天線輻射與接收的基本理論

1、第6章 天線輻射和接收的基本理論v天線概述天線概述v電流元輻射電流元輻射v對(duì)偶原理與磁流元輻射對(duì)偶原理與磁流元輻射v對(duì)稱振子輻射對(duì)稱振子輻射v天線的電參數(shù)天線的電參數(shù)v接收天線理論接收天線理論*本章要了解基本振子（基本電振子，基本磁振子，縫隙、面輻射元）的輻射特性。預(yù)備知識(shí)是時(shí)變場(chǎng)的位函數(shù)、達(dá)朗貝爾方程、電磁場(chǎng)與電磁波第八章的電磁輻射理論基礎(chǔ)*定義天線的基本參數(shù)（從對(duì)饋線的角度，發(fā)射的角度，接收的角度），了解其物理意義，掌握有關(guān)計(jì)算*經(jīng)典參考讀物：約翰.克勞斯著天線上下冊(cè)6.1 概論概論 通信的目的是傳遞信息, 根據(jù)傳遞信息的途徑不同, 可將通信系統(tǒng)大致分為兩大類: 一類是在相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)中用

2、各種傳輸線來(lái)傳遞信息, 即所謂的有線通信, 如電話、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)等有線通信系統(tǒng); 另一類是依靠電磁輻射通過(guò)無(wú)線電波來(lái)傳遞信息, 即所謂的無(wú)線通信, 如電視、 廣播、 雷達(dá)、 導(dǎo)航、衛(wèi)星等無(wú)線通信系統(tǒng)。 在如圖 6 -1 所示的無(wú)線通信系統(tǒng)中, 需要將來(lái)自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線電波, 或者將無(wú)線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量, 用來(lái)輻射和接收無(wú)線電波的裝置稱為天線。 v1. 天線的定義天線的基本功能是輻射和接收無(wú)線電波F發(fā)射時(shí)，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波；F接收時(shí)，把電滋波轉(zhuǎn)換為高頻電流。 不同的無(wú)線電設(shè)備對(duì)天線的要求不同。 發(fā)射機(jī) 接收機(jī)發(fā)射天線 接收天線 電波 饋線 饋線 圖6-1-1 無(wú)線電設(shè)備的信道

3、方框圖通信系統(tǒng)中的天線通信系統(tǒng)中的天線2、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

4、空域內(nèi)的電磁波。能接收電能接收電磁能量磁能量 天線天線分類的方法種類按用途分通信天線、廣播天線、雷達(dá)天線、導(dǎo)航天線、測(cè)向天線等按工作頻段分長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線方向性的強(qiáng)弱全向天線、弱方向性天線和強(qiáng)方向性天線等按極化特性線極化天線、圓極化天線、橢圓極化天線等按工作原理分駐波天線、行波天線；陣列天線按波束控制的方法分固定波束天線、相控天線、智能天線等按基本結(jié)構(gòu)分線天線、面天線、縫隙天線按電尺寸分電小天線：尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)；電大尺寸天線：大小與工作波長(zhǎng)可以比擬天線的分類v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(gè)良好的電磁開放系統(tǒng), 其次要求

5、天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配(需要計(jì)算或測(cè)試天線的輻射阻抗）。v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(lái)波最大限度的接受, 即天線具有方向性（方向函數(shù)）。v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。v天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。 對(duì)天線的要求天線常用的性能指標(biāo)：v方向性圖v方向性系數(shù)v增益v輸入阻抗v駐波系數(shù)v效率影響天線性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素v天線電尺寸v天線的形狀和結(jié)構(gòu)v天線上的電流分布 發(fā)射機(jī) 接收機(jī)發(fā)射天線 接收天線 電波 饋線 饋線 6.2 基本振子的輻射預(yù)備知識(shí)：時(shí)變場(chǎng)的達(dá)朗貝爾方程，滯后位及其解v磁矢位和電標(biāo)位v 線性、 均勻各向同性的無(wú)耗媒質(zhì)中， 時(shí)諧形式

6、的麥克斯韋方程天線輻射場(chǎng)的求解思路：點(diǎn)源點(diǎn)源的矢磁位轉(zhuǎn)換點(diǎn)源的輻射場(chǎng)計(jì)算連續(xù)分布結(jié)構(gòu)的輻射場(chǎng)突破點(diǎn)源后利用結(jié)果推導(dǎo)新結(jié)構(gòu)的結(jié)果v電流元：長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的一段電流，電流均勻分布電流均勻分布。v天線可看成由電流元組成，天線的輻射可由各電流元的輻射疊加產(chǎn)生。一 電流元（基本振子）輻射( )cosRej tdli tItIe dl根據(jù)電磁場(chǎng)理論，電流分布求矢量磁位 A/20/2, ,44jkrljkrzlzII lA x y zeedzeerr04j k rlI ed lAr由于基本電振子的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)和場(chǎng)點(diǎn)v電流元輻射的計(jì)算:0( )4jkrzI lreerA011rAHAerArr由求得磁場(chǎng)1

7、EHj再由求得電場(chǎng)cos4cos0rleIAAjkrzrsin4sin0rleIAAjkrz0A 3202cos ()4jkrrIljkEewrrjkrerjkrkrjwIlE)(sin1422300E0rH0HjkrerjkrIlH)1(sin4201HAHjE1(1)近場(chǎng)(感應(yīng)場(chǎng))區(qū):21rkr時(shí) 303022cos42sin4sin4rIlEjrwIlEjrwIlHr 在近區(qū), 電場(chǎng)E和Er與靜電場(chǎng)問(wèn)題中的電偶極子的電場(chǎng)相似, 磁場(chǎng)H和恒定電流場(chǎng)問(wèn)題中的電流元的磁場(chǎng)相似, 所以近區(qū)場(chǎng)稱為準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng); 由于場(chǎng)強(qiáng)與1/r的高次方成正比, 所以近區(qū)場(chǎng)隨距離的增大而迅速減小, 即離天線較遠(yuǎn)時(shí), 可

8、認(rèn)為近區(qū)場(chǎng)近似為零。 電場(chǎng)與磁場(chǎng)相位相差90, 說(shuō)明玻印廷矢量為虛數(shù), 也就是說(shuō), 電磁能量在場(chǎng)源和場(chǎng)之間來(lái)回振蕩, 沒(méi)有能量向外輻射, 所以近區(qū)場(chǎng)又稱為感應(yīng)場(chǎng)。 23111rrr1 jkrev(2)遠(yuǎn)場(chǎng)(輻射場(chǎng))區(qū):1kr時(shí)20sin4sin4jkrjkrk IlEjew rk IlHjer 2200,22/kwu wfc)/(1036190mF)/(10470mHu000120ujkrerIljEsin60sin2jkrIlHjerjkrerIljEsin60sin2jkrIlHjer輻射場(chǎng)特點(diǎn)：輻射場(chǎng)特點(diǎn)：(1) 球面波球面波rE1rH1 相位因子 -等相位面球面 jkre(2) TEM

