微波技術及天線課件第6章

1、第6章 天線輻射與接收的基本理論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習習 題題 第6章 天線輻射與接收的基本理論第6章 天線輻射與接收的基本理論6.1 概論概論 通信的目的是傳遞信息, 根據傳遞信息的途徑不同, 可將通信系統(tǒng)大致分為兩大類: 一類是在相互聯(lián)系的網絡中用各種傳輸線來傳遞信息, 即所謂的有線通信, 如電話、計算機局域網等有線通信系統(tǒng); 另一類是依靠電磁輻射通過無線電波來傳遞信息, 即所謂的無線通信, 如電視、 廣播、 雷達、 導航、衛(wèi)星等無線通信系統(tǒng)。 在如圖 6 -1 所示的無線通信系統(tǒng)中, 需要將來

2、自發(fā)射機的導波能量轉變?yōu)闊o線電波, 或者將無線電波轉換為導波能量, 用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。 第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6 1 無線電通信系統(tǒng)框圖第6章 天線輻射與接收的基本理論 發(fā)射機所產生的已調制的高頻電流能量（或導波能量）經饋線傳輸?shù)桨l(fā)射天線, 通過天線將其轉換為某種極化的電磁波能量, 并向所需方向輻射出去。到達接收點后, 接收天線將來自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉換為已調制的高頻電流能量, 經饋線輸送至接收機輸入端。天線作為無線電通信系統(tǒng)中一個必不可少的重要設備, 它的選擇與設計是否合理, 對整個無線電通信系統(tǒng)的性能有很大的影響, 若天線設計不當, 就

3、可能導致整個系統(tǒng)不能正常工作。 第6章 天線輻射與接收的基本理論 綜上所述, 天線應有以下功能: 天線應能將導波能量盡可能多地轉變?yōu)殡姶挪芰俊?這首先要求天線是一個良好的電磁開放系統(tǒng), 其次要求天線與發(fā)射機或接收機匹配。 天線應使電磁波盡可能集中于確定的方向上, 或對確定方向的來波最大限度的接受, 即天線具有方向性。 天線應能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波, 即天線有適當?shù)臉O化。 天線應有足夠的工作頻帶。 第6章 天線輻射與接收的基本理論 以上四點是天線最基本的功能, 據此可定義若干參數(shù)作為設計和評價天線的依據。通信的飛速發(fā)展對天線提出了許多新的要求,天線的功能也不斷有新的突破。除了完成高頻能量

4、的轉換外, 還要求天線系統(tǒng)對傳遞的信息進行一定的加工和處理, 如信號處理天線、單脈沖天線、自適應天線和智能天線等。特別是自1997年以來, 第三代移動通信技術逐漸成為國內外移動通信領域的研究熱點, 而智能天線正是實現(xiàn)第三代移動通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。 第6章 天線輻射與接收的基本理論 天線的種類很多，按用途可將天線分為通信天線、 廣播電視天線、雷達天線等; 按工作波長, 可將天線分為長波天線、 中波天線、 短波天線、 超短波天線和微波天線等； 按輻射元的類型可將天線分為兩大類: 線天線和面天線。所謂線天線是由半徑遠小于波長的金屬導線構成, 主要用于長波、中波和短波波段; 面天線是由尺寸大于波長

5、的金屬或介質面構成的, 主要用于微波波段, 超短波波段則兩者兼用。 把天線和發(fā)射機或接收機連接起來的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)。 饋線的形式隨頻率的不同而分為雙導線傳輸線、同軸線傳輸線、 波導或微帶線等。由于饋線系統(tǒng)和天線的聯(lián)系十分緊密, 有時把天線和饋線系統(tǒng)看成是一個部件, 統(tǒng)稱為天線饋線系統(tǒng), 簡稱天饋系統(tǒng)。 第6章 天線輻射與接收的基本理論6.2 基本振子的輻射基本振子的輻射 1. 電基本振子電基本振子 電基本振子是一段長度l遠小于波長, 電流I振幅均勻分布、 相位相同的直線電流元, 它是線天線的基本組成部分, 任意線天線均可看成是由一系列電基本振子構成的。 下面首先介紹電基本振子的輻射特性。 在

