第6章 天線輻射與接收的基本理論

1、第第6 6章章 天線輻射與接收的基本理論天線輻射與接收的基本理論 通信系統(tǒng)根據(jù)傳遞信息的途徑不同可分為兩通信系統(tǒng)根據(jù)傳遞信息的途徑不同可分為兩大類有線通信、無線通信系統(tǒng)。天線是無線通信大類有線通信、無線通信系統(tǒng)。天線是無線通信系統(tǒng)中一個必不可少的重要設(shè)備。系統(tǒng)中一個必不可少的重要設(shè)備。發(fā)發(fā) 端端收收 端端電磁波電磁波發(fā)射天線發(fā)射天線產(chǎn)生電磁波產(chǎn)生電磁波接收天線接收天線接收電磁波接收電磁波6.1 6.1 概論概論天線具有如下基本功能：天線具有如下基本功能：1 1）開放結(jié)構(gòu)）開放結(jié)構(gòu)- -將導(dǎo)波能量盡可能多的轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪軐?dǎo)波能量盡可能多的轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰苛? 2）具有方向性）具有方向性- -使

2、電磁波盡可能集中于確定的方向上使電磁波盡可能集中于確定的方向上3 3）具有適當(dāng)?shù)臉O化）具有適當(dāng)?shù)臉O化- -能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波4 4）具有足夠的工作頻帶）具有足夠的工作頻帶天線按照輻射元的類型可以分為兩大類：天線按照輻射元的類型可以分為兩大類：1 1）線天線）線天線由半徑遠小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成，由半徑遠小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成， 主要用于長波、中波、短波波段。主要用于長波、中波、短波波段。2 2）面天線）面天線由尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構(gòu)由尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構(gòu) 成，主要用于微波波段。成，主要用于微波波段。6.2 6.2 基本振子的輻射基本振子的輻射

3、1.1.電基本振子電基本振子zo2l2llIm0sin()IIt長度遠小于波長長度遠小于波長電流電流I I振幅均勻分布、相位相振幅均勻分布、相位相同的直線電流元同的直線電流元為線天線的基本組成部分，任意線天線可看成是為線天線的基本組成部分，任意線天線可看成是由一系列電基本陣子構(gòu)成的。由一系列電基本陣子構(gòu)成的。條件：條件：112krrk 1010倍以上即可倍以上即可sinsin42jkrjkrjkIljIlHeerr60sinsin2jkrjkrjIljIlEeerr 特性：特性：電基本振子的電磁能量沿電基本振子的電磁能量沿r r方向傳播，說明遠方向傳播，說明遠區(qū)場是一個沿著徑向向外傳播的橫電磁

4、波區(qū)場是一個沿著徑向向外傳播的橫電磁波TEMTEM，又稱輻射場。又稱輻射場。（1 1）輻射場）輻射場球面波球面波，即輻射場的強度與距離成反比，隨著，即輻射場的強度與距離成反比，隨著距離增大，輻射場減小。距離增大，輻射場減小。不同不同方向，輻射強度不同，即方向，輻射強度不同，即輻射具有方向性輻射具有方向性場量場量sin0,2對應(yīng)軸向，無輻射對應(yīng)軸向，無輻射對應(yīng)垂直于軸向，輻射最強對應(yīng)垂直于軸向，輻射最強表示能量的分配情況表示能量的分配情況0( )sin()E ttkrtrnr一一. .模型模型zo2l2llIMm0sin()MMIIt二二. .輻射場輻射場根據(jù)電磁對偶原理根據(jù)電磁對偶原理 代入電

5、流元輻射場代入電流元輻射場MeMeMIIHEDB 2.2.磁基本振子磁基本振子()sin2jkrMMeMjI lEHIIer 2sinsin22jkrjkrMMMjI ljI lEHeerr 三三. .輻射特性輻射特性 電流元電流元 沿沿 方向，方向， 沿沿 方向方向 eHeE不同：磁流元不同：磁流元 沿沿 方向，方向， 沿沿 方向方向MEMH兩者的兩者的E E、H H面互換面互換6.3 6.3 天線的電參數(shù)天線的電參數(shù)1.1.天線的方向圖及其有關(guān)參數(shù)天線的方向圖及其有關(guān)參數(shù)（1 1）天線方向圖：指在離天線一定距離處，輻射場）天線方向圖：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

