《微波技術(shù)與天線》第6章

1、6.1 概論概論6.2 基本振子的輻射基本振子的輻射6.3 天線的電參數(shù)天線的電參數(shù)6.4 接收天線理論接收天線理論第第6章天線輻射與接收的基本理論章天線輻射與接收的基本理論v1. 天線的定義天線的定義天線的基本功能是輻射和接收無(wú)線電波天線的基本功能是輻射和接收無(wú)線電波F發(fā)射時(shí)，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波；發(fā)射時(shí)，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波；F接收時(shí)，把電滋波轉(zhuǎn)換為高頻電流。接收時(shí)，把電滋波轉(zhuǎn)換為高頻電流。 不同的無(wú)線電設(shè)備對(duì)天線的要求不同。不同的無(wú)線電設(shè)備對(duì)天線的要求不同。 發(fā)射機(jī) 接收機(jī)發(fā)射天線 接收天線 電波 饋線 饋線 圖6-1-1 無(wú)線電設(shè)備的信道方框圖通信系統(tǒng)中的天線通信系統(tǒng)中的天線v 能

2、量的轉(zhuǎn)換：能量的轉(zhuǎn)換：自由空間的電磁能量與高頻自由空間的電磁能量與高頻電流能量的相互轉(zhuǎn)換；電流能量的相互轉(zhuǎn)換；v 能量的分配：能量的分配：使空間傳播的電磁波能量在使空間傳播的電磁波能量在指定的空域內(nèi)輻射傳播；指定的空域內(nèi)輻射傳播；信信息息源源信號(hào)變換信號(hào)變換發(fā)發(fā)信信機(jī)機(jī)收收信信機(jī)機(jī)信號(hào)變換信號(hào)變換受受信信者者 發(fā)射：高頻能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量；發(fā)射：高頻能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量； 向指定空域發(fā)射電磁波；向指定空域發(fā)射電磁波； 接收：電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻電流形式的能量接收：電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻電流形式的能量 ； 收集指定空域內(nèi)的電磁波。收集指定空域內(nèi)的電磁波。能接收電能接收電磁能量磁能量 天線天線2、

3、天線的作用、天線的作用分類(lèi)的方法分類(lèi)的方法種類(lèi)種類(lèi)按用途分按用途分通信天線、廣播天線、雷達(dá)天線、導(dǎo)航天線、通信天線、廣播天線、雷達(dá)天線、導(dǎo)航天線、測(cè)向天線等測(cè)向天線等按工作頻段分按工作頻段分長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線線和微波天線方向性的強(qiáng)弱方向性的強(qiáng)弱全向天線、弱方向性天線和強(qiáng)方向性天線等全向天線、弱方向性天線和強(qiáng)方向性天線等按極化特性按極化特性線極化天線、圓極化天線、橢圓極化天線等線極化天線、圓極化天線、橢圓極化天線等按工作原理分按工作原理分駐波天線、行波天線；陣列天線駐波天線、行波天線；陣列天線按波束控制的按波束控制的方法分方法

4、分固定波束天線、相控天線、智能天線等固定波束天線、相控天線、智能天線等按基本結(jié)構(gòu)分按基本結(jié)構(gòu)分線天線、面天線、縫隙天線線天線、面天線、縫隙天線按電尺寸分按電尺寸分電小天線：尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)；電大尺寸電小天線：尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)；電大尺寸天線：大小與工作波長(zhǎng)可以比擬天線：大小與工作波長(zhǎng)可以比擬天線的分類(lèi)天線的分類(lèi) 天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰?。天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰俊?這首先要求天線是一個(gè)良好的電磁開(kāi)放系統(tǒng)這首先要求天線是一個(gè)良好的電磁開(kāi)放系統(tǒng), 其次要求其次要求天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配匹配(需要計(jì)算或測(cè)試天線的輻需要計(jì)算或測(cè)試天線的輻

5、射阻抗）射阻抗）。 天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上, 或?qū)Υ_定或?qū)Υ_定方向的來(lái)波最大限度的接受方向的來(lái)波最大限度的接受, 即天線具有即天線具有方向性（方向方向性（方向函數(shù)）函數(shù)）。 天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波, 即天線有適當(dāng)即天線有適當(dāng)?shù)牡臉O化極化。 天線應(yīng)有足夠的天線應(yīng)有足夠的工作頻帶工作頻帶。對(duì)天線的要求對(duì)天線的要求 方向性圖方向性圖 方向性系數(shù)方向性系數(shù) 增益增益 輸入阻抗輸入阻抗 駐波系數(shù)駐波系數(shù) 效率效率影響天線性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素v天線電尺寸天線電尺寸v天線的形狀和結(jié)構(gòu)天線的形狀和結(jié)構(gòu)v天線上的電