6、電磁場理論中, 已給出了在球坐標原點O沿z軸放置的電基本振子(圖6 -2)在周圍空間產生的場為第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6 2 電基本振子的輻第6章 天線輻射與接收的基本理論式中, ，是媒質中電磁波的波數(shù) k krrkrkrrrkrIlHHHErkrkrIlErkrIlEj2j2230j230ej1sin4000e )jj(sin14e )j(cos24(6-2-1)第6章 天線輻射與接收的基本理論 下面介紹電基本振子的電磁場特性。 (1) 近區(qū)場 在靠近電基本振子的區(qū)域（kr1即r1, 即r/2）, 在這種情況下, 式（6-2-1）中的1/r2和1/r3項比起1/r項而言, 可忽略

7、不計, 于是電基本振子的電磁場表示式簡化為krrIlkEj02esin 4jkrrkIlHjesin4j(6-2-3)第6章 天線輻射與接收的基本理論7010412000 將上式代入式（6-2-3）得電基本振子的遠區(qū)場為krrIlEjesin60jkrrIlHjesin2j 對式（6-2-5）進行分析可知: /22,0022cfk9010361式中, (6-2-4)(6-2-5)(F/m)(H/m)第6章 天線輻射與接收的基本理論 在遠區(qū), 電基本振子的場只有 和 兩個分量, 它們在空間上相互垂直, 在時間上同相位, 所以其玻印廷矢量 是實數(shù), 且指向 r 方向。 這說明電基本振子的遠區(qū)場是一

8、個沿著徑向向外傳播的橫電磁波, 所以遠區(qū)場又稱輻射場; / = =120（）是一常數(shù), 即等于媒質的本征阻抗, 因而遠區(qū)場具有與平面波相同的特性; 輻射場的強度與距離成反比, 隨著距離的增大, 輻射場減小。 這是因為輻射場是以球面波的形式向外擴散的, 當距離增大時, 輻射能量分布到更大的球面面積上; 00/HES21HHEE第6章 天線輻射與接收的基本理論 在不同的方向上, 輻射強度是不相等的。 這說明電基本振子的輻射是有方向性的。 2. 磁基本振子的場磁基本振子的場 在討論了電基本振子的輻射情況后, 現(xiàn)在再來討論一下磁基本振子的輻射。我們知道, 在穩(wěn)態(tài)電磁場中, 靜止的電荷產生電場, 恒定的

9、電流產生磁場。那么, 是否有靜止的磁荷產生磁場, 恒定的磁流產生電場呢？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，但是, 如果引入這種假想的磁荷和磁流的概念, 將一部分原來由電荷和電流產生的電磁場用能夠產生同樣電磁場的磁荷和磁流來取代,即將“電源”換成等效“磁源”, 可以大大簡化計算工作。 第6章 天線輻射與接收的基本理論 穩(wěn)態(tài)場有這種特性, 時變場也有這種特性。 小電流環(huán)的輻射場與磁偶極子的輻射場相同。 磁基本振子是一個半徑為b的細線小環(huán), 且小環(huán)的周長滿足條件：2b, 如圖6-3所示。假設其上有電流i(t)=Icost, 由電磁場理論, 其磁偶極矩矢量為m2mpabIapzz

10、 根據電與磁的對偶性原理, 只要將電基本振子場的表達式（6- 2 -1）中的E換為2H, H換為-E, 并將電偶極矩p=Il/(j)換為磁偶極矩pm, 就可以得到沿z軸放置的磁基本振子的場: (6-2-6)(Am2)第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6 3 磁基本振子的輻射第6章 天線輻射與接收的基本理論0HEErkrrrkp Ej2m0e1jsin4jkrmrrrkpHj32e )1j(cos2jkrrrkrkpHj322me1jjsin2j與電基本振子做相同的近似得磁基本振子的遠區(qū)場為: krrpEjm0esin2 krmrp Hj0esin21(6-2-7)(6-2-8)第6章 天線輻

