第4章_天線基礎(chǔ).

1、1第第4 4章章 天線基礎(chǔ)天線基礎(chǔ)24.1 4.1 天線的概述天線的概述 4.2 4.2 電偶極子和磁偶極子電偶極子和磁偶極子4.3 4.3 基本天線參數(shù)基本天線參數(shù)4.4 FRIIS4.4 FRIIS傳輸方程傳輸方程4.5 4.5 常用天線常用天線 34.1 4.1 天線的概述天線的概述 4.2 4.2 電偶極子和磁偶極子電偶極子和磁偶極子4.3 4.3 基本天線參數(shù)基本天線參數(shù)4.4 FRIIS4.4 FRIIS傳輸方程傳輸方程4.5 4.5 常用天線常用天線 4從物理學(xué)上講，天線是一個或多個導(dǎo)體的組合，從物理學(xué)上講，天線是一個或多個導(dǎo)體的組合，由它可因施加的交變電壓和相關(guān)聯(lián)交變電流而產(chǎn)由

2、它可因施加的交變電壓和相關(guān)聯(lián)交變電流而產(chǎn)生輻射的電磁場，或者可以將它放置在電磁場中，生輻射的電磁場，或者可以將它放置在電磁場中，由于場的感應(yīng)而在天線內(nèi)部產(chǎn)生交變電流并在其由于場的感應(yīng)而在天線內(nèi)部產(chǎn)生交變電流并在其終端產(chǎn)生交變電壓。（維基百科）終端產(chǎn)生交變電壓。（維基百科）天線是一種用來發(fā)射或接收無線電波天線是一種用來發(fā)射或接收無線電波或更廣或更廣泛來講泛來講電磁波的電子器件。電磁波的電子器件。5John D. Kraus: Antennas:ForJohn D. Kraus: Antennas:For All All Applications (Applica

3、tions (約翰約翰 克勞斯：天線克勞斯：天線) )C.A.BalanisC.A.Balanis: Antenna Theory: analysis and : Antenna Theory: analysis and design (design (巴拉尼斯：天線理論分析與設(shè)計巴拉尼斯：天線理論分析與設(shè)計) )天線的參考書天線的參考書6空間電磁波空間電磁波高頻電流高頻電流發(fā)射發(fā)射接收接收天線天線發(fā)射機發(fā)射機導(dǎo)行導(dǎo)行的一的一維波維波過渡區(qū)過渡區(qū)域（天域（天線）線）自由空間自由空間三維電磁波三維電磁波7手機手機室外基站室外基站通信通信廣播廣播雷達雷達太空探索（射電天文望太空探索（射電天文望遠鏡

4、）遠鏡）在研究電子產(chǎn)品的干擾在研究電子產(chǎn)品的干擾及抗干擾特性時，也需要及抗干擾特性時，也需要用到天線的基礎(chǔ)知識用到天線的基礎(chǔ)知識移動通信移動通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信地面站衛(wèi)星通信地面站衛(wèi)星電視天線衛(wèi)星電視天線4.1.1 4.1.1 天線的用途天線的用途8電路的輻射電路的輻射電纜的輻射電纜的輻射廣播廣播4.1.1 4.1.1 天線的用途天線的用途9按用途分類，可分為通信天線、測量天線等按用途分類，可分為通信天線、測量天線等按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等天線、微波天線等按方向性分類，可分為全向天線、定向天線按方向性分類，可分為全向天

5、線、定向天線等等按外形分類，可分為線天線、面天線等按外形分類，可分為線天線、面天線等4.1.2 4.1.2 天線的類型天線的類型10線天線：天線的直徑遠小于其幾何長度，因而線天線：天線的直徑遠小于其幾何長度，因而可不考慮天線橫截面上的電流分布?？刹豢紤]天線橫截面上的電流分布。偶極子偶極子天線天線單極單極天線天線環(huán)天線環(huán)天線螺旋螺旋天線天線4.1.2 4.1.2 天線的類型天線的類型11微帶天線微帶天線俯視圖俯視圖側(cè)視圖側(cè)視圖微帶傳微帶傳輸線輸線微帶微帶天線天線基底基底微帶傳微帶傳輸線輸線基底基底微帶微帶天線天線地地4.1.2 4.1.2 天線的類型天線的類型12微帶天線微帶天線移動電話內(nèi)置小型

