天線基礎(chǔ)知識(shí)詳解

第二章天線基礎(chǔ)知識(shí)現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一第一節(jié)：天線電參數(shù)

問題的提出：不同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。實(shí)際工程中，如果用不同的輻射場(chǎng)來(lái)比較不同天線在某一方面的特性孰優(yōu)孰劣的話，既不直觀又不方便，因而往往要采用將介紹的一些天線指標(biāo)來(lái)說(shuō)明。

天線指標(biāo)（天線電參數(shù)）：是指描述天線某一方面特性的參數(shù)，是衡量天線性能的尺度?，F(xiàn)在是2頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一第一節(jié)天線電參數(shù)1、方向函數(shù)、方向圖、方向圖參數(shù)、方向系數(shù)2、波束范圍或波束立體角、波束效率3、輻射強(qiáng)度、輻射功率4、輸入阻抗與輻射電阻5、方向性系數(shù)D(定向性D)、增益G6、方向性系數(shù)D(定向性D)、分辨率7、天線的有效長(zhǎng)度、有效面積8、天線的極化9、頻帶寬度現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一方向性

天線的方向性是指在遠(yuǎn)區(qū)相同距離的條件下，天線的輻射特性與空間方向的關(guān)系。所有天線都具有方向性，為了描述天線的方向性，引入以下電參數(shù)：

方向函數(shù)（場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)功率方向函數(shù)）方向圖方向圖參數(shù)現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一方向函數(shù)

(1)場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)：以天線為中心，遠(yuǎn)區(qū)某一恒定半徑的球面上輻射場(chǎng)強(qiáng)大小的分布情況。

天線在遠(yuǎn)區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)可以表示為：其中方向函數(shù)定義為現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一

(2)歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)

定義：為了便于比較不同天線的方向圖。其中，為天線在任意方向上的輻射場(chǎng)，為天線在最大輻射方向上的輻射場(chǎng)，為方向函數(shù)的最大值。現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一

(3)歸一化功率方向函數(shù)：以天線為中心，遠(yuǎn)區(qū)某一恒定半徑的球面上輻射場(chǎng)平均功率密度的相對(duì)分布情況。

其與場(chǎng)強(qiáng)方向圖的關(guān)系可以表示為：現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一

(1)方向性天線：具有在某些方向比其它方向能更有效地接收或輻射電磁波的特點(diǎn)。所有的真實(shí)天線均為方向性天線。(2)各向同性天線（等方向性天線）：在所有方向上具有相同輻射的假想的無(wú)損耗天線，又稱為理想點(diǎn)源。通常被作為參考，進(jìn)而來(lái)表示實(shí)際天線的方向特性。根據(jù)方向性對(duì)天線進(jìn)行分類現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一方向圖

將天線的方向函數(shù)以圖形的形式表示出來(lái)，即為天線的方向圖。方向圖對(duì)天線方向特性的描述更為直觀。方向圖的類型有歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向圖和歸一化功率方向圖。方向圖通常是空間三維立體形狀?，F(xiàn)在是9頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一

在繪制方向圖時(shí)一般只繪制兩個(gè)相互垂直的典型平面（通過(guò)天線最大輻射方向）的方向圖，這兩個(gè)相互垂直的典型平面即為主平面。

主平面的選?。?/p>

（1）赤道面與子午面

（2）水平面與子午面（3）E面與H面方向圖主平面的選取現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一

一般來(lái)說(shuō)，波瓣圖的表示需要用到兩個(gè)互相垂直的剖面，稱為主平面波瓣圖（xoz和xoy),但繞軸對(duì)稱的波瓣圖只要一個(gè)剖面圖就夠了現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一方向圖的具體畫法

（1）極坐標(biāo)系

比較直觀，波束較少時(shí)采用，如線天線

（2）直角坐標(biāo)系

坐標(biāo)可以任意擴(kuò)展，比較清晰，波束較多時(shí)采用，如口徑天線現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一方向圖參數(shù)波瓣寬度：零功率點(diǎn)波瓣寬度半功率點(diǎn)波瓣寬度副瓣電平(SideLobeLeverSLL)前后比現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一例1：某天線具有場(chǎng)波瓣圖求半功率波束寬度（HPBW)和零功率點(diǎn)波瓣寬度（FNBW)。例2：某天線具有場(chǎng)波瓣圖，求其半功率點(diǎn)波瓣寬度和零功率點(diǎn)波瓣寬度。現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一式中：=立體角，表示為立體弧度（sr)或平方度（口）=所張的立體角波束范圍或波束立體角立體角現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一天線的波束范圍或波束立體角

天線的波束范圍（或波束立體角）為天線的輻射功率等效地按輻射強(qiáng)度的最大值均勻地流出時(shí)的立體角?，F(xiàn)在是21頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一波束范圍是指天線的所有輻射功率等效地按的最大值均勻流出時(shí)的立體角，因此輻射功率為瓦，而波束范圍以外的輻射視為零。