11、射與接收的基本理論6.3 天線的電參數(shù)天線的電參數(shù) 1. 天線方向圖及其有關參數(shù)天線方向圖及其有關參數(shù) 所謂天線方向圖， 是指在離天線一定距離處, 輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的曲線圖, 通常采用通過天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示。 1) 在地面上架設的線天線一般采用兩個相互垂直的平面來表示其方向圖 （1） 水平面 當仰角及距離r為常數(shù)時, 電場強度隨方位角 的變化曲線, 參見圖 6 - 4;第6章 天線輻射與接收的基本理論 （2） 鉛垂平面 當 及r為常數(shù)時, 電場強度隨仰角的變化曲線, 參見圖 6 - 4。 2) 超高頻天線, 通常采用與場矢量相平行的兩個平

12、面來表示 （1） E平面 所謂E平面， 就是電場矢量所在的平面。 對于沿z軸放置的電基本振子而言, 子午平面是E平面。 （2） H平面 所謂H平面， 就是磁場矢量所在的平面。 對于沿z軸放置的電基本振子, 赤道平面是H面。 第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6- 4 坐標參考圖第6章 天線輻射與接收的基本理論 例例 6 - 1畫出沿z軸放置的電基本振子的E平面和H平面方向圖。 解: E平面方向圖: 在給定r處, E與 無關; E的歸一化場強值為 |E|=|sin|這是電基本振子的E平面方向圖函數(shù), 其E平面方向圖如圖 6 - 5（a）所示。 第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6 -5 (a

13、) 電基本振子E平面方向圖 (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第6章 天線輻射與接收的基本理論 H平面方向圖: 在給定r處, 對于=/2, 的歸一化場強值為|sin|=1, 也與 無關。因而H平面方向圖為一個圓, 其圓心位于沿z方向的振子軸上, 且半徑為1, 如圖 6 - 5（b）所示。 實際天線的方向圖一般要比圖 6 -5 復雜。 典型的H平面方向圖如圖 6 -6（a）所示, 這是在極坐標中 的歸一化模值隨變化的曲線, 通常有一個主要的最大值和若干個次要的最大值。頭兩個零值之間的最大輻射區(qū)域是主瓣（或稱主波束）, 其它次要的最大值區(qū)域都是旁瓣（或稱邊瓣、

14、副瓣）。 為了分析方便, 將圖 6 -6（a）的極坐標圖畫成直角坐標圖, 即圖 6 -6(b)所示。EE第6章 天線輻射與接收的基本理論 圖 6 - 6 (a) 極坐標表示的H平面方向圖(b) 直角坐標H平面方向圖 (c) 直角坐標H平面方向圖第6章 天線輻射與接收的基本理論 3) 天線的方向圖參數(shù) (1) 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。 通常它取方向圖主瓣兩個半功率點之間的寬度, 在場強方向圖中, 等于最大場強的 兩點之間的寬度, 稱為半功率波瓣寬度; 有時也將頭兩個零點之間的角寬作為主瓣寬度, 稱為零功率波瓣寬度。 2/1第6章 天線輻射與接收的基本理論 (

15、2) 旁瓣電平 旁瓣電平是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平, 一般以分貝表示。方向圖的旁瓣區(qū)是不需要輻射的區(qū)域, 所以其電平應盡可能的低, 且天線方向圖一般都有這樣一條規(guī)律: 離主瓣愈遠的旁瓣的電平愈低。第一旁瓣電平的高低, 在某種意義上反映了天線方向性的好壞。另外, 在天線的實際應用中, 旁瓣的位置也很重要。第6章 天線輻射與接收的基本理論 (3) 前后比 前后比是指最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（后向）電平之比, 通常以分貝為單位。 上述方向圖參數(shù)雖能在一定程度上反映天線的定向輻射狀態(tài), 但由于這些參數(shù)未能反映輻射在全空間的總效果, 因此都不能單獨體現(xiàn)天線集束能量的能力。 例如,