6、微帶天線移動電話內(nèi)置小型微帶天線4.1.2 4.1.2 天線的類型天線的類型13天線陣天線陣天線陣天線陣VHFVHF、UHFUHF波段的對數(shù)周期天線波段的對數(shù)周期天線4.1.2 4.1.2 天線的類型天線的類型14反射天線反射天線反射天線反射天線高增益柵狀拋物面天線高增益柵狀拋物面天線4.1.2 4.1.2 天線的類型天線的類型15天線的形狀天線的形狀采用的材料采用的材料制作工藝制作工藝使用環(huán)境使用環(huán)境用途用途4.1.3 4.1.3 影響天線特性的因素影響天線特性的因素164.1 4.1 天線的概述天線的概述 4.2 4.2 電偶極子和磁偶極子電偶極子和磁偶極子4.3 4.3 基本天線參數(shù)基本

7、天線參數(shù)4.4 FRIIS4.4 FRIIS傳輸方程傳輸方程4.5 4.5 常用天線常用天線 17 各種天線都可以看成是由很多電偶極子構(gòu)成各種天線都可以看成是由很多電偶極子構(gòu)成的，因此天線的輻射場也可以看成是這許多電偶的，因此天線的輻射場也可以看成是這許多電偶極子輻射場的疊加。極子輻射場的疊加。電偶極子：長度電偶極子：長度ll 的流有電流的導(dǎo)線。的流有電流的導(dǎo)線。 特點：由于特點：由于ll ，因此電偶極子上，因此電偶極子上的電流的電流I I處處相等。處處相等。4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）18滯后位滯后位A滯后位：隨時間的變化落后于源的變化

8、的位函數(shù)滯后位：隨時間的變化落后于源的變化的位函數(shù)2122kkJAkAAjjAEAH為傳播常數(shù)，22ktAE4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）19為求解麥克斯韋方程組，我們引入變量為求解麥克斯韋方程組，我們引入變量赫芝矢量赫芝矢量 22,0122kkkEEHjEjH為傳播常數(shù)，得令足為任意的標量函數(shù)，滿其中，令 jJkEjJH22,1，得代入將4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）20jHEEkJ20的區(qū)域，有在由此可見，只要求得赫芝矢量，就能求得電場和磁場。jJkjJk2222,中在公式vjkrd

9、VreJj41求得，r為觀察點到波源的距離赫芝矢量的非齊次波動赫芝矢量的非齊次波動方程方程4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）21赫芝矢量的波動方程是從麥克斯韋方程組導(dǎo)出赫芝矢量的波動方程是從麥克斯韋方程組導(dǎo)出的，因此，滿足麥克斯韋方程組的解必定滿足的，因此，滿足麥克斯韋方程組的解必定滿足波動方程，但反之不成立。因此，由波動方程波動方程，但反之不成立。因此，由波動方程求得的解必須驗證其是否滿足麥克斯韋方程組。求得的解必須驗證其是否滿足麥克斯韋方程組。一般情況下，可利用赫芝矢量先求出一場量，一般情況下，可利用赫芝矢量先求出一場量，然后再根據(jù)麥克斯韋

10、方程組求另一場量。然后再根據(jù)麥克斯韋方程組求另一場量。4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）221. 1. 電偶極子所產(chǎn)生的場的計算電偶極子所產(chǎn)生的場的計算zxyMrI電偶極子沿電偶極子沿Z Z軸放置，軸放置，M M為為遠離電偶極子的觀察點遠離電偶極子的觀察點電偶極子的電流：電偶極子的電流：tIImsin r : r : 徑向距離；徑向距離； ：天頂角；：天頂角； ：方位角；：方位角；4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）23第一步，求第一步，求M M點的赫芝矢量點的赫芝矢量rejIlKdZrejIKd

11、VreJjjkrlljkrVjkr444122rejIljkrzyx400sincoszzr在球坐標系中，Z軸的單位矢量4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）24第二步，求第二步，求M M點的場量點的場量 00，且jHH0sinsinrjjHrr0sin1rrrjjHrjkrrerkjrIlrrrjjH214sinzxyH Hr rIHH4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）25第三步，直接用麥氏方程由第三步，直接用麥氏方程由 求求HjEEjH1EHjkrrrerkjrIljHHrjHjE2314cos

12、2sinsin111jkrrerkrkjrIljrHrHrjHjE22314sinsin1110111rHrHrrjHjEzxyE Er rIEE4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）26由電偶極子產(chǎn)生的場既包括近場又包括遠場；由電偶極子產(chǎn)生的場既包括近場又包括遠場；近場具有靜電場和恒定磁場的性質(zhì)，是非輻射場。近場具有靜電場和恒定磁場的性質(zhì)，是非輻射場。近場主要是感應(yīng)場，場量表達式中正比于近場主要是感應(yīng)場，場量表達式中正比于1/r1/r的項的項可以忽略不計；可以忽略不計；遠場主要是輻射場，場量表達式中正比于遠場主要是輻射場，場量表達式中正比于1/r

