第五章天線基本原理與技術(shù)

第五章天線基本原理與技術(shù)第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三第五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2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三二、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：長波天線、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)小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成，主要用于長波、中波和短波波段面天線：由尺寸大于波長的金屬或介質(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)算方法第3頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三電流元也稱電基本振子，它是一段長度遠(yuǎn)小于波長,電流I振幅均勻分布、相位相同的直線電流。5.1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)第4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三在天線遠(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第5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三三、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：第6頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.4天線的電參數(shù)5.4.1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，知第7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三

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第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三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)電流元方向圖第9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三三、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第10頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三四、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第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.4.2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5.4.3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。第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三輻射電阻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。第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.4.4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：即第14頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三二、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。第15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三由上式可得一個(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：輸入功率第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三例確定沿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：第17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.4.5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)天線的等效長度。5.4.6有效長度輸入阻抗和輸入電壓和電流的關(guān)系是天線的有效長度愈長,輻射能力愈強(qiáng)。第18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.3對(duì)稱振子天線由兩根粗細(xì)和長度都相同的直導(dǎo)線構(gòu)成，中間為饋電端。一、結(jié)構(gòu)二、對(duì)稱陣子上的電流分布電流分布-->輻射場(chǎng)工程上近似認(rèn)為對(duì)稱陣子天線視作終端開路傳輸線兩端逐漸張開形成的。第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三其上電流分布為：半波振子全波振子三、對(duì)稱陣子的輻射場(chǎng)在距中心點(diǎn)為z處取電流元段dz,則它對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的貢獻(xiàn)為1、dz段線元的輻射場(chǎng)第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)，場(chǎng)點(diǎn)距離遠(yuǎn)大于天線尺寸，可有如下近似：2、對(duì)稱振子天線的輻射場(chǎng)整個(gè)天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)為：第21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三則對(duì)稱振子天線的輻射方向圖為：結(jié)論：對(duì)稱振子天線的方向函數(shù)與方位角無關(guān)，其方向圖是以振子軸線為基準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱圖形對(duì)稱振子的臂長會(huì)影響到方向圖二維三維對(duì)稱振子天線最常用的為半波振子天線和全波振子天線。第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三半波振子天線的輻射特性：1）將代入，得半波振子天線的方向函數(shù)：2）由方向系數(shù)求解公式，得：3)方向圖的半功率主瓣寬度等于方程的解:

4）半波振子的輻射電阻為RΣ=73.1(Ω)第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三全波振子天線的輻射特性：1）將代入，得半波振子天線的方向函數(shù)：2）由方向系數(shù)求解公式，得：3)方向圖的半功率主瓣寬度等于方程的解:

4）半波振子的輻射電阻為RΣ=199(Ω)第24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.5陣列天線將多個(gè)天線組合起來，可增強(qiáng)或減小某方向天線輻射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天線方向圖的控制。電流元半波振子振子天線陣列天線：將多個(gè)相同類型天線按一定規(guī)律排列、饋電而形成的天線系統(tǒng)。第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三美國（VLA，27個(gè)25米口徑天線組成）第26頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三第27頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三設(shè)兩個(gè)半波振子天線如圖排列，則1#，2#方向函數(shù)相同，均為一、二元天線陣列兩個(gè)天線饋電電流：

則兩個(gè)陣元在遠(yuǎn)區(qū)p點(diǎn)產(chǎn)生電場(chǎng)分別為：

第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三場(chǎng)點(diǎn)位于遠(yuǎn)區(qū)，可引入如下近似：注意：為場(chǎng)點(diǎn)與天線單元軸向夾角；為場(chǎng)點(diǎn)與天線陣軸向夾角；第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三則p點(diǎn)總的疊加場(chǎng)為：第一陣元輻射場(chǎng)與陣列組成有關(guān)的因子令兩單元天線在p點(diǎn)輻射場(chǎng)的總相位差其中是由饋電電流相位差所引起是由波程差所引起的相位差則：第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三則p點(diǎn)總的疊加場(chǎng)為：兩個(gè)天線合成波的方向圖為：陣元方向圖陣列因子方向函數(shù)乘積定理：相似元所構(gòu)成的天線陣列的方向性函數(shù)等于各陣元單獨(dú)存在時(shí)的方向性函數(shù)（稱之為元因子）和陣方向函數(shù)（稱之為陣因子）的乘積。第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三1、陣因子只與天線陣結(jié)構(gòu)參數(shù)（陣元間距d、陣元間饋電電流幅值比M、饋電相位差）有關(guān)。關(guān)于陣因子的討論：2、當(dāng)天線陣等幅饋電時(shí)（M=1），則：3、通過調(diào)整天線陣的排列及饋電方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)天線陣最終方向圖的控制。4、在陣元間距固定，且陣元等幅饋電時(shí)，通過改變饋電相差即可改變天線陣方向圖——相控陣天線工作原理。第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三第五章天線理論基礎(chǔ)陣元間距及饋電方式對(duì)陣因子的影響分析：若陣元等幅饋電：1、時(shí)：最大輻射方向在陣側(cè)向——側(cè)射陣2、時(shí)：最大輻射方向在陣軸向——端射陣第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三3、時(shí)：?jiǎn)蜗蚨松潢嚒?、時(shí)：?jiǎn)蜗蚨松潢嚒５?4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三天線方向圖乘積原理的應(yīng)用：天線陣的最終方向圖由陣元方向圖和陣因子方向圖直接相乘獲得：（1）陣元或陣因子零點(diǎn)方向?yàn)榉较驁D零點(diǎn)；（2）陣元和陣因子共同最大方向?yàn)榉较驁D最大方向；（3）零點(diǎn)間存在波瓣（旁瓣）。第35頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三解：已知單元天線為半波振子則此二元陣列天線的方向函數(shù)例5-4：等幅同相二元半波振子陣，陣元中心距，求作陣列天線在如圖所示坐標(biāo)系中yoz，xoz及xoy平面上的方向圖。