16、 旁瓣電平較低的天線并不表明集束能力強, 而旁瓣電平小也并不意味著天線方向性必然好。為了更精確地比較不同天線的方向性, 需要再定義一個表示天線集束能量的電參數(shù), 這就是方向系數(shù)。 第6章 天線輻射與接收的基本理論 （4） 方向系數(shù) 方向系數(shù)定義為: 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Smax與相同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度S0之比,記為D, 即202max0maxEESSD(6-3-1)第6章 天線輻射與接收的基本理論 下面由這個定義出發(fā), 導出方向系數(shù)的一般計算公式。 設實際天線的輻射功率為P, 它在最大輻射方向上r處產生的輻射功率流密度和

17、場強分別為Smax和Emax; 又設有一個理想的無方向性天線, 其輻射功率為P不變, 它在相同的距離上產生的輻射功率流密度和場強分別為S0和E0, 其表達式分別為12042020ErPS22060rPE由方向系數(shù)的定義得(6-3-2)(6-3-3)PErD602max2(6-3-4) 第6章 天線輻射與接收的基本理論 下面來求天線的輻射功率P。 設天線歸一化方向函數(shù)為F(, ), 則它在任意方向的場強與功率流密度分別為 將式（6 -3 -5）代入上式, 則功率流密度的表達式為 22max),(240),(FES),(),(maxFEE240),()Re(21),(2EHES(6-3-5)(6-

18、3-6)第6章 天線輻射與接收的基本理論ddsin),(240),(22002max2 FErdSSPS 將上式代入式（6 -3 -4）即得天線方向系數(shù)的一般表達式為 2002sin),(4ddFD 由公式（6 -3 -8）可以看出, 要使天線的方向系數(shù)大, 不僅要求主瓣窄, 而且要求全空間的旁瓣電平小。 (6-3-8)(6-3-7) 在半徑為r的球面上對功率流密度進行面積分, 就得到輻射功率: 第6章 天線輻射與接收的基本理論工程上，方向系數(shù)常用分貝來表示，這需要選擇一個參考源，常用的參考源是各向同性輻射源（isotropic，其方向系數(shù)為1）和半波偶極子（dipole，其方向系數(shù)為1.64

19、）。若以各向同性源為參考，分貝表示為dBi，即 DDlg10)dBi(（6-3-9） 若以半波偶極子為參考，分貝表示為dBd，即 15. 2lg10)dBd(DD（6-3-10） 通常情況下，如果不特別說明，dB指的是dBi。 第6章 天線輻射與接收的基本理論將其代入方向系數(shù)的表達式得 因此，電基本振子的方向系數(shù)以dBi表示, 則D=10 log1.5 =1.76dBi。若以dBd表示，則為-0.39dBd?？梢? 電基本振子的方向系數(shù)是很低的。 例例 6 -2確定沿z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: |F(, )|=| sin|5 . 1dd

20、sinsin42002 D第6章 天線輻射與接收的基本理論2. 天線效率天線效率 天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比, 記為A， 即1iPPPPPA(6-3-11) 式中, Pi為輸入功率；Pl為歐姆損耗。第6章 天線輻射與接收的基本理論 常用天線的輻射電阻R來度量天線輻射功率的能力。天線的輻射電阻是一個虛擬的量, 定義如下: 設有一電阻R, 當通過它的電流等于天線上的最大電流時, 其損耗的功率就等于其輻射功率。顯然, 輻射電阻的高低是衡量天線輻射能力的一個重要指標, 即輻射電阻越大, 天線的輻射能力越強。 由上述定義得輻射電阻與輻射功率的關系為RIP2m21即輻射電阻為 2m2IPR(

21、6-3-12)(6-3-13)第6章 天線輻射與接收的基本理論 仿照引入輻射電阻的辦法, 損耗電阻Rl為2m112IPR 將上述兩式代入式（6 -3 -9）得天線效率為RRRRR/1111A 可見, 要提高天線效率, 應盡可能提高R, 降低Rl。 (6-3-15)(6-3-14)第6章 天線輻射與接收的基本理論krrIlEjesin60j 將其代入式（6 -3 -7）得輻射功率為 RIrIlrP220022221ddsinsin60240 所以輻射電阻為 2280lR例 6 -3確定電基本振子的輻射電阻。- 解解: 設不考慮歐姆損耗, 則根據式（6 -2 -4）知電基本振子的遠區(qū)場為第6章 天

