ /橢橢圓極化的必要條件，并非充要條件；充分條件是追加圓極化的必要條件，并非充要條件；充分條件是追加時間上正交分量相位相差時間上正交分量相位相差9090的條件。的條件。 輻射方向圖簡稱為方向圖，是方向函數(shù)f(,)的圖示。 方向圖形象、直觀、彌補了方向函數(shù)的抽象性。 復(fù)雜天線系統(tǒng)，其很難求解出較為準(zhǔn)確的方向圖函數(shù)的解析表達(dá)式，此時必須借助測量得到的數(shù)據(jù)繪出方向圖，以了解天線的輻射特性。

25、 空間維數(shù)：三維立體方向圖、兩維平面方向圖 主截面：平面方向圖 - E面方向圖、H面方向圖 坐標(biāo)系：平面方向圖 - 直角坐標(biāo)方向圖、極坐標(biāo)方向圖 坐標(biāo)軸刻度：線性坐標(biāo)、對數(shù)坐標(biāo) 對象不同：場強方向圖（方向圖）、功率方向圖 方向函數(shù)f(,)是在與天線保持固定距離情況下測量出來的，定量性差。歸一化方向函數(shù)：max,fFf E面方向圖：由最大輻射方向(max,max)和該方向上遠(yuǎn)區(qū)電場E的方向所確定的E面，與立體方向圖相截，所得的平面方向圖。H面方向圖：由最大輻射方向(max,max)和該方向上遠(yuǎn)區(qū)磁場H的方向所確定的H面，與立體方向圖相截，所得的平面方向圖。P.26 P.26 圖圖 1-16 1-

26、16 電基本振子電基本振子E E面、面、H H面方向圖面方向圖1.0半功率點主瓣軸0.50.5副瓣半功率波束寬度(HPBW)典型的功率方向圖通常考慮以下幾個參數(shù)： （1）主瓣寬度 主瓣軸線兩側(cè)的兩個半功率點（即功率密度下降為最大值的一半或場強下降為最大值的 ）的矢徑之間的夾角，稱為主瓣寬度，表示為 （E面）或 （H面）。主瓣寬度愈小，說明天線輻射的能量愈集中，定向性愈好。電偶極子的主瓣寬度為 。 （2）副瓣電平 最大副瓣的功率密度S1和主瓣功率密度S0之比的對數(shù)值，稱為副瓣電平表示為 通常要求副瓣電平盡可能低。 120.520.520901010lgdBSSLLS（3）前后比 主瓣功率密度S0

27、與后瓣功率密度Sb之比的對數(shù)值，稱為前后比。表示為 通常要求前后比盡可能大。 010lgdBbSFBSp 在相等的輻射功率下，受試天線在其最大輻射方向上某點產(chǎn)生的功率密度與一理想的無方向性天線在同一點產(chǎn)生的功率密度的比值，定義為受試天線的方向性系數(shù)。表示為 002maxmax200PPPPrrrrSEDSE式中的Pr和Pr0分別為受試天線和理想的無方向性天線的輻射功率。故20222max0002222max00,1dd21,sin d d2,sin d d240rssEPsEFrErF 平均Ss2max22200240,sin d drPErF 而理想的無方向性天線的輻射功率為故則上式為計算天

28、線方向性系數(shù)的公式。 222220000044260rEE rPSrr200260rPEr02max2220004,sin d dPPrrEDEF 例8.4.1 計算電偶極子的方向性系數(shù)解：電偶極子的歸一化方向性函數(shù)為故若用分貝表示，則為D=10lg1.5=1.76dB.,sinF 220041.5sinsin d dD 天線的效率定義為天線的輻射功率Pr與輸入功率Pin的比值，表示為rrAinrLPPPPP式中的PL為天線的總損耗功率，通常包括天線導(dǎo)體中的損耗和介質(zhì)材料中的損耗。若把天線向外輻射的功率看作是被某個電阻吸收的功率，該電阻稱為輻射電阻Rr。同樣，把總損耗功率也看作電阻上的損耗功率

29、，該電阻稱為損耗電阻。則有故天線的效率可表示為可見，要提高天線的效率，應(yīng)盡可能增大輻射電阻和降低損耗電阻。 2211,22rrLLPI RPI RrrArLrLPRPPRR 在相同的輸入功率下，受試天線在其最大輻射方向上某點產(chǎn)生的功率密度與一理想的無方向性天線在同一點產(chǎn)生的功率密度的比值，定義為該受試天線的增益系數(shù)。表示為式中的Pin和Pin0分別為受試天線和理想的無方向性天線的輸入功率 .考慮天線效率的定義可得:以及002maxmax200PPPPininininSEGSEAGDmax60inGPEr考慮天線效率的定義可得:以及AGDr0max60inPPGPEr對于無方向性天線， 故G=1

