无线电波传播 第九讲 天线概要

RadioWavePropagation,无线电波传播第九讲天线概要,纲要,天线的定义与作用天线的种类有关术语通信距离雷达方程,Whatisanantenna?天线的定义,Metallicdevice(asarodorwire)forradiatingorreceivingradiowaves.Webstersdictionary.Ameansforradiatingorreceivingradiowaves.IEEEAnantennaisadevicethatprovidesameansforradiatingorreceivingradiowaves.Inotherwords,itprovidesatransitionfromaguidedwaveonatransmissionlinetoa“free-space”wave,andviceversainthereceivingcase.,Transmissionline,Freespace,Antenna,UnintendedAntennas,Anyconductor/installationcarryingelectricalcurrent(e.g.electricalinstallationofvehicles)Anyconductingstructure/installationirradiatedbyEMwavesPermanent(e.g.Antennamasts,orpowernetwork)Time-varying(e.g.Windmills,orhelicopterpropellers)Transient(e.g.Re-radiatingaeroplane),AShortHistoryofAntennas,1873,Maxwellunifiedthetheoriesofelectricityandmagnetism.RepresentedtherelationshipbetweenelectricityandmagnetismthroughMaxwellsEquations.Predictedtheexistenceofelectromagneticwaves.1886,HeinrichHertz,aprofessorattheTechnicalInstituteinKarlsruheGermany,builtthefirstradioantennas.(end-loadeddipoleasthetransmittingantennas,square-loopantennaasreceiver.Alsoexperiencedwithparabolicreflectorantennas.Meterwavelength).1901,GuglielmoMarconitransatlantictransmission.(Tuningcircuits,bigantennaandgroundsystems).Startofthewirelesscommunication.WorldwarII,radar,centimeterwavelengthsbecamepopularandtheentireradiospectrumopeneduptowideusage.Satellite,GlobalPositionSatellite(GPS).1960,numericalanalysis.FromCutandTrytoengineeringart.,Antennas:importantelementsofanyradiolink天线的作用,Antenna,Transmitter,Antenna,Receiver,Radiowave,天线的作用与地位无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。