第1章天線基礎(chǔ)知識(shí)[高等教學(xué)]

1、第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.1 基本振子的輻射基本振子的輻射 1.2 發(fā)射天線的電參數(shù)發(fā)射天線的電參數(shù) 1.3 互易定理與接收天線的電參數(shù)互易定理與接收天線的電參數(shù) 1.4 對(duì)稱(chēng)振子對(duì)稱(chēng)振子 1.5 天線陣的方向性天線陣的方向性 1.6 對(duì)稱(chēng)振子陣的阻抗特性對(duì)稱(chēng)振子陣的阻抗特性 1.7 無(wú)限大理想導(dǎo)電反射面對(duì)天線電性能的影響無(wú)限大理想導(dǎo)電反射面對(duì)天線電性能的影響 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第 1 章章 概概 述述 任何無(wú)線電電子系統(tǒng)的信息傳輸既包含有電波能量的發(fā)射任何無(wú)線電電子系統(tǒng)的信息傳輸既包含有電波能量的發(fā)射 和接收

2、和接收,也包含有電磁波在空間的傳播過(guò)程。也包含有電磁波在空間的傳播過(guò)程。 通信系統(tǒng)示意圖通信系統(tǒng)示意圖 “電波與天線電波與天線”是通信及電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)重要的技術(shù)是通信及電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)重要的技術(shù) 基礎(chǔ)課，與基礎(chǔ)課，與“電路理論電路理論”一樣，一樣，“電波與天線電波與天線”是從事電氣與電是從事電氣與電 子技術(shù)領(lǐng)域工作的科技工作者的必備知識(shí)。子技術(shù)領(lǐng)域工作的科技工作者的必備知識(shí)。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 現(xiàn)代通信系統(tǒng)的構(gòu)成現(xiàn)代通信系統(tǒng)的構(gòu)成 從原理上來(lái)看，都是由三個(gè)基本部分從原理上來(lái)看，都是由三個(gè)基本部分 組成的，即發(fā)射系統(tǒng)、傳

3、輸系統(tǒng)和接收系統(tǒng)（如圖組成的，即發(fā)射系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和接收系統(tǒng)（如圖 所示）。發(fā)所示）。發(fā) 射系統(tǒng)的任務(wù)是把聲音或圖像轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并放大到足夠的射系統(tǒng)的任務(wù)是把聲音或圖像轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并放大到足夠的 強(qiáng)度，然后按一定的順序發(fā)送出去。強(qiáng)度，然后按一定的順序發(fā)送出去。 通信系統(tǒng)示意圖通信系統(tǒng)示意圖 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 而接收系統(tǒng)是有選擇地接收所需的信號(hào)，并放大到足夠的量值，而接收系統(tǒng)是有選擇地接收所需的信號(hào)，并放大到足夠的量值， 再恢復(fù)成聲音或圖像。傳輸系統(tǒng)可以是有線的，也可通過(guò)地球再恢復(fù)成聲音或圖像。傳輸系統(tǒng)可以是有線的，也可通過(guò)地球 周界的空間傳遞，前者叫有線通信，后者稱(chēng)

4、為無(wú)線通信。周界的空間傳遞，前者叫有線通信，后者稱(chēng)為無(wú)線通信。 信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)調(diào)制成高頻電流能量，經(jīng)饋線送至發(fā)射天信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)調(diào)制成高頻電流能量，經(jīng)饋線送至發(fā)射天 線發(fā)射天線將該能量轉(zhuǎn)換為向空間傳播的電磁波并按指定方線發(fā)射天線將該能量轉(zhuǎn)換為向空間傳播的電磁波并按指定方 向經(jīng)過(guò)一定方式的向經(jīng)過(guò)一定方式的傳播之后，在接收端用接收天線再將信號(hào)接傳播之后，在接收端用接收天線再將信號(hào)接 收下來(lái)。收下來(lái)。 通信系統(tǒng)示意圖通信系統(tǒng)示意圖 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 為了能良好地實(shí)現(xiàn)上述目的，要求天線具有一定的方向特性為了能良好地實(shí)現(xiàn)上述目的，要求天線具有一定的方向特性 （定向接收或輻射）；較高的

5、轉(zhuǎn)換效率；能滿足系統(tǒng)正常（定向接收或輻射）；較高的轉(zhuǎn)換效率；能滿足系統(tǒng)正常 工作的頻帶寬度；滿足匹配條件；（工作的頻帶寬度；滿足匹配條件；（凡高頻源都能產(chǎn)生輻凡高頻源都能產(chǎn)生輻 射但必須有效輻射才能作為天線，）射但必須有效輻射才能作為天線，）產(chǎn)生有效的輻射或接收即產(chǎn)生有效的輻射或接收即 應(yīng)該是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)（如平行雙線、同軸線是保守系統(tǒng)，對(duì)稱(chēng)應(yīng)該是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)（如平行雙線、同軸線是保守系統(tǒng)，對(duì)稱(chēng) 振子是開(kāi)放系統(tǒng)。振子是開(kāi)放系統(tǒng)。) 發(fā)射天線的功能（任務(wù)、作用）是發(fā)射天線的功能（任務(wù)、作用）是將發(fā)射機(jī)輸出的高頻電流將發(fā)射機(jī)輸出的高頻電流 能量（或?qū)Р芰浚┺D(zhuǎn)換成電磁波能量輻射到空間去；能量（或?qū)Р?/p>

6、能量）轉(zhuǎn)換成電磁波能量輻射到空間去； 收、發(fā)天線具有互易性收、發(fā)天線具有互易性 接收天線接收天線的功能（任務(wù)、作的功能（任務(wù)、作 用）是用）是將空間傳來(lái)電波信號(hào)將空間傳來(lái)電波信號(hào) 轉(zhuǎn)換成高頻電流能量或?qū)РㄞD(zhuǎn)換成高頻電流能量或?qū)Р?能量）送給接收機(jī)。能量）送給接收機(jī)。 P P 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 新的研究方向新的研究方向:無(wú)線通信的技術(shù)及業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展既對(duì)天線提無(wú)線通信的技術(shù)及業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展既對(duì)天線提 出許多新的研究方向，同時(shí)也促使了許多新型天線的誕生。出許多新的研究方向，同時(shí)也促使了許多新型天線的誕生。 例如多頻多極化的微帶天線，由于其體積小，剖面低，適應(yīng)例如多頻多極化的

7、微帶天線，由于其體積小，剖面低，適應(yīng) 了微型和集成電路的進(jìn)展；電掃了微型和集成電路的進(jìn)展；電掃 描描 和多波束天線能同時(shí)跟蹤和多波束天線能同時(shí)跟蹤 多目標(biāo)，適應(yīng)了多目標(biāo)，適應(yīng)了 現(xiàn)現(xiàn) 代化軍事代化軍事 技技 術(shù)術(shù) 的的 發(fā)展；在通信環(huán)境日益發(fā)展；在通信環(huán)境日益 復(fù)雜的情況下，具有抗干擾能力的自適應(yīng)天線能大大地提高復(fù)雜的情況下，具有抗干擾能力的自適應(yīng)天線能大大地提高 接收信號(hào)的信噪比；尤其是實(shí)現(xiàn)第三代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)接收信號(hào)的信噪比；尤其是實(shí)現(xiàn)第三代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù) 智能天線，更是一改傳統(tǒng)天線作為能量轉(zhuǎn)換器的主要功智能天線，更是一改傳統(tǒng)天線作為能量轉(zhuǎn)換器的主要功 能，能夠智能化地進(jìn)行來(lái)波到達(dá)

