5.天线隔离度的分析与计算讲稿

提纲电磁兼容中的天线耦合问题引言天线的工作原理远区场与近区场的概念以及判定天线的输入阻抗以及辐射效率天线的远场方向图方向性系数与功率增益天线隔离度与空间隔离度天线隔离度与空间隔离度的概念与物理意义近区场与远区场的隔离度分析与计算公式电磁兼容中的天线耦合问题引言在任何一个具有综合功能的移动系统中，如飞机、火车、舰船等，为了保持该系统与其他系统或地面的联络，大多采用无线电通讯方式，有的在系统内部也采用无线电通讯技术。这些无线电通讯工具的发射机和接收机的天线，除了发射调谐频率的无线电信号之外，还发射无意的交调失真信号。这些有意的发射信号和无意的发射信号往往成为天线的干扰源。例如一辆小轿车内安装的无线电话收发系统，它的工作频率在1MHz~1GHz范围内，而车内发动机的点火装置产生的干扰信号频谱可达到200MHz，城市里的广播电视发射天线的调谐频率在十几MHz到数百MHz之间，因此轿车内的无线电话收发机的工作频率一般设在较低的频段，否则就会遭到广播电视信号或发动机点火噪声的干扰。电磁兼容中的天线耦合问题随着电子技术、通信技术的快速发展,越来越多的电子设备被集成在一个系统中,同时,一个电子系统可能需要几副甚至十几副工作在不同波段的天线来接收或发射电子信号,例如一架飞机或一艘军舰上会装载各种各样的完成不同功能的电子设备及其天线.同一系统中不同天线的近场耦合很强,严重干扰了各收发电台的正常工作,因此怎样预估及避免这种干扰,对于通信设备的正常工作至关重要.另外,当天线发射功率很大时,其周围的电子设备也会受到很强的干扰,而无法正常工作,因此天线近场的分析也是电磁兼容的一个重要问题。电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理远区场与近区场的概念以及判定若已知源分布，求解电场与磁场分布时，一般首先根据源分布求解矢量位：再由求出电场与磁场分布：因此，讨论电磁场的空间分布，只需讨论矢量位的分布即可。如下图所示：dVReJAjkR4~~AH~~jAAjE)~(~~电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理r`RrPsource电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理若为天线最大尺寸，通常，认为远场条件为：近区感应场条件：近区束缚场条件：DrDrDr2223262.0DrD362.00Dr电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理分析可知，近区束缚场的主要成分是似静场，在似静场中，复数坡印廷矢量是一个纯虚数，天线的有功功率密度为零，因此，似静场的电磁能量是不会辐射出去的。同样的，近区感应场的能量也不能被辐射出去，我们将近区感应场与近区束缚场统称为近区场。在远区场中，复数坡印廷矢量是一个实数，主要部分所携带的电磁能量是向外传播的，因此，远区场的主要部分被称为辐射场。电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理天线的输入阻抗以及辐射效率从天线的输入端看到的阻抗被称为天线的输入阻抗，它可以表示为：其中，为天线结构及附件的热损耗以及辐射损耗所带来的电阻，被称为损耗电阻或输入电阻，为存储在天线近区场中的无功功率所带来的电抗，被称为输入电抗。从能量角度考虑，天线的平均损耗功率为：或者：inininjXRz)(212：输入端电流的峰值ininininIIRP222121inriinLrLinIRIRPPPinRinX电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理其中，为热损耗功率，为辐射损耗功率，为损耗电阻，为辐射电阻。天线的输入阻抗与几何形状、馈电方法和周围物体的临近程度等多种因素有关。天线的辐射效率是天线的辐射功率与净输入功率的比值：由式(1.15)进一步可得：LPrPLRriRinrPPeinriRRe电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理天线的远场方向图在距离等于常数的球面上，场强或功率密度随方向坐标的变化曲线称为场强方向图或功率方向图。记场强随方向坐标变化的归一化方向性函数为，功率随方向坐标变化的函数为，它们二者之间的关系：以分贝为单位的场强方向图：以分贝为单位的功率方向图：r)(、max),(),(EEF),(P2),(),(FP),(lg20),(FFdB),(lg10),(PPdB电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理方向性系数与功率增益天线在空间各个方向上的辐射不可能是均匀的。辐射强度随空间方向的变化是由天线的方向性增益来表示的。所谓方向性增益，即是给定方向的辐射强度与参考天线的辐射强度之比。它的物理意义即是“在距离等于常数的球面上，给定方向的功率密度与平均功率密度之比”。),(D电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理方向性系数即是最大辐射方向的方向性增益值。功率增益描述的是在远区场功率密度增益随方向坐标的变化规律，具体定义如下：给定方向上的辐射强度与天线从所连发射机得到净功率之比的倍。若未指明方向，则增益通常指最大辐射方向的功率增益。4),(G电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理功率增益与方向性增益的关系如下：如果以分贝为单位，则有：在后面的天线隔离度计算与分析中，最常用的是天线远场功率增益或者方向性增益的方向图。),(),(eDGGGDDdBdBlg10lg10电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度无线电系统间电磁干扰主要传输途径是天线间的耦合，常用隔离度来定量表征这种耦合的强弱程度。天线的载体和天线间的距离以及障碍物不同，分析它们耦合的方法也不同，分析过程的难易程度也有很大的区别。对于自由空间分隔相距比较远的天线，天线间耦合的相互影响主要是通过天线的远区场进行的，与天线近场情况的关系较小。但当天线间的距离比较近时，分析它们的耦合就需要考虑天线的具体形式、馈电结构、安装位置和安装壳体等各种因素的影响。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度天线隔离度与空间隔离度的概念与物理意义在一个系统中，为保证每个天线正常工作，天线的隔离度必须满足一定的要求，否则天线间的干扰会压制住有用信号，从而使系统无法正常工作。