13、1/r3 3 和和1/r1/r2 2的項可以忽略不計，場量與距離的項可以忽略不計，場量與距離1/r1/r成正比；成正比；天線天線輻射場。通常就是指遠場。輻射場。通常就是指遠場。4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）2. 2. 近場和遠場近場和遠場27近場、遠場的分界近場、遠場的分界 遠場遠場 天線天線感應(yīng)近場感應(yīng)近場輻射近場輻射近場DR2R1天線的（輻射）近場和遠場天線的（輻射）近場和遠場的分界為：的分界為：其中其中D為天線的最大幾何長度。為天線的最大幾何長度。一般來說，天線的感應(yīng)近一般來說，天線的感應(yīng)近場和輻射近場的分界為：場和輻射近場的分界為：

14、即在即在 的區(qū)域為的區(qū)域為天線的遠場。天線的遠場。D22R 4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）283. 3. 電偶極子的輻射場（遠場）電偶極子的輻射場（遠場）將表達式中正比于將表達式中正比于1/r1/r3 3 和和1/r1/r2 2的項略去，即可得的項略去，即可得到電流元的輻射場：到電流元的輻射場：0sin4HHerIlkjHrjkr0sin42EEerIlkjErjkr4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）29由上得，自由空間的特性阻抗由上得，自由空間的特性阻抗 1200ZkHEZ自由空間中電偶極

15、子的輻射場：自由空間中電偶極子的輻射場：0sin2sin60HHEEerIljHerIljErrjkrjkr4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）30 電偶極子輻射場的特性電偶極子輻射場的特性1 1）電偶極子輻射的波在遠區(qū)為橫電磁波）電偶極子輻射的波在遠區(qū)為橫電磁波2 2）電偶極子輻射的波在遠區(qū)為球面波）電偶極子輻射的波在遠區(qū)為球面波0sin2sin60HHEEerIljHerIljErrjkrjkr4 4）場強與）場強與IlIl成正比成正比3 3）坡印亭矢量的瞬時值為正值，即）坡印亭矢量的瞬時值為正值，即 為實數(shù)為實數(shù)SIl Il 稱為電流矩稱為

16、電流矩4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）31電偶極子輻射特性電偶極子輻射特性4.2.1 4.2.1 電偶極子（電流元、赫芝偶極子）電偶極子（電流元、赫芝偶極子）32見講義見講義P994.2.2 4.2.2 磁偶極子（電小環(huán)）磁偶極子（電小環(huán)）334.1 4.1 天線的概述天線的概述 4.2 4.2 電偶極子和磁偶極子電偶極子和磁偶極子4.3 4.3 基本天線參數(shù)基本天線參數(shù)4.4 FRIIS4.4 FRIIS傳輸方程傳輸方程4.5 4.5 常用天線常用天線 34機械特性參數(shù)：形狀，尺寸，材料，可靠性等機械特性參數(shù)：形狀，尺寸，材料，可靠性等電特

17、性參數(shù)電特性參數(shù)一次參數(shù)：方向性圖，輸入阻抗，一次參數(shù)：方向性圖，輸入阻抗，效率效率二次參數(shù)：方向性系數(shù)，增益，二次參數(shù)：方向性系數(shù)，增益，波瓣寬度，前后比，極化特性等波瓣寬度，前后比，極化特性等根據(jù)互易定理，對一個無源線形天線來說，無論是用根據(jù)互易定理，對一個無源線形天線來說，無論是用于發(fā)射，還是用于接收，天線的特性參數(shù)都是相同的。于發(fā)射，還是用于接收，天線的特性參數(shù)都是相同的。351.1.輻射功率：在單位時間內(nèi)通過球面向外輻射的輻射功率：在單位時間內(nèi)通過球面向外輻射的電磁能量的平均值。電磁能量的平均值。例：求電偶極子的輻射功率？例：求電偶極子的輻射功率？HES21ddrdssin2rdzx

18、yrIsinrdr sindd4.3.1 4.3.1 輻射功率和輻射電阻輻射功率和輻射電阻36通過小面積通過小面積dsds的功率為的功率為ddrHEdPsin212ddrEdPEHsin222WdEdrddrEP 2002220022sin2sin24.3.1 4.3.1 輻射功率和輻射電阻輻射功率和輻射電阻37將將 代入，得：代入，得： 223lIPE在自由空間，電偶極子的輻射功率為：在自由空間，電偶極子的輻射功率為： 2240IlPsin42erIlkjEjkr4.3.1 4.3.1 輻射功率和輻射電阻輻射功率和輻射電阻38根據(jù)定義：根據(jù)定義： RIPm22122mIPR 稱為輻射電阻，稱

