天線理論與設(shè)計(jì)—第二

1、 第二章2.1 輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度 2.2 發(fā)射天線參數(shù)發(fā)射天線參數(shù) 2.2.1阻抗和輻射效率阻抗和輻射效率 2.2.2輻射方向圖輻射方向圖 2.2.3方向性系數(shù)和增益方向性系數(shù)和增益 2.2.4帶寬帶寬 2.2.5極化極化第二章第二章 天線的基本參數(shù)天線的基本參數(shù) 第二章2.1 輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度2.1.1 弧度和立體弧度弧度是平面角的計(jì)量單位,頂點(diǎn)在圓心,弧長(zhǎng)等于半徑R的 圓弧所對(duì)的平面角定義為一弧度。 圓的周長(zhǎng)C=2R， 2Rad。 第二章立體弧度是立體角的計(jì)量單位，頂點(diǎn)在球心，面積等于半徑平方 的球面所對(duì)的立體角定義為一立體弧度（sr）。整個(gè)球面的面積S=4 R2，面元 ds=R2sin

2、d d m2立體弧度面元 d= ds /R2=sin d d sr因而封閉球面的立體角為4 sr 第二章輻射強(qiáng)度定義：給定方向上單位立體角輻射的功率。rrHEURe21),(2W/Sr消除了距離的影響(注意式中r和E、H間關(guān)系)輻射功率dUPr, 第二章2.2.1 阻抗和輻射效率阻抗和輻射效率Zin=Rin+jxinZg2.2 天線的基本參數(shù)天線的基本參數(shù) 第二章Zin=Rin+jxinRinRr+Rl式中：Rr為輻射電阻 Rl為損耗電阻 第二章反射系數(shù)00zzzzinin電壓駐波比11VSWR阻抗匹配Zin=Z0 第二章輻射效率天線的輸入功率僅有一部分轉(zhuǎn)換為輻射功率，其余被天線及其附近結(jié)構(gòu)所

3、吸收。輻射效率定義為天線的輻射功率與凈輸入功率之比。inrPPe linrinrinRIRIRIe222212121lrrRRRinrRR對(duì)于電小天線對(duì)于電小天線 rlRR 21e對(duì)于一些口徑天線對(duì)于一些口徑天線 1e 第二章2.2.2 輻射方向圖定義：天線的輻射特性隨空間坐標(biāo)的變化圖形。 通常輻射方向圖在遠(yuǎn)區(qū)確定，輻射特性包括場(chǎng)強(qiáng)、輻射強(qiáng)度、相位或極化。 第二章場(chǎng)強(qiáng)方向圖：在固定距離r=r0的球面上，輻射電場(chǎng)隨角坐標(biāo)的相對(duì)變化圖形為場(chǎng)強(qiáng)方向圖。方向圖函數(shù)F(,)00,mEEF歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向圖函數(shù)功率方向圖：在固定距離r=r0的球面上，波印廷矢量的r分量隨角坐標(biāo)的相對(duì)變化圖形為功率方向圖。方向

4、圖函數(shù)記為P(,) 第二章波印廷矢量的r分量r*21HEHE),(2/2/),(222FEEPm*21HESr00HHEErHE2221EE2/2E 第二章用于天線分析的坐標(biāo)系 第二章 例 2-1畫出沿z軸放置的電振子的方向圖。 解: 方向圖函數(shù)為： sin4sin4jkrjkrerlkIjerlkIj00,mEEF 第二章立體方向圖 第二章 第二章二維平面方向圖三維方向圖形象直觀，但實(shí)際中給出兩個(gè)二維主平面就三維方向圖形象直觀，但實(shí)際中給出兩個(gè)二維主平面就得出大部分需要信息得出大部分需要信息E面H面E面面 過最大輻射方向且平行電場(chǎng)矢量的平面過最大輻射方向且平行電場(chǎng)矢量的平面H面面 過最大輻射

