《微波技術(shù)與天線》第6章

6.1概論6.2基本振子的輻射6.3天線的電參數(shù)6.4接收天線理論第6章天線輻射與接收的基本理論1.天線的定義天線的基本功能是輻射和接收無線電波發(fā)射時，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波；接收時，把電滋波轉(zhuǎn)換為高頻電流。不同的無線電設(shè)備對天線的要求不同。圖6-1-1無線電設(shè)備的信道方框圖通信系統(tǒng)中的天線能量的轉(zhuǎn)換：自由空間的電磁能量與高頻電流能量的相互轉(zhuǎn)換；能量的分配：使空間傳播的電磁波能量在指定的空域內(nèi)輻射傳播；信息源信號變換發(fā)信機(jī)收信機(jī)信號變換受信者

發(fā)射：高頻能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量；向指定空域發(fā)射電磁波；接收：電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻電流形式的能量；收集指定空域內(nèi)的電磁波。能接收電磁能量天線？2、天線的作用分類的方法種類按用途分通信天線、廣播天線、雷達(dá)天線、導(dǎo)航天線、測向天線等按工作頻段分長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線方向性的強(qiáng)弱全向天線、弱方向性天線和強(qiáng)方向性天線等按極化特性線極化天線、圓極化天線、橢圓極化天線等按工作原理分駐波天線、行波天線；陣列天線按波束控制的方法分固定波束天線、相控天線、智能天線等按基本結(jié)構(gòu)分線天線、面天線、縫隙天線按電尺寸分電小天線：尺寸遠(yuǎn)小于工作波長；電大尺寸天線：大小與工作波長可以比擬天線的分類天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰?。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(jī)或接收機(jī)匹配(需要計(jì)算或測試天線的輻射阻抗）。天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上,或?qū)Υ_定方向的來波最大限度的接受,即天線具有方向性（方向函數(shù)）。天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波,即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。對天線的要求方向性圖方向性系數(shù)增益輸入阻抗駐波系數(shù)效率影響天線性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素天線電尺寸天線的形狀和結(jié)構(gòu)天線上的電流分布

天線常用的性能指標(biāo)：天線饋線系統(tǒng)手機(jī)拉桿電視天線

無線公話天線35厘米衛(wèi)星天線八木天線（八木秀次和宇田太郞）

雷達(dá)天線陣美軍裝備的“鋪路爪”相控陣?yán)走_(dá)

日本的FPS-XX警戒管制雷達(dá)美國SBX?；鵛波段反導(dǎo)雷達(dá)AN_FPS-117型遠(yuǎn)程對空監(jiān)視雷達(dá)

美國空軍F-15C戰(zhàn)斗機(jī)裝載的(AESA)有源相控陣?yán)走_(dá)美軍地勤人員檢修F-15C戰(zhàn)斗機(jī)APG-63雷達(dá)中國的天線陣？？？？？中國空警200型預(yù)警機(jī)空警200的雷達(dá)盤子地空導(dǎo)彈系統(tǒng)的地面制導(dǎo)設(shè)備

解析法：求解電磁場方程并滿足邊界條件,但這往往十分繁雜,有時甚至是十分困難的。在實(shí)際問題中,往往將條件理想化,進(jìn)行一些近似處理,從而得到近似結(jié)果,這是天線工程中最常用的方法。數(shù)值法：在某些情況下,如果需要較精確的解,可借助電磁場理論的數(shù)值計(jì)算方法來進(jìn)行。天線的研究方法預(yù)備知識：時變場的達(dá)朗貝爾方程，滯后位及其解磁矢位和電標(biāo)位線性、均勻各向同性的無耗媒質(zhì)中，時諧形式的麥克斯韋方程天線輻射場的求解思路：點(diǎn)源點(diǎn)源的磁矢位轉(zhuǎn)換點(diǎn)源的輻射場計(jì)算連續(xù)分布結(jié)構(gòu)的輻射場突破點(diǎn)源后利用結(jié)果推導(dǎo)新結(jié)構(gòu)的結(jié)果6.2基本振子的輻射圖6–2電基本振子1.電基本振子