按用途，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性，可分为全向天线、定向天线等；按外形，可分为线状天线、面状天线等；,导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如下图所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度L远小于波长时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。,传输线天线,T-Antenna发射天线,Transmittingantennatransformspowerintheformoftime-dependentelectricalcurrentintotime-and-space-dependentelectro-magnetic(EM)wave.,发射天线模型,TransmissionLines,传输线模型,R-Antenna接收天线,Receivingantennatransformstime-and-space-dependentEMwaveintotime-dependentelectricalcurrent(power),接收天线模型,AntennaGeometries天线构型,1.Wireradiators线天线,水平对称天线,双极天线,双极天线即水平对称振子(HorizontalSymmetricalDipole)，如图所示，又称型天线。天线的两臂可用单根硬拉黄铜线或铜包钢线做成，也可用多股软铜线，导线的直径根据所需的机械强度和功率容量决定，一般为36mm。天线臂与地面平行，两臂之间有绝缘子。天线两端通过绝缘子与支架相连，为降低天线感应场在附近物体中引起的损耗，支架应距离振子两端23m。为了降低绝缘子介质损耗，绝缘子宜采用高频瓷材料。支架的金属拉线中亦应每相隔小于/4的间距加入绝缘子，这样使拉线不至于引起方向图的失真。,由图1可见，这种天线结构简单，架设撤收方便，维护简易，因而是应用广泛的短波天线，适用于天波传播。当天线一臂的长度l=12m或22m时，天线特性阻抗通常为1000左右，馈线使用H=10m长的双导线，馈线特性阻抗为600。这就是移动通信常用的44m（即2H+2l长度）或64m双极天线。当其架设高度小于0.3，向高空方向（仰角90）辐射最强，宜作300km范围内通信用天线。当天线距离较远时，这种天线增益较低，方向性不强，且工作频段较窄。,图1,1.双极天线的方向性由于双极天线主要用于天波传播，而天波传播时，电波射线以一定仰角入射到电离层后又被反射回地面，从而构成甲乙两地的无线电通信，通信距离与电波射线仰角有密切关系。为了便于描绘场强随射线仰角和方位角的变化关系，一般直接用、作自变量表示天线的方向性，而不使用射线与振子轴之间的夹角作方向函数的自变量。按图2中的几何关系，可得,在分析天线的方向性时，可以把地面看作是理想导电地，因为在大多数情况下水平极化波地面反射系数都接近-1，可用地面下的负镜像天线来代替地面对辐射的影响。由自由空间对称振子方向函数和负镜像阵因子按方向图乘积定理得,图2,根据213表达式，可以画出双极天线的立体方向图，图3表示双极天线在相同架设高度不同臂长情况下的方向图，图4表示在相同臂长不同架高时的方向图。,图3表示双极天线在相同架设高度不同臂长情况下的方向图,根据213表达式，可以画出双极天线的立体方向图，图213表示双极天线在相同架设高度不同臂长情况下的方向图，图4表示在相同臂长不同架高时的方向图。,图4表示在相同臂长不同架高时的方向图。,为了便于分析，我们在研究天线方向性时，通常总是研究两个特定平面的方向性，例如在研究自由空间天线方向性时，往往取两个相互垂直的平面即E面和H面作特定平面。但在研究地面上的天线方向性时，一方面要考虑地面的影响，另一方面要结合电波传播的情况选取两个最能反映天线方向性特点的平面，通常选取铅垂平面和水平平面，这两个平面具有直观方便的特点。所谓铅垂平面，就是与地面垂直且通过天线最大辐射方向的垂直平面。