八、天线基础.ppt

第八章 天线基础 8.1 天线导引 定义： Websters字典：用来发送或接受无线电波的金属棒 或电线。 IEEE：一种用来发送或接受无线电波的工具。 图8.1.1 天线 8.1.1 天线的类型 1、线形天线 2、口径天线 3、微带天线 4、阵列天线 5、反射器天线 6、透镜天线 8.1.2 辐射机理 取一导线，很薄，则电流又可以表示成 则电流公式可写为 假如导线的长度为l,则 这个公式简单地说明要产生辐射就必须 有一个时变的电流或者具有加速度的电 荷。我们经常谈到的电流是在时谐状态 下的，而电荷往往是讨论其瞬间的情况 。为了使电荷产生加速度，必须使导线 弯曲或者使其成V形，还可将其表面制成 非连续型或使其具有终端。当在时谐条 件下振荡时，电荷就会产生周期性的加 速度，或者产生时变电流。时域，可以 得到如下结论： 1.假如没有电荷运动，就不可能产生电流，也 不会有辐射。 2. 假如电荷在导线内作匀速运动： a.如果导线是笔直无限长的，就不会有辐射。 b.如果导线被弯曲或制成V形，使其具有终点 或将其截断，以及将其表面制成非连续型都将 产生辐射。 3.假如电荷在瞬时状态下振动，即便导线是笔 直的也将产生辐射。 8.2 电偶极子的辐射 在几何长度远小于波长的线元上载有等幅同相的电流，这就 是电偶极子。关于电偶极子产生的电磁场的分析计算，是线 形天线工程计算的基础。 设线元上的电流随时间作正弦变化，表示为 如图8.2.1所示，电偶极子沿z轴放置，中心在坐标原点。元 的长度为l、横截面积为 ，故有 则 用 替换，载流线元在点P产生的矢量位为 电偶极子 考虑到lr，故式（8.2.1）可近似为 I P z r 图8.2.1电偶极子 它在球坐标系中的三个坐标分量为 点p的磁场强度 电场强度为 8.2.1 电偶极子的近区场 (1) 的区域称为近区，在此区域中 且 得 由式（8.2.6）和（8.2.7）计算近区场的 平均功率流密度矢量 此结果表明电偶极子的近区场没有电磁功率向外输出 。应该指出，这是忽略了场表示式中的次要因素所导 致的结果，而并非近区场真的没有净功率向外输出。 (2) 的区域称为远区，在此区域中 整理得 8.2.2 电偶极子的远区场 Kr1的区域称为远区。 则有此特点： 8.3 磁偶极子的辐射 磁偶极子又称磁流元，其实际模型是一个小电流圆环， 它的周长远小于波长，且环上载有的时谐电流处处等福 同相，表示为 8.3.1 小电流环及其等效磁矩 磁荷为： 磁极间的假象电荷为 根据电磁对偶原理，自由空间的磁偶极子与自由空间 的电偶极子取如下的对偶关系： 8.4 天线的基本参数 通常是以发射天线来定义天线的基本参数的，这 些参数将描述天线把高频电流能量转换成电磁 波能量并按要求辐射出去的能力。 1. 方向性函数和方向性图 天线辐射特性与空间坐标之间的函数关系式称为 天线的方向性函数.根据方向性函数绘制的图 形则称为天线的方向性图。定义天线的方向性 函数：在离开天线一定距离处，描述天线辐射 场的相对值与空间方向的函数关系，称为方向 性函数，表示为 。 为便于比较不同天线的方向特性，通常采用归一化方 向性函数。定义为 式中的 为指定距离上某方向 的电场强度 值， 为同一距离上的最大电场强度值； 为 方向性函数的最大值。 实际应用的天线的方向性图要比电偶极子的方向性复 杂，出现很多波瓣，分别称为主瓣和副瓣，有时还将 主瓣正后方的波瓣称为后瓣。 1.0 半功率点 主瓣轴 0.5 0.5 副瓣 半功率波束宽度 (HPBW) 图8.4.1 典型的功率方向图 图8.4.1 典型的功率方向图 通常考虑以下几个参数： （1）主瓣宽度 主瓣轴线两侧的两个半功率点（即功率密度下降为最 大值的一半或场强下降为最大值的 ）的矢径之间 的夹角，称为主瓣宽度，表示为 （E面）或 （ H面）。主瓣宽度愈小，说明天线辐射的能量愈集中， 定向性愈好。电偶极子的主瓣宽度为 。 2）副瓣电平 最大副瓣的功率密度S1和主瓣功率密度S0之比的对数值 ，称为副瓣电平表示为 通常要求副瓣电平尽可能低。 （3）前后比 主瓣功率密度S0与后瓣功率密度Sb之比的对数值，称为 前后比。表示为 通常要求前后比尽可能大。 2方向性系数 在相等的辐射功率下，受试天线在其最大辐射方向上某 点产生的功率密度与一理想的无方向性天线在同一点 产生的功率密度的比值，定义为受试天线的方向性系 数。