第7章 典型天線

1、第七章第七章 典型天線典型天線7.1 7.1 對稱振子對稱振子一一. .模型模型對稱振子天線由對稱振子天線由兩根粗細和長度兩根粗細和長度都相同的導線構(gòu)都相同的導線構(gòu)成，中間為兩個成，中間為兩個饋電端。是一種饋電端。是一種應用廣泛結(jié)構(gòu)簡應用廣泛結(jié)構(gòu)簡單的基本線天線。單的基本線天線。細振子天線可看成是開路傳輸線逐漸張開而成二二. .電流分布及數(shù)學模型電流分布及數(shù)學模型實際模型中，令實際模型中，令0,0,aLm( )I sin ()I zk Lz近似認為振子兩臂電流沿幾何軸近似認為振子兩臂電流沿幾何軸線按正弦規(guī)律分布線按正弦規(guī)律分布0LL( )( )d zz( )()d zz1r2r12三三. .輻

2、射場輻射場將對稱振子等分成無限多個線元將對稱振子等分成無限多個線元 ，每一線元可視為一電流元每一線元可視為一電流元dz( )I z dz場點場點 ：( , , )M r 處，電流元處，電流元 ，輻射場，輻射場( )I z dz z11111( )sin2jkrjI z dzdEer處，電流元處，電流元 ，輻射場，輻射場()Iz dz z22222( )sin2jkrjI z dzdEer則有則有12dEdEdE12121,22cosrLrrz近似關(guān)系：近似關(guān)系：在幅度因子中：在幅度因子中：1,2rr在相位因子中：在相位因子中：1,2cosrrz2 ,cosTkz 可達此數(shù)量級，可達此數(shù)量級，會

3、影響結(jié)果。故會影響結(jié)果。故1coskrkrkzcoscos( )sin2( ) sincos(cos )jkrjkzjkzjkrjI z dzdEeeerjI zekzdzr0m0m I sinsin ()cos(cos )I ( )2LLjkrjkrEdEjek LzkzdzrjefrmI ( )2jkrjHefr【討論【討論】其中，其中， 對稱振子的方向性函數(shù)對稱振子的方向性函數(shù)cos(cos )cos( )sinkLkLf1.1.球面波：場量球面波：場量0sin(),tkrnr2.2.輻射場與輻射場與 無關(guān)：無關(guān)： 即繞振子軸線旋轉(zhuǎn)對稱即繞振子軸線旋轉(zhuǎn)對稱020,m3.3. 即垂直于振子

4、軸線方向輻射最強即垂直于振子軸線方向輻射最強 即沿振子軸線方向無輻射即沿振子軸線方向無輻射4.4.歸一化方向性函數(shù)：歸一化方向性函數(shù)：( )cos(cos )cos( )()(1 cos)sinmfkLkLFfkL5. 5. ：方向圖只有主瓣無副瓣且振子越長：方向圖只有主瓣無副瓣且振子越長 方向性越強方向性越強 ：方向圖出現(xiàn)副瓣，方向性變差：方向圖出現(xiàn)副瓣，方向性變差2L2L1 1）半波振子）半波振子22L22( )cos(cos ) sin242bkLLF 2 2）全波振子）全波振子2L22( )cos( cos ) 1 2sin2QkLLF 6.6.方向圖方向圖四四. .對稱振子的阻抗特性

5、對稱振子的阻抗特性1.1.輻射電阻輻射電阻222m0220I11Re( )228SEHrErfr22222m0m022000I2I sin( )sin 84sPS dSrdSdfdIr 02m2 I2PRI1)1)半波振子半波振子 ：(2)kL 1.2273bIR2)2)全波振子全波振子 ：()kL 3.33200QIR由由 全波振子輻射能力強于半波振子全波振子輻射能力強于半波振子bQRR2.2.輸入阻抗輸入阻抗inininZRjX1 1）0.25L0.5L0,inininXZR純電阻，容易匹配純電阻，容易匹配2 2）(,)ininLRX變化緩即曲線平坦，頻率特變化緩即曲線平坦，頻率特性好，因