8、角度（能，能夠智能化地進(jìn)行來(lái)波到達(dá)角度（DOA）估計(jì)以及具有）估計(jì)以及具有 預(yù)定空域特征的數(shù)字波束形成（預(yù)定空域特征的數(shù)字波束形成（DBF）目前智能天線技術(shù)已）目前智能天線技術(shù)已 成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 天線作為無(wú)線電系統(tǒng)中不天線作為無(wú)線電系統(tǒng)中不 可缺少且非常重要的部件，其可缺少且非常重要的部件，其 本身的質(zhì)量直接影響著無(wú)線電本身的質(zhì)量直接影響著無(wú)線電 系統(tǒng)的整體性能。系統(tǒng)的整體性能。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 按照工作波長(zhǎng)，可將天線分為按照工作波長(zhǎng)，可將天線分為超長(zhǎng)波天線(3-30KHz) 對(duì)潛 艇通信；長(zhǎng)波天線(30-300KHz) 導(dǎo)航；中

9、波天線(300KHz- 3MHz) 廣播、導(dǎo)航、海通；短波天線(3-30MHz) 廣播、軍用電 臺(tái)、導(dǎo)航；超短波天線(30-300MHz) 廣播、軍用電臺(tái)、導(dǎo)航。 以及微波天線以及微波天線:雷達(dá)：雷達(dá)：L波段（波段（1-2GHz）;S波段（波段（2-4GHz）;C 波段（波段（4-8G Hz）;X波段（波段（8-12GHz） 雷達(dá)、衛(wèi)星通信雷達(dá)、衛(wèi)星通信:Ku波段（波段（12-18G Hz ）;K波段（波段（18-27G Hz ）; Ka波段（波段（27-40G Hz）;U波段波段:（40-60GHz）;V波段波段 （60-80G Hz）;W波段（波段（80-100G Hz）；）； 按照天線的

10、特色，可將天線分為圓極化天線、線極化天線、按照天線的特色，可將天線分為圓極化天線、線極化天線、 窄頻帶天線、寬頻帶天線、非頻變天線以及數(shù)字波束天線等。窄頻帶天線、寬頻帶天線、非頻變天線以及數(shù)字波束天線等。 按方向性分類(lèi)，可分為全向天線、定向天線等按方向性分類(lèi)，可分為全向天線、定向天線等 天線的種類(lèi)天線的種類(lèi):無(wú)線電通信系統(tǒng)的多樣性使得天線的種類(lèi)也多種多樣。無(wú)線電通信系統(tǒng)的多樣性使得天線的種類(lèi)也多種多樣。 按照用途的不同，可將天線分為通信天線、廣播和電視天線、按照用途的不同，可將天線分為通信天線、廣播和電視天線、 雷達(dá)天線、導(dǎo)航和測(cè)向天線等；雷達(dá)天線、導(dǎo)航和測(cè)向天線等； 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)

11、知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要 求等不同情況下使用。求等不同情況下使用。 線天線線天線:天線的直徑遠(yuǎn)小于其幾何長(zhǎng)度天線的直徑遠(yuǎn)小于其幾何長(zhǎng)度.可不考慮天線橫截面上的可不考慮天線橫截面上的 電流分布電流分布 按照其結(jié)構(gòu)外形分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是由導(dǎo)線或金屬棒構(gòu)成的按照其結(jié)構(gòu)外形分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是由導(dǎo)線或金屬棒構(gòu)成的 線天線，主要用于長(zhǎng)波、短波和超短波；另一類(lèi)是由金屬面或線天線，主要用于長(zhǎng)波、短波和超短波；另一類(lèi)是由金屬面或 介質(zhì)面構(gòu)成的面天線，主要用于微波波段介質(zhì)面構(gòu)成的面天線，主要用于微波波段;微帶天線

12、、共形天微帶天線、共形天 線線 ,主要用于微波波段。主要用于微波波段。 按增益分類(lèi)：（值的大小與工作頻段有關(guān)）高增益天線、中增按增益分類(lèi)：（值的大小與工作頻段有關(guān)）高增益天線、中增 益天線低增益天線益天線低增益天線. 電流分布電流分布:駐波天線、行波天線駐波天線、行波天線 功能分類(lèi)功能分類(lèi):發(fā)射天線、接收天線或收發(fā)共用發(fā)射天線、接收天線或收發(fā)共用. 用途分類(lèi)用途分類(lèi):機(jī)載天線、船載天線、車(chē)載天線、雷達(dá)天線、單脈機(jī)載天線、船載天線、車(chē)載天線、雷達(dá)天線、單脈 沖天線、偵收天線、干擾天線沖天線、偵收天線、干擾天線 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 單極天線單極天線 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知

13、識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 八木天線八木天線 產(chǎn)品名稱(chēng)產(chǎn)品名稱(chēng): :八木天線八木天線 HD-1920YAGI10 極化:H/V 水平波未寬度:50 垂直波未寬度:60 增益:10.0dB CONNECTOR:N-50K VSWR:1.5 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 對(duì)數(shù)周期天線對(duì)數(shù)周期天線 產(chǎn)品名稱(chēng)：產(chǎn)品名稱(chēng)：偶極子天線偶極子天線 產(chǎn)品型號(hào)：HD-1822 頻率(GHz):1.8-2.2 材料:鋁 VSWR Max. 1.5 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 雙錐天線雙錐天線 對(duì)數(shù)螺旋天線對(duì)數(shù)螺旋天線 盤(pán)錐天線盤(pán)錐天線 對(duì)稱(chēng)振子天線對(duì)稱(chēng)振子天線 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知

14、識(shí) 環(huán)天線環(huán)天線 對(duì)數(shù)周期天線對(duì)數(shù)周期天線 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 波紋喇叭天線波紋喇叭天線 寬帶喇叭天線寬帶喇叭天線 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 雙極化喇叭天線雙極化喇叭天線 圓極化喇叭天線圓極化喇叭天線 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 高增益柵狀拋物面天線高增益柵狀拋物面天線 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 擴(kuò)頻天線擴(kuò)頻天線 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 背射天線背射天線 產(chǎn)品型號(hào)：HD-22RA1200 頻率(GHz):1.82.6 直徑（mm）:1200 帶寬（GHz）:12 增益(dB)27.5 波未寬度:6.7 VSW