表示为 式中的Pr和Pr0分别为受试天线和理想的无方向性天线 的辐射功率。 故 而理想的无方向性天线的辐射功率为 故 则 上式为计算天线方向性系数的公式。 则 而 即 对于无方向性天线，D=1,得 比较上两式可看出，受试天线的方向性系数，表 征该天线在其最大辐射方向上比无方向性天线 而言将辐射功率增大的倍数。 例8.4.1 计算电偶极子的方向性系数 解：电偶极子的归一化方向性函数为 故 若用分贝表示，则为D=10lg1.5=1.76dB. 3.效率 天线的效率定义为天线的辐射功率Pr与输入功率Pin的比 值，表示为 式中的PL为天线的总损耗功率，通常包括天线导体中 的损耗和介质材料中的损耗。 若把天线向外辐射的功率看作是被某个电阻吸收的功 率，该电阻称为辐射电阻Rr。同样，把总损耗功率也 看作电阻上的损耗功率，该电阻称为损耗电阻。则有 故天线的效率可表示为 可见，要提高天线的效率，应尽可能增大辐射电阻和 降低损耗电阻。 4增益系数 在相同的输入功率下，受试天线在其最大辐射方向上某 点产生的功率密度与一理想的无方向性天线在同一点 产生的功率密度的比值，定义为该受试天线的增益系 数。表示为 式中的Pin和Pin0分别为受试天线和理想的无方向性天 线的输入功率 . 考虑天线效率的定义可得: 以及 对于无方向性天线， 故G=1,则 例如，为了在空间一点M处产生某特定值的场强，若采用 无方向性天线来发射需输入10W的功率；但采用增益 系数G=10的天线发射，则只需输入1W的功率。 5输入阻抗 天线的输入阻抗定义为天线输入端的电压与电流的比值 ，表示为 式中的Rin表示输入电阻，Xin表示输入电抗。 天线的输入端是指天线通过馈线与发射机（或接收机）相连 时，天线与馈线的连接处。天线作为馈线的负载，通常要 求达到阻抗匹配。 6.有效长度 天线的有效长度是衡量天线辐射能力的又一个参数，它的 定义是：在保持实际天线最大辐射方向上的场强不变的条 件下，假设天线上的电流为均匀分布，电流的大小等于输 入端的电流，此假想天线的长度le即称为实际天线的有效 长度， 7极化 天线的极化特性是天线在其最大辐射方向上电场矢量 的取向随时间变化的规律。正如在波的极化中已讨论 过的，极化就是在空间给定上，电场矢量的端点随时 间变化的轨迹。按轨迹形状分为线极化、圆极化和椭 圆极化。 l le Iin Iin I=Iin I=I(z) z (a) 实际 天线 (b) 假想 天线 图8.4.2 天线 的有效长度 通常，偏离最大辐射方向时，天线的极化将随之改变。 8频带宽度 线极化天线又分为水平极化和垂直极化天线。圆极化天 线又分为右旋圆极化和左旋圆极化天线。 天线的所有电参数都与工作频率有关，当工作频率偏离 设计的中心频率时，往往要引起电参数的变化。例如 ，工作频率改变时，将会引起方向图畸变、增益系数 降低、输入阻抗改变等等。 天线的频带宽度的一般定义是：当频率改变时，天线的 电参数能保持在规定的技术要求范围内，将对应的频 率变化范围称为该天线的频带宽度，或简称带宽。 8.5 对称天线 对称天线由两臂长各为l、半径为a的直导线或金属管构成 ，如图8.5.1所示，它的两个内端点为馈电点。对称天 线是一种应用广泛的基本线形天线，它既可单独使用 ，也可作为天线阵的组成单元。 2a 图8.5.1 对称天线的辐射场计算 对称天线上的电流分布 故对称天线的辐射场为 可见，对称天线的归一化方向性函数为 图8.5.3 绘出不同长度的对称天线的归一化方向图（E 面）。由于结构的对称性，方向图与 无关，即H面 方向图是圆。 图8.5.3 对称天线的E面方 向图 z 1.0 0.707 z 1.0 0.707 z 8.5.3 半波对称天线 半波天线是对称天线中应用最广的。将 代入式 (8.5.4)即得到半波天线的归一化方向性函数. 方向性图如图8.5.3(a)所示，主瓣宽度为 。 半波天线的辐射场可由式(8.5.3)取 得到 半波天线的辐射功率为 故得半波天线的辐射电阻为 半波天线的方向性系数为 用分贝表示则为 8.6 天线阵 天线阵是将若干个天线按一定规律排列组成的天线系统。利用这种 天线系统可以获得所期望的辐射特性，诸如更高的增益、需要的 方向性图等。组成天线阵的独立单元称为阵元，排列的方式有直 线阵、平面阵等.。 天线阵的辐射特性取决于阵元的型式、数目、排列方式、间距以 及各阵元上的电流振幅和相位等。 