第六章天線基本原理與技術(shù)

1、第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40第二部分第二部分天線理論與技術(shù)天線理論與技術(shù)第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40第六章第六章 天線基本原理與技術(shù)天線基本原理與技術(shù) 在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波（發(fā)射），或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量（接收）電波（發(fā)射），或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量（接收）, , 用來輻用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線射和接收無線電波的裝置稱為

2、天線。天線應(yīng)具有以下性能：。天線應(yīng)具有以下性能： 一、天線的功能一、天線的功能信 息 源信 號 變 換發(fā) 射 機(jī)接 收 機(jī)受 信 者信 號 變 換 盡可能多地將導(dǎo)波能量互相轉(zhuǎn)電磁波能（高效率）盡可能多地將導(dǎo)波能量互相轉(zhuǎn)電磁波能（高效率） 具有適當(dāng)?shù)姆较蛐跃哂羞m當(dāng)?shù)姆较蛐?有適當(dāng)?shù)臉O化有適當(dāng)?shù)臉O化 有足夠的工作頻帶有足夠的工作頻帶 對傳遞的信息進(jìn)行一定的加工和處理（未來發(fā)展趨勢）對傳遞的信息進(jìn)行一定的加工和處理（未來發(fā)展趨勢）第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40二、天線的分類二、天線的分類l按用途按用途：通信天線、：通信天

3、線、 廣播電視天線、雷達(dá)天線等廣播電視天線、雷達(dá)天線等l按工作波長按工作波長：長波天線、：長波天線、 中波天線、中波天線、 短波天線、短波天線、 超短波天超短波天線和微波天線等線和微波天線等l按輻射元的類型按輻射元的類型：線天線、面天線：線天線、面天線線天線線天線：由半徑遠(yuǎn)小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成，主要用于長：由半徑遠(yuǎn)小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成，主要用于長 波、中波和短波波段波、中波和短波波段面天線面天線：由尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的，主要用：由尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的，主要用 于微波波段于微波波段二、天線的分析方法二、天線的分析方法l 天線問題實(shí)質(zhì)上是求解電磁場方程并滿足邊界條件天線

4、問題實(shí)質(zhì)上是求解電磁場方程并滿足邊界條件l 工程上往往將條件理想化，通過近似處理得到近似結(jié)果工程上往往將條件理想化，通過近似處理得到近似結(jié)果l 利用電磁場理論的數(shù)值計(jì)算方法利用電磁場理論的數(shù)值計(jì)算方法第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40 電流元也稱電流元也稱電基本振子電基本振子，它是一段，它是一段長度遠(yuǎn)小于波長長度遠(yuǎn)小于波長, , 電流電流I I振幅均勻分布振幅均勻分布、 相位相同相位相同的的直線直線電流。電流。6.2 電流元的輻射場一、電流元一、電流元 注：電流元線天線的基本組成部分注：電流元線天線的基本組成部分, ,

5、 任意線天線均可看成任意線天線均可看成是由一系列電基本振子構(gòu)成的。是由一系列電基本振子構(gòu)成的。 二、電流元的輻射場二、電流元的輻射場rjrerjrIdljE)1(cos2230rjerrjrIdljE)1(sin42230rjerjrIdlH)1(sin420E0rH0HPrzyxlOPrzyxlOdl第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40 在在天線遠(yuǎn)區(qū)（天線遠(yuǎn)區(qū)（rr）rjerIdljEsin420rjerIljHsin400urrr11123則：則：rjrjerIljHerIdljEsin2sin60 說明：說明：1

6、1）遠(yuǎn)區(qū)場電場、磁場相互正交，相位相同：）遠(yuǎn)區(qū)場電場、磁場相互正交，相位相同：橫電磁橫電磁 (TEM)(TEM)波波2 2） 電磁波電磁波沿徑向傳播沿徑向傳播raveHES213 3）遠(yuǎn)區(qū)場為）遠(yuǎn)區(qū)場為球面波球面波4 4）電流元的輻射是）電流元的輻射是有方向性有方向性的的第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40三、電流元輻射方向特性三、電流元輻射方向特性 方向函數(shù)方向函數(shù) ：描述天線輻射場與方位角：描述天線輻射場與方位角 的關(guān)系。的關(guān)系。),( 電流元的方向函數(shù)：電流元的方向函數(shù)：sin),(F 方向圖：由方向函數(shù)作出的圖形