9、波 傳播方向上電磁場(chǎng)分量為零 (3)tanEHconst000120EH即(4) 輻射具有方向性sinEsinH(5) 輻射功率 空間輻射的總功率稱為輻射功率，是任意包圍電流源球面上的積分，即 22 22*322002115Resin402rSI llPEHdsddI v輻射場(chǎng)的方向性sin8fEH輻射場(chǎng)與方向有關(guān)。方向性函數(shù) （ ， ）面方向性圖為 字形。面方向性圖為圓形（軸對(duì)稱）sinf（ ， ）jkrerIljEsin60sin2jkrIlHjer二 對(duì)偶原理與磁流元的輻射v1、對(duì)偶原理000eettEHJHEHE00-mmJ引入磁流 和磁荷，可使上面兩個(gè)式子變成對(duì)稱的形式00()()e

10、mmett EHJHEJHE00磁流磁荷不存在，引入后可令其為0，不影響方程正確性麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組對(duì)稱形式麥克斯韋方程組對(duì)稱形式麥克斯韋方程組引入磁引入磁流與磁流與磁荷荷 電流產(chǎn)生的場(chǎng)的場(chǎng)方程和磁流產(chǎn)生的場(chǎng)的場(chǎng)方程形式相同。只要進(jìn)行變量代換：兩者可以互相得到。因此，0,0)()emeJJtt EHJHE電荷電流產(chǎn)生的場(chǎng)（的場(chǎng)方程0,0)()memJJtt EHHEJ磁荷磁流產(chǎn)生的場(chǎng)（的場(chǎng)方程00,1/ ,emem JJEHHE電流產(chǎn)生的場(chǎng)分布經(jīng)過(guò)變量代換變?yōu)榇帕鳟a(chǎn)生的場(chǎng)分布磁流產(chǎn)生的場(chǎng)分布經(jīng)過(guò)變量代換變?yōu)殡娏鳟a(chǎn)生的場(chǎng)分布v2 磁流元的輻射 磁流元：長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的一段磁流，磁流均勻

11、分布。 由對(duì)偶原理，磁流元輻射可由電流元輻射場(chǎng)經(jīng)過(guò)變量代換獲得電流元輻射（遠(yuǎn)場(chǎng)）電流元輻射（遠(yuǎn)場(chǎng)）磁流元輻射（遠(yuǎn)場(chǎng)）磁流元輻射（遠(yuǎn)場(chǎng)）00,1/ ,emm JJEHHEjkrerIljEsin60sin2jkrIlHjerjkrmerlIjEsin2jkrmerlIjHsin2- k11,/( , )sinj rerEHEHrEHEHE Hf 含有項(xiàng),是沿 方向的電磁波，而且為球面波。只有和分量，電磁場(chǎng)互相垂直，也垂直于波的方向。、 同相，坡印亭矢量為實(shí)數(shù)。方向性函數(shù)與電流元輻射相同磁流元輻射特點(diǎn)磁流元輻射特點(diǎn)磁流元輻射（遠(yuǎn)場(chǎng)）磁流元輻射（遠(yuǎn)場(chǎng)）jkrmerlIjEsin2jkrmerlIjH

12、sin20mzaPISe0mmmPq lISql0mmqjISItdl3. 小電流環(huán)的輻射電流小環(huán)的磁矩電流小環(huán)的磁矩磁偶極子的磁矩磁偶極子的磁矩磁偶極子等效為磁偶極子等效為磁流元磁流元的磁流元的小電流環(huán)等效于、電流為半徑為dlISjIIam0ll0mjISIdl磁流元輻射公式中代入可得小環(huán)輻射22120sinsin2j rj rISEerISHer -11,/( , )sinj rerEHEHrEHEHE Hf 含有項(xiàng),是沿 方向的電磁波，而且為球面波。只有和分量，電磁場(chǎng)互相垂直，也垂直于波的方向。、 同相，坡印亭矢量為實(shí)數(shù)。方向性函數(shù)與電流元輻射相同6.3 天線的電參數(shù) 當(dāng)天線的形式及其上

13、的電流（或電磁場(chǎng)）分布確定之后，天線所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)便唯一地確定了。通常我們可以利用前面所得到的微分線元或面元的輻射場(chǎng)疊加場(chǎng)疊加（積分）來(lái)求出特定天線的輻射場(chǎng)。不同的天線具有不同的形式或不同的源分布，因而具有不同的輻射場(chǎng)分布。 在實(shí)際工程中，如果用不同的輻射場(chǎng)來(lái)比較輻射場(chǎng)來(lái)比較不同天線在某一方面的特性優(yōu)劣的話，既不直觀又不方便，因而往往采用我們這里所要介紹的天線指標(biāo)天線指標(biāo)來(lái)說(shuō)明。天線指標(biāo)（天線的電參數(shù)）就是描述天線某一方面特性的參數(shù)，天線指標(biāo)（天線的電參數(shù)）就是描述天線某一方面特性的參數(shù)，它是定量衡量天線性能的尺度。它是定量衡量天線性能的尺度。天線的電參數(shù)是由天線輻射場(chǎng)所確定的。事實(shí)上，對(duì)某一

14、天線的討論,就是由天線的具體形式和源分布特點(diǎn)來(lái)確定天線的輻射場(chǎng),并進(jìn)而得出其有關(guān)指標(biāo)。 發(fā)射天線的電參數(shù)發(fā)射天線的電參數(shù)天線指標(biāo)（天線的電參數(shù)）天線指標(biāo)（天線的電參數(shù)）就是描述天線某一方面特就是描述天線某一方面特性的參數(shù)，它是定量衡量天線性能的尺度性的參數(shù)，它是定量衡量天線性能的尺度。(1)問(wèn)題的提出：?jiǎn)栴}的提出：不同天線在某一方面的特性優(yōu)劣不同天線在某一方面的特性優(yōu)劣(2)發(fā)射天線電參數(shù)：發(fā)射天線電參數(shù)：以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)換成空間以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)換成空間電磁波能量及定向輻射特性，而輸入阻抗和輻射阻抗則是衡量天電磁波能量及定向輻射特性，而輸入阻抗和輻射阻抗則是衡量天線電路特性