22、線輻射與接收的基本理論 G=DA由上式可見: 天線方向系數(shù)和效率愈高, 則增益系數(shù)愈高。 現(xiàn)在我們來研究增益系數(shù)的物理意義。 將方向系數(shù)公式（6 -3 -4）和效率公式（6 -3 -9）代入上式得i2max260PErG (6-3-16)(6-3-17) 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換和方向特性的參數(shù), 它是方向系數(shù)與天線效率的乘積, 記為G, 即第6章 天線輻射與接收的基本理論rPEimax60(6-3-19)可見, 天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無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)。 A 假設天線為理想的無方向性天線, 即D=1, =1, G=1,

23、 則它在空間各方向上的場強為 由上式可得一個實際天線在最大輻射方向上的場強為rPDrGPEiAimax6060(6-3-18)第6章 天線輻射與接收的基本理論4. 4. 極化和交叉極化電平極化和交叉極化電平(Polarization and Cross(Polarization and Crosspolarization Level)polarization Level)極化特性是指天線在最大輻射方向上電場矢量的方向隨時間變化的規(guī)律。具體地說,就是在空間某一固定位置上,電場矢量的末端隨時間變化所描繪的圖形,如果是直線, 就稱為線極化(Linearly Polarized);如果是圓就稱為圓極化

24、(Circularly Polarized);如果是橢圓就稱為橢圓極化(Elliptically Polarized)。如此按天線所輻射的電場的極化形式可將天線分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線極化又可分為水平極化(Horizontal Polarized)和垂直極化(Vertical Polarized); 圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。當圓極化波入射到一個對稱目標上時, 反射波是反旋向的,在電視信號的傳播中, 利用這一性質可以克服由反射所引起的重影。 第6章 天線輻射與接收的基本理論理想情況下,線極化意味著只有一個方向, 但實際場合通常是不可能的對線極化,因此引入交叉極化電

25、平來表征線極化的純度。例如一個垂直極化天線, 交叉極化電平(Crosspolarization Level)是由于在水平方向有電場分量, 一般交 叉 極 化 電 平 是 一 個 測 量 值 , 它 比 同 極 化 電 平 ( C o polarization Level)要小。對于圓極化天線, 難以輻射純圓極化波, 其實際輻射的是橢圓極化波, 這對利用天線的極化特性實現(xiàn)天線間的電磁隔離是不利的, 因此引入橢圓度參數(shù)來表征圓極化純度。 第6章 天線輻射與接收的基本理論在通信和雷達中, 通常是采用線極化天線, 但如果通信的一方是劇烈擺動或高速運動著的, 為了提高通信的可靠性, 發(fā)射和接收都應采用圓

26、極化天線, 典型的例子是車載GPS常用的圓極化天線； 如果雷達是為了干擾和偵察對方目標, 也要使用圓極化天線。另外, 在人造衛(wèi)星、宇宙飛船和彈道導彈等空間遙測技術中,由于信號通過電離層后會產生法拉第旋轉效應, 因此其發(fā)射和接收也采用圓極化天線。 第6章 天線輻射與接收的基本理論5. . 頻帶寬度頻帶寬度(Frequency Band Width)(Frequency Band Width) 天線的電參數(shù)都與頻率有關, 也就是說, 上述電參數(shù)都是針對某一工作頻率設計的。當工作頻率偏離設計頻率時, 往往要引起天線各個參數(shù)的變化,例如主瓣寬度增大、旁瓣電平增高、增益系數(shù)降低、輸入阻抗和極化特性變壞等

27、。實際上, 天線也并非工作在點頻, 而是有一定的頻率范圍。當工作頻率變化時, 天線的有關電參數(shù)不超出規(guī)定范圍的頻率范圍稱為頻帶寬度, 簡稱為天線的帶寬。 第6章 天線輻射與接收的基本理論6. 6. 輸入阻抗與駐波比輸入阻抗與駐波比(Input Impedance and Standing (Input Impedance and Standing Wave Ratio)Wave Ratio)要使天線輻射效率高, 就必須使天線與饋線良好地匹配, 也就是天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗,才能使天線獲得最大功率, 如圖67 所示。設天線輸入端的反射系數(shù)為(或散射參數(shù)為S11), 則天線的電壓駐波比