19、為輻射電阻，I Im m為電流振幅。為電流振幅。R2.輻射電阻：將輻射功率視為一個電阻所消耗的輻射電阻：將輻射功率視為一個電阻所消耗的功率，并使流過電阻的電流等于天線上的電流，功率，并使流過電阻的電流等于天線上的電流，則該電阻就稱為天線的輻射電阻。則該電阻就稱為天線的輻射電阻。4.3.1 4.3.1 輻射功率和輻射電阻輻射功率和輻射電阻39電偶極子的輻射功率為：電偶極子的輻射功率為： (2.3)(2.3)例：求電偶極子的輻射電阻例：求電偶極子的輻射電阻？ 232lR在自由空間中，在自由空間中，2280lR223lIP4.3.1 4.3.1 輻射功率和輻射電阻輻射功率和輻射電阻40天線的輻射場強

20、在空間的分布是不均勻的，即在天線的輻射場強在空間的分布是不均勻的，即在以天線為中心的球面上，各方向的場強大小是不同以天線為中心的球面上，各方向的場強大小是不同的。對任何天線，在空間的電場公式均可寫成：的。對任何天線，在空間的電場公式均可寫成：其中其中A A為與方向無關(guān)的因子，取決于天線的類型；為與方向無關(guān)的因子，取決于天線的類型； 為天線方向性函數(shù)；為天線方向性函數(shù)； 反映反映E E 的的相位特性。相位特性。jkrjeefAE),(,fjkrjee),(4.3.2 4.3.2 天線的方向性天線的方向性411、用于表示天線方向性特性的函數(shù)：、用于表示天線方向性特性的函數(shù)：2、電偶極子的方向性函數(shù)

21、、電偶極子的方向性函數(shù)),(fjkrerIljEsin60sin)(),(lff4.3.2 4.3.2 天線的方向性天線的方向性423 3、電偶極子的方向性圖、電偶極子的方向性圖v赤道面：與天線軸垂直并經(jīng)過天線中心的平面。赤道面：與天線軸垂直并經(jīng)過天線中心的平面。v子午面：包含天線軸的平面。子午面：包含天線軸的平面。 某一常數(shù)某一常數(shù) 901 1）電偶極子在赤道面內(nèi)的方向性函數(shù)和方向性圖：）電偶極子在赤道面內(nèi)的方向性函數(shù)和方向性圖：lf)( 090270180E4.3.2 4.3.2 天線的方向性天線的方向性432 2）電偶極子在子午面內(nèi)的方向性函數(shù)和方向性圖：）電偶極子在子午面內(nèi)的方向性函數(shù)

22、和方向性圖：sin)(lf90 0180270E4.3.2 4.3.2 天線的方向性天線的方向性444 4、天線的歸一化方向性函數(shù)和歸一化方向性圖天線的歸一化方向性函數(shù)和歸一化方向性圖1)1)歸一化方向性函數(shù)：天線輻射場與最大方向歸一化方向性函數(shù)：天線輻射場與最大方向上的場強值之比。上的場強值之比。,/,/,),(maxmaxffEEF 反映了天線在不同方向的場強大小的分布。反映了天線在不同方向的場強大小的分布。1),(F4.3.2 4.3.2 天線的方向性天線的方向性452)2)歸一化方向性圖：表示歸一化方向性函數(shù)的歸一化方向性圖：表示歸一化方向性函數(shù)的空間立體圖形。空間立體圖形。CDMA垂

23、直極化定向天線垂直極化定向天線CDMACDMA天線的立體天線的立體歸一化方向性圖歸一化方向性圖4.3.2 4.3.2 天線的方向性天線的方向性46CDMACDMA垂直極化定垂直極化定向天線赤道面方向天線赤道面方向性圖向性圖通常用兩個互相垂直的平面上（子午面和赤道面）的通常用兩個互相垂直的平面上（子午面和赤道面）的平面圖來表示。平面圖來表示。4.3.2 4.3.2 天線的方向性天線的方向性47天線的輻射電阻一般來說應(yīng)該是越天線的輻射電阻一般來說應(yīng)該是越 (大或小大或小)越好。越好。正弦振蕩的線極化電磁波的平均功率密度為：正弦振蕩的線極化電磁波的平均功率密度為：圓極化電磁波的瞬時功率密度為：圓極化

24、電磁波的瞬時功率密度為：圓極化電磁波的平均功率密度為：圓極化電磁波的平均功率密度為：大HES21HESHES 圓極化波的電（磁）場強度的大小為定值。圓極化波的電（磁）場強度的大小為定值。復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)48 在以天線為圓心，位于天線遠場的某一球面上，在以天線為圓心，位于天線遠場的某一球面上，天線在某一方向的輻射功率密度與相等的輻射功率天線在某一方向的輻射功率密度與相等的輻射功率均勻輻射時該球面的平均功率密度之比。均勻輻射時該球面的平均功率密度之比。 avDSSD),(114.3.3 4.3.3 天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)49avDSSDmaxmax通常，天線的方向性系數(shù)指的是最大方向性系數(shù)通常，