鉴于实际天线的臂长l0.3时，最强辐射方向不止一个，H/越高，波瓣数越多，靠近地面的第一波瓣m1越低。第一波瓣的最大辐射仰角m1可求出，令,在架设天线时，应使天线的最大辐射仰角m1等于通信仰角0。根据通信仰角0就可求出天线架设高度H，即当双极天线用作天波通信时，工作距离愈远，通信仰角0愈低，则要求天线架设高度越高。(5)当地面不是理想导电地时，不同架设高度的天线在垂直平面内的方向图的变化规律与理想导电地基本相同，只是场强最大值变小，最小值不为零,最大辐射方向稍有偏移。不同地质对水平振子方向性影响不大。,2）水平平面方向图水平平面方向图就是在辐射仰角一定的平面上，天线辐射场强随方位角的变化关系图。显然这时的场强既不是单纯的垂直极化波，也不是单纯的水平极化波。方向函数如式（213）所示（式中固定），即方向函数是下列地因子与元因子的乘积:,因为地因子与方位角无关，所以水平平面内的方向图形状仅由元因子f1(，)决定。图5和图6分别给出了l/=0.25及l/=0.50时双极天线在理想导电地面上不同仰角时的水平平面方向图。,图5和图6分别给出了l/=0.25及l/=0.50时双极天线在理想导电地面上不同仰角时的水平平面方向图。,图5l/=0.25时双极天线水平平面方向图,图6l/=0.5时双极天线水平平面方向图,由图可以看出：(1)双极天线水平平面方向图与架高H/无关。因为当仰角一定而变化时，直射波与反射波的波程差不变，镜像的存在只影响合成场的大小。(2)水平平面方向的形状取决于l/，方向图的变化规律与自由空间对称振子的相同,l/越小,方向性越不明显。当l/0.7时，在=0方向辐射很少或没有辐射。因此,一般应选择天线长度l/0.7。(3)仰角越大时，水平平面方向性越不显著。因为方向性决定于cossin，当仰角越大时，的变化引起的场强变化越小。因此，当用双极天线作高仰角辐射时，振子架设的方位对工作影响不大，甚至顺着天线轴线方位仍能得到足够强的信号。,图5l/=0.25时双极天线水平平面方向图,图6l/=0.5时双极天线水平平面方向图,综合双极天线垂直平面和水平平面方向图的分析，可得如下重要结论：(1)天线的长度只影响水平平面方向图，而对垂直平面方向图没有影响。架设高度只影响垂直平面方向图，而对水平平面方向图没有影响。因此控制天线的长度，可控制水平平面的方向图。控制天线架设高度，可控制垂直平面的方向图。(2)天线架设不高（H/0.3）时,在高仰角方向辐射最强,因此这种天线可作0300km距离内的侦听、干扰或通信，又由于高仰角的水平平面方向性不明显，因此对天线架设方位要求不严格。(3)当远距离通信时，应该根据通信距离选择通信仰角，再根据通信仰角确定天线架设高度，以保证天线最大辐射方向与通信方向一致。(4)为保证天线在=0方向辐射最强，应使天线一臂的电长度l/0.7。,2.双极天线的输入阻抗为了使天线能从发射机或馈线获得尽可能多的功率，要求天线必须与发射机或馈线实现阻抗匹配，为此，必须了解天线的输入阻抗。计算双极天线输入阻抗不仅要考虑到振子本身的辐射，还要考虑地面的影响。地面对天线输入阻抗的影响，可用天线的镜像来代替，然后用耦合振子理论来计算。应当说明的是,由于实际地面的电导率为有限值，因此用镜像法和耦合振子理论所得的结果误差较大，一般往往通过实际测量来得出天线的输入阻抗随频率的变化曲线。图7即是一副双极天线的输入阻抗随频率的变化曲线。,图7l=20m、H=6m的双极天线输入阻抗,由图可见，双极天线的输入阻抗在波段内的变化比较激烈，如果不采取匹配措施，馈线上的行波系数将有明显变化，传输线的传输效率将受到明显影响。这也是欲在宽频带内使用双极天线时应当注意的问题。怎样展宽频带？,3.方向系数天线的方向系数可由下式求得：,式中,f(m1,)为天线在最大辐射方向的方向函数，m1按式（215）计算;Rr为天线的辐射阻抗。f(m1,)和Rr二者应归算于同一电流。对双极天线而言，Rr=R11-R12，R11是振子的自辐射电阻，R12是振子与其镜像之间（相距2H）的互辐射阻抗。