15、R Max. 1.5 旁瓣電平（dB）-18 極化方式: V，H，LR，R 拋物面天線拋物面天線 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) DH8910寬帶全向天線 頻率范圍：100MHz1300MHz。 增 益： 2dB（典型值 電壓駐波比： 接頭形式： N(K) 外型R寸： 用 途 ：適合于電磁兼容測(cè)量和移 動(dòng)通信使用 ，尤其適合艦船和固定 監(jiān)測(cè)站使用 3 0.311.2mm 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) DH8911有源桿天線 頻率范圍：0.5MHz100MHz。 電壓駐波比： 接頭形式： N(K) 外型R寸： 用 途 ：可用于接收 放大該頻段 的電磁波信號(hào)， 性能穩(wěn)定靠適合

16、于 電磁干擾測(cè)量和移動(dòng)通信中使用 3 0.121mm 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) DH8913寬帶收折式天線 頻率范圍：50MHz2300MHz。 增 益： 1.5dB（典型值 電壓駐波比： 接頭形式： N(K) 外型R寸：收折后 展開(kāi)時(shí) 用 途 ：可用來(lái)接收50MHz2300MHz 的無(wú)線電信號(hào) 3 0.151.13mm 0.961.25mm 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) DH8914寬帶對(duì)數(shù)周期天線 頻率范圍：80MHz2000MHz。 增 益： 5dB 6dB （典型值 電壓駐波比： 接頭形式： N(K) 外型R寸： 用 途 ：可用來(lái)接收80MHz2300MHz

17、 的無(wú)線電信號(hào) 3 12301300760mmmmmm 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) DH8915寬帶盤(pán)錐式天線 頻率范圍：0.5MHz100MHz。 增 益： 2dB（典型值 電壓駐波比： 接頭形式： N(K) 外型R寸： 用 途 ：可在水平方向上均勻輻射 或接收50MHz3000MHz 頻帶內(nèi)的電 磁波信號(hào) 3 1300950mmmm 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)

18、知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 星載多波束天線 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 單個(gè)天線在衛(wèi)星上的安裝方式 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 天線展開(kāi)后 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 國(guó) 外 饋 源 系 統(tǒng) 的 三 維 結(jié) 構(gòu) 實(shí) 物 饋源喇叭陣列饋源喇叭陣列 極化轉(zhuǎn)換系統(tǒng)極化轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 幅相控制網(wǎng)絡(luò)幅相控制網(wǎng)絡(luò) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天

19、線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 8防雷保護(hù)器防雷保護(hù)器 主饋線（主饋線（7/8“） 5饋線卡饋線卡 6走線架走線架 4接地裝置接地裝置 3接頭密封件接頭密封件 絕緣密封膠帶，絕緣密封膠帶，PVC絕緣膠帶絕緣膠帶 1天線調(diào)節(jié)支架天線調(diào)節(jié)支架 GSM/CDMA 板狀天線板狀天線 抱桿（抱桿（ 50114mm） 2室外饋線室外饋線 9室內(nèi)超柔饋線室內(nèi)超柔饋線 7饋線過(guò)線窗饋線過(guò)線窗 基站主設(shè)備基站主設(shè)備 基站天饋系統(tǒng)示意圖基站天饋系統(tǒng)示意圖 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 電波傳播的主

20、要研究領(lǐng)域電波傳播的主要研究領(lǐng)域是電磁波與傳播媒質(zhì)的相互作用及其在是電磁波與傳播媒質(zhì)的相互作用及其在 有關(guān)電子系統(tǒng)工程和環(huán)境探測(cè)研究中的應(yīng)用。電波傳播研究的基有關(guān)電子系統(tǒng)工程和環(huán)境探測(cè)研究中的應(yīng)用。電波傳播研究的基 本問(wèn)題是不同頻段的電本問(wèn)題是不同頻段的電 波波 通通 過(guò)各種自然環(huán)過(guò)各種自然環(huán) 境（包括某些人為環(huán)境（包括某些人為環(huán) 境）媒質(zhì)的傳播效應(yīng)及其在時(shí)、空、頻域中的變化規(guī)律。電波傳境）媒質(zhì)的傳播效應(yīng)及其在時(shí)、空、頻域中的變化規(guī)律。電波傳 播在很大程度上也是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性科學(xué)，需要在長(zhǎng)期大量的實(shí)測(cè)積播在很大程度上也是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性科學(xué)，需要在長(zhǎng)期大量的實(shí)測(cè)積 累和應(yīng)用實(shí)踐中不斷完善和發(fā)展，研究應(yīng)用

21、的領(lǐng)域和問(wèn)題也將日累和應(yīng)用實(shí)踐中不斷完善和發(fā)展，研究應(yīng)用的領(lǐng)域和問(wèn)題也將日 益廣泛和深入。益廣泛和深入。 天線的分析方法：天線的分析方法：天線的理論分析是建立在電磁場(chǎng)理論分析的天線的理論分析是建立在電磁場(chǎng)理論分析的 基礎(chǔ)上的，求解天線問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就是求解滿足特定邊界條件的基礎(chǔ)上的，求解天線問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就是求解滿足特定邊界條件的 麥克斯韋方程的解，其求解過(guò)程是非常繁瑣和復(fù)雜的。針對(duì)實(shí)麥克斯韋方程的解，其求解過(guò)程是非常繁瑣和復(fù)雜的。針對(duì)實(shí) 際的天線工程中的設(shè)計(jì)，具體采用的思路是既有嚴(yán)格的概念，際的天線工程中的設(shè)計(jì)，具體采用的思路是既有嚴(yán)格的概念， 也有近似的處理，甚至依靠數(shù)值分析軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

22、。也有近似的處理，甚至依靠數(shù)值分析軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 盡管各類(lèi)天線的結(jié)構(gòu)、特性各有不同，但是分析它們的基盡管各類(lèi)天線的結(jié)構(gòu)、特性各有不同，但是分析它們的基 礎(chǔ)卻建立在電、磁基本振子的輻射機(jī)理上。電、磁基本振子作礎(chǔ)卻建立在電、磁基本振子的輻射機(jī)理上。電、磁基本振子作 為最基本的輻射源，它們的基本性質(zhì)已在為最基本的輻射源，它們的基本性質(zhì)已在“電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)”課程中作課程中作 過(guò)介紹。為了本書(shū)的系統(tǒng)性，此處再給予簡(jiǎn)要的回顧。過(guò)介紹。為了本書(shū)的系統(tǒng)性，此處再給予簡(jiǎn)要的回顧。 1.1 基本振子的輻射基本振子的輻射 1.1.1 電基本振子的輻射電基本振子的輻射

23、 電基本振子（電基本振子（Electric Short Dipole） 又稱(chēng)電流元，它是指一段理想的高頻電流又稱(chēng)電流元，它是指一段理想的高頻電流 直導(dǎo)線，其長(zhǎng)度直導(dǎo)線，其長(zhǎng)度l遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，其半徑，其半徑a 遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于l，同時(shí)振子沿線的電流，同時(shí)振子沿線的電流I處處等幅處處等幅 同相。用這樣的電流元可以構(gòu)成實(shí)際的更同相。用這樣的電流元可以構(gòu)成實(shí)際的更 復(fù)雜的天線，因而電基本振子的輻射特性復(fù)雜的天線，因而電基本振子的輻射特性 是研究更復(fù)雜天線輻射特性的基礎(chǔ)。是研究更復(fù)雜天線輻射特性的基礎(chǔ)。 y x z lO I r E H Er 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) dl 線狀天線

