微波技術(shù)與天線第5章-天線課件

1、5.1.2天線的分類1.全向天線 2. 定向天線 3.機(jī)械天線 4. 電調(diào)天線 5. 雙極化天線 5.2 電基本振子5.2.1電基本振子的輻射場(chǎng)圖 5-1 電基本振子場(chǎng)及坐標(biāo)系場(chǎng)解忽略項(xiàng) ，保留項(xiàng) 和 項(xiàng)， 1）近區(qū)場(chǎng)隨距離的增大而迅速減小, 即離天線較遠(yuǎn)時(shí),近區(qū)場(chǎng)可認(rèn)近似為零。 2） 電場(chǎng)與磁場(chǎng)相位相差90, 說(shuō)明玻印廷矢量為 虛數(shù),每周期平均輻射功率為零。電磁能量在場(chǎng)源和場(chǎng)之間來(lái)回振蕩, 沒有能量向外輻射, 所以近區(qū)場(chǎng)又稱為感應(yīng)場(chǎng)。 近 區(qū) 場(chǎng)近 區(qū) 場(chǎng)(2 ) 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)5.3.1小電流環(huán)的輻射場(chǎng)圖 5-2 磁基本振子 （ b ）磁基本振子（ a ）小電流環(huán) 小圓環(huán)電流的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為 5.4 天

2、線的電參數(shù)5.4.1天線方向性函數(shù)和方向圖 天線方向性函數(shù)是描述天線的輻射場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度的數(shù)學(xué)表示式，方向圖則是相應(yīng)的圖解表示，天線的方向圖是一個(gè)立體圖，通常只畫出兩個(gè)相互垂直的兩個(gè)平面方向圖，通過天線最大輻射方向并平行于電場(chǎng)矢量的平面，稱為E面；通過天線最大輻射方向并平行于磁場(chǎng)矢量的平面，稱為H面。歸一化方向性函數(shù)為 5.4.3天線效率天線輻射功率與輸入功率之比, 稱為天線效率 5.4.4增益系數(shù)5.4.5極化 所謂天線的極化就是電場(chǎng)矢量在空間的取向。通常指該天線在最大輻射方向上的電場(chǎng)空間取向。極化一般可分為線極化、圓極化和橢圓極化，其中圓極化還可以根據(jù)電場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)方向分為右旋圓極化和左旋圓極

3、化。 5.4.6頻帶寬度 天線的電參數(shù)（如方向特性、極化特性及阻抗特性等）都與頻率有關(guān), 這些電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻率設(shè)計(jì)的，實(shí)際天線并不是工作在一個(gè)頻點(diǎn)上的, 而是有一定的頻率范圍。當(dāng)工作頻率變化時(shí), 天線的相關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為天線的頻帶寬度, 簡(jiǎn)稱天線帶寬。 5.4.7 輸入阻抗定義：天線輸入端信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比，稱為天線的輸入阻抗。即5.4.8 有效長(zhǎng)度 它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), 有效長(zhǎng)度是衡量天線輻射能力的又一個(gè)重要指標(biāo)。5.5 接收天線理論圖5-6 接收天線5.6 對(duì)稱振子天線圖5-7 對(duì)稱振子天線 5.6.3 對(duì)稱振

4、子天線的輸入阻抗 對(duì)稱振子輸入阻抗普遍采用等效傳輸線法，該方法是將對(duì)稱振子看作由一段開路雙線張開而成，由傳輸線理論來(lái)近似計(jì)算其輸入阻抗，經(jīng)過近似處理后，公式簡(jiǎn)便且便于實(shí)際應(yīng)用。但對(duì)稱振子與傳輸線不能完全等效，即兩者之間存在一定的差別，主要表現(xiàn)在：第一，傳輸線不是輻射系統(tǒng)，而對(duì)稱振子是一個(gè)輻射系統(tǒng)，若把振子輻射功率看作是一種損耗，則對(duì)稱振子應(yīng)等效為一有耗傳輸線。第二，均勻傳輸線上對(duì)于線元之間的距離處處相等，而對(duì)稱振子上的對(duì)應(yīng)線元即對(duì)稱分布中心軸兩側(cè)的線元，對(duì)應(yīng)線元的距離隨離軸心距離不同而不同，因此，對(duì)稱振子的分布參數(shù)及特性阻抗沿線也是不均勻分布的。由于這些差別，由等效傳輸線法獲得的對(duì)稱振子的特性