6、此性好，因此半波振子較好半波振子較好3 3）諧振長度：）諧振長度： 時振子的長度。此時天線可時振子的長度。此時天線可 與特性阻抗為純電阻的饋線匹配與特性阻抗為純電阻的饋線匹配 查圖知查圖知0inX00.245 /0.49L五五. .方向性系數(shù)方向性系數(shù)2220042(1 cos) ( )sinkLDIdFd 1.64 bD 半波振子的方向性比電基本振子（方向系數(shù)1.5）的方向性稍好一些。7.2 7.2 陣列天線陣列天線一一. .引言引言1.1.作用作用增強方向性增強方向性 （多個單天線組成天線陣、使用面天線）（多個單天線組成天線陣、使用面天線）2.2.構(gòu)成要素：構(gòu)成要素：n n個單天線按一定規(guī)

7、律排列組成個單天線按一定規(guī)律排列組成( (陣元陣元) ) 陣元的結(jié)構(gòu)和取向相同陣元的結(jié)構(gòu)和取向相同 陣元間距陣元間距d d適當適當3.3.分類：一維直線陣、二維平面陣、三維立體陣分類：一維直線陣、二維平面陣、三維立體陣4.4.相干原理相干原理5.5.方向性乘積定理方向性乘積定理各陣元的輻射場經(jīng)不同的波程后各陣元的輻射場經(jīng)不同的波程后相遇時將產(chǎn)生疊加現(xiàn)象（增強、削弱）相遇時將產(chǎn)生疊加現(xiàn)象（增強、削弱）天線陣總的方向性函數(shù)（天線陣總的方向性函數(shù)（f f）陣元的方向性函數(shù)（陣元的方向性函數(shù)（f1f1）* *陣函數(shù)（陣函數(shù)（f2f2）二二.二元陣二元陣設(shè)天線陣是由間距為設(shè)天線陣是由間距為d d并沿并沿

8、x x軸排列的兩個相同的軸排列的兩個相同的天線元組成，假設(shè)由振幅相同電流激勵，但天線元組成，假設(shè)由振幅相同電流激勵，但2 2的電的電流相位超前流相位超前1 1。故二元陣的輻射場為：故二元陣的輻射場為：近似關(guān)系：故輻射場：其中： 稱為元因子， 稱為陣因子 元因子表示組成天線陣的單個輻射元的方向圖函元因子表示組成天線陣的單個輻射元的方向圖函數(shù)；值取決于天線元本身的類型和尺寸，體現(xiàn)了數(shù)；值取決于天線元本身的類型和尺寸，體現(xiàn)了天線元的方向性對天線陣方向性的影響。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，陣因子表示各向同性元所組成的天線陣的方向性，值取決于天線陣的

9、排列方式及其天線元上激勵電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流的相對振幅和相位，與天線元本身的類型和尺寸無關(guān)。寸無關(guān)。 方向圖乘積定理：在各天線元為相似元的條件下，方向圖乘積定理：在各天線元為相似元的條件下，天線陣的方向函數(shù)是單元因子與陣因子之積。天線陣的方向函數(shù)是單元因子與陣因子之積。三三. .均勻直線陣均勻直線陣1.1.構(gòu)成：等間距、各陣元電流的幅度相等相位依次構(gòu)成：等間距、各陣元電流的幅度相等相位依次等等 量遞增或遞減的直線陣。量遞增或遞減的直線陣。 間距均為間距均為d d（L=(N-1)dL=(N-1)d）2.2.輻射場輻射場N N元均

10、勻直線陣的輻射場：元均勻直線陣的輻射場：H H平面歸一化方向函數(shù)即陣因子方向函數(shù)為平面歸一化方向函數(shù)即陣因子方向函數(shù)為7.3 7.3 電視發(fā)射天線與移動通信基站天線電視發(fā)射天線與移動通信基站天線一一. .電視發(fā)射天線電視發(fā)射天線 1.1.電視發(fā)射天線的特點電視發(fā)射天線的特點2.2.旋轉(zhuǎn)場天線旋轉(zhuǎn)場天線二二. .移動通信基站天線移動通信基站天線 1.1.移動通信基站天線的特點移動通信基站天線的特點7.4 7.4 縫隙天線縫隙天線 如果在同軸線、波導管或空腔諧振器的導體壁上開一如果在同軸線、波導管或空腔諧振器的導體壁上開一條或數(shù)條窄縫，可使電磁波通過縫隙向外空間輻射而形成條或數(shù)條窄縫，可使電磁波通