第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三z第37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三yoz面：動(dòng)畫演示xoz面：動(dòng)畫演示xoy面：動(dòng)畫演示3維方向圖：×＝第38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三例5-5：如圖所示，求等幅反相二元半波振子陣三個(gè)主坐標(biāo)平面的方向圖，陣元間距。解：已知單元天線為半波振子則此二元陣列天線的方向函數(shù)歸一化得：第39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三第40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三例5-6：繪出如圖所示二元半波振子陣的方向圖。陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)為，，。解：陣元在場(chǎng)點(diǎn)處的總相位差及陣函數(shù)分別為第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三×＝y(tǒng)oz:×＝xoz:×＝xoy:第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三二、N元均勻直線陣列

工程上一般采用多個(gè)（N>2)陣元組成天線陣，以獲得更高的方向性。1、N元直線陣的陣函數(shù)第43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三以陣列中第一個(gè)單元天線作為相位基準(zhǔn)：第二個(gè)單元天線：輻射場(chǎng)的幅值差異不計(jì)，相位差為則第N個(gè)單元天線的相位差為：N個(gè)相似元陣元在p處的輻射場(chǎng)疊加，表示為第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三整理可得遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)表達(dá)式為：是相鄰陣元至場(chǎng)點(diǎn)的輻射場(chǎng)總相位差由上式得N元均勻直線陣列的陣函數(shù)F(δ)為歸一化得：第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三1.當(dāng)＝0時(shí)，陣函數(shù)有最大值2.主瓣寬度隨N的增加而變得尖銳，方向性增強(qiáng)N元均勻直線陣列歸一化陣函數(shù)的通用曲線說明：第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三關(guān)于N元直線天線陣輻射方向圖的討論：當(dāng)＝0時(shí)，陣函數(shù)取最大值。1、當(dāng)各陣元同相饋電，即最大輻射方向在陣的兩側(cè)：側(cè)射陣2、當(dāng)各陣元饋電相差滿足最大輻射方向在陣兩端：端射陣通過控制各陣元饋電電流相位差來補(bǔ)償波程相位差，使各陣元輻射場(chǎng)在固定方向同相疊加，從而形成最大輻射。第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三在陣元間距和工作頻率固定的條件下，通過改變陣元的饋電相差，可改變天線陣的最大輻射方向——相控陣天線工作原理。3、對(duì)于任意饋電相差相控陣?yán)走_(dá)天線結(jié)構(gòu)原理第48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三5.6地面對(duì)天線特性的影響1、地面可視作導(dǎo)電媒質(zhì)分界面，影響天線輻射特性；2、實(shí)際地面起伏不平，且導(dǎo)電特性各不相同；3、本章分析將地面視作無限大理想導(dǎo)電平面。一、遠(yuǎn)離地面架設(shè)的天線（h>>λ）

天線遠(yuǎn)地架設(shè)時(shí)，地面的影響主要為電磁傳播的多徑效應(yīng)。若天線輸入功率為，天線效率，則最大輻射方向上第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三水平極化波R＝－1垂直（地面）極化波R＝1二、近地架設(shè)的天線天線遠(yuǎn)地架設(shè)時(shí)，地面上存在感應(yīng)的傳導(dǎo)電流而形成二次輻射源。遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)由天線和二次源共同形成。二次輻射源可由原天線對(duì)地面的鏡像代替。第50頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三1、鏡像電流垂直電流水平電流像電流像電流2、垂直地面近地架設(shè)的天線

半波天線全波天線正像負(fù)像第51頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三近地垂直架設(shè)的天線，原天線與像天線可視作等幅饋電二元天線陣，陣元間距為2h，饋電相位：1）天線長度等于半波長奇數(shù)倍時(shí)：同相；2）天線長度等于半波長偶數(shù)倍時(shí)：相差π。結(jié)論：例5-9：半波振子天線垂直架設(shè)在地表面上，架設(shè)高度H=0.25λ，0.5λ，0.75λ,λ，做出這四種情況下天線子午面（過振子軸線與地面垂直的剖面）的方向圖。解：本題實(shí)際上為求解等幅同相饋電二元陣在不同陣元間距下的方向圖。第52頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三陣軸與振子軸重合即由前面討論，二元陣方向函數(shù)：半波振子天線方向函數(shù)：則總的方向圖因子為：用觀察射線與地表面的夾角表示，則總的歸一化方向函數(shù)為第53頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)論：地面以下場(chǎng)強(qiáng)為零。隨著架設(shè)高度H的增加，方向圖的波瓣數(shù)也增多，但天線的主向總是沿地表方向。垂直接地天線比同等臂長自由空間的對(duì)稱振子天線方向系數(shù)D提高一倍。第54頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三半波天線全波天線負(fù)像負(fù)像3、平行地面近地架設(shè)的天線

近地水平架設(shè)的天線，原天線與像天線可視作等幅、反向饋電二元天線陣，陣元間距為2h。結(jié)論：第