30、,則例如，為了在空間一點M處產(chǎn)生某特定值的場強，若采用無方向性天線來發(fā)射需輸入10W的功率；但采用增益系數(shù)G=10的天線發(fā)射，則只需輸入1W的功率。 r00max60inPPPEr1,1AD 方向特性：方向圖（BW0.5、FSLL）、方向系數(shù)D、增益G 阻抗特性：輸入阻抗Zin、效率A 帶寬特性：帶寬、上限頻率fU、下限頻率fL 極化特性：極化、極化隔離度 掃描特性1.8.2 1.8.2 阻抗特性阻抗特性1 1輸入阻抗輸入阻抗天線的輸入阻抗定義為天線輸入端的電壓與電流的比值，表示為inininininUZRjXI式中的Rin表示輸入電阻，Xin表示輸入電抗。天線的輸入端是指天線通過饋線與發(fā)射機

31、（或接收機）相連時，天線與饋線的連接處。天線作為饋線的負(fù)載，通常要求達(dá)到阻抗匹配。2222inininin ininininininin inininPjOUU IPZRjXII IIIinP2 2輻射阻抗輻射阻抗Z與輸入阻抗與輸入阻抗Zin的區(qū)別與聯(lián)系的區(qū)別與聯(lián)系 兩者歸算電流不盡相同：輸入阻抗Zin必須用輸入電流Iin歸算；輻射阻抗不是一個電路量，可以自由選擇歸算電流。 即使都使用相同的Iin進(jìn)行歸算，Z和Zin兩者還是不同,因為存在著損耗功率，所以天線效率不是100%。 若天線效率是100%，Z和Zin兩者是否相等？ 借助數(shù)值方法求解，Z和Zin之間是否可以完全逼近？電基本振子或者線電流

32、源，其遠(yuǎn)區(qū)電場為式中，Im是輻射電阻R R的歸算電流。則，輻射電阻輻射電阻R R與方向系數(shù)與方向系數(shù)D D的乘積為：的乘積為：m60I,j reEjfr 2max120,RDf 1.8.3 1.8.3 帶寬特性帶寬特性300350400450500Frequency (MHz)-60-50-40-30-20-100102030405060s11 (dB)上限頻率 fU 下限頻率 fL 中心頻率 fC 相對帶寬 倍頻帶寬 100%ULpCffBfUrCfBf1.8.3 1.8.3 極化特性極化特性天線的極化特性是天線在其最大輻射方向上電場矢量的取向隨時間變化的規(guī)律。正如在波的極化中已討論過的，極

33、化就是在空間給定上，電場矢量的端點隨時間變化的軌跡。按軌跡形狀分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化線極化如果電磁波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫做橢圓極化波。在旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波，反時針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。1.8.4 1.8.4 最佳接收條件最佳接收條件 接收天線的最大接收方向?qū)?zhǔn)來波方向； 接收天線的極化與來波的極化匹配； - 凡是正交極化，插入損耗為無窮大，信號阻斷；用線極化天線接收橢圓極化天線，或者反過來，其插入損耗均為3dB 接收天線的負(fù)載與自身的阻抗匹配。一、一、天線接收的物理過

34、程及收發(fā)互易性天線接收的物理過程及收發(fā)互易性 上圖所示為一接收天線，它處于外來無線電波Ei的場中, 發(fā)射天線與接收天線相距甚遠(yuǎn), 因此, 到達(dá)接收天線上各點的波是均勻平面波。 設(shè)入射電場可分為兩個分量: 一個是垂直于射線與天線軸所構(gòu)成平面的分量E1, 另一個是在上述平面內(nèi)的分量E2。 只有沿天線導(dǎo)體表面的電場切線分量Ez=E2sin才能在天線上激起電流, 在這個切向分量的作用下, 天線元段dz上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e=-Ezdz。1.10.1 短振子 尺寸遠(yuǎn)小于一個波長的天線稱為電小天線，一般要求其尺寸在工作波長的十分之一以下。 （電尺寸與物理尺寸的區(qū)別） 最簡單的電小天線是短振子天線。短振子電流