7、，即為天線方向圖。方向圖：由方向函數(shù)作出的圖形，即為天線方向圖。 依據(jù)方向函數(shù)作出電流元的方向圖為：依據(jù)方向函數(shù)作出電流元的方向圖為：),(F60sinj rIdlEjer第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:406.4 天線的電參數(shù)6.4.1 6.4.1 天線方向性特性參數(shù)天線方向性特性參數(shù)一、方向函數(shù)一、方向函數(shù) 方向函數(shù)：描述天線的輻射強(qiáng)度與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，分方向函數(shù)：描述天線的輻射強(qiáng)度與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，分場強(qiáng)方向函數(shù)場強(qiáng)方向函數(shù)和和功率方向函數(shù)功率方向函數(shù)。 場強(qiáng)方向函數(shù)場強(qiáng)方向函數(shù) ：由輻射場電場表達(dá)

8、式中與方位有關(guān)的表達(dá)：由輻射場電場表達(dá)式中與方位有關(guān)的表達(dá)式組成。如電流元場強(qiáng)方向函數(shù)為：式組成。如電流元場強(qiáng)方向函數(shù)為：sin),(F),(F 功率方向函數(shù)功率方向函數(shù) ：由坡印廷矢量表達(dá)式，知由坡印廷矢量表達(dá)式，知2),(),(FP),(P2Re212ESHES第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40 歸一化方向函數(shù)歸一化方向函數(shù) ：為便于對不同天線方向性進(jìn)行比較，往：為便于對不同天線方向性進(jìn)行比較，往往將方向函數(shù)對其最大值進(jìn)行歸一化，即：往將方向函數(shù)對其最大值進(jìn)行歸一化，即：),(fmFFf),(),(歸一化方向函數(shù)的

9、最大值等于歸一化方向函數(shù)的最大值等于1 1。 用于描述天線輻射場的相對場強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變用于描述天線輻射場的相對場強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變化的曲線或曲面圖。化的曲線或曲面圖。二、方向圖二、方向圖電流元電流元方向圖方向圖第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40 微波天線方向圖通常由與場矢量相平行的兩個(gè)平面表示：微波天線方向圖通常由與場矢量相平行的兩個(gè)平面表示：E E平面：平面：通過最大輻射方向，通過最大輻射方向，與電場矢量平行的平面；與電場矢量平行的平面；H H平面：平面：通過通過最大輻射方向，最大輻射方向，與磁場矢量

10、平行的平面；與磁場矢量平行的平面；E平面平面H平面平面 方向圖可由極坐標(biāo)表示，也可用直角坐標(biāo)表示：方向圖可由極坐標(biāo)表示，也可用直角坐標(biāo)表示：極坐標(biāo)極坐標(biāo)直角坐標(biāo)直角坐標(biāo)電流元方向圖電流元方向圖第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40三、主瓣寬度三、主瓣寬度 主瓣寬度是衡量天線的主瓣寬度是衡量天線的最大輻射方向的能量集中程度最大輻射方向的能量集中程度的物的物理量。理量。 半功率主瓣寬度半功率主瓣寬度 ：功率方向圖中：功率方向圖中兩個(gè)半功率點(diǎn)兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的角之間的角寬度，或場強(qiáng)方向圖中最大場強(qiáng)的寬度，或場強(qiáng)方向圖中最大場強(qiáng)的

11、 兩點(diǎn)之間的角寬度；兩點(diǎn)之間的角寬度； 零功率波瓣寬度：方向圖由最大值點(diǎn)兩邊零功率波瓣寬度：方向圖由最大值點(diǎn)兩邊第一個(gè)零點(diǎn)第一個(gè)零點(diǎn)間的角間的角寬。寬。21半功率主瓣寬度半功率主瓣寬度零功率主瓣寬度零功率主瓣寬度5 . 02第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40四、旁瓣電平四、旁瓣電平SLLSLL1 1 離主瓣離主瓣最近最近且電平且電平最高最高的波瓣電平與主瓣電平的比值的波瓣電平與主瓣電平的比值, , 一般以分貝表示。一般以分貝表示。主瓣：其方向?yàn)樘炀€輻射主向主瓣：其方向?yàn)樘炀€輻射主向第一副瓣第一副瓣maxmax11lg2

