天线理论与设计基本概念

基本电振子基本电振子 赫兹偶极子 电基本振子是一段长度 l 远小于波长 电流 I 等幅同相的直线电流元 i t Icos t 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 立体角 定义 立体角是以圆锥体的顶点为球心 半径为 1 的球面被锥面所截得的面积来度量 的 度量单位称为 立体弧度 和平面角的定义类似 在平面上我们定义一段弧微分 S 与 其矢量半径 r 的比值为其对应的圆心角记作 d ds r 所以整个圆周对应的圆心角就是 2 与此类似 定义立体角为曲面上面积微元 ds 与其矢量半径的二次方的比值为此面微元 对应的立体角记作 d ds r 2 由此可得 闭合球面的立体角都是 4 单位 steradian sr stereos radian 球坐标系中计算 d ds R2 ds sin d d sr 辐射强度 定义 给定方向上单位立体角辐射的功率 计算 1 2 2 1 2 2 物理意义 反应在给定方向上辐射的大小 辐射功率 定义 辐射效率 定义 天线的输入功率仅有一部分转换为辐射功率 其余被天线及其附近结构所吸收 辐射效率定义为天线的辐射功率与净输入功率之比 其中 为辐射电阻 为损耗电阻 场强方向图 定义 在固定距离 r r0的球面上 辐射电场强度随着角坐标的相对变化 函数 图形为 场强方向图 方向图函数 0 0 作图二维平面图 极坐标图直角坐标图 1 2 功率方向图 在固定距离 r r0的球面上 波印廷矢量的 r 分量随着角坐标的相对变化 函数关系 图 形为功率方向图 方向图函数记为 按方向图特征的天线分类 各向同性天线 天线向各个方向均匀辐射 方向性天线 天线在某些方向的辐射比其他方向的辐射强得多 全向天线 天线在某个平面内的辐射为无方向性 在其正交面具有方向性 波瓣 半功率波瓣宽度 定义 从方向图的原点过辐射强度是最大值一半 对应场强是最大值的 的点的 1 2 矢量所夹的角度 3dB 波瓣宽度 E 面和 H 面的半功率波瓣宽度分别用 2 HPE 和 2 HPH 表示 第一零陷波瓣宽度 定义 从方向图的原点与主瓣的根部相切的矢量所夹的角度 用 2 0表示 副瓣电平 SLL 定义 副瓣峰值与主瓣最大值之比 2 4 F A 1 2 2 dFU U dF m m A 方向性 定义 天线在某方向的辐射强度与参考天线的辐射强度之比 参考天线 与实际天线具有相同的辐射功率 并且均匀辐射 1 2 2 2 波瓣立体角 定义 天线的波瓣立体角是一个立体角 如果所有功率均通过此立体角辐射 在此立 体角内辐射强度均匀并等于最大值 功率增益 定义 任意方向上的辐射强度与无耗各向同性参考天线的辐射强度之比任意方向上的辐射强度与无耗各向同性参考天线的辐射强度之比 极化 定义 天线在给定方向的极化定义为 天线被激励时辐射波的极化 或在天线输出端 得到最大可用功率时的给定方向上入射波的极化 未规定方向时 极化为最大增益方向的极化 dF A 2 in inP U P U G 4 4 辐射波的极化定义为 描述电磁波电场矢量的方向和相对幅度的时变特性 确切地说 就是在空间固定位置沿传播方向观察到的电场矢量的端点随时间变化的轨迹 电小天线 尺寸相对于工作频率所对应的波长比较小的天线就是电小天线 它也是最基本的天线 最简单的电小天线是短振子 是一段馈电点在中心的导线 短振子与理想偶极子的辐射电阻 理想偶极子的辐射电阻是短振子的辐射电阻的 4 倍 理想偶极子 对称振子 定义 由两根等长的直金属线或金属筒构成 中间有馈线 沿 Z 轴取向 长为 L 且中心 馈电 如图可将其视为开路双线传输线由末端长 L 2 处弯折 90 度而成 电流分布 假设弯折部分电流分布不变 引入电流分布 2 2 因为在处开路 所以该处的电流一定为 0 参考微波技术基础传输线理论 2 辐射场 远场取仅保持横向分量 及 1 r 阶分量 4 2 cos 2 2 2 归一化方向图函数 2 2 2 80 2 1 l I P R r r 2 2 半功率波瓣宽度 天线长度半功率波瓣宽度 1 25 时 出现多瓣图 辐射电阻 先求波印廷矢量 功率密度 辐射功率 辐射电阻 辐射电阻与 L 关系图 完纯导电地平面完纯导电地平面 无限大的理想导电平面 良导体的金属面或栅网 当尺寸比天线大几倍时 可近似为 理想地面 镜像原理 相似源 组成天线阵的各单元不仅型式相同