25、天線的方向性系數(shù)指的是最大方向性系數(shù) 。天線的方向性系數(shù)一般用分貝值表示：天線的方向性系數(shù)一般用分貝值表示： 10lgD)dB(D最大方向性系數(shù)：天線在某一遠場球面上的最大輻射最大方向性系數(shù)：天線在某一遠場球面上的最大輻射功率密度與相等的輻射功率均勻輻射時該球面的平均功率密度與相等的輻射功率均勻輻射時該球面的平均功率密度之比。功率密度之比。 4.3.3 4.3.3 天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)50物理意義：由于天線有方向性，使某方向的輻射功率密度物理意義：由于天線有方向性，使某方向的輻射功率密度比均勻輻射時增加的倍數(shù)比均勻輻射時增加的倍數(shù)D D。實際上，。實際上，D D反映了天線集中輻反映

26、了天線集中輻射能量的特性。射能量的特性。1 1、方向性系數(shù)的求法：、方向性系數(shù)的求法： 1 1）、已知歸一化方向性函數(shù)求）、已知歸一化方向性函數(shù)求D D先求全向天線先求全向天線( (點源點源) )均勻輻射時的平均輻射功率密度均勻輻射時的平均輻射功率密度: :24 rPSavD聯(lián)想：手電筒聯(lián)想：手電筒4.3.3 4.3.3 天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)51點源通過球面無窮小單位面積的功率為：點源通過球面無窮小單位面積的功率為：ddrFEddrEdPsin,21sin21222max2220022max2sin,2ddFErP4.3.3 4.3.3 天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)52 200

27、22max20022max2sin,8sin,84ddFEddFErPSavD在任意方向在任意方向),(111122max11211,21,21,FEES4.3.3 4.3.3 天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)53 200211211sin,4,ddFFSSDavD通常方向性系數(shù)指的是天線最大輻射方向上的方向通常方向性系數(shù)指的是天線最大輻射方向上的方向性系數(shù)，此時，性系數(shù)，此時，1),(11F 2002maxsin,4ddFD4.3.3 4.3.3 天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)542 2）、已知天線的輻射電阻和最大輻射方向的方向性）、已知天線的輻射電阻和最大輻射方向的方向性函數(shù)，求函數(shù)，求

28、D D2112114,21,rPSESavD2112112,rPESSDavD4.3.3 4.3.3 天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)55 當天線位于自由空間時，當天線位于自由空間時， ,60),(maxmax11frIEEm1200Z大多數(shù)線天大多數(shù)線天線的最大場線的最大場強值強值又又RIPm221DdBDfRRIfIDmmlg10,1202160,602max22max24.3.3 4.3.3 天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù) 在最大輻射方向上，在最大輻射方向上，56例：求電偶極子的方向性系數(shù)？例：求電偶極子的方向性系數(shù)？2280lR解：解：llff9090maxsin,dBdBDfRD7

29、6. 15 . 1lg105 . 180120,1202max4.3.3 4.3.3 天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)57天線的（輻射）近場和遠場的分界為：天線的（輻射）近場和遠場的分界為：例如：一個口徑為例如：一個口徑為10米的拋物面反射天線，發(fā)射電米的拋物面反射天線，發(fā)射電磁波的頻率為磁波的頻率為6GHz，則其遠場應(yīng)在距離天線超過，則其遠場應(yīng)在距離天線超過 2100/0.05=4000 m 的區(qū)域！的區(qū)域！目前天線測量的一個趨勢是用近場測量來代替遠場目前天線測量的一個趨勢是用近場測量來代替遠場測量。測量。22DR 圓極化電磁波的瞬時功率密度圓極化電磁波的瞬時功率密度 (大于、小于、大于、小

30、于、等于等于)平均功率密度。平均功率密度。 等于HES 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)58復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)在以天線為圓心，位于天線遠場的某一球面上，天線在以天線為圓心，位于天線遠場的某一球面上，天線在某一方向的輻射功率密度與相等的輻射功率均勻輻在某一方向的輻射功率密度與相等的輻射功率均勻輻射時該球面的平均功率密度之比。射時該球面的平均功率密度之比。 天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)avDSSD),(1110lgD)dB(D59 在任意方向在任意方向 , , 輻射功率密度與將相等輻射功率密度與將相等的輸入功率均勻輻射時的平均功率密度之比，即的輸入功率均勻輻射時的平均功率密度之比，即天線增益為：天線增益為：DGAavGavDP

