天线原理与设计—第一章天线参数

一、天线的基本参数1xzy场点rJ,JmV1.1空间源产生的场1.1空间源产生的场空间的场可表示为如果空间没有磁源，仅有电源，则有(1)1.1空间源产生的场如果空间没有电源，仅有磁源，则有(3)(4)(5)对于具体问题，方程(1)可在圆柱坐标系下展开为：1.1空间源产生的场L=lambda/2L=3*lambda/21.1空间源产生的场一般根据R的变化可以将空间分为感应近场区、辐射近场区（菲涅耳区Fresnel）和远场区（夫琅和费Fraunhofer）三个区，如图所示。1.1空间源产生的场感应近场区的场主要是感应场，其外边界一般定义为，其中，D为天线的最大尺寸，为工作波长。如果天线是非常短的偶极天线，其外边界定义为。。辐射近场区的场以辐射场为主，但场随空间角度的分布会随R的变化而变化，场的径向分量也有可能较大。这一区域的范围一般定义为（D）。当天线的尺寸与波长相比很小时，这一区域可能不存在。对于聚焦于无穷处的天线，这一区域也称为菲涅耳(Fresnel)区。远场区则是我们最关心的区域，我们的测量几乎都必须在这个区域内进行。1.1空间源产生的场•远场区的场基本上是横向场，径向分量很小，并且场随空间角度的分布规律不再随R而变化。这区域范围一般为。对于聚焦于无穷处的天线，这一区域也称为夫琅和费(Fraunhofer)区。•在远场区，空间的场可表示为：其中A是与电流幅度和空间距离有关的常数，为仅与空间角度有关的函数，叫做方向性函数，由它画成的场随空间角度的分布图叫天线的方向图。有时除以它的最大值得到的方向性函数，称为归一化方向性函数，相应的方向图称为归一化方向图。1.1空间源产生的场1.2天线主要的特性参数按照远区电场强度大小与空间角度之间的关系绘制而成的场强-角度变化图称为方向图。有时也用功率方向图表示天线的方向特性，功率方向图是功率与角度之间的关系图。功率方向图通常比场强方向图“瘦”。归一化方向图是非归一化方向图除以主瓣最大值后得到的方向图，归一化方向图的主瓣最大值为1。方向图1.2天线主要的特性参数方向图1.2天线主要的特性参数•一般情况下主要考察两个平面内的天线方向图（二维天线方向图），即E面和H面。E面表示与电场平行的平面，有很多个，一般以通过某一或某两个坐标轴并与电场平行的平面作为E面。对于旋转对称天线的方向图，所有E面内的二维方向图都相同。H面则是与磁场平行的平面，与E面一样，H面一般是指通过某一或某两个坐标轴并与磁场平行的平面。•与方向图密切相关的天线特性参数有：主瓣宽度，副瓣电平，方向性系数。1.2天线主要的特性参数主瓣宽度场强从主瓣最大值下降到最大值的0.707倍或功率从主瓣的功率最大值下降到主瓣功率最大值一半时两点之间的角度主瓣宽度通常指方向图某个截面内的主瓣宽度。如果天线方向图不是旋转对称的，则各个截面内的主瓣宽度不等。一般情况下主要考虑E面和H面内的主瓣宽度。1.2天线主要的特性参数副瓣最大值与主瓣最大值之比取以10为底的对数，再乘10(功率)或乘20(场强)副瓣电平通常希望副瓣电平越低越好。但一般情况下，某个副瓣电平降低则其它副瓣电平升高。如果让所有副瓣电平都相等则可以得到较低的副瓣。电平1.2天线主要的特性参数在相同辐射功率的前提下，天线在某点产生的电场强度的平方(E2)与点源天线在同一点产生的电场强度的平方(E02)之比，用D表示：方向性系数D方向性系数还有用功率定义的，结果一样1.2天线主要的特性参数在已知归一化方向性函数时，方向性系数可以由下式求得：通常所说的方向性系数是指最大辐射方向的方向性系数，此时，方向性系数也可用分贝表示：1.2天线主要的特性参数天线的方向性系数也可定义为022022211()221201212046060||MMMrMrrMSDSESEHESPSrErDPPDEr1）在辐射功率相等的情况下，有方向性天线在最大方向上的场强是无方向性天线场强的2)若要求在最大方向场点产生相同的场强，有方向性天线辐射功率只需无方向性天线的1/D倍。D1.2天线主要的特性参数练习1：对于小电流环方向图函数为，计算其方向性系数D()sinF练习2：在小电流环所在的平面上距离r=10km（远区）某点测得其电场强度为5mV/m，问起辐射功率有多大？若采用无方向性天线发射，使该点场强不变，则需要多大的辐射功率？1.2天线主要的特性参数天线效率a为天线辐射的总功率与输入功率之比。天线增益G在相同输入功率的前提下，天线在某点产生的电场强度的平方(E2)与点源天线在同一点产生的电场强度的平方(E02)之比，用G表示：增益与方向性系数之间的关系为：1.2天线主要的特性参数辐射电阻天线的辐射功率除以输入电流有效值的平方输入阻抗天线的输入电压与输入电流之比1||1||LLVSWR00LLLZZZZ驻波比（VSWR）:反射系数：1.2天线主要的特性参数例：单极天线的输入阻抗：0246－1000－50005001000f(GHz)Z()FDTD(本文)实验值[34]阻抗实部阻抗虚部1.2天线主要的特性参数天线带宽为一个以谐振频率为中心的频率变化范围，在这个范围内天线的某个特性参数的变化还在可容忍的程度内。有以方向图定义、以阻抗定义以及以其它参数定义的带宽。一般所说的带宽指阻抗带宽：为输入天线的功率因阻抗不匹配降低到中心频率一半时工作频率的变化范围，通常与反射系数、驻波系数相联系。对线天线来说：天线越粗，带宽越宽。1.2天线主要的特性参数若:带宽内最高频率；:带宽内最低频率1）绝对带宽：。2）相对带宽：。：中心频率。3）比带宽：对宽频带天线而言，往往直接用比值来表示带宽。•一般讲相对带宽小于10%的天线称为窄带天线。•将大于2:1的称为宽带天线；大于3:1的称为特宽带天线，大于10:1以上的天线，通常称为超宽带天线。HLBffHfLf0rHLBfff0fHLffHLff1.2天线主要的特性参数有效(等效)口径Ae有效口径一般与接收天线相关，为天线接收的总功率与入射场的功率密度之比。Ae与方向性系数之间有如下关系：口径效率ap为有效口径与天线的物理口径Ap之比1.2天线主要的特性参数天线的极化天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。电场的方向就是天线极化方向。1.2天线主要的特性参数圆极化和椭圆极化对于两个相互垂直的线极化波，当他们幅度相同相位相差90°是形成圆极化波，当他们幅度不同的时候，则形成椭圆极化波。他们根据旋转方向不同，又分为左旋和右旋。1.2天线主要的特性参数天线的极化•当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。•当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。1.2天线主要的特性参数