6、流分布天線上的電流分布 發(fā)射機(jī) 接收機(jī)發(fā)射天線 接收天線 電波 饋線 饋線 天線常用的性能指標(biāo)天線常用的性能指標(biāo)：天線饋線系統(tǒng)手機(jī)拉桿電視天線天線 無(wú)線公話天線天線35厘米衛(wèi)星天線 八木天線（八木秀次和宇田太郞） 雷達(dá)天線陣美軍裝備的“鋪路爪”相控陣?yán)走_(dá) 日本的FPS-XX警戒管制雷達(dá) 美國(guó)SBX海基X波段反導(dǎo)雷達(dá)AN_FPS-117型遠(yuǎn)程對(duì)空監(jiān)視雷達(dá) 美國(guó)空軍F-15C戰(zhàn)斗機(jī)裝載的(AESA)有源相控陣?yán)走_(dá) 美軍地勤人員檢修F-15C戰(zhàn)斗機(jī)APG-63雷達(dá) 中國(guó)的天線陣？中國(guó)空警200型預(yù)警機(jī)空警200的雷達(dá)盤(pán)子 地空導(dǎo)彈系統(tǒng)的地面制導(dǎo)設(shè)備 解析法：求解電磁場(chǎng)方程并滿足邊界條件解析法：求解電

7、磁場(chǎng)方程并滿足邊界條件, 但但這往往十分繁這往往十分繁雜雜, 有時(shí)甚至是十分困難的。有時(shí)甚至是十分困難的。在實(shí)際問(wèn)題中在實(shí)際問(wèn)題中, 往往將條件理想往往將條件理想化化, 進(jìn)行一些近似處理進(jìn)行一些近似處理, 從而得到近似結(jié)果從而得到近似結(jié)果, 這是天線工程中最這是天線工程中最常用的方法。常用的方法。 數(shù)值法：在某些情況下數(shù)值法：在某些情況下, 如果需要較精確的解如果需要較精確的解, 可借助電磁可借助電磁場(chǎng)理論的數(shù)值計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行。場(chǎng)理論的數(shù)值計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行。天線的研究方法天線的研究方法預(yù)備知識(shí)：時(shí)變場(chǎng)的達(dá)朗貝爾方程，滯后位及其解預(yù)備知識(shí)：時(shí)變場(chǎng)的達(dá)朗貝爾方程，滯后位及其解v磁矢位和電標(biāo)位v線性、

8、均勻各向同性的無(wú)耗媒質(zhì)中， 時(shí)諧形式的麥克斯韋方程天線輻射場(chǎng)的求解思路：天線輻射場(chǎng)的求解思路：點(diǎn)源點(diǎn)源的磁矢位轉(zhuǎn)換點(diǎn)源的輻射場(chǎng)計(jì)算連續(xù)分布結(jié)構(gòu)的輻射場(chǎng)突破點(diǎn)源后利用突破點(diǎn)源后利用結(jié)果推導(dǎo)新結(jié)構(gòu)結(jié)果推導(dǎo)新結(jié)構(gòu)的結(jié)果的結(jié)果6.2 基本振子的輻射基本振子的輻射圖 6 2 電基本振子PrzyxlOyxzlOIrEHEr1. 電基本振子電基本振子 電基本振子是一段電基本振子是一段長(zhǎng)度長(zhǎng)度l遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng), 電流電流I振幅振幅均勻分布、均勻分布、相位相同相位相同的直線電流元的直線電流元, 它是線天線的基本組成部分它是線天線的基本組成部分, 任意線天任意線天線均可看成是由一系列電基本振子構(gòu)成的。線均可

9、看成是由一系列電基本振子構(gòu)成的。 320232022cos()4 1sin()4 1sin ()0040jkrrjkrjkrrIljkEerrIljkjkEerrrIljkHerrEHH(6-2-1)式中, ， 是媒質(zhì)中電磁波的波數(shù) k電基本振子的輻射場(chǎng)在電磁場(chǎng)理論中在電磁場(chǎng)理論中, 已給出了在球坐標(biāo)原點(diǎn)已給出了在球坐標(biāo)原點(diǎn)O沿沿z軸放置的軸放置的電基本振子電基本振子(圖圖6 -2)在周?chē)臻g產(chǎn)生的場(chǎng)為在周?chē)臻g產(chǎn)生的場(chǎng)為yxzlOIrEHEr303022cos4 2sin4 sin4rIlEjrIlEjrIlHr (6-2-2)302230222cos()4 1sin()4 1sin ()4

10、jkrjkrrjkrkerkjIljErIljkerrjErIklHerr21rkr時(shí) 303022cos42sin4sin4rIlEjrwIlEjrwIlHr 近區(qū)場(chǎng)的特點(diǎn)近區(qū)場(chǎng)的特點(diǎn) 在近區(qū)在近區(qū), 電場(chǎng)和與靜電場(chǎng)問(wèn)題中的電偶極子的電場(chǎng)相似電場(chǎng)和與靜電場(chǎng)問(wèn)題中的電偶極子的電場(chǎng)相似, 磁場(chǎng)和恒磁場(chǎng)和恒 定電流場(chǎng)問(wèn)題中的電流元的磁場(chǎng)相似定電流場(chǎng)問(wèn)題中的電流元的磁場(chǎng)相似, 所以近區(qū)場(chǎng)稱為所以近區(qū)場(chǎng)稱為準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)；準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)； 由于場(chǎng)強(qiáng)與由于場(chǎng)強(qiáng)與1/r的高次方成正比的高次方成正比, 所以近區(qū)場(chǎng)隨距離的增大而迅速減所以近區(qū)場(chǎng)隨距離的增大而迅速減 小小, 即即離天線較遠(yuǎn)時(shí)離天線較遠(yuǎn)時(shí), 可認(rèn)為近區(qū)場(chǎng)近似