28、為 VSWR11（6-3-20）第6章 天線輻射與接收的基本理論回波損耗為 10log20rL(6-3-21) 輸入阻抗為 ZZin110(6-3-22) 當反射系數(shù)=0時,VSWR=1, 此時Zin=Z0, 天線與饋線匹配, 這意味著輸入端功率均被送到天線上, 即天線得到最大功率。 第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6-7 天線與饋線的匹配 第6章 天線輻射與接收的基本理論 圖6-8 是某天線的回波損耗與頻率的關系曲線, 一般將VSWR2(或|1/3)的帶寬稱為輸入阻抗帶寬。當|=1/3 時, 反射功率為輸入功率的11%。 第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6-8 某天線的回波損耗與頻率

29、的關系曲線 第6章 天線輻射與接收的基本理論 7. 有效長度有效長度 有效長度是衡量天線輻射能力的又一個重要指標。 天線的有效長度定義如下 : 在保持實際天線最大輻射方向上的場強值不變的條件下, 假設天線上電流分布為均勻分布時天線的等效長度。它是把天線在最大輻射方向上的場強和電流聯(lián)系起來的一個參數(shù), 通常將歸于輸入電流I0的有效長度記為hein, 把歸于波腹電流Im的有效長度記為hem。顯然, 有效長度愈長, 表明天線的輻射能力愈強。 第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6 9 短振子的輻射第6章 天線輻射與接收的基本理論 例例 6-4一長度為2h(hh, 因而在yOz面內作下列近似: cos

30、zrrrr11/2k所以dzehzIrekjEhhjkzjkrcos0)1 (sin30整個短振子的輻射場為第6章 天線輻射與接收的基本理論222cos2cos)2cos(sin4cos)cossin(2hkkhkkhdzehzFhhjkz則221cos)2cossin(21kkhhFF令積分cos)cossin(2cos1kkhdzeFhhjkz第6章 天線輻射與接收的基本理論)sin(300khreIjEjkrjkrerkhIjEHsin40因而有因為h時, 電流三角分布時的輻射電阻和方向系數(shù)與電流正弦分布的輻射電阻和方向系數(shù)相同, 也就是說, 電流分布的微小差別不影響輻射特性。因此, 在

31、分析天線的輻射特性時, 當天線上精確的電流分布難以求得時, 可假設為正弦電流分布, 這正是后面對稱振子天線的分析基礎?，F(xiàn)在我們來討論其有效長度。 根據有效長度的定義, 歸于輸入點電流的有效長度為hdzhzIIhhhein)1 (00第6章 天線輻射與接收的基本理論 這就是說, 長度為2h、電流不均勻分布的短振子在最大輻射方向上的場強與長度為h、電流為均勻分布的振子在最大輻射方向上的場強相等, 如圖 6 -10 所示。 由于輸入點電流等于波腹點電流, 所以歸于輸入點電流的有效長度等于歸于波腹點電流的有效長度， 但一般情況下是不相等的。 第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6 10 天線的有效長度

32、第6章 天線輻射與接收的基本理論6.4 接收天線理論接收天線理論 1. 天線接收的物理過程及收發(fā)互易性天線接收的物理過程及收發(fā)互易性 圖 6-11所示為一接收天線， 它處于外來無線電波Ei的場中, 發(fā)射天線與接收天線相距甚遠, 因此, 到達接收天線上各點的波是均勻平面波。 設入射電場可分為兩個分量: 一個是垂直于射線與天線軸所構成平面的分量E1, 另一個是在上述平面內的分量E2。只有沿天線導體表面的電場切線分量Ez=E2sin才能在天線上激起電流, 在這個切向分量的作用下, 天線元段dz上將產生感應電動勢 =-Ezdz。 第6章 天線輻射與接收的基本理論 設在入射場的作用下, 接收天線上的電流