31、PSSeff),(11avGSSG),(1124 rPSAavG其中：其中：天線效率為：天線效率為：同方向性系數(shù)的定義類似，一般天線的增益指的是最大增益。同方向性系數(shù)的定義類似，一般天線的增益指的是最大增益。24 rPSavDavDSSD),(11比較比較4.3.4 4.3.4 天線的增益天線的增益60 dB dBi i/dB/dB：表示比較對象是各向均勻輻射的理：表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源；想點源； dBdBd d：表示以半波對稱振子：表示以半波對稱振子( (其增益其增益G G的值為的值為1.64)1.64)為比較對象。為比較對象。1 1、增益的單位：、增益的單位：64. 1lg1

32、0)(1lg10)(00GdBGGGGdBGdi4.3.4 4.3.4 天線的增益天線的增益6162天線方向系數(shù)和天線增益的關(guān)系天線方向系數(shù)和天線增益的關(guān)系：DeffeffSSSSGeffSreffPrPSeffPPavDavGavDAavGA111122,44GdBGDeffGlg104.3.4 4.3.4 天線的增益天線的增益63一、接收天線的輸出功率一、接收天線的輸出功率)(22102200AeMMZZlEUIP,AAAjXRZ則接收天線的輸出功率：則接收天線的輸出功率：MMUIP0021AeMeMZZElIElU000,4.3.5 4.3.5 接收功率和有效接收面積接收功率和有效接收面

33、積Z0ZA0I0U0設(shè)天線的輸入阻抗設(shè)天線的輸入阻抗000jXRZ設(shè)天線的負載阻抗設(shè)天線的負載阻抗64二、天線向接收機輸出的最大功率二、天線向接收機輸出的最大功率 當天線的最大接收方向?qū)蕘聿ǚ较颍⑶医赢斕炀€的最大接收方向?qū)蕘聿ǚ较?，并且接收機的輸入阻抗與天線完全匹配時，天線向接收機收機的輸入阻抗與天線完全匹配時，天線向接收機的輸出功率最大。即當?shù)妮敵龉β首畲蟆＜串擷 X0 0=-X=-XA A,R,R0 0=R=RA A時時022022max422RlERlEPee4.3.5 4.3.5 接收功率和有效接收面積接收功率和有效接收面積天線的輸出功率最大天線的輸出功率最大, ,為為天線向負載

34、天線向負載Z Z0 0的輸出功率最大的輸出功率最大, ,為為022max,max,82RlEPPeoutload65 入射波的功率密度為入射波的功率密度為S S，當天線與來波方向垂，當天線與來波方向垂直，并且在阻抗匹配的情況下直，并且在阻抗匹配的情況下, ,天線對負載的輸出天線對負載的輸出功率最大功率最大,P,Plaod,maxlaod,max，則有效接收面積，則有效接收面積A A定義為：定義為：120,1202102DRlESe自由空間22max,4mDSPAlaod 有效接收面積用于衡量天線接收電磁波的能力。有效接收面積用于衡量天線接收電磁波的能力。SPAload max,4.3.5 4.

35、3.5 接收功率和有效接收面積接收功率和有效接收面積三、接收天線的有效接收面積三、接收天線的有效接收面積( (有效孔徑有效孔徑) )66定義：入射電場為定義：入射電場為E E，天線輸出端口的電壓為，天線輸出端口的電壓為V V0 0, , 則天線因子（則天線因子（Antenna FactorAntenna Factor）K K 為為: :)m/dB(V/V20lgKm/V20lgV)V(20lgE00KmdBVdBE0/EKV天線因子天線因子( (也稱作也稱作天線系數(shù)、天線校正系數(shù)天線系數(shù)、天線校正系數(shù)) )反映了天反映了天線將電場轉(zhuǎn)換成電壓的能力。線將電場轉(zhuǎn)換成電壓的能力。天線因子一般越小越好

36、天線因子一般越小越好。電場強度電場強度(dBV(dBVm)m)接收機信號功率讀數(shù)接收機信號功率讀數(shù)(dBmW(dBmW) )107(dB)107(dB)天線因子天線因子(dB/m)(dB/m)電纜損耗電纜損耗(dB)(dB) 工程上用得最多的一個公式工程上用得最多的一個公式: :一般寫成對數(shù)形式一般寫成對數(shù)形式4.3.6 4.3.6 天線因子天線因子 674.1 4.1 天線的概述天線的概述 4.2 4.2 電偶極子和磁偶極子電偶極子和磁偶極子4.3 4.3 基本天線參數(shù)基本天線參數(shù)4.4 FRIIS4.4 FRIIS傳輸方程傳輸方程4.5 4.5 常用天線常用天線 68當距離發(fā)射機當距離發(fā)射