一般将发射天线的发射功率与另一天线所接受功率的比值定义为天线的隔离度。在具体问题中，对于不同的情况，接收天线可能通过不同的方式对发射天线施加干扰。所谓的不同的情况，主要指的就是远区场与近区场。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度在只考虑天线间的距离和障碍物遮挡因素的情况下可定义空间隔离度：这里，是发射天线产生的向接收天线方向上传播的电场，是入射电场经绕射后到接收天线处的电场。22rtEEStErE电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度天线隔离度与空间隔离度是两个不同的概念。其中，空间隔离度与天线的具体形式无关，它只描述电磁波通过两天线间的空间传播时，由于电磁波的自身发散以及空间媒质的作用而产生的自然衰减。天线隔离度不但计及这种自然衰减，而且包含了接收天线与发射天线对发射方向上的功率密度以及接受方向上的功率密度的影响，因此天线隔离度不但与天线间的空间具体形式及构成有关，还与天线的形式有关。具体地讲，天线隔离度是空间隔离度与收发天线在特定方向上功率增益的和，天线隔离度最好地描述了天线间的隔离程度。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度天线隔离度与空间隔离度在不同的问题中有不同的地位。因为有时天线的功率增益与空间隔离度相比并不大，空间隔离度近似等于天线隔离度，因此，仅仅是空间隔离度就能说明天线间的隔离程度，从简化计算方面考虑，这时，我们可以不管天线隔离度。一般情况下，这种现象出现在天线间的电距离（真实距离与发射天线工作波长之比）较大或者收发天线都可认为是很好的全向天线，并且其功率增益大约为的场合中。如果收发天线间的电距离不够大，或者收发天线的功率增益值随着方向坐标的改变有很大的变化，这时，天线隔离度与空间隔离度有较大差别，在这种情况下，只要知道天线的具体形式，都应该考虑天线的功率增益，即计算出天线隔离度。dB1电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度近区场与远区场的隔离度分析与计算公式前面我们介绍的天线的远场条件只是对于一副天线而言的，在分析天线隔离度时，牵涉到了收发两副天线，要保证两天线都在对方的远场，就必须满足远场条件：其中，是发射天线的最大尺寸（等效直径），是接收天线的最大尺寸（等效直径）。rDrDrDrrt2222tDrD电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度在远区场与近区场，发射天线是通过不同的方式对接收天线施加影响的，因此，虽然这两种情况下天线的隔离度定义都是相同的，但是它们的具体计算式是有区别的。若两个天线相距比较远，都处于另一天线的远区时，它们之间的相互影响就是靠辐射场联系起来的。发射设备与发射天线相连，接收设备与接收天线相连。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度令发射天线发射的功率为，是发射天线的增益。接收天线与发射天线间的距离为，收发天线外形尺寸与相比很小，天线可被当作一个点源，而且发射天线发出的电磁波为球面波，在接收天线处，该球面波的半径很大，可当作平面波，则隔离度表示为：TPtGrr1222)),(),(()4()(rrrtttrtrTFFGGrPPS电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度其中为间距，为波长，与为两天线增益，为其归一化方向性函数。是发射天线坐标系中接收点指向角，是接收天线坐标系中发射点的指向角。早期电磁兼容预测采用这一算法，但实际上远场条件场不满足，计算得到的隔离度就有较大的误差，为此需要寻求更加精确的方法。rtGrG),(),(rtFF与),(tt),(rr电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度如果接收天线不在发射天线的远区中，或者发射天线不在接收天线的远区中时，两天线之间的相互干扰主要不是通过辐射场进行的，而是近区束缚场或者近区感应场。这种情况经常出现在计算线天线阵中天线间隔离度的问题中。我们知道，天线功率增益的概念是在远场建立的，因此上页中的计算式是不能用于近场天线隔离度分析的。即使把功率增益的概念延拓到近区场，也仍然是描述辐射场功率增益的，而这时天线间干扰的主要因素并不是辐射场，因此，由上式算得的天线隔离度将远小于近区场中天线间的真实隔离度。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度重新考虑天线隔离度的定义。天线隔离度是指发射天线发射的功率与接收天线接收到的功率之比，当两天线都在对方远场时，所谓的发射功率指的实际是天线的辐射功率，以为只有辐射场才能影响接收天线。而当两天线在对方的近区场时，由于接收天线受到的不仅仅是近区场中微不足道的辐射场的影响，更多的是受到束缚场或者感应场的影响，因此这时发射天线的发射功率指的应该是天线的输出功率。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度简言之，如下天线隔离度公式：对于远区场，代表发射天线的辐射功率，对于近区场，代表发射天线的输出功率。运用上式计算近区场天线隔离度时是很不方便的。一般是将要分析的两天线所组成的系统看成是一个双口网络。端口间电流、电压关系用阻抗矩阵表述：rTPPSTPTP212221121121IIZZZZVV电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度，成为互阻抗，当媒质为各向同性时，网络是互易的，即有；互阻抗与天线本身性质有关。若天线1作发射天线，馈有电压，天线2做接收天线，接有负载阻抗，其上电压为，则由阻抗矩阵很容易求得与的比值：12Z21Z1V2Z2V1V2V21221122221121)(ZZZZZZZVV电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度按照天线隔离度的定义，可得：为发射天线1输入阻抗实部，为的实部。在实际工程问题中，与的计算是一个不容易解决的问题，如果用一些合适的电磁计算软件则可以巧妙地绕过这个问题，这一方面的内容将在后面介绍。2R)(1222121RRVVPPS1R2Z1R2R电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