6、向變化的曲線圖，通的相對場強（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。面方向圖來表示。在地面架設(shè)的線天線一般采用水平面和鉛垂平面表在地面架設(shè)的線天線一般采用水平面和鉛垂平面表示其方向圖；示其方向圖；超高頻天線，采用超高頻天線，采用E E平面和平面和H H平面來表示。平面來表示。方向性函數(shù)：表示輻射場與角坐標(biāo)之間關(guān)系的函數(shù)方向性函數(shù)：表示輻射場與角坐標(biāo)之間關(guān)系的函數(shù)( )( , ) ( , )E tA r t f 最大輻射方向：輻射場的模取最大值的方向最大輻射方向：輻射場的模取最大值的方向max

7、max(,) , (,)mmmmEEff 歸一化方向性函數(shù)：沿最大輻射方向模值為歸一化方向性函數(shù)：沿最大輻射方向模值為1 1的的 方向性函數(shù)方向性函數(shù)（2 2）主瓣寬度與副瓣電平）主瓣寬度與副瓣電平主瓣：最大輻射方向所在的波瓣主瓣：最大輻射方向所在的波瓣副瓣：其余波瓣依次為第一副瓣、第二副瓣副瓣：其余波瓣依次為第一副瓣、第二副瓣【主瓣寬度主瓣寬度】半功率：功率為最大值一半，場強為半功率：功率為最大值一半，場強為 ，120.5210db10db：功率為最大值：功率為最大值1/101/10，場強為，場強為0.3160.316，0.12全主瓣寬度：全主瓣寬度：02【旁瓣電平旁瓣電平】旁瓣電平指離主瓣

8、最近而且電平最高的第一旁瓣旁瓣電平指離主瓣最近而且電平最高的第一旁瓣電平，一般以分貝表示。旁瓣分散了輻射功率，電平，一般以分貝表示。旁瓣分散了輻射功率，應(yīng)盡量抑制。應(yīng)盡量抑制。主瓣寬度越小，能量越集中，定向性越好。主瓣寬度越小，能量越集中，定向性越好。（3 3）前后比）前后比前后比指最大輻射方向前向電平與其相反方向后前后比指最大輻射方向前向電平與其相反方向后向電平之比，通常以分貝表示。向電平之比，通常以分貝表示。（4 4）方向系數(shù)）方向系數(shù)定義：在離天線某一距離處，天線在最大輻射方定義：在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率密度與相同輻射功率的理想無方向上的輻射功率密度與相同輻射功

9、率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率密度之比即最向性天線在同一距離處的輻射功率密度之比即最大輻射方向的功率密度與在同一球面上的平均功大輻射方向的功率密度與在同一球面上的平均功率密度之比，記為率密度之比，記為D D2maxmax2avavESDSE計算式：計算式：2max222004sinavEDEdFd 【討論】【討論】1 1） 2 2）D D越大，方向性越強越大，方向性越強1D 如：電流元如：電流元22220000441.5sinsinsinDdFddd 2.2.效率效率inPP效率：天線實際輻射功率與發(fā)射機提供即輸入功率效率：天線實際輻射功率與發(fā)射機提供即輸入功率 之比之比(1 )3

10、.3.增益：綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換盒方向特性的參增益：綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換盒方向特性的參 數(shù)，是天線的方向系數(shù)與效率之積數(shù)，是天線的方向系數(shù)與效率之積GD輻射電阻：常用來度量天線輻射功率的能力。輻射電阻：常用來度量天線輻射功率的能力。定義：設(shè)有一電阻，當(dāng)通過它的電流等于天線上定義：設(shè)有一電阻，當(dāng)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。的最大電流時，其損耗的功率就等于其輻射功率。202 RPI ()RP輻射能力4.4.工作頻帶工作頻帶天線各參數(shù)不超過允許變化范圍所對應(yīng)的頻率范圍天線各參數(shù)不超過允許變化范圍所對應(yīng)的頻率范圍5.5.極化極化 極化特性指天線在最大輻射方向上電場矢量的方極化特性指天線在最大輻射方向上電場矢量的方 向隨時間的變化規(guī)律，分為線極化、圓極化、橢向隨時間的變化規(guī)律，分為線極化、圓極化、橢 圓極化。按天線所輻射的電場的極化形式可將天圓極化。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、橢圓極化天線線分為線極化天線、圓極化天線、橢圓極化天線6.6.輸入阻抗輸入阻抗要使天線輻射效率高，必須使天線與饋線良好的匹要使天線輻射效率高，必須使天線與饋線良好的匹配，即天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，才配，即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。能使天線獲得最大功率。0inzz6.4