图8表示天线架高H/2，且地面为理想导电地时的方向系数与l/的关系曲线。当H较低或地面不是理想导电地面时，天线的方向系数低于图中的数值。,图8双极天线的Dl/关系曲线,4.双极天线的尺寸选择1)臂长l的选择原则(1)从水平平面方向性考虑。为保证在工作频率范围内，天线的最大辐射方向不发生变动，应选择振子的臂长l0.7min，其中min为最短工作波长，满足此条件时，最大辐射方向始终在与振子垂直(即=0)的平面上。,(2)从天线及馈电的效率考虑。若l/太短，天线的辐射电阻较低，使得天线效率A降低。同时当l/太短时，天线输入电阻太小，容抗很大，故与馈线匹配程度很差，馈线上的行波系数很低。若要求馈线上的行波系数不小于0.1，由图9可见，通常要求l0.2考虑电台在波段工作，则应满足l0.2max(2110),图9馈线上行波系数Kl/关系曲线,综合以上考虑，天线长度应为0.2maxl0.7min(2111)若工作波段过宽，一副天线不易满足要求时，宜选用长度不同的两副天线。例如,某单边带电台的工作频率为230MHz，由于波段较宽，就配备两副双极天线，在210MHz时,使用2l=222m的双极天线；在1030MHz时，使用2l=212m的双极天线,2)天线架高H的选择选择原则是保证在工作波段内通信仰角方向上辐射较强。如果通信距离在300km以内，可采用高射天线,通常取架设高度H=(0.10.3)。对中小功率电台，双极天线的架设高度在815m范围内，此时对天线的架设方位要求不严。如果通信距离较远，则应当使天线的最大辐射方向m1与所需的射线仰角0一致，根据式（216）计算天线架设高度H，即实际工作中往往使用宽波段，当架设高度一定而频率改变时，天线的最大辐射仰角会随之改变，所选定的架设高度对某些频率可能不适用。因此，对一定频段内工作的双极天线架设高度应作全面考虑，一方面架设要方便，另一方面要求各个频率在给定仰角上应有足够强的辐射。幸好对于中、短距离（r1000km），若工作波段不是过宽还是可以满足的。例如，工作波段为310MHz，所需仰角0=47.5，按10MHz时的工作条件选择H=10m，该高度对于3MHz来讲只有0.1，虽然此时天线的最大辐射方向指向=90，但在=47.5方向上的辐射仍能达到最大方向的0.76，即0仍处于天线的半功率角之内，能够满足工作需要。实际上，双极天线也主要工作于中、短距离。综上所述，双极天线是一种结构简单、架设维护方便的弱方向性天线，特别适用于半固定式短波电台。但其主要缺点是工作频带窄，馈线上行波系数很低，特别是在低频端尤为严重。因此，不宜在大功率电台或馈线很长的情况下使用。必要时为了改善馈线上的行波系数，应在馈线上加阻抗匹配装置,V形对称振子（终端开路传输线张开20）在第1章我们学习了自由空间对称振子。对于这种直线式对称振子，当l/=0.635时，其方向系数达到最大值Dmax=3.296。如果继续增大l，由于振子臂上的反相电流的辐射，削弱了=90方向上的场，使该方向的方向系数下降。如果对称振子的两臂不排列在一条直线上，而是张开20，构成如图2115所示的V形对称振子(VeeDipole)，则可提高方向系数。,V形天线的设计任务是选择适当的张角20，使得两根直线段所产生的波瓣指向同一方向。一般来说如果希望V形天线的最大辐射方向位于V形平面的角平分线上，则张角的最佳值是单根直线天线轴与其主瓣夹角的两倍。,1,2,一般将臂长小于0.5的V形天线称为角形天线，其特点是水平平面的方向性很弱。这种天线在短波通信中应用亦较广，天线臂可做成笼形，以增大阻抗工作频带宽度。对称振子的两臂除上述介绍的不排列在一条直线上的外，两臂还可以是其它曲线的形状。振子臂的几何形状由直线改变成曲线后，可以取消振子可使用的长度受到2l的限制；同时,若曲线选择得恰当，则还可以降低旁瓣电平，提高增益。以增益最大为出发点进行优化可得出最佳形式的曲线，高斯曲线就是其中的一种。但优化曲线振子的曲线形状复杂，加工不便，增益对振子形状敏感。