天线与电波传播4.ppt

第4次课 2011 4 1 天线接收的物理过程 发射与接收天线 发射天线关心的是利用电流产生所需的空间电磁场的分布的能力 接收天线则关心其将某处空间电磁场最大化地转化为电流的能力 研究对象 某天线的电磁场的空间分布 研究对象 某天线的不同放置方式 天线接收的物理过程及收发互易性 振子端的感应电动势 1 2 l l 天线接收原理图 电路中的互易定理 指对线性电路 当只有一个激励源 一般不含受控源 时 激励与其在另一支路中的响应可以等值地相互易换位置 互易定理有三种基本形式 如图所示的线性电路是互易定理的形式之一 在只有一个独立电压源激励下 当此激励在m支路作用时 对n支路引起的电流响应 等于此激励移至n支路后 在m支路中引起的电流响应 即 复习 负载中的电流 推广到一般情况 对线天线 有关系式 上式中接收天线的电流表示流经负载的电流 而反射天线的电流表示在天线结构上的电流分布 V表示天线馈电端的电压 可以看出 使用馈电端的电压随着入射波的入射特性变化的关系做为接收天线的方向函数时 它与天线做为发射天线时的方向函数相同 接收天线等效电路 图接收天线的等效电路 接收天线的等效电路如图所示 图中Zr为包括辐射阻抗Zr0和损耗电阻Rl0在内的接收天线输入阻抗 Zd是负载阻抗 可见在接收状态下 天线输入阻抗相当于接收电动势V的内阻抗 接收天线的阻抗等于该天线的输入阻抗接收天线的方向函数与该天线作发射天线时的方向函数相同接收天线的有效长度与它作发射天线是的有效长度相等 发射与接收天线 天线供给负载的功率 天线接收的功率可分为三部分 即 其中 Pr为接收天线的再辐射功率 Pd为负载吸收的功率 Pl为导线和媒质的损耗功率 有效接收面积 有效接收面积是衡量一个天线接收无线电波能力的重要指标 它的定义为 当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时 并且极化匹配时 接收天线传送到匹配负载的平均功率为PLmax 并假定此功率是由一块与来波方向相垂直的面积所截获 则这个面积就称为接收天线的有效接收面积 记为Ae 即有 Sav为入射到天线上电磁波的时间平均功率流密度 其值为 1 3 1 根据接收天线的等效电路 传送到共轭匹配负载的平均功率 忽略天线本身的损耗 为 当天线以最大方向对准来波方向时 接收电动势为 将上述各式代入式 1 3 1 有 所以有 可见 如果已知天线的方向系数 就可知道天线的有效接收面积 例如 电 磁 基本振子的方向系数为D 1 5 Ae 0 12l2 小电流环的半径为0 1l 所围的面积为0 0314l2如果考虑天线的效率 则有效接收面积为 将天线的方向系数公式代入上式得天线的有效接收面积为 忽略天线本身的损耗 发射天线与接收天线总结 发射天线参数方向函数 方向图 方向图参数 方向系数 天线效率 增益系数 天线的极化 有效长度 输入阻抗与辐射阻抗 频带宽度互易原理 现实天线的形式 SymmetricalCenter FedDipole 1 4对称振子 对称振子的结构如图1 4 1所示 它由两段同样粗细和相等长度的直导线构成 在中间两个端点之间进行馈电 且以中间馈电点为中心而左右对称的 由于它结构简单 所以被广泛用于无线电通信 雷达等各种无线电设备中 也可作为电视接收机最简单的天线设备 它既可作为最简单的天线使用 也可作为复杂天线阵的单元或面天线的馈源 FiniteGapWidth ThelinearityoftheelectromagneticfieldandthusofMaxwell sEquationsallowsonetoassume 1 4 1对称振子的电流分布 对称振子的电流分布 数值方法 Pocklington sandHall n sIntegralEquations 都可用矩量法求解 对称振子的电流分布 工程计算 工程上计算对称振子的辐射场的近似方法是 把对称振子看成是终端开路的传输线两臂向外张开的结果 并假设其上的电流分布仍和张开前一样 然后将振子分成许多小段 每一小段上的电流在某个瞬间可认为各处相同 即把每个小段看作一个元电辐射体 于是空间任一点的场强是许多元电辐射体在该点产生场强的叠加 图开路传输线与对称振子 终端开路的传输线法 对称振子不同长度时的电流分布图 1 4 2对称振子的辐射场 化简后得 同样 还可得对称振子的辐射电阻为 对称振子的辐射功率为 1 半波振子的辐射电阻及方向性 半波振子广泛地应用于短波和超短波波段 它既可作为独立天线使用 也可作为天线阵的阵元 在微波波段 还可用作抛物面天线的馈源 R 73 1 将F 代入式 1 4 6 得半波振子的方向函数 D 1 64 2 1 11 方向图的主瓣宽度等于方程 0 180 的两个解之间的夹角 由此可得其主瓣宽度为78 因而 半波振子的方向性比电