24、的基本分析方法線狀天線的基本分析方法: : (a) 將線狀天線分割成許多個(gè)小的線元，其長(zhǎng)度將線狀天線分割成許多個(gè)小的線元，其長(zhǎng)度 ,則每個(gè)則每個(gè) 小線元可看成一個(gè)電基本振子小線元可看成一個(gè)電基本振子; (b) 根據(jù)電磁場(chǎng)疊加定律，將每個(gè)電基本振子在觀察點(diǎn)產(chǎn)生的輻根據(jù)電磁場(chǎng)疊加定律，將每個(gè)電基本振子在觀察點(diǎn)產(chǎn)生的輻 射場(chǎng)疊加起來(lái)，即得線狀天線的輻射場(chǎng)。射場(chǎng)疊加起來(lái)，即得線狀天線的輻射場(chǎng)。 基本元的輻射基本元的輻射: 無(wú)論是線天線或面天線都可分割為無(wú)限多個(gè)基本元無(wú)論是線天線或面天線都可分割為無(wú)限多個(gè)基本元 , 在這些基在這些基 本元上載有交變電流本元上載有交變電流( 或磁流或磁流 ) 或交變的電流

25、和磁流。在每一個(gè)或交變的電流和磁流。在每一個(gè) 基本元上的電磁流的振幅、相位和方向均假設(shè)是相同的。某一基本元上的電磁流的振幅、相位和方向均假設(shè)是相同的。某一 具體天線則由這些基本元按一定的結(jié)構(gòu)形式拼接而成。當(dāng)然具體天線則由這些基本元按一定的結(jié)構(gòu)形式拼接而成。當(dāng)然 , 各個(gè)元上的電磁流的振幅、相位和方向可能是不相同的各個(gè)元上的電磁流的振幅、相位和方向可能是不相同的 , 具體具體 的分布形式由天線的幾何形狀、尺寸以及的分布形式由天線的幾何形狀、尺寸以及 激勵(lì)條件而定。如果激勵(lì)條件而定。如果 我們掌握了基本元的輻射特性我們掌握了基本元的輻射特性 , 則可按電磁場(chǎng)的疊加原理則可按電磁場(chǎng)的疊加原理 , 考

26、慮考慮 到各到各個(gè)元上電磁流的振幅、相位和方向在空間的分布個(gè)元上電磁流的振幅、相位和方向在空間的分布 , 則可得則可得 出各類(lèi)天線的輻射特性。出各類(lèi)天線的輻射特性。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 基本元的類(lèi)型可以分成三類(lèi)基本元的類(lèi)型可以分成三類(lèi) , 第一類(lèi)為電流元第一類(lèi)為電流元 , 元上載有交元上載有交 變電流變電流 , 又稱(chēng)為電基本振又稱(chēng)為電基本振 子子 ; 第二類(lèi)為磁流元第二類(lèi)為磁流元 , 元上載有交變?cè)陷d有交變 磁流。正如在磁流。正如在 電磁場(chǎng)理論電磁場(chǎng)理論 課程中所介紹的課程中所介紹的 , 在某些在某些 場(chǎng)合引場(chǎng)合引 人磁流的概念將給我們很大方便。本節(jié)將介紹電磁場(chǎng)對(duì)偶性原

27、人磁流的概念將給我們很大方便。本節(jié)將介紹電磁場(chǎng)對(duì)偶性原 理理 , 依據(jù)此原理依據(jù)此原理 , 磁磁 基本振子的輻射場(chǎng)可從電基本振子的輻射基本振子的輻射場(chǎng)可從電基本振子的輻射 場(chǎng)對(duì)應(yīng)地得出場(chǎng)對(duì)應(yīng)地得出 ; 第三類(lèi)為面基本元第三類(lèi)為面基本元 , 簡(jiǎn)稱(chēng)面元簡(jiǎn)稱(chēng)面元 , 依據(jù)經(jīng)典波動(dòng)光依據(jù)經(jīng)典波動(dòng)光 學(xué)的惠更斯一菲涅爾原理學(xué)的惠更斯一菲涅爾原理 , 空間任意一點(diǎn)空間任意一點(diǎn) M 處的場(chǎng)處的場(chǎng) , 是包圍天是包圍天 線的封閉曲面上各點(diǎn)電磁擾動(dòng)所產(chǎn)生的次輻射在線的封閉曲面上各點(diǎn)電磁擾動(dòng)所產(chǎn)生的次輻射在 M 點(diǎn)的選加結(jié)點(diǎn)的選加結(jié) 果。由此果。由此 , 對(duì)某一面天線而言對(duì)某一面天線而言 , 可以認(rèn)可以認(rèn) 為是由

28、金屬面和開(kāi)口面為是由金屬面和開(kāi)口面 構(gòu)成的一完整的封閉面構(gòu)成的一完整的封閉面 , 金屬面外表面上的金屬面外表面上的 場(chǎng)為零。因此場(chǎng)為零。因此 , 只要知只要知 道開(kāi)口面上的場(chǎng)的分道開(kāi)口面上的場(chǎng)的分 布情況布情況 , 就可求出空間任意一點(diǎn)的場(chǎng)。同理就可求出空間任意一點(diǎn)的場(chǎng)。同理 , 可以將開(kāi)口面分割成許可以將開(kāi)口面分割成許 多小面元多小面元 , 知道面元知道面元 的輻射就可依據(jù)整個(gè)開(kāi)口面場(chǎng)的分布情況求的輻射就可依據(jù)整個(gè)開(kāi)口面場(chǎng)的分布情況求 出此天線的輻射特性。出此天線的輻射特性。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) y x z lO I r E H Er 2 23 0 2 23 0 0 0

29、 1 sin () 4 21 cos() 4 11 sin () 4 0 r jkr jkr r jkr H H Ilk Hje rr Ilk Eje rr Ilkk EAjje rrr E (111) 圖圖111 電基本振子的坐標(biāo)電基本振子的坐標(biāo) 如圖如圖111所示，在電磁場(chǎng)理論中，已給出了在球坐標(biāo)系原點(diǎn)所示，在電磁場(chǎng)理論中，已給出了在球坐標(biāo)系原點(diǎn) O沿沿z軸放置的電基本振子在無(wú)限大自由空間中場(chǎng)強(qiáng)的表達(dá)式為軸放置的電基本振子在無(wú)限大自由空間中場(chǎng)強(qiáng)的表達(dá)式為 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) rr EE eE e HH e (112) 00 2 /k 為自由空間相移常數(shù)，為自由空間相移