12、0EESLL 注：副瓣電平反映了天線方向性的好壞注：副瓣電平反映了天線方向性的好壞maxE1maxE第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:406.4.2 6.4.2 天線的極化天線的極化天線的極化與其輻射的電磁波的極化方式相同。天線的極化與其輻射的電磁波的極化方式相同。 天線的極化包括：天線的極化包括：垂直極化垂直極化、水平極化水平極化，圓極化圓極化。 注：實(shí)際工程中，不存在理想圓極化天線，一般為橢圓極化天線注：實(shí)際工程中，不存在理想圓極化天線，一般為橢圓極化天線 通信系統(tǒng)中，發(fā)射天線和接收天線的極化方式必須要匹配通信系統(tǒng)中，

13、發(fā)射天線和接收天線的極化方式必須要匹配6.4.3 6.4.3 天線效率與輻射電阻天線效率與輻射電阻1PPPPPiA 天線效率天線效率 ：天線天線輻射功率輻射功率與與輸入功率輸入功率之比，即：之比，即：A式中：式中： 為天線輻射功率，為天線輻射功率， 為天線歐姆損耗功率。為天線歐姆損耗功率。1PPSSsdHEsdSPSsdHERe21第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40RIPm221輻射電阻輻射電阻R R： 輻射電阻定義輻射電阻定義: : 某電阻上通過電流等于天線上的最大電流，某電阻上通過電流等于天線上的最大電流，若其損耗

14、的功率等于天線的輻射功率若其損耗的功率等于天線的輻射功率 ，則該電阻值即為該天，則該電阻值即為該天線的輻射電阻。線的輻射電阻。P22mIPR天線的輻射電阻表示了天線輻射電磁波的能力，與饋電電流天線的輻射電阻表示了天線輻射電磁波的能力，與饋電電流的大小無關(guān)，是天線自身具有的屬性。的大小無關(guān)，是天線自身具有的屬性。第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:406.4.4 6.4.4 天線方向系數(shù)與增益天線方向系數(shù)與增益一、一、 方向系數(shù)方向系數(shù)D D 定義：定義：0maxSSD 設(shè)天線輻射功率為設(shè)天線輻射功率為P Pr r，最大輻射方

15、向電場為，最大輻射方向電場為E Em m, ,則：則：240),(),(21202maxmmmmmmEES204 rPSdrEdsdSPSsin240),(22002 在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度射功率流密度S Smaxmax，與，與相同輻射功率相同輻射功率在理想無方向性天線在同一在理想無方向性天線在同一位置處的輻射功率流密度位置處的輻射功率流密度S S0 0之比：之比： 即即第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40dEdEDmmmsin),(),(42

16、0022dfdDsin),(42002二、二、 增益增益G G方向系數(shù)方向系數(shù)D D未考慮天線效率的影響。未考慮天線效率的影響。 增益定義增益定義: : 在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度上的輻射功率流密度S Smaxmax，與，與相同輸入功率相同輸入功率在理想無方向性在理想無方向性天線在同一位置處的輻射功率流密度天線在同一位置處的輻射功率流密度S S0 0之比。之比。DGA第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40max0ASGS 由上式可得一個(gè)天線最大輻射方向上的

17、場強(qiáng)為由上式可得一個(gè)天線最大輻射方向上的場強(qiáng)為rPDrGPEiAim6060由方向系數(shù)及增益定義，有：由方向系數(shù)及增益定義，有：imPEr6022AiPP輸入功率輸入功率2222240604mmErEPPr第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40例例 確定沿確定沿z 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)。 解解: : 電基本振子的歸一化方向函數(shù)為電基本振子的歸一化方向函數(shù)為: : sin),(f代入方向系數(shù)的表達(dá)式得代入方向系數(shù)的表達(dá)式得5 . 1sinsin42002 ddD)(76. 15 . 1

18、lg10dBD分貝數(shù)表示為：分貝數(shù)表示為：第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:406.4.5 6.4.5 輸入阻抗輸入阻抗注：輸入阻抗取決于天線本身的結(jié)構(gòu)與尺寸、工作頻率以及鄰近天注：輸入阻抗取決于天線本身的結(jié)構(gòu)與尺寸、工作頻率以及鄰近天線周圍物體等的影響。線周圍物體等的影響。 天線有效長度定義：在保持實(shí)際天線最大天線有效長度定義：在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場強(qiáng)值不變的條件下輻射方向上的場強(qiáng)值不變的條件下, , 假設(shè)天線假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時(shí)天線的等效長度。上電流分布為均勻分布時(shí)天線的等效長度。6.4.6 6.4