方向图相乘原理 最简单的天线阵是由两个相距较近、取向一致的阵元组成的二元阵 。图8.6.1表示两个沿z轴取向、沿x轴排列的对称天线构成的二元 阵，间距为d。设阵元1的激励电流为I1,阵元2的激励电流为 式中的m是两阵元激励电流的振幅比， 是两阵元激 励电流的相位差。 天线2 天线1 X y Z d 图8.6.1 二元阵 观察点P的合成电场为 取其模 式中 称为阵因子，它仅与各阵元的排列、激励电流的振幅 和相位有关，而与阵元无关。 称为元因子，它只 与阵元本身的结构和取向有关。 8.6.2 均匀直线阵 均匀直线阵是指天线阵的各阵元结构相同，并以相同的 取向和相等的间距排列成直线，各个阵元的激励电流 振幅相等，相位则沿阵的轴线以相同的比例递增或递 减的天线阵，如图8.6.2所示。 d d d 12 3 N x z / 图8.6.2 均匀直线阵 N个阵元沿x轴排列，两相邻阵元的间距为d，激励电 流相位差为 。图中的 为电波射线与阵轴线之 间的夹角。类似于二元阵的分析，相邻两阵元辐射场 的相位差为 以阵元1为参考，则阵元2的辐射场的相位差为 ，阵 元3的辐射场的相位差为2 ，依此类推，天线阵的辐 射场为 (8.6.8) 利用等比级数求和公式，式(8.6.8)可表示为 式中 称为N元均匀直线阵的阵因子。而 故N元均匀直线阵的归一化阵因子为 可见，均匀直线阵的归一化阵因子 是 的 周期函数，周期为 。在 的区间内，阵 因子方向图将出现主瓣和多个副瓣。 8.7 其他类型天线的简要分析 8.7.1 缝隙天线 在波导管或空腔谐振器的导体壁上适当位置切开一条或 数条缝隙以辐射（或接收）电磁波，这就是缝隙天线 。 譬如，在高速飞行器上，为减小空腔阻力，就可在金 属外壳上切开缝隙作为天线 l h 理想导体板 图8.7.1理想缝隙天线 8.7.2 微带天线 微带天线是由粘贴在带有金属接地板的介质基片上的辐 射贴片构成的。贴片导体通常取规则形状，例如矩形 、正方形、圆形、椭圆形等，这样便于分析和预期其 性能。 微带天线具有很多优点，诸如重量轻、体积小；剖面薄 的平面结构，可以做成共形天线，用于飞行器上不会 扰动其空气动力学性能；天线的散射截面小；馈线和 匹配网络可以和天线同时制作。因此，微带天 线在100MHz至50GHz的频段上获得广泛的应用。微带天 线也存在频带窄、增益低等缺点。 采用如图8.7.5所示的矩形微带天线来说明其辐射机理 应用传输线模分析法进行分析时，将贴片辐射元、介 质基片和接地板看成是一段长度为l的微带传输线 . h w l 介质 基片 馈 线 辐射 贴片 接 地 板 图8.7.5 矩形 微带天线 8.7.3 反射面天线 与线形天线不同，面形天线所载的电流是分布在构成天 线的金属导体表面上，且天线的口径尺寸远大于波长 。本节讨论的反射面天线通常由馈源和反射面构成。 分析这类天线的辐射场的严格解方法是求解满足麦克 斯韦方程组和边界条件的解，这是一个十分复杂的过 程。通常采用以下两种近似方法： 感应电流法先求出在馈源照射下反射面上的感应电 流分布，然后计算此电流分布在外部空间产生的辐射 场。 口径场法先作一个包围天线的封闭面，由给定的馈 源求出此封闭面上的场分布（称为解内场问题）；然 后根据惠更斯原理，利用该封闭面上的场分布求出外 部空间的辐射场（称为解外场问题）。 2平面口径的辐射 实际应用中的面天线，其口径面多为平面，例如喇叭天 线，抛物面天线等，所以有必要讨论平面口径的辐射。 y x z x y S o 图8.7.12 平面口 径面 如图8.7.12所示，平面口径面位于xoy平面上，口径面 积为s。远区观察点为 ，面元 至观察点的 距离为 。将面元 在E面和H面的辐射场沿整 个口径面积分，即得到平面口径面的远区辐射场。由 式(8.7.10)和(8.7.11)得 对于远区的观察点P，可以认为 与 近似平行，故 得 因此，平面口径面的远区辐射场一般表示式为 设口径面上的电场沿y轴方向且均匀分布（即 ）， 在E面（即yoz平面）上， ，则得 在H面（即xoz平面）上， ，则得 1) 矩形口径面 如图8.7.13所示，矩形口径面的尺寸为 。设口径 面上的电场沿y轴方向且均匀分布（即 ）， o x y z P P r r a b 图8.7.13 矩形口径面 dS 则由式(8.7.16)得 同样，由式(8.7.17)得 从式(