11、為零可認(rèn)為近區(qū)場(chǎng)近似為零； 電場(chǎng)與磁場(chǎng)相位相差電場(chǎng)與磁場(chǎng)相位相差90, 說(shuō)明玻印廷矢量為虛數(shù)說(shuō)明玻印廷矢量為虛數(shù), 也就是說(shuō)也就是說(shuō), 電磁電磁 能量在場(chǎng)源和場(chǎng)之間來(lái)回振蕩能量在場(chǎng)源和場(chǎng)之間來(lái)回振蕩, 沒(méi)有能量向外輻射沒(méi)有能量向外輻射, 所以近區(qū)場(chǎng)又所以近區(qū)場(chǎng)又 稱為稱為感應(yīng)場(chǎng)。感應(yīng)場(chǎng)。 23111rrr1 jkre電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為jkrerIljEsin60jkrerIljHsin2(6-2-5)HES21H 在遠(yuǎn)區(qū)在遠(yuǎn)區(qū), 電基本振子的場(chǎng)只有電基本振子的場(chǎng)只有 和和 兩個(gè)分量?jī)蓚€(gè)分量, 它們?cè)谒鼈冊(cè)诳臻g上相互垂直空間上相互垂直, 在時(shí)間上同相位在時(shí)間上同相位, 所以其玻印廷矢量所以其玻

12、印廷矢量 是實(shí)數(shù)是實(shí)數(shù), 且指向且指向 r 方向。方向。 這說(shuō)明電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是一個(gè)沿這說(shuō)明電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是一個(gè)沿著徑向向外傳播的橫電磁波著徑向向外傳播的橫電磁波, 所以遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱所以遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱輻射場(chǎng)輻射場(chǎng); / = =120（）是一常數(shù)）是一常數(shù), 即等于媒質(zhì)的即等于媒質(zhì)的本征阻抗本征阻抗, 因而遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)具有與平面波相同的特性因而遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)具有與平面波相同的特性; 輻射場(chǎng)的強(qiáng)度與距離成反比輻射場(chǎng)的強(qiáng)度與距離成反比, 隨著距離的增大隨著距離的增大, 輻射場(chǎng)輻射場(chǎng)減小。減小。 這是因?yàn)檩椛鋱?chǎng)是以這是因?yàn)檩椛鋱?chǎng)是以球面波的形式向外擴(kuò)散的球面波的形式向外擴(kuò)散的, 當(dāng)距離當(dāng)距離增大時(shí)增大時(shí), 輻射能

13、量分布到更大的球面面積上輻射能量分布到更大的球面面積上; 在不同的方向上在不同的方向上, 輻射強(qiáng)度是不相等的。這說(shuō)明電基本輻射強(qiáng)度是不相等的。這說(shuō)明電基本振子的輻射是有振子的輻射是有方向性方向性的。的。 00 /HEE遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的特點(diǎn)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的特點(diǎn)sin8fEH輻射場(chǎng)與方向有關(guān)。方向性函數(shù) （ ， ）面方向性圖為 字形。面方向性圖為圓形（軸對(duì)稱）sinf（ ， ）輻射場(chǎng)的方向性輻射場(chǎng)的方向性 磁基本振子是一個(gè)半徑為磁基本振子是一個(gè)半徑為b的細(xì)線小環(huán)的細(xì)線小環(huán), 且小環(huán)的周長(zhǎng)滿且小環(huán)的周長(zhǎng)滿足條件：足條件：2b, 如圖如圖6- 3所示。假設(shè)其上有電流所示。假設(shè)其上有電流i(t)=Icost, 由電磁場(chǎng)

14、理論由電磁場(chǎng)理論, 其磁偶極矩矢量為其磁偶極矩矢量為mzzmpabIaP2根據(jù)電與磁的對(duì)偶性原理根據(jù)電與磁的對(duì)偶性原理: (6-2-6)(Am2)2. 磁基本振子的場(chǎng)磁基本振子的場(chǎng)根據(jù)電與磁的對(duì)偶性原理根據(jù)電與磁的對(duì)偶性原理: 圖 6 3 磁基本振子的輻射PzyxObdlI0HEErjkrmerrjkpjE)1(sin4 20jkrmrerjrkpjH)1(cos232jkrmerjrkrkjpjH)1(sin2322與電基本振子做相同的近似得磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為: jkrmerpjEsin2 0jkrmerpHsin2 10(6-2-7)(6-2-8)磁基本振子的輻射場(chǎng) 比較電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)