35、與電場分布短振子天線模型： l。電流由中間最大值I線性地遞降到端點的零應(yīng)用k(h1+h2)1條件，得到 所以用電基本振子輻射場公式計算短振子天線的場，只要將l=h1+h2 以及I=I0/2 代入即可。z 短振子天線I0 xy0201(1) 0( )(1) 0zIhzIhzI zz21012 1( )( )d()2hhUI zzIhhO短振子電流分布函數(shù)：hzIzI|1)(0h短振子電場分布函數(shù)：sin200rehIjErj短振子性質(zhì)：短振子性質(zhì)：1.1.短振子天線與電基本振子的方向函數(shù)相同，均為短振子天線與電基本振子的方向函數(shù)相同，均為 ；2.2.短振子僅相當(dāng)于強度為短振子僅相當(dāng)于強度為 的電

36、基本振子，即短振的電基本振子，即短振子的有效長度僅為幾何長度子的有效長度僅為幾何長度 的一半，也就是說的一半，也就是說3.3.短振子的輻射電阻僅為同等長度電基本振子的短振子的輻射電阻僅為同等長度電基本振子的1/4 1/4 。 sinzhle21hI0z可以看到：電流分布不均勻使得線天線的有效長度小可以看到：電流分布不均勻使得線天線的有效長度小于幾何長度。于幾何長度。想要提升短振子的輻射電阻，思路有兩條：1）設(shè)法使電流分布變得均勻一些；2）設(shè)法讓電荷相對集中于天線的兩端。 在末端加載金屬盤，稱為電容極板天線、帶帽天線 模擬電基本振子的天線，加載傳輸線天線1.10.2 半波振子 從結(jié)構(gòu)上看，半波振

37、子與短振子無本質(zhì)區(qū)別。 半波振子的長度L為二分之一波長，故曰半波振子。z10.70778x, y半波振子天線E面方向圖yzxl/2l/2II中心激勵振子天線zIzIzImmcos|4sin)(sincos2cos60 cossin604/4/cosreIjzdezreIjErjmzjrjmsincos2cos)()( fF半波振子電流分布函數(shù)：半波振子電場分布函數(shù)： 天線陣天線陣，又稱為陣列天線陣列天線：由若干個單元天線按一定方式排列起來的輻射系統(tǒng) 陣元陣元：構(gòu)成天線陣列的單元天線，陣元可以是線天線（半波振子）、環(huán)天線、微帶天線、縫隙天線或其他形式的天線。 組陣目的組陣目的：為了增強輻射方向性

38、或者為了得到既定的方向性。 天線陣天線陣可以分為：連續(xù)陣和離散陣（廣義離散陣）。 實際使用中，常采用相似陣相似陣：所有陣元的類型、結(jié)構(gòu)、尺寸和取向一致。天線陣特性：天線陣特性： 陣元數(shù)。N=2，二元陣；N=3，三元陣； 陣元中心位置軌跡決定了陣的形式。直線陣、圓環(huán)陣、平面陣、共形陣等。 若陣元間的距離為常數(shù)且饋電電流振幅相等、相位呈線性變化，為均勻陣。均勻直線陣、均勻圓環(huán)陣、均勻面陣等。 按各陣元電流相位配置（配相）的不同，分為邊射陣、端射陣和相控陣等。 非均勻陣分為兩種情況：電流振幅不均勻或者空間不均勻。天線陣方向函數(shù)等于元因子與陣因子的乘積。天線陣方向函數(shù)等于元因子與陣因子的乘積。00,

39、, , ,NNNffffff 式中，為陣方向函數(shù)為陣元的方向函數(shù)為 元陣的陣因子需注意: 陣的總方向系數(shù)元因子方向系數(shù) 陣因子的方向系數(shù)設(shè)天線陣是由間距為d并沿x軸排列的兩個相同的天線元所組成, 如圖所示。假設(shè)天線元由振幅相等的電流所激勵, 但天線元2的電流相位超前天線元1的角度為, 它們的遠(yuǎn)區(qū)電場是沿方向的, 于是有111121,jkrmjkrjmeEE FreEE Fer 式中, F(, )是各天線元本身的方向圖函數(shù)；Em是電場強度振幅。 將上面兩式相加得二元陣的輻射場為:由于觀察點通常離天線相當(dāng)遠(yuǎn), 故可認(rèn)為自天線元“1”和“2”至點M的兩射線平行, 所以r2與r1的關(guān)系可寫成r2=r1dsincos同時考慮到元因子表示組成天線陣的單個輻射元的方向圖函數(shù), 其值僅取決于天線元本身的類型和尺寸。它體現(xiàn)了天線元的方向性對天線陣方向性的影響。 陣因子表示各向同性元所組成的天線陣的方向性, 其值取決于天線陣的排列方式及其天線元上激勵電流的相對振幅和相位, 與天線元本身的類型和尺寸無關(guān)。 由式（1-6