15、線電路特性輻射特性輻射特性電路特性電路特性方向函數(shù)、方向圖、方向圖參數(shù)、方向系數(shù)方向函數(shù)、方向圖、方向圖參數(shù)、方向系數(shù)增益、天線的極化、有效長(zhǎng)度、頻帶寬度增益、天線的極化、有效長(zhǎng)度、頻帶寬度輸入阻抗、輻射阻抗、天線效率、輸入阻抗、輻射阻抗、天線效率、60sinexp( ) 60sin IlEjjk rrIlEr（ 為場(chǎng)點(diǎn)、坐標(biāo)原點(diǎn)連線與天線軸線的夾角）電基本振子的電基本振子的輻射場(chǎng)具有方向性，在相同距離的條件輻射場(chǎng)具有方向性，在相同距離的條件下，不同的方向上，輻射場(chǎng)不同。下，不同的方向上，輻射場(chǎng)不同。事實(shí)上，事實(shí)上，所有的真所有的真實(shí)天線都具有方向性實(shí)天線都具有方向性，為了描述天線的方向性，引

16、入，為了描述天線的方向性，引入以下電參數(shù)：以下電參數(shù)：方向函數(shù)方向函數(shù)/ /方向圖方向圖/ /方向圖參數(shù)方向圖參數(shù)/ /方向系數(shù)方向系數(shù)（1）電基本振子的輻射場(chǎng)）電基本振子的輻射場(chǎng)1、方向函數(shù)、方向函數(shù)（2）按天線的方向性對(duì)天線的分類：）按天線的方向性對(duì)天線的分類：各向同性（各向同性（isotropic antenna）天線（等方向性天）天線（等方向性天線線）：在所有方向上具有相同輻射的假想的無(wú)損耗天線，天線又稱為“理想點(diǎn)源天線理想點(diǎn)源天線”，它通常作為作為參考參考來(lái)表示實(shí)際天線的方向特性表示實(shí)際天線的方向特性。方向性天線（方向性天線（directional antenna） ：具有在某些方向

17、上比其他方向能更有效地輻射或接收電磁波的特點(diǎn)。60EI r理想點(diǎn)源天線：60sin IlEr（3 3）方向函數(shù)：方向函數(shù)：在相同距離的條件下天線輻射場(chǎng)的相對(duì)值與空間方向的關(guān)系天線輻射場(chǎng)為(, )E r ，則定義天線的方向性函數(shù)為|( , , )|( , )60E rfI r 電基本振子的方向性函數(shù)：60sin|( , , )| ( , )sin6060IlE rlrfI rI r ( ,(r r一定的情況下球坐標(biāo)系下：E關(guān)于， )的函數(shù)E關(guān)于 ， )的函數(shù)maxmaxmax|( , , )|( , )|( , , )|60( , )|( , , )| ( , )|( , , )|60E rfE

18、 rI rFE rfE rI r （4 4）歸一化）歸一化方向函數(shù)方向函數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值，最大輻射方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度max|( , , )|E r ( , , )E r 不同(,)方向上電強(qiáng)分布函數(shù)電基本振子的歸一化方向性函數(shù)：電基本振子的歸一化方向性函數(shù)：0maxsin( , )( , )sin ( , )sin90lfFlf 理想點(diǎn)源天線的歸一化方向性函數(shù)理想點(diǎn)源天線的歸一化方向性函數(shù)( , )1F 2、天線方向圖、天線方向圖如果將作為如果將作為空間角度空間角度 和和 函數(shù)的天線方向性函數(shù)以圖函數(shù)的天線方向性函數(shù)以圖形的形式表示出來(lái)，則稱為方向圖或方向性圖形的形式表示出來(lái)，則稱為方向圖或方向

19、性圖。與前。與前面方向性函數(shù)的定義相對(duì)應(yīng)，方向圖的類型有（歸一面方向性函數(shù)的定義相對(duì)應(yīng)，方向圖的類型有（歸一化場(chǎng)強(qiáng)）方向圖及功率方向圖等等。同時(shí)改變化場(chǎng)強(qiáng)）方向圖及功率方向圖等等。同時(shí)改變 和和 可可得到空間得到空間立體方向圖立體方向圖，這樣的圖雖形象、直觀，但既，這樣的圖雖形象、直觀，但既不容易畫出，也不容易定量地了解輻射場(chǎng)空間分布數(shù)不容易畫出，也不容易定量地了解輻射場(chǎng)空間分布數(shù)值。為此，我們往往采用通過(guò)天線值。為此，我們往往采用通過(guò)天線最大輻射方向的兩最大輻射方向的兩個(gè)相互垂直的面上的個(gè)相互垂直的面上的平面方向圖平面方向圖來(lái)表示輻射方向性。來(lái)表示輻射方向性。半波振子半波振子理想點(diǎn)源（無(wú)耗均

20、勻輻射器）理想點(diǎn)源（無(wú)耗均勻輻射器）相互垂直的兩個(gè)面：相互垂直的兩個(gè)面：子午面則是子午面則是 為常數(shù)的面（為常數(shù)的面（包含包含z軸軸的任意平面）的任意平面）赤道面是赤道面是 = =90的的面（即面（即XOY平面平面） （1 1）子午面和赤道面方向圖）子午面和赤道面方向圖子午面方向圖（極坐標(biāo)）子午面方向圖（極坐標(biāo)）h/ 1z2hxy赤道面方向圖（極坐標(biāo)）赤道面方向圖（極坐標(biāo)）子午面方向圖（極坐標(biāo)）子午面方向圖（極坐標(biāo)）h/ 1z2hxy赤道面方向圖（極坐標(biāo)）赤道面方向圖（極坐標(biāo)） 針對(duì)架設(shè)在地面上的天線，常用平行于地面的水平面和與之垂直的垂直面內(nèi)方向圖來(lái)描述天線輻射場(chǎng)分布特性。這時(shí)，需說(shuō)明天線相

21、對(duì)于地面的架設(shè)狀況（如平行于或垂直于地面），才能有效地表示天線的方向性。線天線的線天線的E面：面：包含振子軸線的任意平面包含振子軸線的任意平面線天線的線天線的H面面:垂直于振子軸線的平面垂直于振子軸線的平面（2 2）水平面和垂直面方向圖）水平面和垂直面方向圖E面：面：包含最大輻射方向，電場(chǎng)矢量所在的平面（由電場(chǎng)由電場(chǎng)強(qiáng)度方向和最大輻射方向構(gòu)成的平面強(qiáng)度方向和最大輻射方向構(gòu)成的平面），），H面：面：包含最大輻射方向，磁場(chǎng)矢量所在的平面稱為（由由磁場(chǎng)方向和最大輻射方向構(gòu)成的平面磁場(chǎng)方向和最大輻射方向構(gòu)成的平面）。（3 3）E E面及面及H H面方向圖面方向圖xyH-plane patternE-p