37、機d d時，自由空間的場強為時，自由空間的場強為dP30DEt式中：式中：E E為場強，單位為為場強，單位為V/mV/m； P P為輻射功率，單位為為輻射功率，單位為W W； D Dt t為發(fā)射天線的方向性系數(shù)。為發(fā)射天線的方向性系數(shù)。 d lg 20- P lg 10(dB)D77.14E(dBv/m)tkmd lg 20- P lg 10(dB)D77.74E(dBuV/m)t4.4.1 4.4.1 自由空間電波傳播的場強計算自由空間電波傳播的場強計算69rtrGGdPP2t4WGEPrr12022412022rrGEASPdP30GEttFriisFriis 傳輸方程。傳輸方程。P Pt

38、 t為發(fā)射天線輸入端輸入的功率，為發(fā)射天線輸入端輸入的功率，P Pr r為接收天線輸出端的輸出功率。為接收天線輸出端的輸出功率。G Gt t、G Gr r分別為發(fā)射、接收天線的分別為發(fā)射、接收天線的增益。增益。4.4.2 4.4.2 Friis傳輸方程傳輸方程70例題：假設(shè)兩半波偶極子天線相距例題：假設(shè)兩半波偶極子天線相距1000m1000m，工作頻率，工作頻率為為1 150MHz50MHz，在最大接收方向上相互平行排列。發(fā)射偶，在最大接收方向上相互平行排列。發(fā)射偶極子接極子接V Vm m=100V=100V、5050的信號源。的信號源。忽略其他損耗忽略其他損耗，求接，求接收天線位置的收天線位

39、置的E E，估算天線系數(shù)，估算天線系數(shù)K K。解：半波偶極子天線的輸入阻抗73.1+j42.5天線輸入功率24.1(W)3.17)501 .73100(212/22AmTRIPmmVE/7 .48100064. 11 .2460場強dGPETTTT),(6071mRdBVEdBKVPV/1367 .1401. 97 .48lg20lg20)(1001. 9501064. 150WPPPRTR64. 11 .241081. 61081. 6)100042(64. 164. 1882利用FRIIS 傳輸方程，求V2)4)(,(),(dGGPPRRRTTTTRF=150MHz，天線系數(shù)計算值與實測值

40、產(chǎn)生誤差的原因1。沒考慮損耗 2。沒考慮天線調(diào)諧3。場地影響724.1 4.1 天線的概述天線的概述 4.2 4.2 電偶極子和磁偶極子電偶極子和磁偶極子4.3 4.3 基本天線參數(shù)基本天線參數(shù)4.4 FRIIS4.4 FRIIS傳輸方程傳輸方程4.5 4.5 常用天線常用天線 73v赫芝偶極子，電流元：赫芝偶極子，電流元：v短偶極子：短偶極子：v有限長度偶極子：偶極子天線，對稱振子有限長度偶極子：偶極子天線，對稱振子偶極子天線是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛偶極子天線是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波偶極子可簡單地獨立使用或用的天線，單個半波偶極子可簡單地獨立使用或用作為拋物面

41、天線的饋源，也可采用多個半波偶極作為拋物面天線的饋源，也可采用多個半波偶極子天線組成天線陣。子天線組成天線陣。4.5.1 4.5.1 偶極子天線上的電流分布偶極子天線上的電流分布74標準半波偶極子天線標準半波偶極子天線4.5.1 4.5.1 偶極子天線上的電流分布偶極子天線上的電流分布75一、偶極子天線一、偶極子天線1 1、偶極子天線（對稱振、偶極子天線（對稱振子）：子）：中點斷開并接以饋電源的線性導(dǎo)體。2 2、半波偶極子天線（對稱、半波偶極子天線（對稱振子）：振子）：每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的天線。3 3、輻射源：、輻射源：在饋電電源作用下，在偶極子天線振子上所建立的電流。

42、2alZIz4.5.1 4.5.1 偶極子天線上的電流分布偶極子天線上的電流分布76二、偶極子天線上的電流分布二、偶極子天線上的電流分布假設(shè)：假設(shè)：v ，這時可忽略端面電流，即只有縱向電，這時可忽略端面電流，即只有縱向電流流 ；v ，忽略間隙，忽略間隙 內(nèi)的位移電流所產(chǎn)生的內(nèi)的位移電流所產(chǎn)生的輻射場。輻射場。la zI4.5.1 4.5.1 偶極子天線上的電流分布偶極子天線上的電流分布2alZIz77結(jié)論：結(jié)論： 當當 時，偶極子天線上的電流分布接近于時，偶極子天線上的電流分布接近于正弦函數(shù)分布正弦函數(shù)分布； 當當 時，偶極子天線上的電流分布近似為：時，偶極子天線上的電流分布近似為：0a1.0