33、分布為I(z), 并假設電流初相為零, 則接收天線從入射場中吸收的功率由上述分析得整個天線吸收的功率為)(ZIdpdzezIEezIPlljkzZlljkzcoscos)()( 式中, 因子e jkzcos是入射場到達天線上各元段的波程差。 根據電磁場的邊值理論, 天線在接收狀態(tài)下的電流分布應和發(fā)射時相同。 因此假設接收天線的電流分布為 I(z)=Im sink(l-|z|)則根據式（6 -4 -1）得接收功率為（6 - 4 -1）（6 - 4 -2）第6章 天線輻射與接收的基本理論dzezlkIEpjkzmllcos2)(sinsindzkzzlkIEml)coscos()(sinsin20

34、2因此接收天線輸入電動勢為根據上節(jié)有效長度的定義, 有klkkldzzlkklIIhllmmeinsincos1)(sinsin 將式（6 -4 -5）代入式（6 -4 -4）得接收天線的表達式為（6 - 4 - 3）lmmindzkzzlkklIIEIp02cos)cos()(sinsinsin2（6 - 4 - 4）（6 - 4 - 5）第6章 天線輻射與接收的基本理論 式中,是入射場Ei與的夾角; 是方向角的單位矢量； hein是接收天線歸于輸入電流的有效長度。 F()是接收天線的歸一化方向函數(shù), 它等于天線用作發(fā)射時的方向函數(shù)。 可見, 接收電動勢E和天線發(fā)射狀態(tài)下的有效長度成正比,

35、且具有與發(fā)射天線相同的方向性。如果假設發(fā)射天線的歸一化方向函數(shù)為F(i), 最大入射場強為| Ei |max, 則接收天線的接收電動勢為=|Ei|maxF(i)cosheinF(i) E =E2heinF()=Ei cosheinF() （6 - 4 - 6）（6 - 4 - 7）第6章 天線輻射與接收的基本理論 天線接收的功率可分為三部分， 即 P=P+PL+Pl (6 - 4 - 8)其中, P為接收天線的再輻射功率; PL為負載吸收的功率; Pl為導線和媒質的損耗功率。 接收天線的等效電路如圖6-12 所示。 圖中Z0為包括輻射阻抗Z0和損耗電阻Rl0在內的接收天線輸入阻抗, ZL是負載

36、阻抗?？梢娫诮邮諣顟B(tài)下, 天線輸入阻抗相當于接收電動勢 的內阻抗。 第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6 12 天線的等效電路第6章 天線輻射與接收的基本理論 2. 有效接收面積有效接收面積 有效接收面積是衡量一個天線接收無線電波能力的重要指標。它的定義為: 當天線以最大接收方向對準來波方向進行接收時, 接收天線傳送到匹配負載的平均功率為PLmax, 并假定此功率是由一塊與來波方向相垂直的面積所截獲, 則這個面積就稱為接收天線的有效接收面積, 記為Ae, 即有avLespAmax 式中, Sav為入射到天線上電磁波的時間平均功率流密度，其值為221iavEs（6 - 4 - 9）（6 - 4

37、 - 10）第6章 天線輻射與接收的基本理論 根據圖 6-12 接收天線的等效電路, 傳送到匹配負載的平均功率（忽略天線本身的損耗）為02max8RpL 當天線以最大方向對準來波方向時, 接收電動勢為lEi 將上述各式代入式（6- 4 -9）有ddFRlRsin), (302200020 0230RlAe（6 - 4 -11）（6 - 4 -12）（6 - 4 -13）（6 - 4 -14）第6章 天線輻射與接收的基本理論ddsin),(22002e FA可見, 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。例如,電基本振子的方向系數(shù)為D=1.5, Ae=0.122。如果考慮天線的效率, 則有效接收面積為 將天線的方向系數(shù)公式代入上式得天線的有效接收面積為42eDA （6 - 4 -15）（6 - 4 -16）42eGA （6 - 4 -17）所以有第6章 天線輻射與接收的基本理論 3. 等效噪聲溫度等效噪聲溫度 接收天線把從周圍空間接收到的噪聲功率送到接收機的過程類