22、lane pattern90Oz（4 4）方向圖的畫法）方向圖的畫法極坐標(biāo)系極坐標(biāo)系 or or 直角坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系形象直觀波束多時(shí)，形象直觀波束多時(shí)，O O方向不易區(qū)分方向不易區(qū)分( )sinF極坐標(biāo)系極坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系可以按任意尺度擴(kuò)展直角坐標(biāo)系可以按任意尺度擴(kuò)展, ,圖形清晰圖形清晰 直角坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系( )sinsinyFx2波束較少時(shí)（線天線）極坐標(biāo)系波束較少時(shí)（線天線）極坐標(biāo)系波束較多時(shí)波束較多時(shí)（口徑天線）直角坐標(biāo)系口徑天線）直角坐標(biāo)系波瓣波瓣（波束）波束）：方向圖的各個(gè)部分，指以相當(dāng)弱的方向?yàn)榻缦迊?lái)劃分方向圖的各個(gè)部分(兩個(gè)極小值點(diǎn)之間 的部分）主瓣：主瓣：包括最強(qiáng)輻射方向

23、的波瓣 副瓣（旁瓣副瓣（旁瓣）：除去主瓣后的所有波瓣，離開主瓣依次為第1，2，3個(gè)副瓣 后瓣：后瓣：與主瓣方向相反的波束柵瓣?yáng)虐辏撼ブ靼晖?，在其它方向上出現(xiàn)的與主瓣幅度相等的波瓣3、主瓣和副瓣、主瓣和副瓣(a)元輻射方向性圖 (b)鉛筆形方向性圖 (c)扇形方向性圖 (d)余割平方方向性圖 下圖以極坐標(biāo)繪出了典型的雷達(dá)天線的方向圖。方向圖的各個(gè)部分，下圖以極坐標(biāo)繪出了典型的雷達(dá)天線的方向圖。方向圖的各個(gè)部分，指以相當(dāng)弱的方向?yàn)榻缦迊?lái)劃分方向圖的各個(gè)部分指以相當(dāng)弱的方向?yàn)榻缦迊?lái)劃分方向圖的各個(gè)部分(兩個(gè)極小值點(diǎn)之間兩個(gè)極小值點(diǎn)之間 的部分）的部分）波瓣（波束）；波瓣（波束）；方向圖中輻射最強(qiáng)的

24、方向稱為方向圖中輻射最強(qiáng)的方向稱為主射方向主射方向，輻射，輻射為零的方向稱為為零的方向稱為零射方向。具有零射方向。具有主射方向的方向葉稱為主射方向的方向葉稱為主瓣主瓣，其余稱為，其余稱為副瓣副瓣，離開主瓣依次為第離開主瓣依次為第1，2，3個(gè)副瓣個(gè)副瓣 。與主瓣方向相反的波束，。與主瓣方向相反的波束，后瓣。后瓣。除去主瓣外，在其它方向上出現(xiàn)的與主瓣幅度相等的波瓣除去主瓣外，在其它方向上出現(xiàn)的與主瓣幅度相等的波瓣，柵瓣，柵瓣一般天線設(shè)計(jì)的要求：一般天線設(shè)計(jì)的要求：天線的應(yīng)用中往往選擇天線的設(shè)計(jì)使其在某一方向上的輻射最強(qiáng)，其它方向輻射較弱，使能量集中在最大輻射方向，而不耗散到其它方向（副瓣）上，造成

25、對(duì)其它系統(tǒng)的干擾，因此，盡量使主瓣變窄，副瓣變?nèi)?，衡量這兩個(gè)方面的天線術(shù)語(yǔ)： 主瓣寬度主瓣寬度 副瓣電平副瓣電平 （1）波瓣寬度：零功率點(diǎn)波瓣寬度，半功率點(diǎn)波瓣寬度零功率點(diǎn)波瓣寬度零功率點(diǎn)波瓣寬度：主瓣最大值兩邊兩個(gè)零輻射方向之間的夾角用20表示，用 20E，20H 表示E 面或 H 面的零功率主瓣寬度半功率點(diǎn)波瓣寬度（3分貝波瓣寬度，3dB波瓣寬度）：波瓣寬度越窄，能量越集中波瓣寬度越窄，能量越集中見(jiàn)圖見(jiàn)圖6-6水平和垂直波瓣在天線的水平面（垂直面）方向圖上，相對(duì)于主瓣最大點(diǎn)功率增益下在天線的水平面（垂直面）方向圖上，相對(duì)于主瓣最大點(diǎn)功率增益下降降3dB的兩點(diǎn)之間所張的角度，定義為天線的水平

26、（垂直）波瓣寬度的兩點(diǎn)之間所張的角度，定義為天線的水平（垂直）波瓣寬度（3dB寬度，可以有其它的定義方式）。寬度，可以有其它的定義方式）。天線輻射的大部分能量都集中在波瓣寬度內(nèi)，波瓣寬度的大小反映了天線輻射的大部分能量都集中在波瓣寬度內(nèi)，波瓣寬度的大小反映了天線的輻射集中程度。天線的輻射集中程度。全向天線的水平波瓣寬度為全向天線的水平波瓣寬度為360 ，定向天線的水平波瓣寬度有，定向天線的水平波瓣寬度有20 、30 、65 、90 、105 、120 、180 等，等，常用常用65 、90 ；天線的垂直波瓣寬度一般在天線的垂直波瓣寬度一般在380 之間，基站采用較多的是之間，基站采用較多的是5

27、 18 的的天線。天線。天線的增益和水平及垂直波瓣寬度密切相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，天線的波瓣天線的增益和水平及垂直波瓣寬度密切相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，天線的波瓣寬度越小，其增益越大，在確定這三個(gè)參數(shù)時(shí)，需一起考慮。寬度越小，其增益越大，在確定這三個(gè)參數(shù)時(shí)，需一起考慮。水平和垂直波瓣寬度的選取原則對(duì)不同傳播環(huán)境、不同地形地貌，天線的水平波瓣寬度、垂對(duì)不同傳播環(huán)境、不同地形地貌，天線的水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度一般可遵循下面的原則選?。褐辈ò陮挾纫话憧勺裱旅娴脑瓌t選取：水平波瓣寬度水平波瓣寬度對(duì)基站數(shù)目較多、覆蓋半徑較小、話務(wù)分布較大的區(qū)域，水平波對(duì)基站數(shù)目較多、覆蓋半徑較小、話務(wù)分布較大的區(qū)域，水平波瓣寬度應(yīng)