11、過縫隙向外空間輻射而形成一種天線，這種天線稱為縫隙天線，如圖。一種天線，這種天線稱為縫隙天線，如圖。 實際應用中的波導縫隙天線通常是開在傳輸實際應用中的波導縫隙天線通常是開在傳輸TE10模的模的矩形波導壁上的半波諧振縫隙，如果所開縫隙截斷波導內(nèi)矩形波導壁上的半波諧振縫隙，如果所開縫隙截斷波導內(nèi)壁表面電流即縫隙不是沿電流線開，表面電流的一部分將壁表面電流即縫隙不是沿電流線開，表面電流的一部分將繞過縫隙，另一部分則以位移電流的形式沿原來的方向流繞過縫隙，另一部分則以位移電流的形式沿原來的方向流過縫隙，因而縫隙被激勵，向外空間輻射電磁波，如圖。過縫隙，因而縫隙被激勵，向外空間輻射電磁波，如圖。 為了

12、獲得最強輻射，應使縫隙垂直截斷電流密度最大處為了獲得最強輻射，應使縫隙垂直截斷電流密度最大處的電流線，即最有效的切割電流線，如縫隙的電流線，即最有效的切割電流線，如縫隙1、2、3。 單縫隙天線的方向性較弱，為了提高方向性，可以再波單縫隙天線的方向性較弱，為了提高方向性，可以再波導的一個壁上開多個縫隙組成天線陣。這種天線陣的饋電導的一個壁上開多個縫隙組成天線陣。這種天線陣的饋電比比較方便，天線和饋線一體，適當改變縫隙的位置和取向就較方便，天線和饋線一體，適當改變縫隙的位置和取向就可可以改變縫隙的激勵強度，以獲得所需要的方向性，缺點是以改變縫隙的激勵強度，以獲得所需要的方向性，缺點是頻頻帶比較窄。

13、帶比較窄。7.5 7.5 智能天線智能天線 智能天線由天線陣和智能算法構(gòu)成，是數(shù)字信號處理技智能天線由天線陣和智能算法構(gòu)成，是數(shù)字信號處理技術(shù)與天線的有機結(jié)合。術(shù)與天線的有機結(jié)合。 所謂智能是指根據(jù)用戶信號波達方向的估計的變化，通所謂智能是指根據(jù)用戶信號波達方向的估計的變化，通過自適應濾波算法和信號處理技術(shù)對這些波束加權(quán)因子的過自適應濾波算法和信號處理技術(shù)對這些波束加權(quán)因子的幅幅度和相位自動做出相應的調(diào)整，使接收和發(fā)射方向圖動態(tài)度和相位自動做出相應的調(diào)整，使接收和發(fā)射方向圖動態(tài)的的跟蹤用戶，從而使波束準確指向期望用戶。跟蹤用戶，從而使波束準確指向期望用戶。 即通過對權(quán)值大小的調(diào)整來改變智能天線

14、方向圖中主瓣即通過對權(quán)值大小的調(diào)整來改變智能天線方向圖中主瓣和副瓣的位置及大小關(guān)系，盡量使方向圖中的主瓣對準用戶和副瓣的位置及大小關(guān)系，盡量使方向圖中的主瓣對準用戶信號的入射方向，使最低增益點對準干擾信號的入射方向，信號的入射方向，使最低增益點對準干擾信號的入射方向，以抑制干擾信號并最大可能的放大有用信號。以抑制干擾信號并最大可能的放大有用信號。7.5 7.5 面天線面天線 與線天線不同的另一類天線是面天線，又稱口徑天線。與線天線不同的另一類天線是面天線，又稱口徑天線。它所載的電流時沿天線體的金屬表面分布，且面天線的口它所載的電流時沿天線體的金屬表面分布，且面天線的口徑徑尺寸遠大于工作波長。面天線常用在無線電頻譜的高頻段，尺寸遠大于工作波長。面天線常用在無線電頻譜的高頻段，特別是微波波段。特別是微波波段。一一. .旋轉(zhuǎn)拋物面天線旋轉(zhuǎn)拋物面天線 旋轉(zhuǎn)拋物面天線由兩部分組成，一是拋物線繞其焦軸旋旋轉(zhuǎn)拋物面天線由兩部分組成，一是拋物線繞其焦軸旋轉(zhuǎn)而成的拋物反射面，反射面一般采用導電性能良好的金轉(zhuǎn)而成的拋物反射面，反射面一般采用導電性能良好的金屬屬或在其他