,1、曲线振子天线方向性系数的近似计算2、小横向尺寸的圆弧振子背射天线3、天线理论与技术钟顺时4、高斯曲线振子LPDA的特性分析与计算,2.ApertureAntennas口径天线,图25盘锥天线,盘锥天线盘锥天线(DisconeAntenna)出现于1945年，结构如图2225所示，它由一个圆盘和圆锥构成，二者之间有一间隙。该天线由穿过锥体内部的同轴线馈电，同轴线的内导体接在顶部圆盘的中心处，外导体在间隙处与圆锥顶部相连。与双锥天线相比较，可将盘锥天线看成是双锥天线的变形，即将双锥天线的上部改为圆盘，换用同轴线馈电。盘锥天线通常用于VHF和UHF频段，作为水平面全向的垂直极化天线，可以在51的频率范围内保持与50同轴馈线上的驻波比不大于1.5。,圆盘直径D的大小对天线方向图影响很大。若直径过大，相当于在锥顶上加了一块相当大的金属板，会减小高于水平方向处的场强；若直径太小，又会破坏天线的阻抗宽带特性，而且使天线方向图主瓣明显偏离水平方向。锥顶Cmin的大小与天线带宽成反比，一般使Cmin仅比同轴线馈线的外导体稍稍大一点。圆盘与锥顶之间的间隙S对天线性能影响较小，要求不严。盘锥天线存在最佳设计尺寸，实验中得出最佳尺寸为S=0.3Cmin，D=0.7Cmax，取锥角h=30，Cmin=L/22，其中L为锥的斜高。在此尺寸下，若只允许驻波比小于1.5，则该天线具有71的带宽，若允许驻波比放宽到2，则带宽可达91。,盘锥天线,圆盘直径,锥顶直径,锥底直径,斜高,盘锥间距,锥角,该天线的H面方向图为圆，即水平平面是全向的。E面即垂直平面方向图如图26所示，由图可见，在频率较低时，此结构小于一个波长，方向图与短振子类似；如果频率增高，由于盘的电尺寸增大，辐射波瓣被限制在下半空间。,图26盘锥天线垂直平面方向图,为了降低重量并减小风的阻力，盘锥天线可设计成线状结构，即用辐射状的金属棒取代金属片，如图27所示，为携带方便，有时也采用伞状结构，不用时可收成一束。,图27线状结构示意图,线状结构的盘锥天线,伞状便携天线,盘锥单极复合天线,引向天线和背射天线,一、引向天线（YagiUda）antenna八木宇田天线,引向天线(YagiUdaAntenna)最早由日本Uda（宇田）用日文（1926年），Yagi（八木）用英文（1927年）先后作了介绍，故常称“八木宇田”天线。它是一个紧耦合的寄生振子端射阵，结构如图241所示，由一个(有时由两个)有源振子及若干个无源振子构成。有源振子近似为半波振子，主要作用是提供辐射能量；无源振子的作用是使辐射能量集中到天线的端向。其中稍长于有源振子的无源振子起反射能量的作用，称为反射器；较有源振子稍短的无源振子起引导能量的作用，称为引向器。无源振子起引向或反射作用的大小与它们的尺寸及离开有源振子的距离有关。通常有几个振子就称为几单元或几元引向天线。例如，图241共有八个振子，就称八元引向天线。由于每个无源振子都近似等于半波长，中点为电压波节点；各振子与天线轴线垂直，它们可以同时固定在一根金属杆上，金属杆对天线性能影响较小；不必采用复杂的馈电网络，因而该类天线具有体积不大、结构简单、牢固、便于转动、馈电方便等优点。其增益可以做到十几个分贝，具有较高增益。缺点是调整和匹配较困难，工作带宽较窄。,图241引向天线,图242引向天线原理(a)振子“2”为反射器；(b)振子“2”为引向器,图a振子“2”的作用好像把振子“1”朝它方向辐射的能量“反射”回去，故振子“2”称为反射振子(或反射器)。;图b此时振子“2”的作用好像把振子“1”向空间辐射的能量引导过来，则振子“2”称为引向振子(或引向器)。,1.引向器(Director)与反射器(Reflector)1.1两个有源振子的情况,图242引向天线原理(a)振子“2”为反射器；(b)振子“2”为引向器,即：图a中仍然在=0方向，但最大值E=1.5E1,在=180方向，最小值E=0.5E1,因此相对于振子“1”，振子“2”仍然起着引向器的作用。