天線的波束范圍通常可近似地表示成兩個(gè)主平面內(nèi)主瓣半功率波束寬度和之積，即現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一波束范圍的計(jì)算例1.設(shè)部分球面所張的立體角介于和之間，求其平方度例2.具有場(chǎng)強(qiáng)波瓣圖的天線的波束范圍現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一波束效率總的波束范圍由主瓣范圍加上副瓣范圍所構(gòu)成，即主波束范圍與總波束范圍之比稱為波束效率，即

副瓣范圍與總波束范圍之比稱為雜散因子，即

現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一輻射強(qiáng)度定義：每單位立體角內(nèi)天線輻射的功率。單位：Wsr-1(Wdeg-1)天線的輻射強(qiáng)度與距離無(wú)關(guān)，其反映了天線在空間能量的分布情況?，F(xiàn)在是25頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一坡印廷矢量（Poyntingvector）：是電磁場(chǎng)中的能流密度矢量?？臻g某處的電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，該處電磁場(chǎng)的能流密度為S=E×H，方向由E和H按右手螺旋定則確定，大小為S=EHsinθ，θ為E和H的夾角，表示單位時(shí)間通過(guò)垂直單位面積的能量，單位為瓦/米2

。天線中坡印廷矢量等于坡印廷矢量現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一Prf的物理意義：若做一包圍天線的封閉面，通過(guò)此閉合面的電磁波功率的總和。封閉面在近區(qū)，則坡印廷矢量為復(fù)數(shù)，既有輻射的有功功率，又有震蕩的無(wú)功功率。封閉面在遠(yuǎn)區(qū)，坡印廷矢量為實(shí)數(shù)，只有輻射的有功功率，震蕩的無(wú)功功率為零。天線的輻射功率：現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一輻射強(qiáng)度與輻射功率密度和場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系：現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一輻射阻抗定義：假設(shè)天線的輻射功率被一等效阻抗所“吸收”，該阻抗上所流過(guò)的電流為天線上某處的電流，則此等效阻抗為天線的輻射阻抗。輻射電阻的大小反映了天線輻射能力的大小，若天線的輻射電阻越大則其輻射能力越大。現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一輸入阻抗定義：天線輸入端所呈現(xiàn)的阻抗。引入損耗功率Pd和損耗電阻Rd現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一天線效率:定義：天線的輻射功率與天線的輸入功率之比，即天線的效率表示天線在能量轉(zhuǎn)換上的效能?，F(xiàn)在是31頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一方向性系數(shù)D(定向性D)：?jiǎn)栴}的提出：由于方向圖只能表示同一種類天線在各不同方向上輻射能量的大小，不便于比較不同種類天線在空間輻射能量的集中程度。為了定量地比較不同天線的方向性，提出了方向性系數(shù)的概念?，F(xiàn)在是32頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一方向性系數(shù)D的定義1：天線在最大輻射方向上的方向性系數(shù)是指在相同輻射功率，相同距離的情況下，天線在該方向上的輻射功率密度Smax（或場(chǎng)強(qiáng)Emax的平方,或輻射強(qiáng)度Umax)與無(wú)方向性天線在該方向上的輻射功率密度S0（或場(chǎng)強(qiáng)E0的平方,或輻射強(qiáng)度U0）之比值。設(shè)該天線和無(wú)方向性天線輻射功率分別為和，且，則該天線方向性系數(shù)為：現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一方向性系數(shù)D的定義2：遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)最大輻射方向上同一點(diǎn)輻射功率或場(chǎng)強(qiáng)相同時(shí)，無(wú)方向性天線與研究天線的輻射功率之比。方向性系數(shù)的含義：1）D越大，方向性越強(qiáng)，輻射越集中；2）若要求在遠(yuǎn)區(qū)最大輻射方向同一點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)相同，則D越大，需要的輻射功率越小。現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一方向性系數(shù)D的計(jì)算：現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一由推導(dǎo)可以看出，波束范圍越小，則定向性越高。若一個(gè)天線僅對(duì)上半空間輻射，其波束范圍，則其定向性為近似定向性：克勞斯近似式方向性系數(shù)D的計(jì)算：精確定向性：現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一對(duì)于任意指定方向的方向性系數(shù)為：現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一場(chǎng)強(qiáng)E與方向性系數(shù)D之間的關(guān)系：坡印亭矢量S的定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)與電磁波傳播方向相垂直單位面積上的電磁能量（功率流密度），S的方向代表波的傳播方向。無(wú)方向性天線的功率密度為：根據(jù)方向性系數(shù)的定義：結(jié)合以上兩式得:現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一方向性系數(shù)D的物理意義：1.當(dāng)輻射功率相同時(shí)，方向性天線在最大輻射方向的場(chǎng)強(qiáng)是無(wú)方向性天線場(chǎng)強(qiáng)的倍。顯然主瓣越窄，方向性系數(shù)越大。2.若要求在最大輻射方向場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生相同場(chǎng)強(qiáng)（EM=E0)，有方向性天線的輻射功率只需無(wú)方向性天線的1/D倍。