15、場(chǎng)比較電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) 與磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)與磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) , 可可以發(fā)現(xiàn)它們具有相同的方向函數(shù)以發(fā)現(xiàn)它們具有相同的方向函數(shù)|sin|, 而且在空間相互正交而且在空間相互正交, 相位相差相位相差90。所以將電基本振子與磁基本振子組合后。所以將電基本振子與磁基本振子組合后, 可構(gòu)可構(gòu)成一個(gè)橢圓（或圓）極化波天線成一個(gè)橢圓（或圓）極化波天線, 具體將在第具體將在第8章中介紹。章中介紹。 EE磁基本陣子的應(yīng)用電磁測(cè)井電磁測(cè)井6.3 天線的電參數(shù)天線的電參數(shù) （1）水平面水平面：當(dāng)仰角：當(dāng)仰角及距離及距離r為常數(shù)時(shí)為常數(shù)時(shí), 電場(chǎng)強(qiáng)度隨方位角電場(chǎng)強(qiáng)度隨方位角 的變化曲線的變化曲線, （2）鉛垂

16、平面鉛垂平面：當(dāng)當(dāng) 及及r為常數(shù)時(shí)為常數(shù)時(shí), 電場(chǎng)電場(chǎng) 強(qiáng)度隨仰角強(qiáng)度隨仰角的變化曲線的變化曲線, 1. 天線方向圖及其有關(guān)參數(shù)天線方向圖及其有關(guān)參數(shù) 天線方向圖，是指在離天線一定距離處天線方向圖，是指在離天線一定距離處, , 輻射場(chǎng)的輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變化的曲線圖相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變化的曲線圖, , 通常采通常采用通過(guò)天線最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂直的平面方向用通過(guò)天線最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂直的平面方向圖來(lái)表示。圖來(lái)表示。1) 地面上架設(shè)的線天線一般采用兩個(gè)相互垂直的平面來(lái)表示地面上架設(shè)的線天線一般采用兩個(gè)相互垂直的平面來(lái)表示rzyxOE平面：平面：電場(chǎng)矢量所

17、在的平面，沿電場(chǎng)矢量所在的平面，沿z軸放置的電基本振子軸放置的電基本振子, 子午面是子午面是E平面。平面。H平面：平面： 磁場(chǎng)矢量所在的平面，赤道平面是磁場(chǎng)矢量所在的平面，赤道平面是H面。面。 2) 超高頻天線超高頻天線, , 通常采用與場(chǎng)矢量相平行的兩個(gè)平面通常采用與場(chǎng)矢量相平行的兩個(gè)平面解: E平面方向圖平面方向圖:例：畫(huà)出沿例：畫(huà)出沿z軸放置的電基本振子的軸放置的電基本振子的E平面和平面和H平面方向圖。平面方向圖。 給定給定r處處, 對(duì)于對(duì)于=/2, E的歸一化場(chǎng)強(qiáng)值為的歸一化場(chǎng)強(qiáng)值為|sin|=1,與與無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)， 因因 而而 H平面方向圖為一個(gè)圓平面方向圖為一個(gè)圓, 其圓心位于沿其圓

18、心位于沿z方向的振子軸上方向的振子軸上, 且半徑為且半徑為1 H平面方向圖平面方向圖:圖 6 -5 (a) 電基本振子E平面方向圖圖 6 -5 (b) 電基本振子H平面方向圖圖 6 -5 (c) 電基本振子立體方向圖圖 6 -5 (d) 電基本振子方向圖復(fù)雜天線的復(fù)雜天線的E平面方向圖如圖所示平面方向圖如圖所示, 這是在極坐標(biāo)中這是在極坐標(biāo)中 的歸一化模值隨的歸一化模值隨 變變化的曲線化的曲線, 通常有通常有一個(gè)一個(gè)主要的主要的最大值最大值和若干個(gè)和若干個(gè)次要的最大值次要的最大值。頭兩個(gè)零值。頭兩個(gè)零值之間的最大輻射區(qū)域是之間的最大輻射區(qū)域是主瓣（或稱主波束）主瓣（或稱主波束）, 其它次要的最

19、大值區(qū)域都是其它次要的最大值區(qū)域都是旁瓣（或稱邊瓣、副瓣）旁瓣（或稱邊瓣、副瓣）E主瓣旁瓣圖 6 - 6 (a) 極坐標(biāo)歸一化方向圖 主瓣旁瓣 圖 6-6(b) 直角坐標(biāo)歸一化方向圖(c) 直角坐標(biāo)分貝方向圖將的極坐標(biāo)圖畫(huà)成直角坐標(biāo)圖將的極坐標(biāo)圖畫(huà)成直角坐標(biāo)圖 3) 天線的天線的方向圖參數(shù)方向圖參數(shù) 為了方便對(duì)各種天線的方向圖特性進(jìn)行比較, 就需要規(guī)定一些特性參數(shù)。 這些參數(shù)有:主瓣寬度主瓣寬度旁瓣電平旁瓣電平前后比前后比方向系數(shù)方向系數(shù)(1) 主瓣寬度主瓣寬度 主瓣寬度是衡量天線的最大輻射區(qū)域的尖銳程度的物理量。主瓣寬度是衡量天線的最大輻射區(qū)域的尖銳程度的物理量。 通常它取方向圖主瓣兩個(gè)半功

