第6章 天线辐射与接收理论

第6章天线辐射与接收的基本理论6.1概论6.2基本振子的辐射6.3天线的电参数6.4接收天线理论第6章天线辐射与接收的基本理论第6章天线辐射与接收的基本理论第6章天线辐射与接收的基本理论6.1通信的目的是传递信息,根据传递信息的途径不同,可将通信系统大致分为两大类:一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息,即所谓的有线通信,如电话、计算机局域网等有线通信系统;另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息,即所谓的无线通信,如电视、广播、雷达、导航、卫星等无线通信系统。第6章天线辐射与接收的基本理论1.天线的定义天线的基本功能是辐射和接收无线电波发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电滋波转换为高频电流。不同的无线电设备对天线的要求不同。发射机接收机机发射天线接收天线电波馈线馈线第6章天线辐射与接收的基本理论天线应具有如下基本功能：①天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统,其次要求天线与发射机或接收机匹配。②天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上,或对确定方向的来波最大限度的接收,即天线具有方向性。③天线应能发射或接收规定极化的电磁波,即天线有适当的极化。④天线应有足够的工作频带。第6章天线辐射与接收的基本理论2.天线的分类按频率不同分长波、中波、短波、超短波和微波天线。按用途不同分发射和接收天线。按场合不同分通讯、广播、雷达、导航天线。按性能不同分窄带、宽带和超宽带天线，全向和定向天线（低副瓣、超低副瓣和极低副瓣天线），以及移动和固定天线。按结构不同分线天线和面天线。按发展阶段分传统天线和现代天线（自适应天线、智能天线和软件天线）。第6章天线辐射与接收的基本理论研究天线问题,实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件,因此,求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件,但这往往十分繁杂,有时甚至是十分困难的。在实际问题中,往往将条件理想化,进行一些近似处理,从而得到近似结果,这是天线工程中最常用的方法；在某些情况下,如果需要较精确的解,可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。第6章天线辐射与接收的基本理论6.21.电基本振子是一段长度l远小于波长,线上各点电流等幅同相,它是线天线的基本组成部分,任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。0jtIIe电基本振子的辐射PrzyxlOyxzlOIrEHEr第6章天线辐射与接收的基本理论jkrerjkrkrjIlE)(sin1422300E0rH0HjkrerjkrIlH)1(sin423202cos()4jkrrIljkEerr第6章天线辐射与接收的基本理论（1）近场区在靠近电基本振子的区域(kr1，即rλ/2π)，表达式近似为：sin42rIlH302cos4rIlEjr301sin4IlEjr近区场称为准静态场;离天线较远时,可认为近区场近似为零。没有能量向外辐射,所以近区场又称为感应场。第6章天线辐射与接收的基本理论(2)实际上,收发两端之间的距离一般是相当远的（kr1,即rλ/2π）,在这种情况下,1/r2和1/r3项比起1/r项而言,可忽略不计,于是电基本振子的电磁场表示式简化为jkrerIlkjEsin402jkrerkIljHsin4式中,/22,0022cfuk)/(1036190mF)/(10470mHu第6章天线辐射与接收的基本理论将上式代入式，得电基本振子的远区场为jkrerIljEsin60jkrerIljHsin2远区场只有和两个分量。远区场为辐射场。远区场场强随的一次方下降。辐射场具有方向性。EHrxyzEθ/Eθmaxo基本电振子辐射场的方向图第6章天线辐射与接收的基本理论6.31.（1）方向性函数在距天线的球面上，天线辐射场强是坐标和的函数，称为方向性函数，用表示。归一化方向性函数（2）方向图如果天线在各方向辐射的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则连接全部矢量端点所形成的包络就是天线的方向性图。一般采用归一化方向图。rE,fmax,,ffF第6章天线辐射与接收的基本理论通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示：（1）E所谓E平面，就是电场矢量构成的平面。对于沿z轴放置的电基本振子而言,垂直与xOy的平面是E平面。（2）H所谓H平面，就是磁场矢量构成的平面。对于沿z轴放置的电基本振子,平行与xOy的平面是H平面。第6章天线辐射与接收的基本理论[例6-1］画出沿z轴放置的电基本振子的E平面和H平面方向图。解:①E平面方向图:在给定r处,Eθ与φ无关;Eθ的归一化场强值为|Eθ|=|sinθ|E平面归一化方向性函数,其E平面方向图如下图所示。②H平面方向图:第6章天线辐射与接收的基本理论(a)电基本振子E平面方向图；(b)电基本振子H平面方向图；(c)电基本振子立体方向图第6章天线辐射与接收的基本理论实际天线的方向图一般要更复杂。典型的H平面方向图如下图所示,这是在极坐标中电场的归一化模值随φ变化的曲线。练习：已知电场在E面归一化场强为|Eθ|=|(1+2cosθ)/3|，分别用极坐标和直角坐标的方法画出天线在E平面的方向图。第6章天线辐射与接收的基本理论3)为了方便对各种天线的方向图特性进行比较,就需要规定一些特性参数。这些参数有:主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及方向系数等。(1)主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度,在场强方向图中,等于最大场强的两点之间的宽度,称为半功率波瓣宽度;有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度,称为零功率波瓣宽度。2/1第6章天线辐射与接收的基本理论主轴主瓣后瓣第一副瓣＝0°0.502020.5Emax0.707Emax第6章天线辐射与接收的基本理论(2)旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平,一般以分贝表示。