30、常數(shù)，為為 自由空間波長(zhǎng)。式中略去自由空間波長(zhǎng)。式中略去 了時(shí)間因子了時(shí)間因子ejt。 式中式中,E為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為V/m;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為A/m; 場(chǎng)強(qiáng)的下標(biāo)場(chǎng)強(qiáng)的下標(biāo) r、表示球坐標(biāo)系中矢量的各分量；表示球坐標(biāo)系中矢量的各分量；er,e,e分別分別 為球坐標(biāo)系中沿為球坐標(biāo)系中沿r、增大方向的單位矢量增大方向的單位矢量;0=10-9/(36)(F/m), 為自由空間的介電常數(shù)為自由空間的介電常數(shù);0=410-7(H/m),為自由空間導(dǎo)磁率；為自由空間導(dǎo)磁率； y x z lO I r E H Er 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 23 11

31、1 ()()krkrkr 因此忽略式（因此忽略式（111）中的）中的1/r項(xiàng)，并且認(rèn)為項(xiàng)，并且認(rèn)為e-jkr1， 電基本振子的近區(qū)場(chǎng)表達(dá)式為電基本振子的近區(qū)場(chǎng)表達(dá)式為 1.近區(qū)場(chǎng)近區(qū)場(chǎng) kr1即（即（r1即（即（r/(2)）的區(qū)域稱(chēng)為遠(yuǎn)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)）的區(qū)域稱(chēng)為遠(yuǎn)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi) sin 2 60 sin 0 jkr jkr rr Il Hje r Il Eje r HHEE (114) 由上式可見(jiàn)，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的性質(zhì)與近區(qū)場(chǎng)的性質(zhì)完全不同，場(chǎng)強(qiáng)只有由上式可見(jiàn)，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的性質(zhì)與近區(qū)場(chǎng)的性質(zhì)完全不同，場(chǎng)強(qiáng)只有 兩個(gè)相位相同的分量（兩個(gè)相位相同的分量（E,H），其電力線分布如圖），其電力線分布如圖112所示

32、，所示， 場(chǎng)矢量如圖場(chǎng)矢量如圖11 3所示。所示。 2 23 0 2 23 0 0 0 1 sin () 4 21 cos() 4 11 sin () 4 0 r jkr jkr r jkr H H Ilk Hje rr Ilk Eje rr Ilkk EAjje rrr E （111） 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖圖112 電基本振子電力線電基本振子電力線 圖圖113 電基本振子遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電基本振子遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) y x z lO I r E H Sav 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 2 2 2 22 115 Resin 2 avr I l SEHe r (115) 有能量沿

33、有能量沿r方向向外輻射，故遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱(chēng)為輻射場(chǎng)。方向向外輻射，故遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱(chēng)為輻射場(chǎng)。 該輻射場(chǎng)有如下性質(zhì)：該輻射場(chǎng)有如下性質(zhì)： 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的坡印廷矢量平均值為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的坡印廷矢量平均值為 (1) 只有兩個(gè)分量只有兩個(gè)分量E、H均與距離均與距離r成反比成反比（由擴(kuò)散引起）（由擴(kuò)散引起）， 波的傳播速度為波的傳播速度為 ，E和和H中都含有相位因子中都含有相位因子 e-jkr （球面波函數(shù)）（球面波函數(shù)） ，說(shuō)明輻射場(chǎng)的等相位面為，說(shuō)明輻射場(chǎng)的等相位面為r等于常數(shù)的球面，等于常數(shù)的球面， 所以稱(chēng)其為球面波。所以稱(chēng)其為球面波。E、H和和Sav相互垂直，且符合右手螺旋定則。相互垂直，且符合右手螺旋定則。 00

34、1/c (2)傳播方向上電磁場(chǎng)的分量為零，故稱(chēng)其為橫電磁波，傳播方向上電磁場(chǎng)的分量為零，故稱(chēng)其為橫電磁波， 記為記為T(mén)EM波。波。 (3)E和和H的比值為常數(shù)，稱(chēng)為媒質(zhì)的波阻抗，記為的比值為常數(shù)，稱(chēng)為媒質(zhì)的波阻抗，記為。對(duì)。對(duì) 于自由空間于自由空間 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 0 0 120 E H (116) (4)E和和H與與sin成正比，說(shuō)明電基本振子的輻射具有方向性，成正比，說(shuō)明電基本振子的輻射具有方向性， 輻射場(chǎng)不是均勻球面波。因此，任何實(shí)際的電磁輻射絕不可能輻射場(chǎng)不是均勻球面波。因此，任何實(shí)際的電磁輻射絕不可能 具有完全的球?qū)ΨQ(chēng)性，這也是所有輻射場(chǎng)的普遍特性。具有完全

35、的球?qū)ΨQ(chēng)性，這也是所有輻射場(chǎng)的普遍特性。 輻射功率：輻射功率：電偶極子向自由空間輻射的總功率稱(chēng)為輻射功率電偶極子向自由空間輻射的總功率稱(chēng)為輻射功率Pr， 它等于坡印廷矢量在任一包圍電偶極子的球面上的積分，即它等于坡印廷矢量在任一包圍電偶極子的球面上的積分，即 2 3222 2 00 1 Re 2 15 sin40( ) rav SS PSdsEHds l ddIW (117) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 2 1 2 rr PI R (118) 因此，輻射功率取決于電偶極子的電長(zhǎng)度，若幾何長(zhǎng)度不因此，輻射功率取決于電偶極子的電長(zhǎng)度，若幾何長(zhǎng)度不 變，頻率越高或波長(zhǎng)越短，則輻射功率越

36、大。因?yàn)橐呀?jīng)假定空變，頻率越高或波長(zhǎng)越短，則輻射功率越大。因?yàn)橐呀?jīng)假定空 間媒質(zhì)不消耗功率且在空間內(nèi)無(wú)其它場(chǎng)源，所以輻射功率與距間媒質(zhì)不消耗功率且在空間內(nèi)無(wú)其它場(chǎng)源，所以輻射功率與距 離離r無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。 輻射電阻：輻射電阻：既然輻射出去的能量不再返回波源，為方便起見(jiàn)，既然輻射出去的能量不再返回波源，為方便起見(jiàn)， 將天線輻射的功率看成被一個(gè)等效電阻所吸收的功率，這個(gè)等將天線輻射的功率看成被一個(gè)等效電阻所吸收的功率，這個(gè)等 效電阻就稱(chēng)為輻射電阻效電阻就稱(chēng)為輻射電阻Rr。類(lèi)似于普通電路，可以得出。類(lèi)似于普通電路，可以得出 其中，其中，Rr稱(chēng)為該天線歸算于電流稱(chēng)為該天線歸算于電流I的輻射電阻，這里的輻

37、射電阻，這里I是電流的振是電流的振 幅值。將上式代入式（幅值。將上式代入式（117），得電基本振子的輻射電阻為），得電基本振子的輻射電阻為 22 80() r l R (119) 也可是輸入電流，此時(shí)稱(chēng)歸算于輸入電流的輻射電阻也可是輸入電流，此時(shí)稱(chēng)歸算于輸入電流的輻射電阻 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.1.2 磁基本振子的輻射磁基本振子的輻射 磁基本振子（磁基本振子（Magnetic Short Dipole）又稱(chēng)磁流元、磁）又稱(chēng)磁流元、磁 偶極子。盡管它是虛擬的，迄今為止還不能肯定在自然界中是偶極子。盡管它是虛擬的，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