20、率點(diǎn)之間的寬度, 在場(chǎng)強(qiáng)方向圖中, 等于最大場(chǎng)強(qiáng)的 兩點(diǎn)之間的寬度, 稱為半功率波瓣寬度半功率波瓣寬度; 有時(shí)也將頭兩個(gè)零點(diǎn)之間的角寬作為主瓣寬度, 稱為零功率波瓣零功率波瓣寬度寬度。2/ 1波瓣寬度越窄，能量越集中波瓣寬度越窄，能量越集中(1) 主瓣寬度主瓣寬度 主瓣寬度是衡量天線的最大輻射區(qū)域的尖銳程度的物理量。主瓣寬度是衡量天線的最大輻射區(qū)域的尖銳程度的物理量。 通常它取方向圖主瓣兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的寬度, 在場(chǎng)強(qiáng)方向圖中, 等于最大場(chǎng)強(qiáng)的 兩點(diǎn)之間的寬度, 稱為半功率波瓣寬度半功率波瓣寬度; 有時(shí)也將頭兩個(gè)零點(diǎn)之間的角寬作為主瓣寬度, 稱為零功率波瓣零功率波瓣寬度寬度。2/ 1電基本振子

21、？電基本振子？（2）旁瓣電平：）旁瓣電平： 指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平 （3）前后比）前后比: 后瓣平均功率密度最大值與主瓣平均功率密度最大值之后瓣平均功率密度最大值與主瓣平均功率密度最大值之 比，以分貝表示比，以分貝表示 ,max180max180,maxmax10lg20lgavavSEFBSE 方向圖參數(shù)方向圖參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映各個(gè)方向的輻射相對(duì)強(qiáng)弱程度。如：方向圖可以看般僅能反映各個(gè)方向的輻射相對(duì)強(qiáng)弱程度。如：方向圖可以看出哪個(gè)方向大，哪個(gè)方向?。坏荒芏康慕o

22、出某一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)出哪個(gè)方向大，哪個(gè)方向小；但不能定量的給出某一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)到底是多少，因而不能單獨(dú)體現(xiàn)天線的定向輻別能力。為了更到底是多少，因而不能單獨(dú)體現(xiàn)天線的定向輻別能力。為了更精確地比較個(gè)同天線之間的方向性，需要引入一個(gè)能定量地表精確地比較個(gè)同天線之間的方向性，需要引入一個(gè)能定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)，這就是示天線定向輻射能力的電參數(shù)，這就是方向系數(shù)方向系數(shù) 雷達(dá)雷達(dá), ,通信等大部分天線設(shè)備通信等大部分天線設(shè)備, ,都是利用都是利用主向主向( (或主平面或主平面)()(最大最大輻射方向輻射方向) )的輻射來(lái)完成任務(wù)的。偏離主向的輻射功率不僅被的輻射來(lái)完成任務(wù)的。偏離主向的輻射功率不僅

23、被無(wú)謂浪費(fèi)無(wú)謂浪費(fèi), ,而且還會(huì)干擾電波信號(hào)。因此而且還會(huì)干擾電波信號(hào)。因此, ,盡可能盡可能減少非主向減少非主向的輻射和增加主向輻射的輻射和增加主向輻射。常采用。常采用方向性系數(shù)方向性系數(shù)這個(gè)參量來(lái)這個(gè)參量來(lái)說(shuō)明天線在主向輻射功率的集中程度說(shuō)明天線在主向輻射功率的集中程度 4）天線方向性系數(shù)（）天線方向性系數(shù)（Directivity）00002maxmax200(P =P,r=r ) (P =P,r=r ) |SEDSE（1）方向性系數(shù)）方向性系數(shù)D的表達(dá)式的表達(dá)式 在離開(kāi)天線同一距離在離開(kāi)天線同一距離r0時(shí)，天線在最大輻射方向上的功率密度時(shí)，天線在最大輻射方向上的功率密度Smax和總輻射和

24、總輻射 功率相同的全向天線的功率流密度功率相同的全向天線的功率流密度S0的比值的比值方向系數(shù)方向系數(shù):定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù),說(shuō)明天線在主向輻射功率說(shuō)明天線在主向輻射功率 的的集中程度集中程度 22004,sinDFd d (2)分貝來(lái)表示分貝來(lái)表示:方向性系數(shù)還可用分貝來(lái)表示，且有方向性系數(shù)還可用分貝來(lái)表示，且有 10lg()10lg2.15DDD dBdD（dBi）2200,sinavavSPSdsSrd d 020022001,sin444rravPPPPSSd drr ,max200200,max1,sin44,sinavavavavSDS