方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域,所以其电平应尽可能的低,且天线方向图一般都有这样一条规律:离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低,在某种意义上反映了天线方向性的好坏。另外,在天线的实际应用中,旁瓣的位置也很重要。(3)前后比是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比,通常以分贝为单位。上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态,但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果,因此都不能单独体现天线集束能量的能力。第6章天线辐射与接收的基本理论例如,旁瓣电平较低的天线并不表明集束能力强,而旁瓣电平小也并不意味着天线方向性必然好。为了更精确地比较不同天线的方向性,需要再定义一个表示天线集束能量的电参数,这就是方向系数。（4）方向系数定义为:在离天线某一距离处,天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S0之比,记为D,即202max0maxEESSD第6章天线辐射与接收的基本理论下面由这个定义出发,导出方向系数的一般计算公式。设实际天线的辐射功率为PΣ,它在最大辐射方向上r处产生的辐射功率流密度和场强分别为Smax和Emax;又设有一个理想的无方向性天线,其辐射功率为PΣ不变,它在相同的距离上产生的辐射功率流密度和场强分别为S0和E0,其表达式分别为24042020ErPS22060rPE由方向系数的定义得第6章天线辐射与接收的基本理论PErD602max2下面求天线辐射功率PΣ。天线归一化方向函数为F(θ,φ),则它在任意方向的场强与功率流密度分别为),(),(maxFEE240),()Re(21),(2EHES则功率流密度的表达式为22max),(240),(FES在半径为r的球面上对功率流密度进行面积分,就得到辐射功率:第6章天线辐射与接收的基本理论ddFErdsSPSsin),(240),(22002max2得天线方向系数的一般表达式为2002sin),(4ddFD因此，要使天线的方向系数大,不仅要求主瓣窄,而且要求全空间的旁瓣电平小。［例6-2］确定沿z轴放置的电基本振子的方向系数。解:由上面分析知电基本振子的归一化方向函数为:第6章天线辐射与接收的基本理论|F(θ,φ)|=|sinθ|将其代入方向系数的表达式得2002sinsin4ddD若以分贝表示,则D=10log101.5=1.76dB。可见,电基本振子的方向系数是很低的。2.天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比,记为ηA，即AiLPPPPP第6章天线辐射与接收的基本理论式中,Pi为输入功率；PL为欧姆损耗。常用天线的辐射电阻RΣ来度量天线辐射功率的能力。天线的辐射电阻是一个虚拟的量,定义如下:设有一电阻RΣ,当通过它的电流等于天线上的最大电流时,其损耗的功率就等于其辐射功率。显然,辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标,即辐射电阻越大,天线的辐射能力越强。由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为RIPm221即辐射电阻为22mIPR第6章天线辐射与接收的基本理论仿照引入辐射电阻的办法,损耗电阻RL为得天线效率为可见,要提高天线效率,应尽可能提高RΣ,降低RL。22LLmPRI11ALLRRRRR3.增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数,它是方向系数与天线效率的乘积,记为G,即G=D·ηA第6章天线辐射与接收的基本理论:天线方向系数和效率愈高,则增益系数愈高。现在我们来研究增益系数的物理意义。将方向系数公式和效率公式代入上式得iPErG602max2由上式可得一个实际天线在最大辐射方向上的场强为rPDrGPEiAi6060maxrPEi60||max假设天线为理想的无方向性天线，即D=1,ηA=1,G=1,则它在空间各方向上的场强为可见，天线的增益系数描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。第6章天线辐射与接收的基本理论4.极化特性极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具体地说,就是在空间某一固定位置上,电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形。该图形如果是直线,就称为线极化;如果是圆，就称为圆极化;如果是椭圆，就称为椭圆极化。如此按天线所辐射的电场的极化形式,可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。第6章天线辐射与接收的基本理论⑴线极化：电场矢量只是大小随时间变化而取向不变，其端点的轨迹为一直线时，称为线极化。对于线极化波，电场矢量在传播过程中总是在一个确定的平面内，这个平面就是电场矢量的振动方向和传播方向所决定的平面，常称为极化平面。因此线极化又称为平面极化。电场矢量与地面垂直时为垂直极化，与地面平行时为水平极化。第6章天线辐射与接收的基本理论⑵圆极化当电场振幅为常量而电场矢量以角速度ω围绕传播方向旋转时，称为圆极化。在圆极化的情况下，如果在垂直于传播方向的某一固定平面上观察电磁波的电场矢量，则其端点随着时间变化在该平面上画出的轨迹是一个圆。如果在某一时刻沿传播方向把各处的电场矢量画出来，则电场矢量端点的轨迹为螺旋线。矢量端点旋转方向与传播方向成右手螺旋关系的叫右旋圆极化波，成左手螺旋关系的叫左旋圆极化波。第6章天线辐射与接收的基本理论第6章天线辐射与接收的基本理论5.天线的电参数都与频率有关,也就是说,上述电参数都是针对某一工作频率设计的。当工作频率偏离设计频率时,往往要引起天线参数的变化,例如主瓣宽度增大、旁瓣电平增高、增益系数降低、输入阻抗和极化特性变坏等。当工作频率变化时,天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称