38、是它可以與一些實(shí)際波源相對(duì)否有孤立的磁荷和磁流存在，但是它可以與一些實(shí)際波源相對(duì) 應(yīng)，例如小環(huán)天線或者已建立起來(lái)的電場(chǎng)波源，用此概念可以應(yīng)，例如小環(huán)天線或者已建立起來(lái)的電場(chǎng)波源，用此概念可以 簡(jiǎn)化計(jì)算，因此討論它是有必要的。簡(jiǎn)化計(jì)算，因此討論它是有必要的。 如圖如圖114所示，設(shè)想一段長(zhǎng)為所示，設(shè)想一段長(zhǎng)為l （l）的磁流元）的磁流元Iml置于球坐標(biāo)系原置于球坐標(biāo)系原 點(diǎn)，根據(jù)電磁對(duì)偶性原理，只需要進(jìn)點(diǎn)，根據(jù)電磁對(duì)偶性原理，只需要進(jìn) 行如下變換：行如下變換： 00 , em em emem EH HE IIQQ (1110) O r Iml x y z E H 圖圖114 磁基本振子的坐標(biāo)磁基

39、本振子的坐標(biāo) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 其中，下標(biāo)其中，下標(biāo)e,m分別對(duì)應(yīng)電源和磁源，則磁基本振子遠(yuǎn)分別對(duì)應(yīng)電源和磁源，則磁基本振子遠(yuǎn) 區(qū)輻射場(chǎng)的表達(dá)式為區(qū)輻射場(chǎng)的表達(dá)式為 0 0 sin 2 sin 2 jkr m jkr m I l Eje r I l Hje r （1111） 比較電基本振子比較電基本振子 的輻射場(chǎng)與磁基本的輻射場(chǎng)與磁基本 振子的輻射場(chǎng)，可振子的輻射場(chǎng)，可 以得知它們除了輻以得知它們除了輻 射場(chǎng)的極化方向相射場(chǎng)的極化方向相 互正交之外，其它互正交之外，其它 特性完全相同。特性完全相同。 sin 2 60 sin 0 jkr jkr rr Il Hje r

40、Il Eje r HHEE 電基本振子的輻射場(chǎng)：電基本振子的輻射場(chǎng)： 00 , em em emem EH HE IIQQ O r Iml x y z E H y x z lO I r E H Sav 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 磁基本振子的實(shí)際模型是小電流環(huán)，如圖磁基本振子的實(shí)際模型是小電流環(huán)，如圖115所示，它所示，它 的周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，而且環(huán)上的諧變電流的周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，而且環(huán)上的諧變電流I的振幅和相位處處相的振幅和相位處處相 同。相應(yīng)的磁矩和環(huán)上電流的關(guān)系為同。相應(yīng)的磁矩和環(huán)上電流的關(guān)系為 pm=0Is （1112） 式中式中s為環(huán)面積矢量，方向由環(huán)電流為環(huán)面積矢量，方向

41、由環(huán)電流I按右手螺旋定則確定。按右手螺旋定則確定。 z s y x O I y z x O pm (a)(b) 圖圖115 小電流環(huán)和與其等效的磁矩小電流環(huán)和與其等效的磁矩 (a)小電流環(huán)；小電流環(huán)；(b)磁矩磁矩 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 若求小電流環(huán)遠(yuǎn)區(qū)的輻射場(chǎng)，我們可把磁矩看成一個(gè)時(shí)若求小電流環(huán)遠(yuǎn)區(qū)的輻射場(chǎng)，我們可把磁矩看成一個(gè)時(shí) 變的磁偶極子，磁極上的磁荷是變的磁偶極子，磁極上的磁荷是+qm,-qm，它們之間的距離是，它們之間的距離是 l。磁荷之間有假想的磁流。磁荷之間有假想的磁流Im，以滿足磁流的連續(xù)性，則磁矩，以滿足磁流的連續(xù)性，則磁矩 又可表示為又可表示為 pm=

42、qml (1113) 式中式中l(wèi)的方向與環(huán)面積矢量的方向一致。的方向與環(huán)面積矢量的方向一致。 比較式（比較式（1112）和（）和（1113），得），得 dt dI l s dt dq I l Is q m mm 00 , pm=0I s （1112） 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 用復(fù)數(shù)表示的磁流為用復(fù)數(shù)表示的磁流為 0 m s IjI l （1114） 將式（將式（1114）代入式（）代入式（1111），經(jīng)化簡(jiǎn)），經(jīng)化簡(jiǎn) 可得小電流環(huán)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)可得小電流環(huán)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) 0 00 0 sin 2 sin 2 jkr jkr sI Ee r sI He r （1115） ejt 0 0 s

43、in 2 sin 2 jkr m jkr m I l Eje r I l Hje r 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 小電流環(huán)是一種實(shí)用天線，稱(chēng)之為環(huán)型天線。事小電流環(huán)是一種實(shí)用天線，稱(chēng)之為環(huán)型天線。事 實(shí)上，對(duì)于一個(gè)很小的環(huán)來(lái)說(shuō)，如果環(huán)的周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于實(shí)上，對(duì)于一個(gè)很小的環(huán)來(lái)說(shuō)，如果環(huán)的周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于 /4，則該天線的輻射場(chǎng)方向性與環(huán)的實(shí)際形狀無(wú)關(guān)，則該天線的輻射場(chǎng)方向性與環(huán)的實(shí)際形狀無(wú)關(guān)， 即環(huán)可以是矩形、三角形或其它形狀。即環(huán)可以是矩形、三角形或其它形狀。 磁偶極子的輻射總功率是磁偶極子的輻射總功率是 （1116） W s I dsHE dsSP m S av S r 224 )(16

44、0 Re 2 1 0 00 0 sin 2 sin 2 jkr jkr sI Ee r sI He r （1115） 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 其輻射電阻是其輻射電阻是 42 22 2 320() r r m Ps R I （1117） 由此可見(jiàn)，同樣電長(zhǎng)度的導(dǎo)線，繞制成磁偶極子，由此可見(jiàn)，同樣電長(zhǎng)度的導(dǎo)線，繞制成磁偶極子， 在電流振幅相同的情況下，遠(yuǎn)區(qū)的輻射功率比電偶極子在電流振幅相同的情況下，遠(yuǎn)區(qū)的輻射功率比電偶極子 的要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。的要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2 發(fā)射天線的電參數(shù)發(fā)射天線的電參數(shù) 描述天線工作特性的參數(shù)稱(chēng)為天線電參數(shù)

