第六章-天線基本原理與技術(shù)課件

第二部分天線理論與技術(shù)第二部分天線理論與技術(shù)第六章天線基本原理與技術(shù)

在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波（發(fā)射），或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量（接收）,用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線應(yīng)具有以下性能：一、天線的功能①盡可能多地將導(dǎo)波能量互相轉(zhuǎn)電磁波能（高效率）②具有適當(dāng)?shù)姆较蛐寓塾羞m當(dāng)?shù)臉O化④有足夠的工作頻帶⑤對(duì)傳遞的信息進(jìn)行一定的加工和處理（未來發(fā)展趨勢(shì)）第六章天線基本原理與技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中，需要將來二、天線的分類按用途：通信天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線等按工作波長(zhǎng)：長(zhǎng)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：線天線、面天線線天線：由半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的金屬導(dǎo)線構(gòu)成，主要用于長(zhǎng)波、中波和短波波段面天線：由尺寸大于波長(zhǎng)的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的，主要用于微波波段二、天線的分析方法

天線問題實(shí)質(zhì)上是求解電磁場(chǎng)方程并滿足邊界條件

工程上往往將條件理想化，通過近似處理得到近似結(jié)果

利用電磁場(chǎng)理論的數(shù)值計(jì)算方法二、天線的分類按用途：通信天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線等線

電流元也稱電基本振子，它是一段長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),電流I振幅均勻分布、相位相同的直線電流。6.2電流元的輻射場(chǎng)一、電流元

注：電流元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(gòu)成的。二、電流元的輻射場(chǎng)電流元也稱電基本振子，它是一段長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),電流

在天線遠(yuǎn)區(qū)（r>>λ）則：

說明：1）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電場(chǎng)、磁場(chǎng)相互正交，相位相同：橫電磁(TEM)波2）電磁波沿徑向傳播3）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為球面波4）電流元的輻射是有方向性的在天線遠(yuǎn)區(qū)（r>>λ）則：說明：1）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電三、電流元輻射方向特性

方向函數(shù)：描述天線輻射場(chǎng)與方位角的關(guān)系。

電流元的方向函數(shù)：

方向圖：由方向函數(shù)作出的圖形，即為天線方向圖。

依據(jù)方向函數(shù)作出電流元的方向圖為：三、電流元輻射方向特性方向函數(shù)：描述天線6.4天線的電參數(shù)6.4.1天線方向性特性參數(shù)一、方向函數(shù)

方向函數(shù)：描述天線的輻射強(qiáng)度與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，分場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)和功率方向函數(shù)。

場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)：由輻射場(chǎng)電場(chǎng)表達(dá)式中與方位有關(guān)的表達(dá)式組成。如電流元場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)為：

功率方向函數(shù)：由坡印廷矢量表達(dá)式，知6.4天線的電參數(shù)6.4.1天線方向性特性參數(shù)一、方向

歸一化方向函數(shù)：為便于對(duì)不同天線方向性進(jìn)行比較，往往將方向函數(shù)對(duì)其最大值進(jìn)行歸一化，即：歸一化方向函數(shù)的最大值等于1。

用于描述天線輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變化的曲線或曲面圖。二、方向圖電流元方向圖歸一化方向函數(shù)：為便于對(duì)不同天線方向性進(jìn)

微波天線方向圖通常由與場(chǎng)矢量相平行的兩個(gè)平面表示：E平面：通過最大輻射方向，與電場(chǎng)矢量平行的平面；H平面：通過最大輻射方向，與磁場(chǎng)矢量平行的平面；E平面H平面

方向圖可由極坐標(biāo)表示，也可用直角坐標(biāo)表示：極坐標(biāo)直角坐標(biāo)電流元方向圖微波天線方向圖通常由與場(chǎng)矢量相平行的兩個(gè)平面表示：E三、主瓣寬度

主瓣寬度是衡量天線的最大輻射方向的能量集中程度的物理量。

半功率主瓣寬度：功率方向圖中兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的角寬度，或場(chǎng)強(qiáng)方向圖中最大場(chǎng)強(qiáng)的兩點(diǎn)之間的角寬度；零功率波瓣寬度：方向圖由最大值點(diǎn)兩邊第一個(gè)零點(diǎn)間的角寬。半功率主瓣寬度零功率主瓣寬度三、主瓣寬度主瓣寬度是衡量天線的最大輻射方向的能量集四、旁瓣電平SLL1

離主瓣最近且電平最高的波瓣電平與主瓣電平的比值,一般以分貝表示。主瓣：其方向?yàn)樘炀€輻射主向第一副瓣注：副瓣電平反映了天線方向性的好壞四、旁瓣電平SLL1離主瓣最近且電平最高的波瓣電平與6.4.2天線的極化天線的極化與其輻射的電磁波的極化方式相同。