25、d dSd dS 222maxmax,avavESFSE ，22004,sinDFd d 主瓣越窄，方向系數(shù)越大。無(wú)方向性天線的方向系數(shù)為主瓣越窄，方向系數(shù)越大。無(wú)方向性天線的方向系數(shù)為1。 5 . 1sinsin42002 ddD 若以分貝表示若以分貝表示, 則則D=10 log10 1.5=1.76dBi?？梢?jiàn)?？梢?jiàn), 電基本振電基本振子的方向系數(shù)是很低的。子的方向系數(shù)是很低的。將其代入方向系數(shù)的表達(dá)式得將其代入方向系數(shù)的表達(dá)式得例 6 -2確定沿確定沿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: 由上面分析知電基本振子的歸一化方向函數(shù)為由上面分析知電基本振子的歸

26、一化方向函數(shù)為: ( , )sinF 5） 天線的效率（天線的效率（Efficiency）天線效率天線效率 A A：天線輻射有用功率：天線輻射有用功率 與天線輸入的與天線輸入的有用功率有用功率Pin之比，表示天線能量轉(zhuǎn)化的量度，即之比，表示天線能量轉(zhuǎn)化的量度，即PAinPAininlPRRPRRR發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)inPlPPPRlRlPinRinP21;2inlinlPPP RRR PI R提高天線效率：減少損耗電阻，提高輻射電阻提高天線效率：減少損耗電阻，提高輻射電阻 lP歐姆損耗PjkrderIljEsin60 將其代入式（將其代入式（6-3-7）得輻射功率為）得輻射功率為 RIddrIlrP

27、220022221sinsin)60(240 所以輻射電阻為所以輻射電阻為 22)(80lR 例例6-3確定電基本振子的輻射電阻。確定電基本振子的輻射電阻。解解: 設(shè)不考慮歐姆損耗設(shè)不考慮歐姆損耗, 則根據(jù)式（則根據(jù)式（6-2-4）知電基本振子的遠(yuǎn)）知電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為區(qū)場(chǎng)為 3. 增益系數(shù)增益系數(shù) 增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù), 它它是方向系數(shù)與天線效率的乘積是方向系數(shù)與天線效率的乘積, 記為G, 即 G=DA由上式可見(jiàn): 天線方向系數(shù)和效率愈高天線方向系數(shù)和效率愈高, 則增益系數(shù)愈高。則增益系數(shù)愈高。 增益系數(shù)的物理意義：

28、將方向系數(shù)公式(6-3-4)和效率公式(6-3-9)代入上式得iPErG602max2(6-3-14)(6-3-15)22max60AirEDPPP 假設(shè)天線為理想的無(wú)方向性天線, 即D=1, =1, G=1, 則它在空間各方向上的場(chǎng)強(qiáng)為 可見(jiàn)可見(jiàn), 天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無(wú)方向性天線相比天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無(wú)方向性天線相比在最大輻射方向上將輸入功率放大的倍數(shù)。在最大輻射方向上將輸入功率放大的倍數(shù)。 一個(gè)輸入功率為一個(gè)輸入功率為10w的無(wú)方向性天線，與一個(gè)輸入功率為的無(wú)方向性天線，與一個(gè)輸入功率為1w、增益系數(shù)為增益系數(shù)為10的有方向性天線在最大輻射方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度的有方

29、向性天線在最大輻射方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度是一樣的。是一樣的。 ArPEi60max(6-3-17)由上式可得一個(gè)實(shí)際天線在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為rPDrGPEiAi6060max(6-3-16)4. 4. 極化特性極化特性 極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。時(shí)間變化的規(guī)律。 具體地說(shuō)具體地說(shuō), 就是在空間某一固定位置上就是在空間某一固定位置上, 電電場(chǎng)矢量的末端隨時(shí)間變化所描繪的圖形。該圖形如果是直線場(chǎng)矢量的末端隨時(shí)間變化所描繪的圖形。該圖形如果是直線, 就稱為線極化就稱為線極化; 如果是圓，如果是圓， 就稱為圓極化就稱為

30、圓極化; 如果是橢圓，如果是橢圓， 就稱就稱為橢圓極化。為橢圓極化。 按天線所輻射的電場(chǎng)的極化形式, 可將天線分為線極化天線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線、圓極化天線和橢圓極化天線。 線極化又可分為水平極化和垂直極化水平極化和垂直極化; 圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。 圓極化天線在無(wú)線通信中應(yīng)用廣泛圓極化天線在無(wú)線通信中應(yīng)用廣泛GPS圓極化天線 5. 5. 頻帶寬度頻帶寬度p 天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān)天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān), 也就是說(shuō)也就是說(shuō), 上述電參數(shù)都是上述電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻率設(shè)計(jì)的。針對(duì)某一工作頻率設(shè)計(jì)的。p 當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí), 往

31、往要引起天線參數(shù)的變化往往要引起天線參數(shù)的變化, 例如主瓣寬度增大、旁瓣電平增例如主瓣寬度增大、旁瓣電平增高、增益系數(shù)降低、高、增益系數(shù)降低、 輸輸入阻抗和極化特性變壞等。入阻抗和極化特性變壞等。p 實(shí)際上實(shí)際上, 天線也并非工作在點(diǎn)頻天線也并非工作在點(diǎn)頻, 而是有一定的頻率范圍。而是有一定的頻率范圍。當(dāng)工作頻率變化時(shí)當(dāng)工作頻率變化時(shí), 天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度, 簡(jiǎn)稱為簡(jiǎn)稱為天線的帶寬天線的帶寬。6. 6. 輸入阻抗輸入阻抗 要使天線效率高要使天線效率高, 就必須使天線與饋線良好匹配就必須使天線與