43、ka0sin0sinzzlkIzzlkIImmz4.5.1 4.5.1 偶極子天線上的電流分布偶極子天線上的電流分布78幾種典型偶極子天線上的電流分布幾種典型偶極子天線上的電流分布43l4ll4.5.1 4.5.1 偶極子天線上的電流分布偶極子天線上的電流分布2l79偶極子天線上電流分布的特點偶極子天線上電流分布的特點振子的終端始終是電流的波節(jié)；振子的終端始終是電流的波節(jié)；離終端離終端 /4/4處為電流的波腹，再經(jīng)處為電流的波腹，再經(jīng) /4/4處為電處為電流波節(jié)，依次重復(fù)；流波節(jié)，依次重復(fù)；振子兩臂相對應(yīng)點的電流相等。振子兩臂相對應(yīng)點的電流相等。在振子上的電流經(jīng)過零值時，電流相位改變在振子上的

44、電流經(jīng)過零值時，電流相位改變1801800 0；振子輸入端的電流值由電長度振子輸入端的電流值由電長度l/ l/ 決定；決定；4.5.1 4.5.1 偶極子天線上的電流分布偶極子天線上的電流分布80在天線振子上取一小在天線振子上取一小段段 ，認為，認為 上電流上電流分布是均勻的，則分布是均勻的，則 所產(chǎn)生的場為：所產(chǎn)生的場為：一、偶極子天線的輻射場一、偶極子天線的輻射場jkrzerdzIjdEsin60dzdzdzM2012r0r1rdzdzzzZ4.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)81天線在天線在M M點產(chǎn)生的場是無數(shù)點產(chǎn)生的場是無數(shù) 在在M M

45、點產(chǎn)生的場點產(chǎn)生的場的積分：的積分：dzlljkrzerdzIjEsin60代入：代入：0sin0sinzzlkIzzlkIImmz得：得：02201121sinsin60sinsin60ljkrmljkrmdzerzlkIjdzerzlkIjE4.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)82M M點離振子很遠，點離振子很遠，021021,1111rrrrM2012r0r1rdzdzzzZ0cosz0201rrkrrk但但不成立不成立coscoscoscos0201zrzrrzrzrr又又4.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的

46、輻射場和方向性函數(shù)83jkrmlljkzjkzjkrmeklklrIjdzezlkdzezlkerIjEsincoscoscos60sinsinsin6000coscos振幅值：振幅值：sincoscoscos60klklrIEmm上式的適用條件：上式的適用條件：151laka4.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)841 1） 與與 無關(guān)，因此偶極子天線在赤道面內(nèi)軸向無關(guān)，因此偶極子天線在赤道面內(nèi)軸向?qū)ΨQ，方向性圖為一圓；對稱，方向性圖為一圓；2 2） 與與 有關(guān)，說明偶極子天線在子午面內(nèi)的方有關(guān)，說明偶極子天線在子午面內(nèi)的方向性與向性與 有關(guān)；其

47、方向性取決于有關(guān)；其方向性取決于 ; ;二、偶極子天線的方向性函數(shù)二、偶極子天線的方向性函數(shù)mE由由 可知可知: :sincoscoscos,klklfl),(f),(f4.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)85 sincos2cosf當當 時時4l sin1coscosf2l sin1cos2cosfl當當 時時當當 時時4.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)86半波偶極子天線（半波偶極子天線（ ）在子午面內(nèi)的方）在子午面內(nèi)的方向性圖向性圖 25. 0l4.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向

48、性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)874.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)884.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)894.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)904.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)91偶極子天線（偶極子天線（ ）在子午面內(nèi)的方向性圖）在子午面內(nèi)的方向性圖 625. 0l4.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)924.5.2 4.5.2 偶極子天線

49、的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)934.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)944.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)95任何長度的偶極子天線在軸向任何長度的偶極子天線在軸向 無輻射；無輻射；當當 時，隨著時，隨著 增大，波瓣越來越尖銳，增大，波瓣越來越尖銳，且只有主瓣，主瓣垂直于振子軸；且只有主瓣，主瓣垂直于振子軸；當當 后，出現(xiàn)旁瓣；后，出現(xiàn)旁瓣； 時，主瓣消失；時，主瓣消失；當當 繼續(xù)增大時，波瓣將變得更窄，并且波瓣繼續(xù)增大時，波瓣將變得更窄，并且波瓣的數(shù)目將波浪式地增多。的數(shù)目將波浪式地增多。 0l5 . 0l5 . 0l1ll4.5.2 4.5.2 偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)偶極子天線的輻射場和方向性函數(shù)961 1） 時，天線振子上下兩臂的電流同相。但行程時，天線振子上