電基本振子是一段長度l遠(yuǎn)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(gòu)成的。

(6-2-1)式中,，是媒質(zhì)中電磁波的波數(shù)電基本振子的輻射場在電磁場理論中,已給出了在球坐標(biāo)原點(diǎn)O沿z軸放置的電基本振子(圖6-2)在周圍空間產(chǎn)生的場為(6-2-2)近區(qū)場的特點(diǎn)

①在近區(qū),電場和與靜電場問題中的電偶極子的電場相似,磁場和恒定電流場問題中的電流元的磁場相似,所以近區(qū)場稱為準(zhǔn)靜態(tài)場；

②由于場強(qiáng)與1/r的高次方成正比,所以近區(qū)場隨距離的增大而迅速減小,即離天線較遠(yuǎn)時,可認(rèn)為近區(qū)場近似為零；

③電場與磁場相位相差90°,說明玻印廷矢量為虛數(shù),也就是說,電磁能量在場源和場之間來回振蕩,沒有能量向外輻射,所以近區(qū)場又稱為感應(yīng)場。

電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場為(6-2-5)

①在遠(yuǎn)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(shí)數(shù),且指向r

方向。這說明電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場是一個沿著徑向向外傳播的橫電磁波,所以遠(yuǎn)區(qū)場又稱輻射場;②/=η==120π（Ω）是一常數(shù),即等于媒質(zhì)的本征阻抗,因而遠(yuǎn)區(qū)場具有與平面波相同的特性;③輻射場的強(qiáng)度與距離成反比,隨著距離的增大,輻射場減小。這是因?yàn)檩椛鋱鍪且郧蛎娌ǖ男问较蛲鈹U(kuò)散的,當(dāng)距離增大時,輻射能量分布到更大的球面面積上;④在不同的方向上,輻射強(qiáng)度是不相等的。這說明電基本振子的輻射是有方向性的。遠(yuǎn)區(qū)場的特點(diǎn)輻射場的方向性

磁基本振子是一個半徑為b的細(xì)線小環(huán),且小環(huán)的周長滿足條件：2πb<<λ,如圖6-3所示。假設(shè)其上有電流i(t)=Icosωt,由電磁場理論,其磁偶極矩矢量為根據(jù)電與磁的對偶性原理:(6-2-6)(A·m2)2.磁基本振子的場根據(jù)電與磁的對偶性原理:圖6–3磁基本振子的輻射與電基本振子做相同的近似得磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場為:(6-2-7)(6-2-8)磁基本振子的輻射場比較電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場與磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場,可以發(fā)現(xiàn)它們具有相同的方向函數(shù)|sinθ|,而且在空間相互正交,相位相差90°。所以將電基本振子與磁基本振子組合后,可構(gòu)成一個橢圓（或圓）極化波天線,具體將在第8章中介紹。

磁基本陣子的應(yīng)用電磁測井6.3天線的電參數(shù)（1）水平面：當(dāng)仰角Δ及距離r為常數(shù)時,電場強(qiáng)度隨方位角的變化曲線,

（2）鉛垂平面：當(dāng)及r為常數(shù)時,電場強(qiáng)度隨仰角Δ的變化曲線,1.天線方向圖及其有關(guān)參數(shù)天線方向圖，是指在離天線一定距離處,輻射場的相對場強(qiáng)（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)地面上架設(shè)的線天線一般采用兩個相互垂直的平面來表示E平面：電場矢量所在的平面，沿z軸放置的電基本振子,子午面是E平面。H平面：磁場矢量所在的平面，赤道平面是H面。

2)超高頻天線,通常采用與場矢量相平行的兩個平面解:①E平面方向圖:例：畫出沿z軸放置的電基本振子的E平面和H平面方向圖。

給定r處,對于θ=π/2,Eθ的歸一化場強(qiáng)值為|sinθ|=1,與φ無關(guān)，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

②H平面方向圖:圖6-5(a)電基本振子E平面方向圖圖6-5(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圖6-5(d)電基本振子方向圖復(fù)雜天線的E平面方向圖如圖所示,這是在極坐標(biāo)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、副瓣）主瓣旁瓣圖6-6(a)極坐標(biāo)歸一化方向圖主瓣旁瓣圖6-6(b)直角坐標(biāo)歸一化方向圖(c)直角坐標(biāo)分貝方向圖將的極坐標(biāo)圖畫成直角坐標(biāo)圖