32、饋線良好匹配, 也就也就是要使天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗是要使天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗, 這樣才能使這樣才能使天線獲得最大功率天線獲得最大功率。 天線的輸入阻抗對(duì)頻率的變化往往十分敏感天線的輸入阻抗對(duì)頻率的變化往往十分敏感, 當(dāng)天線工當(dāng)天線工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí), 天線與傳輸線的匹配變壞天線與傳輸線的匹配變壞, 致使傳致使傳輸線上電壓駐波比增大輸線上電壓駐波比增大, 天線效率降低。天線效率降低。 因此在實(shí)際應(yīng)用中因此在實(shí)際應(yīng)用中, 還引入電壓駐波比參數(shù)還引入電壓駐波比參數(shù), 并且駐波并且駐波比不能大于某一規(guī)定值。比不能大于某一規(guī)定值。 7. 7. 有效長(zhǎng)度

33、有效長(zhǎng)度 有效長(zhǎng)度是衡量天線輻射能力的又一個(gè)重要指標(biāo)。有效長(zhǎng)度是衡量天線輻射能力的又一個(gè)重要指標(biāo)。 天線的有效長(zhǎng)度定義如下天線的有效長(zhǎng)度定義如下: 在保持實(shí)際天線最大輻射方向在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)值不變的條件下上的場(chǎng)強(qiáng)值不變的條件下, 假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時(shí)假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時(shí)天線的等效長(zhǎng)度。天線的等效長(zhǎng)度。 天線的有效長(zhǎng)度是把天線在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)和電流天線的有效長(zhǎng)度是把天線在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)和電流聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)參數(shù), 通常將歸于輸入電流通常將歸于輸入電流I0的有效長(zhǎng)度記為的有效長(zhǎng)度記為hein, 把歸于波腹電流把歸于波腹電流Im的有效

34、長(zhǎng)度記為的有效長(zhǎng)度記為hem。顯然。顯然, 有效長(zhǎng)度愈有效長(zhǎng)度愈長(zhǎng)長(zhǎng), 表明天線的輻射能力愈強(qiáng)。表明天線的輻射能力愈強(qiáng)。6.4 接收天線理論接收天線理論天線的接收原理：天線導(dǎo)體在外電場(chǎng)的天線的接收原理：天線導(dǎo)體在外電場(chǎng)的作用下激勵(lì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并在天線回作用下激勵(lì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并在天線回路中產(chǎn)生電流。路中產(chǎn)生電流。 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)可視為均勻平面波遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)可視為均勻平面波天線的收發(fā)互易性，同一天線既可以做為發(fā)射天線，也可以作為接天線的收發(fā)互易性，同一天線既可以做為發(fā)射天線，也可以作為接收天線，同一天線用于接收時(shí)的指標(biāo)與用于發(fā)射時(shí)的指標(biāo)相比完全收天線，同一天線用于接收時(shí)的指標(biāo)與用于發(fā)射時(shí)的指標(biāo)相比完全相同，

35、這種性質(zhì)叫天線的收發(fā)互易性。相同，這種性質(zhì)叫天線的收發(fā)互易性。 接受天線多了有效接受面積，等效噪聲溫度等的指標(biāo)接受天線多了有效接受面積，等效噪聲溫度等的指標(biāo) 只有沿天線表面的電場(chǎng)切線分量才能激勵(lì)起天線的表面電流 接收天線工作的物理過(guò)程是，接收天線導(dǎo)體在空間電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生接收天線工作的物理過(guò)程是，接收天線導(dǎo)體在空間電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì)，并在導(dǎo)體表面激勵(lì)起感應(yīng)電流，在天線的輸入端產(chǎn)生，并在導(dǎo)體表面激勵(lì)起感應(yīng)電流，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓電壓，在接收機(jī)回，在接收機(jī)回路中產(chǎn)生路中產(chǎn)生電流電流。所以接收天線是一個(gè)把。所以接收天線是一個(gè)把空間電磁波能量空間電磁波能量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成高頻電流能量

36、高頻電流能量的的轉(zhuǎn)換裝置，其工作過(guò)程就是發(fā)射天線的轉(zhuǎn)換裝置，其工作過(guò)程就是發(fā)射天線的逆過(guò)程，逆過(guò)程，如圖所示，接收天線總是位于如圖所示，接收天線總是位于發(fā)射天線的發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)中因此可以認(rèn)為到達(dá)接收天線處的無(wú)線電波是中因此可以認(rèn)為到達(dá)接收天線處的無(wú)線電波是均勻平均勻平面波面波，設(shè)來(lái)波方向與天線軸，設(shè)來(lái)波方向與天線軸z z之間的夾角為之間的夾角為，接收天線上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：，接收天線上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： E dl（天線導(dǎo)體）發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)可看成發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)可看成TEMTEM平面波平面波，則電場(chǎng)是垂直于波的傳播方向的平則電場(chǎng)是垂直于波的傳播方向的平面內(nèi)的任意矢量，建立如圖所示的面內(nèi)