因此，對(duì)最大輻射方向而言，天線就是輻射功率的放大器。通過(guò)輻射功率的空間分配來(lái)增大最大方向的功率密度。

方向性系數(shù)表明天線輻射能量的集中程度現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一例1：試求證方向性系數(shù)的另一種定義：在最大輻射方向上遠(yuǎn)區(qū)同一點(diǎn)具有相同電場(chǎng)強(qiáng)度的條件下，無(wú)方向天線的輻射功率與有方向天線的輻射功率之比，記為：例2:已知某天線的歸一化場(chǎng)波瓣圖為：

其余方向皆為零。求（1）精確的定向性；（2）近似的定向性?，F(xiàn)在是40頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一例3：在方向系數(shù)為18的天線的最大方向上遠(yuǎn)區(qū)3公里處測(cè)得其場(chǎng)強(qiáng)為12mV/m，則該天線輻射功率多大？若采用無(wú)方向性天線發(fā)射，要使該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度不變，則需要多大輻射功率？例4：一喇叭天線方向圖近似為（1）求精確方向性系數(shù)（2）求近似方向性系數(shù)現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一天線增益G:定義：天線在最大輻射方向上遠(yuǎn)區(qū)某點(diǎn)的功率密度Smax(或場(chǎng)強(qiáng)Emax的平方)與輸入功率相同的無(wú)方向性天線在同一點(diǎn)的功率密度S0(或場(chǎng)強(qiáng)E0的平方)之比，即現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一增益G與方向性系數(shù)D之間的關(guān)系：增益G與電場(chǎng)強(qiáng)度E之間的關(guān)系：現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一分辨率：定義：第一零點(diǎn)波束寬度的一半，即FNBW/2。結(jié)論：天線能夠分辨出均勻分布于天空的無(wú)線電發(fā)射機(jī)或點(diǎn)輻射源的數(shù)目N的近似值為：現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一天線的極化：定義：天線在最大輻射方向上輻射場(chǎng)的極化，一般指輻射電場(chǎng)矢量的取向，也即電磁場(chǎng)的振動(dòng)方向。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。現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一定義：電場(chǎng)矢量沿著一條線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，線極化又分為垂直線極化和水平線極化。線極化：垂直極化水平極化所有的線極化都可分解為水平極化分量和垂直極化分量現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一圓極化：電場(chǎng)矢量的大小不變，其末端做圓周運(yùn)動(dòng)，圓極化分為左旋圓極化和右旋圓極化。圓極化：現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一圓極化方式判斷：拇指指向電磁波的傳播方向，拇指指向電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，符合右手定則稱為右旋圓極化，符合左手定則稱為左旋圓極化。現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一橢圓極化：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。橢圓極化分為左旋橢圓極化和右旋橢圓極化。其極化方式的判斷同圓極化。現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一橢圓極化的軸比rA：長(zhǎng)軸和短軸之比，左旋時(shí)，軸比為正，右旋時(shí)軸比為負(fù)；當(dāng)軸比為1時(shí)，為圓極化，當(dāng)軸比為無(wú)窮時(shí)，為線極化。兩正交線極化波可合成任意極化波；兩旋向相反的圓極化波可合成任意極化波；各種極化方式之間的分解：現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一極化匹配：極化匹配：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，稱為極化匹配。如水平線極化天線只能接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?，F(xiàn)在是51頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一主極化與交叉極化：主極化：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。極化隔離度：主極化分量與交叉極化分量的比值，通常用dB表示。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。現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一例1：在空氣中沿z向行進(jìn)的橢圓極化波具有x和y分量求通過(guò)單位面積所傳送的平均功率現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一有效長(zhǎng)度:定義：在保持天線最大輻射場(chǎng)強(qiáng)不變的條件下，假設(shè)天線上的電流為均勻分布時(shí)的等效長(zhǎng)度，記為le。等效長(zhǎng)度與計(jì)算它時(shí)的歸算電流有關(guān)，把歸算于輸入電流lin的有效長(zhǎng)度記為lein，把歸算于波腹電流lm的有效長(zhǎng)度記為lem。以天線長(zhǎng)度為高度，實(shí)際電流與等效電流所包圍的面積相等?，F(xiàn)在是55頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一定義：天線輸入端電壓與電流之比，用Zin表示。即：

Rin--輸入電阻

Xin--輸入電抗由于計(jì)算天線上的電流很困難，工程上常采用近似計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)定的方法確定天線的輸入阻抗。輸入阻抗:現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期一天線口徑：互易定理:任意類型的