45、描述天線工作特性的參數(shù)稱(chēng)為天線電參數(shù)(Basic Antenna Parameters)，又稱(chēng)電指標(biāo)。它們是定量衡量天線，又稱(chēng)電指標(biāo)。它們是定量衡量天線 性能的尺度。我們有必要了解天線電參數(shù)，以便正確設(shè)計(jì)或性能的尺度。我們有必要了解天線電參數(shù)，以便正確設(shè)計(jì)或 選擇天線。大多數(shù)天線電參數(shù)是針對(duì)發(fā)射狀態(tài)規(guī)定的，以衡選擇天線。大多數(shù)天線電參數(shù)是針對(duì)發(fā)射狀態(tài)規(guī)定的，以衡 量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)變成空間電波能量以及定向輻射的量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)變成空間電波能量以及定向輻射的 能力。下面介紹發(fā)射天線的主要電參數(shù)，并且以電基本振子能力。下面介紹發(fā)射天線的主要電參數(shù)，并且以電基本振子 或磁基本振子為例說(shuō)明之

46、?；虼呕菊褡訛槔f(shuō)明之。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.1 方向函數(shù)方向函數(shù) 由電基本振子的分析可知，天線輻射出去的電磁波雖然是由電基本振子的分析可知，天線輻射出去的電磁波雖然是 一球面波，但卻不是均勻球面波，因此，任何一個(gè)天線的輻射一球面波，但卻不是均勻球面波，因此，任何一個(gè)天線的輻射 場(chǎng)都具有方向性。場(chǎng)都具有方向性。 60 ( , ,( , ) I E rf r （121） 方向函數(shù)：方向函數(shù)：若天線輻射的電場(chǎng)若天線輻射的電場(chǎng) 強(qiáng)度為強(qiáng)度為E(r,)，把電場(chǎng)強(qiáng)度，把電場(chǎng)強(qiáng)度 （絕對(duì)值）寫(xiě)成（絕對(duì)值）寫(xiě)成 y z r O x 所謂方向性，就是在相同所謂方向性，就是在相同

47、 距離的條件下天線輻射場(chǎng)的相距離的條件下天線輻射場(chǎng)的相 對(duì)值與空間方向（子午角對(duì)值與空間方向（子午角、方、方 位角位角）的關(guān)系，如圖）的關(guān)系，如圖121 所示。所示。 圖 121 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 式中式中I為歸算電流，對(duì)于駐波天線，通常取波腹電流為歸算電流，對(duì)于駐波天線，通常取波腹電流Im作作 為歸算電流；為歸算電流；f(,)為場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)。因此，方向函數(shù)可定義為場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)。因此，方向函數(shù)可定義 為為 ( , , ) ( , ) 60 / E r f I r （122） 將電基本振子的輻射場(chǎng)表達(dá)式（將電基本振子的輻射場(chǎng)表達(dá)式（114）代入上）代入上 式，可得電基本振

48、子的方向函數(shù)為式，可得電基本振子的方向函數(shù)為 ( , )( )sin l ff （123） 60 sin jkr Il Eje r 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 歸一化方向函數(shù)：歸一化方向函數(shù)：為了便于比較不同天線的方向性，常采用歸為了便于比較不同天線的方向性，常采用歸 一化方向函數(shù)，用一化方向函數(shù)，用F(,)表示，即表示，即 maxmax ( , )( , ) ( , ) ( , ) Ef F fE （124） 式中，式中，fmax(,)為方向函數(shù)的最大值；為方向函數(shù)的最大值；Emax為最大輻射方向上的為最大輻射方向上的 電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度;E(,)為同一距離為同一距離(,)方向上

49、的電場(chǎng)強(qiáng)度。方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度。 歸一化方向函數(shù)歸一化方向函數(shù)F(,)的最大值為的最大值為1。因此，電基本振子的歸。因此，電基本振子的歸 一化方向函數(shù)可寫(xiě)為一化方向函數(shù)可寫(xiě)為 理想點(diǎn)源：理想點(diǎn)源：為了分析和對(duì)比方便，今后我們定義理想點(diǎn)源是無(wú)方為了分析和對(duì)比方便，今后我們定義理想點(diǎn)源是無(wú)方 向性天線，它在各個(gè)方向上、相同距離處產(chǎn)生的輻射場(chǎng)的大向性天線，它在各個(gè)方向上、相同距離處產(chǎn)生的輻射場(chǎng)的大 小是相等的，因此，它的歸一化方向函數(shù)為小是相等的，因此，它的歸一化方向函數(shù)為 F(,)=1 （126） F(,)=|sin| （125） 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.2 方向圖方向圖

50、方向圖定義：方向圖定義：式（式（121）定義了天線的方向函數(shù)，它與）定義了天線的方向函數(shù)，它與r及及I 無(wú)關(guān)。將方向函數(shù)用曲線描繪出來(lái)，稱(chēng)之為方向圖無(wú)關(guān)。將方向函數(shù)用曲線描繪出來(lái)，稱(chēng)之為方向圖 (FileldPattern)。方向圖就是與天線等距離處，天線輻射場(chǎng)。方向圖就是與天線等距離處，天線輻射場(chǎng) 大小在空間中的相對(duì)分布隨方向變化的圖形。依據(jù)歸一化方大小在空間中的相對(duì)分布隨方向變化的圖形。依據(jù)歸一化方 向函數(shù)而繪出的為歸一化方向圖。向函數(shù)而繪出的為歸一化方向圖。 立體方向圖：立體方向圖：變化變化及及得出得出 的方向圖是立體方向圖。對(duì)的方向圖是立體方向圖。對(duì) 于電基本振子，由于歸一化于電基本振

51、子，由于歸一化 方向函數(shù)方向函數(shù)F(,)=|sin|，因此，因此 其立體方向圖如圖其立體方向圖如圖122所所 示示 圖圖122 基本振子立體方向圖基本振子立體方向圖 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 方向圖分類(lèi)：方向圖分類(lèi)：方向圖可用極坐標(biāo)繪制，方向圖可用極坐標(biāo)繪制， 角度表示方向，矢徑表示場(chǎng)強(qiáng)大小。角度表示方向，矢徑表示場(chǎng)強(qiáng)大小。 這種圖形直觀性強(qiáng)，但零點(diǎn)或最小值這種圖形直觀性強(qiáng)，但零點(diǎn)或最小值 不易分清。方向圖也可用直角坐標(biāo)繪不易分清。方向圖也可用直角坐標(biāo)繪 制，橫坐標(biāo)表示方向角，縱坐標(biāo)表示制，橫坐標(biāo)表示方向角，縱坐標(biāo)表示 圖圖122 基本振子立體方向圖基本振子立體方向圖 y x

52、z lO I r E H Sav兩個(gè)特定正交（主）平面方向圖：兩個(gè)特定正交（主）平面方向圖：在實(shí)在實(shí) 際中，工程上常常采用兩個(gè)特定正交平際中，工程上常常采用兩個(gè)特定正交平 面方向圖。在自由空間中，兩個(gè)最重要面方向圖。在自由空間中，兩個(gè)最重要 的平面方向圖是的平面方向圖是E面和面和H面方向圖。面方向圖。E 面即電場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射面即電場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射 方向的平面；方向的平面；H面即磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在面即磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在 并包含最大輻射方向的平面。并包含最大輻射方向的平面。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 輻射幅值。由于橫坐標(biāo)可按任意標(biāo)尺擴(kuò)展，故圖形清晰。輻射幅值。