天線的極化包括：垂直極化、水平極化，圓極化。

注：實(shí)際工程中，不存在理想圓極化天線，一般為橢圓極化天線通信系統(tǒng)中，發(fā)射天線和接收天線的極化方式必須要匹配6.4.3天線效率與輻射電阻

天線效率：天線輻射功率與輸入功率之比，即：式中：為天線輻射功率，為天線歐姆損耗功率。6.4.2天線的極化天線的極化與其輻射的電磁波的極化方式輻射電阻RΣ：

輻射電阻定義:某電阻上通過電流等于天線上的最大電流，若其損耗的功率等于天線的輻射功率，則該電阻值即為該天線的輻射電阻。天線的輻射電阻表示了天線輻射電磁波的能力，與饋電電流的大小無關(guān)，是天線自身具有的屬性。輻射電阻RΣ：輻射電阻定義:某電阻上通過電流等于天6.4.4天線方向系數(shù)與增益一、方向系數(shù)D

定義：設(shè)天線輻射功率為Pr，最大輻射方向電場(chǎng)為Em,則：

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，與相同輻射功率在理想無方向性天線在同一位置處的輻射功率流密度S0之比：即6.4.4天線方向系數(shù)與增益一、方向系數(shù)D定義二、增益G方向系數(shù)D未考慮天線效率的影響。

增益定義:在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度Smax，與相同輸入功率在理想無方向性天線在同一位置處的輻射功率流密度S0之比。二、增益G方向系數(shù)D未考慮天線效率的影響。增益定義

由上式可得一個(gè)天線最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為由方向系數(shù)及增益定義，有：輸入功率由上式可得一個(gè)天線最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為由方向系數(shù)及增例確定沿z軸放置的電基本振子的方向系數(shù)。

解:電基本振子的歸一化方向函數(shù)為:

代入方向系數(shù)的表達(dá)式得分貝數(shù)表示為：例確定沿z軸放置的電基本振子的方向系數(shù)。解:電基本6.4.5輸入阻抗注：輸入阻抗取決于天線本身的結(jié)構(gòu)與尺寸、工作頻率以及鄰近天線周圍物體等的影響。

天線有效長(zhǎng)度定義：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,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。6.4.6有效長(zhǎng)度輸入阻抗和輸入電壓和電流的關(guān)系是天線的有效長(zhǎng)度愈長(zhǎng),輻射能力愈強(qiáng)。6.4.5輸入阻抗注：輸入阻抗取決于天線本身的結(jié)構(gòu)與尺6.4.7工作帶寬f0——頻帶的中心頻率fmax——是某天線參數(shù)不超過規(guī)定變化范圍的最高頻率fmin——是某天線參數(shù)不超過規(guī)定變化范圍的最低頻率窄帶：寬帶：6.4.7工作帶寬f0——頻帶的中心頻率窄帶：寬帶：6.5接收天線接收天線接收電磁波的物理過程：

與導(dǎo)體表面長(zhǎng)度方向相切的電場(chǎng)分量能在天線上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感生電流：6.5接收天線接收天線接收電磁波的物理過程：與導(dǎo)體表面接收天線電參數(shù)

當(dāng)把接收天線置于電磁波環(huán)境中，接收天線就可以感應(yīng)出電流，由于天線本身的阻抗，接收天線的輸出端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在無線系統(tǒng)中，接收天線的功能就是接收電磁波能量并轉(zhuǎn)化為高頻電流的能量。其輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就通過饋線輸送電流到接收機(jī)。6.5.1收發(fā)天線的互易性接收天線電參數(shù)當(dāng)把接收天線置于電磁波環(huán)境中，接一副無源天線作發(fā)射時(shí)的方向圖和作接收時(shí)的方向圖是相同的

天線的阻抗也不因它作接收或發(fā)射工作方式而改變

天線的其他輻射特性（如方向性系數(shù)﹑增益﹑極化等）也與天線的收﹑發(fā)工作方式無關(guān)

一副無源天線作發(fā)射時(shí)的方向圖和作接收時(shí)的方向圖是相同的天線

同一天線用于接收時(shí)，方向函數(shù)、阻抗、有效長(zhǎng)度、增益等參數(shù)都與發(fā)射時(shí)相同——天線的互易定理。6.5.2天線的有效接收面積

定義：接收天線與某方向的來波極化一致時(shí)，天線的匹配接收功率與來波能流密度之比可以推得，天線的有效面積可表示為：式中：為天線的方向系數(shù)。同一天線用于接收時(shí)，方向函數(shù)、阻抗、有效長(zhǎng)度、增益等6.5.3阻抗失配及極化失配6.5.3阻抗失配及極化失配第六章--天線基本原理與技術(shù)課件6.5.4接收天線的噪聲溫度6.5.4接收天線的噪聲溫度到達(dá)接收機(jī)的噪聲功率：