28、選得小一點(diǎn)。瓣寬度應(yīng)選得小一點(diǎn)。對(duì)覆蓋半徑較大，話務(wù)分布較少的區(qū)域，水平波瓣寬度應(yīng)選得大對(duì)覆蓋半徑較大，話務(wù)分布較少的區(qū)域，水平波瓣寬度應(yīng)選得大一些。一些。垂直波瓣寬度垂直波瓣寬度對(duì)地形平坦，建筑物稀疏，平均高度較低的區(qū)域，垂直波瓣寬度對(duì)地形平坦，建筑物稀疏，平均高度較低的區(qū)域，垂直波瓣寬度可選得小一點(diǎn)?？蛇x得小一點(diǎn)。對(duì)地形復(fù)雜、落差大的區(qū)域，垂直波瓣寬度可選得大一些。對(duì)地形復(fù)雜、落差大的區(qū)域，垂直波瓣寬度可選得大一些。（2）旁瓣電平（）旁瓣電平（Side Lobe Lever SLL）：）：指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平，以分貝表示 （3）前后比）前后比:后瓣平均功率密度最大值與主瓣平

29、均功率密度最大值之比，以分貝表示 ,max180max180,maxmax10lg20lgavavSEFBSEv上述方向圖參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映各個(gè)方向的輻射相對(duì)強(qiáng)弱程度。如：方向圖，可以看出哪個(gè)方向大，哪個(gè)方向?。坏荒芏康慕o出某一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)到底是多少，因而不能單獨(dú)體現(xiàn)天線的定向輻別能力。為了更精確地比較個(gè)同天線之間的方向性，需要引入一個(gè)能定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)，這就是方向系方向系數(shù)數(shù)v雷達(dá),通信等大部分天線設(shè)備,都是利用主向(或主平面)(最大輻射方向)的輻射來(lái)完成任務(wù)的。偏離主向的輻射功率不僅被無(wú)謂浪費(fèi),而且還會(huì)干擾電波信號(hào)。因此,盡可能減少非

30、主減少非主向的輻射和增加主向輻射向的輻射和增加主向輻射。常采用方向性系數(shù)這個(gè)參量來(lái)說(shuō)明天線在主向輻射功率的集中程度4、 天線方向性系數(shù)（天線方向性系數(shù)（Directivity）00002maxmax200(P =P,r=r ) (P =P,r=r ) |SEDSE（1）方向性系數(shù)）方向性系數(shù)D的表達(dá)式的表達(dá)式在離開天線同一距離在離開天線同一距離r0時(shí)，天線在最大輻射方向上的功率密度時(shí)，天線在最大輻射方向上的功率密度Smax和總輻射功率相和總輻射功率相同的全向天線的功率流密度同的全向天線的功率流密度S0的比值的比值方向系數(shù)方向系數(shù):定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)定量地表示天線定向輻射能力的電

31、參數(shù),說(shuō)明天線在主說(shuō)明天線在主 向輻射功率的向輻射功率的集中程度集中程度 22004,sinDFd d (2)分貝來(lái)表示分貝來(lái)表示:方向性系數(shù)還可用分貝來(lái)表示，且有 10lg()10lg2.15DDD dBdD（dBi）2200,sinavavSPSdsSrd d 00002maxmax200(P =P ,r=r ) (P =P ,r=r ) |SEDSE020022001,sin444rravPPPPSSd drr ,max200200,max1,sin44,sinavavavavSDSd dSd dS 222maxmax,avavESFSE ，22004,sinDFd d 主瓣越窄，方向系

32、數(shù)越大。無(wú)方向性天線的方向系數(shù)為1。 例：確定沿例：確定沿z軸放置的電基本振子的方向系數(shù)軸放置的電基本振子的方向系數(shù)220022004,sin41.5(sin ) sinDFd dd d ,sinF 10lg1.51.76()10lg1.52.150.39DdBiD dBddBd （dBi）問(wèn)：沿問(wèn)：沿z軸放置的半波偶極子（半波振子）的方向系數(shù)軸放置的半波偶極子（半波振子）的方向系數(shù)1.64D （4）方向性系數(shù)）方向性系數(shù) D的與輻射電阻的關(guān)系：的與輻射電阻的關(guān)系： maxmax222222max2|( , , )|( , )( , )( , )60( , )|( , , )|( , ) 60

33、( , ) ( , )6022121 Re 222160 ( , ) ( , )sin2*120rSSSE rffFI rfE rfI rFfI rEPREHdse ndsIIIIRFfrIr ；2max22max220030( , ) ( , )sin 30( , )( ,sin 4, sin SSd dRFfd dfRFd dDFdd 2max120 fDR（，）例：確定電基本振子的輻射電阻例：確定電基本振子的輻射電阻2max120 fDRmaxmax( , )sinllf 2222max120120()80()1.5fllRD5 天線的效率（天線的效率（Efficiency）天線效率天線

34、效率 A A：天線輻射有功功率：天線輻射有功功率Pr 與天線輸入的與天線輸入的有功功率有功功率Pin之比，表示天線能量轉(zhuǎn)化的量度，即之比，表示天線能量轉(zhuǎn)化的量度，即AinPPAininlPRRPRRR發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)inPlPrPPRlRlPinRinP21;2inrlinrlPPP RRR PI R提高天線效率：減少損耗電阻，提高輻射電阻提高天線效率：減少損耗電阻，提高輻射電阻 輸入功率輸入功率相同時(shí)，某天線在某一方向上的遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生相同時(shí)，某天線在某一方向上的遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的功率流密度的功率流密度S1與理想點(diǎn)源（無(wú)方向性）天線在同與理想點(diǎn)源（無(wú)方向性）天線在同一方向同一距離處產(chǎn)生的功率流密度一方向同一距

35、離處產(chǎn)生的功率流密度S0的比值，稱的比值，稱為該天線在該方向上的增益系數(shù)，簡(jiǎn)稱增益，常用為該天線在該方向上的增益系數(shù)，簡(jiǎn)稱增益，常用G表示。表示。0max0ininAPPSGDS6、天線的增益系數(shù)（增益、天線的增益系數(shù)（增益Gain）天線增益在不加特別說(shuō)明時(shí)，指天線在最大輻射方天線增益在不加特別說(shuō)明時(shí)，指天線在最大輻射方向上的增益系數(shù)向上的增益系數(shù)Gmax00max0(P =P,r=r ) SDSAinPP將方向系數(shù)公式（將方向系數(shù)公式（6 -3 -4）和效率公式（）和效率公式（6 -3 -9）代入上式得）代入上式得22max60inrEGp由上式可得一個(gè)實(shí)際天線在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為由上式

36、可得一個(gè)實(shí)際天線在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為max6060inAinGPDPErr理想點(diǎn)源，理想點(diǎn)源， ，最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為，最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為11,1ADGmax60inPEr可見(jiàn)，天線的增益系數(shù)為天線與理想點(diǎn)源天線相比在最大輻射可見(jiàn)，天線的增益系數(shù)為天線與理想點(diǎn)源天線相比在最大輻射方向上將輸入功率放大的倍數(shù)方向上將輸入功率放大的倍數(shù)增益舉例增益舉例如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為的輸入功率，而用增益為 G = 13 dBi= 20的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率只需的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率