53、由于橫坐標(biāo)可按任意標(biāo)尺擴(kuò)展，故圖形清晰。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) z x y |sin90 |1 FE()=|sin|。而。而H面即為面即為xOy面面 （垂直于振子軸）（垂直于振子軸），此面的方向，此面的方向 函數(shù)函數(shù)FH()=1，如圖，如圖124所示，所示， H面的歸一化方向圖為一單位圓。面的歸一化方向圖為一單位圓。 E面和面和H面方向圖就是立體方向面方向圖就是立體方向 圖沿圖沿E面和面和H面兩個(gè)主平面的剖面兩個(gè)主平面的剖 面圖。面圖。 y z O 功率方向圖場(chǎng)強(qiáng)方向圖 |sin | 如圖如圖123所示，對(duì)于球坐標(biāo)所示，對(duì)于球坐標(biāo) 系中的沿系中的沿z軸放置的電基本振子軸放置

54、的電基本振子 而言，而言，E面即為包含面即為包含z軸的任一軸的任一 平面，例如平面，例如yOz面面（包含振子（包含振子 軸）軸），此面的方向函數(shù)，此面的方向函數(shù) 圖圖123 電基本振子電基本振子E平面方向圖平面方向圖 圖圖124 電基本振子電基本振子H平面方向圖平面方向圖 為陣子軸與射線之間的夾角為陣子軸與射線之間的夾角 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 但是要注意的是，盡管球坐標(biāo)系中的磁基本振子方但是要注意的是，盡管球坐標(biāo)系中的磁基本振子方 向性和電基本振子一樣，但向性和電基本振子一樣，但E面和面和H面的位置恰好互換。面的位置恰好互換。 功率方向圖功率方向圖:有時(shí)還需要討論輻射的功率

55、密度（坡印廷矢量有時(shí)還需要討論輻射的功率密度（坡印廷矢量 模值）與方向之間的關(guān)系，因此引進(jìn)功率方向圖模值）與方向之間的關(guān)系，因此引進(jìn)功率方向圖 （Power Pattern）(,)。容易得出，它與場(chǎng)強(qiáng)方向圖。容易得出，它與場(chǎng)強(qiáng)方向圖 之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 (,)=F2(,) （127） 電基本振子電基本振子E平面功率方向圖也如圖平面功率方向圖也如圖123所示。所示。 y z O 功率方向圖場(chǎng)強(qiáng)方向圖 |sin | 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 全向天線方向圖 定向天線方向圖 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 實(shí)際方向圖：實(shí)際方向圖： 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)

56、知識(shí) 天線天線波束波束的下傾的下傾 為使波束指向朝向地面為使波束指向朝向地面, 需要天線下傾。需要天線下傾。 目的：控制覆蓋、減少干擾 方法：機(jī)械下傾、電下傾下傾、電下傾 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 無(wú)下傾無(wú)下傾電下傾電下傾機(jī)械下傾機(jī)械下傾 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 3db不圓度不圓度 不圓度不圓度 不圓度不圓度 是指全向天線在是指全向天線在360方向上能量是否均勻輻射，一般方向上能量是否均勻輻射，一般 要求要求3db以內(nèi)以內(nèi) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.3 方向圖參數(shù)方向圖參數(shù) 實(shí)際天線的方向圖要比電基本振子的復(fù)雜，通常有多個(gè)波實(shí)際天線的方

57、向圖要比電基本振子的復(fù)雜，通常有多個(gè)波 瓣，它可細(xì)分為主瓣、副瓣和后瓣，如圖瓣，它可細(xì)分為主瓣、副瓣和后瓣，如圖125所示。用來(lái)所示。用來(lái) 描述方向圖的參數(shù)通常有：描述方向圖的參數(shù)通常有： (1)零功率點(diǎn)波瓣寬度零功率點(diǎn)波瓣寬度(主瓣寬度主瓣寬度)（Beam Widthbetween FirstNulls,BWFN)20E或或20H(下標(biāo)下標(biāo)E、H表示表示E、H面，下同）：面，下同）： 指主瓣最大值兩邊兩個(gè)零輻射方向之間的夾角。指主瓣最大值兩邊兩個(gè)零輻射方向之間的夾角。 主軸 主瓣 后瓣 第一副瓣 0 0.5 0 2020.5 波瓣圖波瓣圖:大多數(shù)情況下大多數(shù)情況下,方向圖呈花瓣?duì)罘较驁D呈花瓣

58、狀,故又稱(chēng)為波瓣圖故又稱(chēng)為波瓣圖 最大輻射方向所在的瓣稱(chēng)為主瓣最大輻射方向所在的瓣稱(chēng)為主瓣,其余的為副瓣和后瓣其余的為副瓣和后瓣 圖圖125 天線方向圖的一般形狀天線方向圖的一般形狀 00max 22 0.5 0 上旁瓣上旁瓣 下旁瓣下旁瓣 主瓣主瓣 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) (2)半功率點(diǎn)波瓣寬度半功率點(diǎn)波瓣寬度(主瓣寬度主瓣寬度) （HalfPower Beam Width, HPBW）20.5E或或20.5H:指主瓣最大值兩指主瓣最大值兩 邊場(chǎng)強(qiáng)等于最大值的邊場(chǎng)強(qiáng)等于最大值的0.707倍（或等于最大功率密度的倍（或等于最大功率密度的 一半）的兩輻射方向之間的夾角，又叫一半

59、）的兩輻射方向之間的夾角，又叫3分貝波束寬度。分貝波束寬度。 如果天線的方向圖只有一個(gè)強(qiáng)的主瓣，其它副瓣均較如果天線的方向圖只有一個(gè)強(qiáng)的主瓣，其它副瓣均較 弱，則它的定向輻射性能的強(qiáng)弱就可以從兩個(gè)主平面弱，則它的定向輻射性能的強(qiáng)弱就可以從兩個(gè)主平面 內(nèi)的半功率點(diǎn)波瓣寬度來(lái)判斷。內(nèi)的半功率點(diǎn)波瓣寬度來(lái)判斷。 主軸 主瓣 后瓣 第一副瓣 0 0.5 0 2020.5 0.50.5max 22 0.5 0 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 0.5 0.5 sin0.707 45 E o E 0.50.5max 22 2 459090 EEE ooo max 90o E 0 0 sin0 0o

60、 max 90o E 00max 22 2 090180 EEE ooo 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) (3)副瓣電平（副瓣電平（Side Lobe Lever,SLL）:指副瓣最大指副瓣最大 值與主瓣最大值之比，一般以分貝表示，即值與主瓣最大值之比，一般以分貝表示，即 ,max2 max2 ,maxmax 10lg20lg av av SE SLLdB SE （128） 式中，式中，Sav,max2和和Sav,max分別為最大副瓣和主瓣的功率分別為最大副瓣和主瓣的功率 密度最大值；密度最大值；Emax2和和Emax分別為最大副瓣和主瓣的場(chǎng)強(qiáng)最分別為最大副瓣和主瓣的場(chǎng)強(qiáng)最 大值。副