如果饋線的損耗因子是LF：饋線上損耗的功率為：損耗的功率將以噪聲形式再輻射：

到達(dá)接收機(jī)的噪聲功率：如果饋線的損耗因子是LF：饋線上損AntennaNoiseAntennanoisepower,antennanoisetemperatureBackgroundnoisesources:groundnoise,skynoise,manmadenoises….Gr,B,TrNANoAntennareceivednoiseAntennathermalnoiseBrightnesstemperatureAntennaphysicaltemperature(skytowardzenith3-5K,skytowardhorizon50-100K,ground290-300k)(Backgroundnoise)ThebrightnesstemperatureisdefinedasG/TAntennaNoiseAntennanoisepow三、付里斯傳輸公式最大輻射方向上的功率密度為：接收天線接收到的功率密度為：——付里斯公式三、付里斯傳輸公式最大輻射方向上的功率密度為：接收天線接收到第二部分天線理論與技術(shù)第二部分天線理論與技術(shù)第六章天線基本原理與技術(shù)

在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波（發(fā)射），或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量（接收）,用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線應(yīng)具有以下性能：一、天線的功能①盡可能多地將導(dǎo)波能量互相轉(zhuǎn)電磁波能（高效率）②具有適當(dāng)?shù)姆较蛐寓塾羞m當(dāng)?shù)臉O化④有足夠的工作頻帶⑤對(duì)傳遞的信息進(jìn)行一定的加工和處理（未來發(fā)展趨勢(shì)）第六章天線基本原理與技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中，需要將來二、天線的分類按用途：通信天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線等按工作波長(zhǎng)：長(zhǎng)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：線天線、面天線線天線：由半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的金屬導(dǎo)線構(gòu)成，主要用于長(zhǎng)波、中波和短波波段面天線：由尺寸大于波長(zhǎng)的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的，主要用于微波波段二、天線的分析方法

天線問題實(shí)質(zhì)上是求解電磁場(chǎng)方程并滿足邊界條件

工程上往往將條件理想化，通過近似處理得到近似結(jié)果

利用電磁場(chǎng)理論的數(shù)值計(jì)算方法二、天線的分類按用途：通信天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線等線

電流元也稱電基本振子，它是一段長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),電流I振幅均勻分布、相位相同的直線電流。6.2電流元的輻射場(chǎng)一、電流元

注：電流元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(gòu)成的。二、電流元的輻射場(chǎng)電流元也稱電基本振子，它是一段長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),電流

在天線遠(yuǎn)區(qū)（r>>λ）則：

說明：1）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電場(chǎng)、磁場(chǎng)相互正交，相位相同：橫電磁(TEM)波2）電磁波沿徑向傳播3）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為球面波4）電流元的輻射是有方向性的在天線遠(yuǎn)區(qū)（r>>λ）則：說明：1）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電三、電流元輻射方向特性

方向函數(shù)：描述天線輻射場(chǎng)與方位角的關(guān)系。

電流元的方向函數(shù)：

方向圖：由方向函數(shù)作出的圖形，即為天線方向圖。

依據(jù)方向函數(shù)作出電流元的方向圖為：三、電流元輻射方向特性方向函數(shù)：描述天線6.4天線的電參數(shù)6.4.1天線方向性特性參數(shù)一、方向函數(shù)

方向函數(shù)：描述天線的輻射強(qiáng)度與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，分場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)和功率方向函數(shù)。

場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)：由輻射場(chǎng)電場(chǎng)表達(dá)式中與方位有關(guān)的表達(dá)式組成。如電流元場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)為：

功率方向函數(shù)：由坡印廷矢量表達(dá)式，知6.4天線的電參數(shù)6.4.1天線方向性特性參數(shù)一、方向

歸一化方向函數(shù)：為便于對(duì)不同天線方向性進(jìn)行比較，往往將方向函數(shù)對(duì)其最大值進(jìn)行歸一化，即：歸一化方向函數(shù)的最大值等于1。

用于描述天線輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變化的曲線或曲面圖。二、方向圖電流元方向圖歸一化方向函數(shù)：為便于對(duì)不同天線方向性進(jìn)

微波天線方向圖通常由與場(chǎng)矢量相平行的兩個(gè)平面表示：E平面：通過最大輻射方向，與電場(chǎng)矢量平行的平面；H平面：通過最大輻射方向，與磁場(chǎng)矢量平行的平面；E平面H平面

方向圖可由極坐標(biāo)表示，也可用直角坐標(biāo)表示：極坐標(biāo)直角坐標(biāo)電流元方向圖微波天線方向圖通常由與場(chǎng)矢量相平行的兩個(gè)平面表示：E三、主瓣寬度