3)天線的方向圖參數(shù)為了方便對各種天線的方向圖特性進(jìn)行比較,就需要規(guī)定一些特性參數(shù)。這些參數(shù)有:主瓣寬度旁瓣電平前后比方向系數(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(diǎn)之間的寬度,在場強(qiáng)方向圖中,等于最大場強(qiáng)的兩點(diǎn)之間的寬度,稱為半功率波瓣寬度;有時也將頭兩個零點(diǎn)之間的角寬作為主瓣寬度,稱為零功率波瓣寬度。波瓣寬度越窄，能量越集中(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(diǎn)之間的寬度,在場強(qiáng)方向圖中,等于最大場強(qiáng)的兩點(diǎn)之間的寬度,稱為半功率波瓣寬度;有時也將頭兩個零點(diǎn)之間的角寬作為主瓣寬度,稱為零功率波瓣寬度。電基本振子？（2）旁瓣電平：指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平（3）前后比:

后瓣平均功率密度最大值與主瓣平均功率密度最大值之比，以分貝表示

方向圖參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映各個方向的輻射相對強(qiáng)弱程度。如：方向圖可以看出哪個方向大，哪個方向?。坏荒芏康慕o出某一點(diǎn)的場強(qiáng)到底是多少，因而不能單獨(dú)體現(xiàn)天線的定向輻別能力。為了更精確地比較個同天線之間的方向性，需要引入一個能定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)，這就是方向系數(shù)雷達(dá),通信等大部分天線設(shè)備,都是利用主向(或主平面)(最大輻射方向)的輻射來完成任務(wù)的。偏離主向的輻射功率不僅被無謂浪費(fèi),而且還會干擾電波信號。因此,盡可能減少非主向的輻射和增加主向輻射。常采用方向性系數(shù)這個參量來說明天線在主向輻射功率的集中程度4）天線方向性系數(shù)（Directivity）（1）方向性系數(shù)D的表達(dá)式

在離開天線同一距離r0時，天線在最大輻射方向上的功率密度Smax和總輻射功率相同的全向天線的功率流密度S0的比值方向系數(shù):定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù),說明天線在主向輻射功率的集中程度

(2)分貝來表示:方向性系數(shù)還可用分貝來表示，且有

主瓣越窄，方向系數(shù)越大。無方向性天線的方向系數(shù)為1。若以分貝表示,則D=10log101.5=1.76dBi。可見,電基本振子的方向系數(shù)是很低的。將其代入方向系數(shù)的表達(dá)式得［例6-2］確定沿z軸放置的電基本振子的方向系數(shù)。解:由上面分析知電基本振子的歸一化方向函數(shù)為:

5）天線的效率（Efficiency）天線效率A：天線輻射有用功率與天線輸入的有用功率Pin之比，表示天線能量轉(zhuǎn)化的量度，即發(fā)射機(jī)提高天線效率：減少損耗電阻，提高輻射電阻

歐姆損耗將其代入式（6-3-7）得輻射功率為

所以輻射電阻為

［例6-3］確定電基本振子的輻射電阻。解:設(shè)不考慮歐姆損耗,則根據(jù)式（6-2-4）知電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場為

3.增益系數(shù)

增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)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

G=D·ηA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。

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(6-3-14)(6-3-15)假設(shè)天線為理想的無方向性天線,即D=1,

=1,G=1,則它在空間各方向上的場強(qiáng)為

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)。

一個輸入功率為10w的無方向性天線，與一個輸入功率為1w、增益系數(shù)為10的有方向性天線在最大輻射方向上的電場強(qiáng)度是一樣的。(6-3-17)由上式可得一個實(shí)際天線在最大輻射方向上的場強(qiáng)為(6-3-16)4.極化特性

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。該圖形如果是直線,就稱為線極化;如果是圓，就稱為圓極化;如果是橢圓，就稱為橢圓極化。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、圓極化天線和橢圓極化天線。