37、的任意矢量，建立如圖所示的的的坐標(biāo)系坐標(biāo)系：電波射線與天線軸構(gòu)成：電波射線與天線軸構(gòu)成入射平面入射平面，入射電場(chǎng)可分為兩個(gè)分，入射電場(chǎng)可分為兩個(gè)分量：一個(gè)是與入射面相垂直的分量量：一個(gè)是與入射面相垂直的分量E E1，；一個(gè)是與，；一個(gè)是與入射面平行的分量入射面平行的分量E E2 2，。，。 2. 有效接收面積有效接收面積 有效接收面積是衡量一個(gè)天線接收無(wú)線電波能力的有效接收面積是衡量一個(gè)天線接收無(wú)線電波能力的重要指重要指標(biāo)標(biāo)。它的定義為。它的定義為: 當(dāng)天線以最大接收方向?qū)?zhǔn)來(lái)波方向進(jìn)行接當(dāng)天線以最大接收方向?qū)?zhǔn)來(lái)波方向進(jìn)行接收時(shí)收時(shí), 接收天線傳送到匹配負(fù)載的平均功率為接收天線傳送到匹配負(fù)載

38、的平均功率為PLmax, 并假定此并假定此功率是由一塊與來(lái)波方向相垂直的面積所截獲功率是由一塊與來(lái)波方向相垂直的面積所截獲, 則這個(gè)面積就則這個(gè)面積就稱為接收天線的有效接收面積稱為接收天線的有效接收面積, 記為記為Ae, 即有avLespAmax 式中, Sav為入射到天線上電磁波的時(shí)間平均功率流密度，其值為221iavEs（6 - 4 - 9）（6 - 4 - 10） 根據(jù)圖根據(jù)圖 6 - 10 接收天線的等效電路接收天線的等效電路, 傳送到匹配負(fù)載的平傳送到匹配負(fù)載的平均功率（忽略天線本身的損耗）為均功率（忽略天線本身的損耗）為02max8RpL 當(dāng)天線以最大方向?qū)?zhǔn)來(lái)波方向時(shí)當(dāng)天線以最大

39、方向?qū)?zhǔn)來(lái)波方向時(shí), 接收電動(dòng)勢(shì)為接收電動(dòng)勢(shì)為lEi 將上述各式代入式（將上述各式代入式（6- 4 -9）有）有ddFRlRsin), (302200020 所以有0230RlAe（6 - 4 -11）（6 - 4 -12）（6 - 4 -13）（6 - 4 -14）ddFAesin),(22002 如果已知天線的方向系數(shù)如果已知天線的方向系數(shù), 就可知道天線的有效接收面積就可知道天線的有效接收面積。 例如例如,電基本振子的方向系數(shù)為電基本振子的方向系數(shù)為D=1.5, Ae=0.122。如果考慮天線。如果考慮天線的效率的效率, 則有效接收面積為則有效接收面積為 將天線的方向系數(shù)公式代入上式得天

40、線的有效接收面積為將天線的方向系數(shù)公式代入上式得天線的有效接收面積為42DAe（6 - 4 -15）（6 - 4 -16）42GAe（6 - 4 -17）等效噪聲溫度等效噪聲溫度天線除了能夠接收天線除了能夠接收無(wú)線電波無(wú)線電波之外，還能夠接收來(lái)自空間各種物體的之外，還能夠接收來(lái)自空間各種物體的噪聲信號(hào)噪聲信號(hào)。外部噪聲通過(guò)天線進(jìn)人接收機(jī)，因此，又稱外部噪聲通過(guò)天線進(jìn)人接收機(jī)，因此，又稱天線噪聲天線噪聲。天線接收的噪聲功率的天線接收的噪聲功率的大小可以用天線的大小可以用天線的等效噪聲溫度等效噪聲溫度Ta來(lái)表示，來(lái)表示，是接收天線的特殊參數(shù)是接收天線的特殊參數(shù)。 宇宙氣體宇宙氣體星體輻射星體輻射太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射高壓線高壓線放電式光放電式光電視臺(tái)電視臺(tái)大氣噪大氣噪聲聲閃電閃電熱噪聲熱噪聲點(diǎn)火噪聲點(diǎn)火噪聲放大器噪聲放大器噪聲地面熱噪聲地面熱噪聲TR外部噪聲包含有各種成外部噪聲包含有各種成分，例如：地面上有其分，例如：地面上有其它電臺(tái)信號(hào)以及各種電它電臺(tái)信號(hào)以及各種電氣設(shè)備工作時(shí)的工業(yè)輻氣設(shè)備工作時(shí)的工業(yè)輻射射,它們主要分布在長(zhǎng)、它們主要分布在長(zhǎng)、中、短波波段；宇宙輻中、短波波段；宇宙輻射（太陽(yáng)系，銀河系，射（太陽(yáng)系