37、只需 100 / 20 = 5W . 換換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)，與無(wú)方向性的理想言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)，與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。半波對(duì)稱振子的增益為半波對(duì)稱振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個(gè)半波對(duì)稱振子個(gè)半波對(duì)稱振子 沿垂線上下排列，構(gòu)成一沿垂線上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣，其增益約為個(gè)垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源輻射的理想點(diǎn)源) 。如果以半波對(duì)稱振子作比較對(duì)象，

38、則增益的單位是如果以半波對(duì)稱振子作比較對(duì)象，則增益的單位是dBd 。半波對(duì)稱振子的增益為半波對(duì)稱振子的增益為G = 0 dBd （因?yàn)槭亲约焊约罕龋戎禐椋ㄒ驗(yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對(duì)數(shù)得，取對(duì)數(shù)得零值。）零值。）垂直四元陣，其增益約為垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 2.15 = 6 dBd。 0dBd = 2.15dBi2.15dB增益實(shí)例BaseStationTransmitter(20 watts)Convert to dBm10Log(20) + 30 = +43 dBmjumperHeliaxCablejumper-0.5dB-0.5dB-3dBAntenna Gai

39、n= + 18 dBiAnt InputPower = + 39dBmEiRP = +39 + 18 = +57 dBmv EIRPv（有效輻射功率）（有效輻射功率） 實(shí)例實(shí)例目前基站天線的增益范圍從目前基站天線的增益范圍從0dBi 到到20dBi 以上均有應(yīng)用。以上均有應(yīng)用。室外基站采用全向天線時(shí)增益多為室外基站采用全向天線時(shí)增益多為9-12dBi，采用定向，采用定向天線時(shí)增益多為天線時(shí)增益多為15-20dBi。水平波束相對(duì)較窄的天線多用于地廣人稀的道路的覆蓋，水平波束相對(duì)較窄的天線多用于地廣人稀的道路的覆蓋，增益一般為增益一般為20dBi。室內(nèi)覆蓋的天線室內(nèi)覆蓋的天線,增益一般為增益一般為

40、0-8 dBi。天線的極化是天線在最大輻射方向上輻射場(chǎng)的極化，一般是指輻射電場(chǎng)電場(chǎng)的空間取向。輻射場(chǎng)的極化是指在空間某一固定位置上電場(chǎng)矢量端點(diǎn)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的軌跡。根據(jù)軌跡形狀不同，可分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化：電場(chǎng)矢量沿著一條線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。線極化分為水平極化和垂直極化。圓極化：電場(chǎng)矢量的大小不變，其末端做圓周運(yùn)動(dòng)。分為左旋圓極化和右旋圓極化。橢圓極化：電場(chǎng)矢量大小隨時(shí)間變化，其末端運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓。分為左旋橢圓極化和右旋橢圓極化。 7、天線極化、天線極化（1）同頻率，極化方向垂直的兩列平面波的疊加，總場(chǎng)極化方向）同頻率，極化方向垂直的兩列平面波的疊加，總場(chǎng)極化方向 取決于振幅，和相位差

41、取決于振幅，和相位差 1020(1)0,:2 and 23others:EE相位差線極化波（ ） 相位差振幅相等：圓極化波（ ）相位差橢圓極化波（2）橢圓極化或圓極化判斷左旋或右旋）橢圓極化或圓極化判斷左旋或右旋波總是向相位滯后方向傳播，拇指指向波傳播的方向，四指由相位超前的波，向相位滯后的波方向旋轉(zhuǎn)。符合右手規(guī)則，為右旋波；否則，左旋波。左旋極化波左旋極化波右旋極化波右旋極化波xE2xyyE滯后滯后xE2xyyE超前超前天線的極化方式天線的極化方式(Polarization)-單極化單極化極化匹配問(wèn)題：某種極化方式的天線，只能接收與其極化方式相同的電磁波，稱謂極化匹配。如水平線極化天線只能接

42、收水平極化的電磁波，右旋極化的天線只能接收右旋極化電磁波。極化失配意味著功率損失，例如用線極化天線接收左旋或右旋圓極化波，用右旋或左旋圓極化天線接收線極化波，均有3dB的功率損耗。主極化與交叉極化：在垂直于矢徑的平面（等相位面）上，可以將電場(chǎng)矢量分解為兩個(gè)相互正交的極化分量，與設(shè)計(jì)初衷一致的稱為主極化分量，相反的稱為交叉極化分量。主極化分量與交叉極化分量的比值，稱為極化隔離度，通常用dB表示。一個(gè)線極化波可以分解成水平極化分量和垂直極化分量；橢圓極化波可以分解成兩個(gè)幅度不等、旋向相反的圓極化分量。極化隔離度充分大的前提下，同一頻率可正交復(fù)用，即利用兩個(gè)相互正交的極化，以實(shí)現(xiàn)收發(fā)之間的同頻隔離。

43、8、有效長(zhǎng)度（、有效長(zhǎng)度（effective length）（線天線）（線天線）實(shí)際考察天線實(shí)際考察天線：電流分布不均勻不均勻假想天線假想天線：其上的電流分布為均勻分布均勻分布 2ll作比較作比較：當(dāng)觀察點(diǎn)離開天線的距離不變時(shí)，此假想天線在最大輻射方向上所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)等于等于實(shí)際天線在最大輻射方向上的輻射場(chǎng)強(qiáng)。（同距離，最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)值不變的情況下）（同距離，最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)值不變的情況下）歸算電流歸算電流：饋電點(diǎn)處的電流值（輸入電流輸入電流Iin），或者電流最大值電流最大值Imax在保持在保持實(shí)際天線實(shí)際天線最大輻射方向最大輻射方向上的上的場(chǎng)強(qiáng)值不變場(chǎng)強(qiáng)值不變的條件下，假設(shè)的條件

44、下，假設(shè)天線上的電流分布為天線上的電流分布為均勻分布均勻分布時(shí)時(shí)天線的天線的等效長(zhǎng)度。等效長(zhǎng)度。max0060( ) hhI zEdEdzr真實(shí)天線：einmax006060h einhhinineinIIEdEdzrr假想天線：比較條件：比較條件：最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)值不變0( ) =2hineineineinI hI z dzlh設(shè)：實(shí)際天線的長(zhǎng)度為h，天線上的電流分布為I（z），歸算電流為 Iin，有效長(zhǎng)度hein60sinexp( ) IlEjjk rrmax06060( ) hineinI hI zEdzrr場(chǎng)疊加原理場(chǎng)疊加原理 max60( , , )( , )|( , )( ,