線極化又可分為水平極化和垂直極化;圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。

圓極化天線在無線通信中應(yīng)用廣泛GPS圓極化天線

5.頻帶寬度天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān),也就是說,上述電參數(shù)都是針對某一工作頻率設(shè)計(jì)的。當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時,往往要引起天線參數(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。實(shí)際上,天線也并非工作在點(diǎn)頻,而是有一定的頻率范圍。當(dāng)工作頻率變化時,天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度,簡稱為天線的帶寬。6.輸入阻抗

要使天線效率高,就必須使天線與饋線良好匹配,也就是要使天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗,這樣才能使天線獲得最大功率。

天線的輸入阻抗對頻率的變化往往十分敏感,當(dāng)天線工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時,天線與傳輸線的匹配變壞,致使傳輸線上電壓駐波比增大,天線效率降低。因此在實(shí)際應(yīng)用中,還引入電壓駐波比參數(shù),并且駐波比不能大于某一規(guī)定值。7.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(biāo)。天線的有效長度定義如下:在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場強(qiáng)值不變的條件下,假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時天線的等效長度。天線的有效長度是把天線在最大輻射方向上的場強(qiáng)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(qiáng)。6.4接收天線理論天線的接收原理：天線導(dǎo)體在外電場的作用下激勵產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并在天線回路中產(chǎn)生電流。遠(yuǎn)場區(qū)可視為均勻平面波天線的收發(fā)互易性，同一天線既可以做為發(fā)射天線，也可以作為接收天線，同一天線用于接收時的指標(biāo)與用于發(fā)射時的指標(biāo)相比完全相同，這種性質(zhì)叫天線的收發(fā)互易性。

接受天線多了有效接受面積，等效噪聲溫度等的指標(biāo)只有沿天線表面的電場切線分量才能激勵起天線的表面電流接收天線工作的物理過程是，接收天線導(dǎo)體在空間電場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并在導(dǎo)體表面激勵起感應(yīng)電流，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓，在接收機(jī)回路中產(chǎn)生電流。所以接收天線是一個把空間電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻電流能量的轉(zhuǎn)換裝置，其工作過程就是發(fā)射天線的逆過程，如圖所示，接收天線總是位于發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場中．因此可以認(rèn)為到達(dá)接收天線處的無線電波是均勻平面波，設(shè)來波方向與天線軸z之間的夾角為θ，接收天線上的感應(yīng)電動勢：

發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)場可看成TEM平面波，則電場是垂直于波的傳播方向的平面內(nèi)的任意矢量，建立如圖所示的的坐標(biāo)系：電波射線與天線軸構(gòu)成入射平面，入射電場可分為兩個分量：一個是與入射面相垂直的分量E1，；一個是與入射面平行的分量E2，。

2.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(biāo)。它的定義為:

當(dāng)天線以最大接收方向?qū)?zhǔn)來波方向進(jìn)行接收時,接收天線傳送到匹配負(fù)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（6-4-9）（6-4-10）

根據(jù)圖6-10接收天線的等效電路,傳送到匹配負(fù)載的平均功率（忽略天線本身的損耗）為當(dāng)天線以最大方向?qū)?zhǔn)來波方向時,接收電動勢為將上述各式代入式（6-4-9）有所以有（6-4-11）（6-4-12）（6-4-13）（6-4-14）

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=0.12λ2。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（6-4-15）（6-4-16）（6-4-17）等效噪聲溫度天線除了能夠接收無線電波之外，還能夠接收來自空間各種物體的噪聲信號。外部噪聲通過天線進(jìn)人接收機(jī)，因此，又稱天線噪聲。天線接收的噪聲功率的大小可以用天線的等效噪聲溫度Ta來表示，是接收天線的特殊參數(shù)。宇宙氣體星體輻射太陽輻射高壓線放電式光電視臺大氣噪聲閃電熱噪聲點(diǎn)火噪聲放大器噪聲地面熱噪聲TR外部噪聲包含有各種成分，例如：地面上有其它電臺信號以及各種電氣設(shè)備工作時的工業(yè)輻射,它們主要分布在長、中、短波波段；宇宙輻射（太陽系，銀河系，河外星系）輻射的電磁波，空間中有大氣雷電放電以