5、阻抗公式要做適當(dāng)?shù)男拚?.7 均勻直線天線陣 為了增強(qiáng)天線的方向性，提高天線的增益系數(shù)，或者為了得到所需要的輻射特性，可以把若干個(gè)相同的天線按一定的規(guī)律排列起來(lái)，并給予適當(dāng)激勵(lì)，這樣組成的天線系統(tǒng)稱為天線陣 ( a ) 同軸排列( b )平行排列圖5-14 對(duì)稱振子組成的直線陣5.7.1 二元陣圖 5-15 二元陣二元陣輻射場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度模值為5.8 均勻直線天線陣的方向性5.8.1 均勻直線天線陣圖 5-19 均勻直線陣歸一化的陣因子5.9 引向天線5.9.1折合半波振子天線 折合半波振子天線可以看成是將兩個(gè)基本半波振子天線的尾部相連而成，即兩個(gè)半波振子天線的并聯(lián)，如圖5-31所示 圖5-3

6、1 半波折合振子天線5.10 螺旋天線 金屬導(dǎo)線繞制成螺旋狀結(jié)構(gòu)的天線稱為螺旋天線。 通常有兩種結(jié)構(gòu)形式：圖5-34(a)為圓柱螺旋天線； 圖5-34(b) 為圓錐螺旋天線。由同軸線饋電, 同軸線的內(nèi)導(dǎo)體與螺旋線相接, 外導(dǎo)體與接地板相連。 ( a ) 圓柱螺旋天線( b ) 圓錐螺旋天線圖5-34 螺旋天線5.11 行波天線 在天線末端加上匹配負(fù)載吸收剩余電磁能量，可以防止反射波的產(chǎn)生。對(duì)于很長(zhǎng)的線天線，由于電流沿著天線流動(dòng)時(shí)不斷地輻射，能量不斷地消耗掉，僅僅有很少的電磁能量到達(dá)天線末端，也可以看成是行波天線。行波天線是寬帶天線的一種類型。最簡(jiǎn)單的行波線天線是僅僅傳輸行波的單根長(zhǎng)線，如圖5-

7、37所示。圖5-37行波天線5.11.1行波單導(dǎo)線天線的方向圖圖5-38 時(shí)行波天線方向圖5.11.2 V形天線和菱形天線圖5-39 V形天線(，)5.12 非頻變天線圖5-41 平面等角螺旋天線非頻變天線概念是由拉姆西（V.H.Rumsey）于1957年提出的，使天線的發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)突破，可將帶寬擴(kuò)展到超過401，在此之前，具有寬頻帶方向性和阻抗特性的天線其帶寬不超過21。我們已經(jīng)知道，天線的電性能取決于它的電尺寸，所以當(dāng)幾何尺寸一定時(shí)，頻率的變化導(dǎo)致電尺寸的變化，因而天線 5.13 面天線 前面討論了常用于米波波段的線型天線，而現(xiàn)代雷達(dá)和通信設(shè)備不少是工作于厘米波或更高的波段的，由于這個(gè)波

8、段的波傳播類似于光波，因此天線設(shè)備類似于光學(xué)系統(tǒng)，常常使用面狀結(jié)構(gòu)，故稱為面狀天線，簡(jiǎn)稱面天線。該類天線在雷達(dá)、導(dǎo)航、微波中繼、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星電視廣播及射電天文等方面已有廣泛的應(yīng)用，如圖5-46所示的分別是常見的拋物面天線和卡塞格倫天線。5.13.1等效原理面元上的新波源可由場(chǎng)等效原理求得，即將面元上的磁場(chǎng)和電場(chǎng)分別用等效電流元和磁流元來(lái)替代，口徑面輻射就由這些電基本振子和磁基本振子產(chǎn)生的場(chǎng)對(duì)整個(gè)口徑面進(jìn)行積分求得。 5-47 等效原理 5.14 微帶天線 微帶天線有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）剖面薄，體積小，重量輕；（2）具有平面結(jié)構(gòu)，并可制成與導(dǎo)彈、衛(wèi)星等載體表面相共形的結(jié)構(gòu)；（3）饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)

9、構(gòu)一起制成，適合于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)；（4）能與有源器件和電路集成為一體；（5）便于獲得圓極化，容易實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作。（6）不需要背腔,適合于組合式設(shè)計(jì)，易于制作成印刷電路，饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時(shí)制作。微帶天線的主要缺點(diǎn)有：（1）頻帶窄；（2）有導(dǎo)體和介質(zhì)損耗，并且會(huì)激勵(lì)表面波，導(dǎo)致輻射效率降低；5.14.2 微帶天線饋電方式饋線的設(shè)計(jì)對(duì)于天線來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)閺陌l(fā)射機(jī)到天線以及天線到接收機(jī)都是靠饋線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。微帶天線通常采用微帶線饋電和同軸線饋電兩種饋電方式，如圖5-63所示。圖5-63(a)所示的是微帶饋線的天線，微帶饋線與貼片的一條輻射邊接觸，它具有其它的饋電技術(shù)不具有的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)轲侂妴卧唾N片可以蝕刻在同一塊板上，故一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是制造工