19、.6 有效長度有效長度輸入阻抗和輸入電壓輸入阻抗和輸入電壓 和電流和電流 的關(guān)系是的關(guān)系是inUinIinininininXRIUZ天線的有效長度愈長天線的有效長度愈長, , 輻射能力愈強(qiáng)。輻射能力愈強(qiáng)。lleIdzIl01第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:406.4.7 6.4.7 工作帶寬工作帶寬%1000minmaxfffBf f0 0頻帶的中心頻率頻帶的中心頻率f fmaxmax是某天線參數(shù)不超過規(guī)定變化范圍的最高頻率是某天線參數(shù)不超過規(guī)定變化范圍的最高頻率f fminmin是某天線參數(shù)不超過規(guī)定變化范圍的最低頻率

20、是某天線參數(shù)不超過規(guī)定變化范圍的最低頻率minmaxff窄帶：窄帶：寬帶：寬帶：第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:406.5 接收天線接收天線接收電磁波的物理過程：接收天線接收電磁波的物理過程： tEE 與導(dǎo)體表面長度方向相切的電場分量能在天線與導(dǎo)體表面長度方向相切的電場分量能在天線上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢及感生電流：上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢及感生電流：ltdzE第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40接收天線電參數(shù)接收天線電參數(shù) 當(dāng)把接收天線置于電磁波環(huán)境中，接收天線

21、就可當(dāng)把接收天線置于電磁波環(huán)境中，接收天線就可以感應(yīng)出電流，由于天線本身的阻抗，接收天線的輸以感應(yīng)出電流，由于天線本身的阻抗，接收天線的輸出端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。在無線系統(tǒng)中，接收天線的出端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。在無線系統(tǒng)中，接收天線的功能就是接收電磁波能量并轉(zhuǎn)化為高頻電流的能量。功能就是接收電磁波能量并轉(zhuǎn)化為高頻電流的能量。其輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢就通過饋線輸送電流到接收機(jī)其輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢就通過饋線輸送電流到接收機(jī) 。6.5.1 6.5.1 收發(fā)天線的互易性收發(fā)天線的互易性第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40212211IUIU

22、一副無源天線作發(fā)射時(shí)的方向圖和作接收時(shí)的方向圖是相同的一副無源天線作發(fā)射時(shí)的方向圖和作接收時(shí)的方向圖是相同的 天線的阻抗也不因它作接收或發(fā)射工作方式而改變天線的阻抗也不因它作接收或發(fā)射工作方式而改變 天線的其他輻射特性（如方向性系數(shù)天線的其他輻射特性（如方向性系數(shù)增益增益極化等）也與極化等）也與天線的收天線的收發(fā)工作方式無關(guān)發(fā)工作方式無關(guān) 第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40 同一天線用于接收時(shí)，方向函數(shù)、阻抗、有效長度、同一天線用于接收時(shí)，方向函數(shù)、阻抗、有效長度、增益等參數(shù)都與發(fā)射時(shí)相同增益等參數(shù)都與發(fā)射時(shí)相同天線的

23、互易定理天線的互易定理。6.5.2 天線的有效接收面積天線的有效接收面積 定義：接收天線與某方向的來波極化一致時(shí)，天線的匹定義：接收天線與某方向的來波極化一致時(shí)，天線的匹配接收功率與來波能流密度之比配接收功率與來波能流密度之比rpPSS可以推得，天線的有效面積可表示為：可以推得，天線的有效面積可表示為：24SD式中：式中： 為天線的方向系數(shù)。為天線的方向系數(shù)。D242120120AAeRSSRl第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:406.5.3 6.5.3 阻抗失配及極化失配阻抗失配及極化失配pSpSvPRR222211111LALAZZRZZ 第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:406.5.4 6.5.4 接收天線的噪聲溫度接收天線的噪聲溫度204UkT BR204NmUPkT BR第六章 天線基本原理與技術(shù)微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院9:40到達(dá)接收機(jī)的噪聲功率：到達(dá)接收機(jī)的噪聲功率： 如果饋線的損耗因子是