5、方向且平行磁場(chǎng)矢量的平面過最大輻射方向且平行磁場(chǎng)矢量的平面 第二章單位線性 1 0.5分貝 0 -3dB,lg20,FFdB,lg10,PPdBdBdBFP2,場(chǎng)強(qiáng)方向圖和功率方向圖分貝表示時(shí)值相等 第二章 第二章采用不同坐標(biāo)形式的方向圖 圖 2 -3 (a) 極坐標(biāo)表示的H平面方向圖； (b) 直角坐標(biāo)H平面方向圖； (c) 直角坐標(biāo)E平面方向圖 第二章按方向圖特征的天線分類各向同性天線：天線向各個(gè)方向均勻輻射。方向性天線：天線在某些方向的輻射比其他 方向的輻射強(qiáng)得多全向天線：天線在某個(gè)平面內(nèi)的輻射為無(wú)方向性，在其正交面具有方向性 第二章波瓣 主瓣、副瓣、旁瓣和背瓣 第二章 第二章波瓣寬度半

6、功率波瓣寬度：從方向圖的原點(diǎn)過輻射強(qiáng)度是最大值一 半(對(duì)應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)是最大值的 )的點(diǎn)的 矢量所夾的角度。（3dB波瓣寬度）E面和 H面的半功率波瓣寬度分別用2HPE 和2HPH表示。21副瓣電平（SLL）：副瓣峰值與主瓣最大值之比。 以分貝表示為00,lg20mssdBFFSLL第一零陷波瓣寬度：從方向圖的原點(diǎn)與主瓣的根部相切的 矢量所夾的角度。用20表示 第二章 第二章2.2.3方向性系數(shù)和增益方向性系數(shù)和增益方向性增益方向性增益定義：定義：天線在某方向的輻射強(qiáng)度與參考天線的輻射強(qiáng)度之比。天線在某方向的輻射強(qiáng)度與參考天線的輻射強(qiáng)度之比。參考天線：參考天線：與實(shí)際天線具有相同的輻射功率，并且均勻輻

7、射。與實(shí)際天線具有相同的輻射功率，并且均勻輻射。 avUUD/,2,FUUmddFUdUPUmrav 2020sin,41,414ddFUFUDmm 20202sin,4, 第二章ddFFD 20202sin,4,2,4FA定義波瓣立體角dFF22,4dFA2,天線的波瓣立體角是一個(gè)立體角，如果所有功率均通過此立體角輻射，在此立體角內(nèi)輻射強(qiáng)度均勻并等于最大值 第二章波瓣立體角波瓣立體角dFUUdFmmA22,1,方向性系數(shù)是最大輻射方向上的方向性增益方向性系數(shù)是最大輻射方向上的方向性增益 AD4最大最大輻射強(qiáng)度方向上的輻射強(qiáng)度是平均輻射強(qiáng)度的最大輻射強(qiáng)度方向上的輻射強(qiáng)度是平均輻射強(qiáng)度的幾倍幾倍

8、 波瓣立體角大小和天線方向性強(qiáng)弱的關(guān)系如何？ 第二章DDdBDUUavlg10,00，功率增益功率增益 任意方向上的輻射強(qiáng)度與無(wú)耗各向同性參考天線任意方向上的輻射強(qiáng)度與無(wú)耗各向同性參考天線的輻射強(qiáng)度之比的輻射強(qiáng)度之比,GininPUPUG,44, 第二章ePPPPerininr,4,4,4,eDPeUePUPUGrrinGGdBeDGlg10參數(shù)的測(cè)試獲?。?第二章 第二章 第二章 第二章2.2.4 頻率帶寬（帶寬）頻率帶寬（帶寬） 通常通常根據(jù)系統(tǒng)提出的要求和給定的中心頻率，人們可以設(shè)計(jì)一個(gè)滿足指標(biāo)要求的天線。但在偏離中心工作頻率時(shí)，天線相對(duì)某一一特性的特性的電性能將會(huì)下降，電性能下降到容許