45、) in einI lE rEFFr 實(shí)際電流于等效均勻電流所包圍的面積相等引入等效長(zhǎng)度，線天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)可表示為：maxmaxmaxmaxmax2max|( , , )|( , , )|( , , )( , )( , )60606060( , )| 60) ( , )|602 in einin eineineineininkE rE rE rffI rI rI rI lErI lllklrfIr ；2max0120fDR222 2max000120120302eineinklfk lDRRR電場(chǎng)強(qiáng)度、方向性系數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度、方向性系數(shù)D與有效長(zhǎng)度的關(guān)系與有效長(zhǎng)度的關(guān)系9 、匹配匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參

46、數(shù)來(lái)衡量即反射系數(shù)，行波系匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來(lái)衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，數(shù)，駐波比和回波損耗，四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用那一個(gè)純出于習(xí)慣。在我們?nèi)粘＞S護(hù)中，用的較多的使用那一個(gè)純出于習(xí)慣。在我們?nèi)粘＞S護(hù)中，用的較多的是駐波比和回波損耗。一般移動(dòng)通信天線的輸入阻抗是駐波比和回波損耗。一般移動(dòng)通信天線的輸入阻抗5050。天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗

47、，這時(shí)饋線終端沒(méi)有功率反射，饋線且等于饋線的特性阻抗，這時(shí)饋線終端沒(méi)有功率反射，饋線上沒(méi)有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線上沒(méi)有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。量盡可能地接近饋線的特性阻抗。電壓駐波比電壓駐波比VSWR:微波傳輸線的阻抗必須與天線的輸入阻抗匹配微波傳輸線的阻抗必須與天線的輸入阻抗匹配否則就會(huì)有反射波產(chǎn)生，流向信號(hào)源否則就會(huì)有反射波產(chǎn)生，流向信號(hào)源由反射波和入射波合成而產(chǎn)生的稱為駐波由反射波和入射波合成而產(chǎn)生的稱為駐波

48、駐波信號(hào)振幅的最大值與最小值之比稱為電壓駐波比駐波信號(hào)振幅的最大值與最小值之比稱為電壓駐波比VSWR 它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無(wú)窮大之間。駐波比為到無(wú)窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比，表示完全匹配；駐波比為無(wú)窮大表示全反射，完全失配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于為無(wú)窮大表示全反射，完全失配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但，但實(shí)際應(yīng)用中實(shí)際應(yīng)用中VSWR應(yīng)小于應(yīng)小于1.3。過(guò)大的駐波比會(huì)減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加。過(guò)大的駐波比會(huì)減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站的服務(wù)性能。大，影響基站的服務(wù)性能。反射系數(shù)：反射系數(shù)

49、：電磁波遇到障礙物就會(huì)產(chǎn)生反射。電磁波遇到障礙物就會(huì)產(chǎn)生反射。如果終端所接負(fù)載阻抗與傳輸線特性阻抗不相等，在線路終端，不僅有入如果終端所接負(fù)載阻抗與傳輸線特性阻抗不相等，在線路終端，不僅有入射波，還會(huì)有反射波。射波，還會(huì)有反射波。 從傳輸功率的觀點(diǎn)來(lái)看，因阻抗不匹配使信號(hào)源送到負(fù)載的功率返回去從傳輸功率的觀點(diǎn)來(lái)看，因阻抗不匹配使信號(hào)源送到負(fù)載的功率返回去一些，稱之為部分反射，一些，稱之為部分反射，9.5 W80 ohms50 ohmsForwarda: 10WBackward: 0.5W回波損耗回波損耗( (Return Loss)Return Loss)回波損耗：回波損耗： 它是反射系數(shù)絕對(duì)

50、值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在它是反射系數(shù)絕對(duì)值的倒數(shù)，以分貝值表示。回波損耗的值在0dB 到到無(wú)窮大之間，回波損耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。無(wú)窮大之間，回波損耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無(wú)窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求回波表示全反射，無(wú)窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于損耗大于14dB。回波損耗回波損耗Return Loss： 10log(10/0.5) = 13dB駐波比駐波比VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)10 10 頻帶寬度：頻帶寬度：天線的所有電參數(shù)都和頻

51、率有關(guān)。任何天線的工作頻率都有一天線的所有電參數(shù)都和頻率有關(guān)。任何天線的工作頻率都有一定的范圍，定的范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，天線的某個(gè)或這某些特性指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)工作頻率偏離中心工作頻率f0時(shí)，天線的電參數(shù)將變差，其變差的容許程度取決于天線設(shè)備系統(tǒng)的工作特性要求。 (Bandwidth)(Bandwidth)頻帶寬度：頻帶寬度：中心頻率兩側(cè)天線的特性下降到還能接中心頻率兩側(cè)天線的特性下降到還能接受的最低限度時(shí)，兩頻率的差值受的最低限度時(shí)，兩頻率的差值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為頻，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為頻帶寬度。帶寬度。根據(jù)天線設(shè)備系統(tǒng)的工作場(chǎng)合不同影響天線頻帶寬度的主要電參數(shù)也不同，所以天線的頻帶寬

52、度不唯一。對(duì)應(yīng)于不同的特性指標(biāo)，有不同的頻帶寬度。工作帶寬工作帶寬（ BANDWIDTH ）= 896 - 824 = 72MHzOptimum 1/2 wavelengthfor dipole at 860MHzat 896MHzAntenna Dipoleat 824MHz示例：示例：CDMA 800MHz 系統(tǒng)天線的系統(tǒng)天線的工作帶寬工作帶寬n CDMA常用的頻段有常用的頻段有450M800M1900M CDMA 450 : 450-468MHzCDMA 800 : 824-896MHzCDMA 1900 : 1850-1990MHz小結(jié) 本節(jié)討論了天線的一些指標(biāo)，即描述天線性能的有關(guān)參

53、數(shù)。發(fā)射天線的指標(biāo)可分為這樣幾類： 1 描述天線輻射電磁波能力的有：輻射功率，輻射電阻，輸入阻抗及天線效率等。 2 描述天線輻射電磁波場(chǎng)分布不均勻性的有：方向性函數(shù)，方向性圖等。3 描述天線輻射電磁波在最大輻射方向上的集中程度的有：方向性系數(shù)，主瓣寬度和副瓣電平，增益，有效長(zhǎng)度等。 此外，還有其它一些如頻帶，極化等。 同一天線用作接收天線時(shí)其指標(biāo)與其用作發(fā)射天線時(shí)的指標(biāo)之間具有互易性，即兩種情況下的對(duì)應(yīng)指標(biāo)完全相等。這一性質(zhì)稱為收發(fā)天線的互易性，可用互易定理直接導(dǎo)出（互易性只存在于無(wú)源天線的情形）。但是接收天線的一些特殊的指標(biāo)，如天線的吸收面積，天線的噪聲溫度等。6.4 接收天線理論接收天線理