主瓣寬度是衡量天線的最大輻射方向的能量集中程度的物理量。

半功率主瓣寬度：功率方向圖中兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的角寬度，或場(chǎng)強(qiáng)方向圖中最大場(chǎng)強(qiáng)的兩點(diǎn)之間的角寬度；零功率波瓣寬度：方向圖由最大值點(diǎn)兩邊第一個(gè)零點(diǎn)間的角寬。半功率主瓣寬度零功率主瓣寬度三、主瓣寬度主瓣寬度是衡量天線的最大輻射方向的能量集四、旁瓣電平SLL1

離主瓣最近且電平最高的波瓣電平與主瓣電平的比值,一般以分貝表示。主瓣：其方向?yàn)樘炀€輻射主向第一副瓣注：副瓣電平反映了天線方向性的好壞四、旁瓣電平SLL1離主瓣最近且電平最高的波瓣電平與6.4.2天線的極化天線的極化與其輻射的電磁波的極化方式相同。

天線的極化包括：垂直極化、水平極化，圓極化。

注：實(shí)際工程中，不存在理想圓極化天線，一般為橢圓極化天線通信系統(tǒng)中，發(fā)射天線和接收天線的極化方式必須要匹配6.4.3天線效率與輻射電阻

天線效率：天線輻射功率與輸入功率之比，即：式中：為天線輻射功率，為天線歐姆損耗功率。6.4.2天線的極化天線的極化與其輻射的電磁波的極化方式輻射電阻RΣ：

輻射電阻定義:某電阻上通過電流等于天線上的最大電流，若其損耗的功率等于天線的輻射功率，則該電阻值即為該天線的輻射電阻。天線的輻射電阻表示了天線輻射電磁波的能力，與饋電電流的大小無關(guān)，是天線自身具有的屬性。輻射電阻RΣ：輻射電阻定義:某電阻上通過電流等于天6.4.4天線方向系數(shù)與增益一、方向系數(shù)D

定義：設(shè)天線輻射功率為Pr，最大輻射方向電場(chǎng)為Em,則：

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，與相同輻射功率在理想無方向性天線在同一位置處的輻射功率流密度S0之比：即6.4.4天線方向系數(shù)與增益一、方向系數(shù)D定義二、增益G方向系數(shù)D未考慮天線效率的影響。

增益定義:在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度Smax，與相同輸入功率在理想無方向性天線在同一位置處的輻射功率流密度S0之比。二、增益G方向系數(shù)D未考慮天線效率的影響。增益定義

由上式可得一個(gè)天線最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為由方向系數(shù)及增益定義，有：輸入功率由上式可得一個(gè)天線最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為由方向系數(shù)及增例確定沿z軸放置的電基本振子的方向系數(shù)。

解:電基本振子的歸一化方向函數(shù)為:

代入方向系數(shù)的表達(dá)式得分貝數(shù)表示為：例確定沿z軸放置的電基本振子的方向系數(shù)。解:電基本6.4.5輸入阻抗注：輸入阻抗取決于天線本身的結(jié)構(gòu)與尺寸、工作頻率以及鄰近天線周圍物體等的影響。

天線有效長(zhǎng)度定義：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,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。6.4.6有效長(zhǎng)度輸入阻抗和輸入電壓和電流的關(guān)系是天線的有效長(zhǎng)度愈長(zhǎng),輻射能力愈強(qiáng)。6.4.5輸入阻抗注：輸入阻抗取決于天線本身的結(jié)構(gòu)與尺6.4.7工作帶寬f0——頻帶的中心頻率fmax——是某天線參數(shù)不超過規(guī)定變化范圍的最高頻率fmin——是某天線參數(shù)不超過規(guī)定變化范圍的最低頻率窄帶：寬帶：6.4.7工作帶寬f0——頻帶的中心頻率窄帶：寬帶：6.5接收天線接收天線接收電磁波的物理過程：

與導(dǎo)體表面長(zhǎng)度方向相切的電場(chǎng)分量能在天線上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感生電流：6.5接收天線接收天線接收電磁波的物理過程：與導(dǎo)體表面接收天線電參數(shù)

當(dāng)把接收天線置于電磁波環(huán)境中，接收天線就可以感應(yīng)出電流，由于天線本身的阻抗，接收天線的輸出端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在無線系統(tǒng)中，接收天線的功能就是接收電磁波能量并轉(zhuǎn)化為高頻電流的能量。其輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就通過饋線輸送電流到接收機(jī)。6.5.1收發(fā)天線的互易性接收天線電參數(shù)當(dāng)把接收天線置于電磁波環(huán)境中，接一副無源天線作發(fā)射時(shí)的方向圖和作接收時(shí)的方向圖是相同的

天線的阻抗也不因它作接收或發(fā)射工作方式而改變

天線的其他輻射特性（如方向性系數(shù)﹑增益﹑極化等）也與天線的收﹑發(fā)工作方式無關(guān)

一副無源天線作發(fā)