9、值的頻率范圍，就稱為天線的頻帶寬度。 天線帶寬：相對(duì)于某個(gè)特性，天線的性能符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍天線特性：輸入阻抗、方向圖、波瓣 指向、副瓣電平、 增益、極化等 第二章 不同系統(tǒng)對(duì)天線工作頻帶的要求不同，例如，中波廣播發(fā)射天線對(duì)頻帶要求不高；短波定點(diǎn)通信天線因?yàn)殡姴〞円?、四季變化需要?jīng)常更換工作頻率。則需要有一定的帶寬； 電子對(duì)抗設(shè)備為進(jìn)行干擾或抗干擾往往需要天線有很寬的工作頻帶。 不同型式天線的電性能對(duì)頻率的敏感程度也不盡相同。例如，當(dāng)頻率變化時(shí)，一般對(duì)稱振子天線的方向圖、增益等參數(shù)變化不大，但它的輸入阻抗則變化很大，因而匹配程度受頻率變化的影響較大，所以在一些對(duì)方向圖形狀要求不高的系統(tǒng)中，

10、主要解決阻抗帶寬的問題。 在某些天線陣中，頻率變化會(huì)使主瓣指向偏離預(yù)定方向、副瓣電平增高，甚至可能出現(xiàn)柵瓣，這時(shí)的主要矛盾就成為方向圖帶寬問題。 第二章窄帶天線窄帶天線 %1000minmaxfff寬帶天線寬帶天線 minmaxff通常 第二章若要求天線若要求天線 SLL-25dB VSWR 1.3 的帶寬（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試）dBG30 第二章2.2.5 極化極化天線在給定方向的極化定義為“天線被激勵(lì)時(shí)輻射波的極化，或在天線輸出端得到最大可用功率時(shí)的給定方向上入射波的極化”未規(guī)定方向時(shí)，極化為最大增益方向的極化。輻射波的極化定義為“描述電磁波電場(chǎng)矢量的方向和相對(duì)幅度的時(shí)變特性，確切地說，就是

11、在空間固定位置沿傳播方向觀察到的電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)隨時(shí)間變化的軌跡”。 第二章 第二章極化包括：線極化、圓極化、橢圓極化 第二章相位復(fù)矢量jyxeEyExEjyxeyxEEEsincos22其中xyEEarctg改寫成 第二章jkzjyxeeEyExEtjjkzjyxeeeEyExRetExxcos)cos(tEyy 第二章1，線極化900 第二章2，圓極化45yxEE逆時(shí)針順時(shí)針, 2 , 1 , 0221, 2 , 1 , 0221nnnn左旋圓極化波為逆時(shí)針，右旋圓極化波為順時(shí)針 第二章3，橢圓極化A.2 , 1 , 045,nnEEyxB.2 , 1 , 045,nnEEyxnn22122

12、1 第二章21212244222cos21yxyxyxEEEEEEOA21212244222cos21yxyxyxEEEEEEOBcos22122yxyxEEEEarctg 第二章 第二章 第二章例：有一副天線的輻射場(chǎng)為jkzeyjxE) 22(請(qǐng)判斷該天線的極化。解：由輻射場(chǎng)jkzeyjxE) 22(變換得jkzjeeyxE)45sin45(cos2209000 第二章由上知452900該天線為圓極化，順時(shí)針圓極化 第二章例：電流元的參數(shù)計(jì)算例：電流元的參數(shù)計(jì)算已知電流元輻射的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)已知電流元輻射的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)120sin4sin4jkrjkrerlkIjHerlkIjE解：解：1.輻射電阻輻射電阻 rR輻射功率輻射功率 第二章2228021 lIPr2228021lIPRrr222222008021sinsin4221 lIddrrlkIdsHEPsr 第二章2.場(chǎng)強(qiáng)方向圖場(chǎng)強(qiáng)方向圖 ),(),(),(00mEEFjkrjkrerlkIjerlkIj4sin4