54、論天線的接收原理：天線導(dǎo)體在外天線的接收原理：天線導(dǎo)體在外電場(chǎng)的作用下激勵(lì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)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)生電流。勢(shì)并在天線回路中產(chǎn)生電流。 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)可視為均勻平面波遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)可視為均勻平面波天線的收發(fā)互易性，同一天線既可以做為發(fā)射天線，也天線的收發(fā)互易性，同一天線既可以做為發(fā)射天線，也可以作為接收天線，同一天線用于接收時(shí)的指標(biāo)與用于可以作為接收天線，同一天線用于接收時(shí)的指標(biāo)與用于發(fā)射時(shí)的指標(biāo)相比完全相同，這種性質(zhì)叫天線的收發(fā)互發(fā)射時(shí)的指標(biāo)相比完全相同，這種性質(zhì)叫天線的收發(fā)互易性。易性。 接受天線多了有效接受面積，等效噪聲溫度等的指標(biāo)接受天線多了有效接受面積，等效噪聲溫度等

55、的指標(biāo) 只有沿天線表面的電場(chǎng)切線分量才能激勵(lì)起天線的表面電流天線接收的物理過(guò)程天線接收的物理過(guò)程接收天線工作的物理過(guò)程是，接收天線導(dǎo)體在空間電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生接收天線工作的物理過(guò)程是，接收天線導(dǎo)體在空間電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)勢(shì)，并在導(dǎo)體表面激勵(lì)起感應(yīng)電流，在天線的輸入端產(chǎn)生，并在導(dǎo)體表面激勵(lì)起感應(yīng)電流，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓電壓，在接收機(jī)回路，在接收機(jī)回路中產(chǎn)生中產(chǎn)生電流電流。所以接收天線是一個(gè)把。所以接收天線是一個(gè)把空間電磁波能量空間電磁波能量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成高頻電流能量高頻電流能量的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換裝置，其工作過(guò)程就是發(fā)射天線的換裝置，其工作過(guò)程就是發(fā)射天線的逆過(guò)程，逆過(guò)程，如圖所示，接收大

56、線總是位于發(fā)如圖所示，接收大線總是位于發(fā)射天線的射天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)中因此可以認(rèn)為到達(dá)接收天線處的無(wú)線電波是中因此可以認(rèn)為到達(dá)接收天線處的無(wú)線電波是均勻平面均勻平面波波，設(shè)來(lái)波方向與天線軸，設(shè)來(lái)波方向與天線軸z z之間的夾角為之間的夾角為，求接收天線上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：，求接收天線上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： E dl（天線導(dǎo)體）發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)可看成發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)可看成TEMTEM平面波平面波，則電場(chǎng)是垂直于波的傳播方向的平則電場(chǎng)是垂直于波的傳播方向的平面內(nèi)的任意矢量，建立如圖所示的面內(nèi)的任意矢量，建立如圖所示的的的坐標(biāo)系坐標(biāo)系：電波射線與天線軸構(gòu)成：電波射線與天線軸構(gòu)成入射平面入射平面，入射電場(chǎng)

57、可分為兩個(gè)分，入射電場(chǎng)可分為兩個(gè)分量：一個(gè)是與入射面相垂直的分量量：一個(gè)是與入射面相垂直的分量E Ev v，；一個(gè)是與，；一個(gè)是與入射面平行的分量入射面平行的分量E Eh h，。，。 注意:接受天線首先要考慮與發(fā)射天線的極化匹配問(wèn)題，對(duì)于線天線，當(dāng)兩者的極化存在失配角 時(shí) ，分解到入射平面的分量正交時(shí)為零0290cosiEEcos sinziEE切線分量激發(fā)電流的分量在這個(gè)切向分量的作用下在這個(gè)切向分量的作用下, 天線元段天線元段dz上將產(chǎn)上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)zdE dz 設(shè)在入射場(chǎng)的作用下, 接收天線上的電流分布為I(z), 并假設(shè)電流初相為零, 則接收天線從入射場(chǎng)中吸收的功率由上

58、述分析得整個(gè)天線吸收的功率為dzezIEezIPlljkzZlljkzcoscos)()(根據(jù)電磁場(chǎng)的邊值理論, 天線在接收狀態(tài)下的電流分布應(yīng)和發(fā)射時(shí)相同。 因此假設(shè)接收天線的電流分布為 I(z)=Im sink(l-|z|)cos2sin ()ljkzmlpE Ik lz edz2022sinsin ()cos(cos )sin( )cos( )lminmeinieinE Ipk lzkzdzIIklE h FEh F 2. 有效接收面積有效接收面積(從能流密度矢量的角度，接受的最大功從能流密度矢量的角度，接受的最大功率可以換算為有效接受面積）率可以換算為有效接受面積） 有效接收面積是衡量一

59、個(gè)天線接收無(wú)線電波能力的重要指標(biāo)。它的定義為: 當(dāng)天線以最大接收方向?qū)?zhǔn)來(lái)波方向進(jìn)行接收時(shí), 接收天線傳送到匹配負(fù)載的平均功率為PLmax, 并假定此功率是由一塊與來(lái)波方向相垂直的面積所截獲, 則這個(gè)面積就稱為接收天線的有效接收面積, 記為Ae, 即有avLespAmax 式中, Sav為入射到天線上電磁波的時(shí)間平均功率流密度，其值為221iavEs（6 - 4 - 9）（6 - 4 - 10）方向上匹配時(shí) 根據(jù)圖 6-12 接收天線的等效電路, 傳送到匹配負(fù)載的平均功率（考慮天線本身的損耗）為（最大方向?qū)?zhǔn)，極化匹配，（最大方向?qū)?zhǔn)，極化匹配，阻抗匹配阻抗匹配）222maxAA00(cos(

60、 )()=88 8 ieinieinLinEh FE hpRRR2222max0030/8240LieinieineAAavpE hEhAsRR（） （） 2222222200030120 120eeeklllDDRRR 2222max2 3030 120 4 4elAeAAavrlPDDGASR 1.3.3等效噪聲溫度等效噪聲溫度天線除了能夠接收天線除了能夠接收無(wú)線電波無(wú)線電波之外，還能夠接收來(lái)自空間各種物體的之外，還能夠接收來(lái)自空間各種物體的噪聲信號(hào)噪聲信號(hào)。外部噪聲通過(guò)天線進(jìn)人接收機(jī)，因此，又稱外部噪聲通過(guò)天線進(jìn)人接收機(jī)，因此，又稱天線噪聲天線噪聲。天線接收的噪聲功率的天線接收的噪聲功率