结论：在一对振子中，振子“2”起引向器或反射器作用的关键不在于两振子的电流幅度关系，而主要在于两振子的间距以及电流间的相位关系。,现在继续分析这一问题。如果将振子“2”的电流幅度改变一下，例如减小为振子“1”的1/2，它的基本作用会不会改变呢？,E2对E1的相位关系并没有因为振幅变化而改变，因此最大辐射方向及零射方向不会改变,实际工作中，引向天线振子间的距离d一般在0.10.4之间，在这种条件下，振子“2”对振子“1”的电流相位差等于多少才能使振子“2”成为引向器或反射器呢？下面作一般性分析。为了简化分析过程，我们只比较振子中心联线两端距天线等距离的两点M和N处辐射场的大小（图243）。若振子“2”所在方向的M点辐射场较强，则“2”为引向器；反之，则为反射器。设I2=mI1ej，间距d=0.10.4，则在M点E2对E1的相位差=+kd。则在N点E2对E1的相位差=-kd。根据d的范围0.10.4之间,36kd144。如果0180，即I2的初相导前于I1时，在N点辐射场较强，所以振子“2”起反射器的作用。如果-1800，即I2落后于I1时，则在M点辐射场较强，振子“2”起引向器作用。,图243,结论：在d/0.4的前提下，振子“2”作为引向器或反射器的电流相位条件是反射器：01802超前引向器：-18002滞后电磁波总是向相位滞后的方向传播,引向天线的工作原理（两个有源阵子）,结论：波总是沿相位滞后的方向传播,二元引向天线,实用中为了使天线的结构简单、牢固、成本低，在引向天线中广泛采用无源振子作为引向器或反射器，如图244所示。因为一般只有一个有源振子，在引向天线中无源振子的引向或反射作用都是相对于有源振子而言的。为什么无源振子能够起引向或反射器的作用呢?我们可以从最简单的二元引向天线进行分析。如图244所示，假定有源振子“1”的全长为2l1，无源振子“2”的全长为2l2，二者平行排列，间距为d，则从概念上讲，在有源振子电磁场的作用下，无源振子将被感应出电流I2。有电流就会有辐射，无源振子的辐射场将对二元引向天线做出贡献，因而就方向性而论,无源振子实质上也是一个有效天线单元。只不过I2不是由振子“2”本身的电源而是由它自身的尺寸以及与有源振子的相对关系决定而已。,等效回路方程式：,U1=I1Z11+I2Z12U2=I1Z21+I2Z22=0,m和由振子的长度(2l1,2l2)和间距d所决定。,表241电流比（2l1/=0.475）,图245二元引向天线方向图,分析图245可以看出：;（1）当有源振子2l1/一定时，只要无源振子长度2l2/及两振子间距d/选择得合适，无源振子就可以成为引向器或反射器。对应于合适的d/值，通常用比有源振子短百分之几的无源振子作引向器，用比有源振子长百分之几的无源振子作反射器。（2）当有源及无源振子长度一定时，d/值不同，无源振子所起的引向或反射作用不同，例如对于2l2/=0.450，当d/=0.1时有较强的引向作用，而当d/0.25以后就变成了反射器。因此，为了得到较强的引向或反射作用，应正确选择或调整无源振子的长度及两振子的间距。（3）为了形成较强的方向性，引向天线振子间距d/不宜过大，一般d/2以后，20.5随L/的增大下降得相当缓慢，所以引向天线的半功率角不可能做到很窄，通常都是几十度。,图24820.5L/的关系,引向天线的副瓣电平一般也只有负几分贝到负十几分贝，H面的副瓣电平一般总是较E面的高(参看表242)。由表242还可以看出，引向天线的前后辐射比往往不是很高，即引向天线往往具有较大的尾瓣，这也是不够理想的。为了进一步减小引向天线的尾瓣，可以将单根反射器换成反射屏或“王”形反射器等形式。图249为带“王”字形反射器的引向天线。,图249带“王”字形反射器的引向天线,3.方向系数和增益系数引向天线的方向系数可由图2410估算。一般的引向天线长度L/不是很大，它的方向系数只有10左右。当要求更强的方向性时，若频率不很高,则可采用将几副引向天线排列成天线阵的方法。引向天线的效率很高，差不多都在90%以上，可以近似看成1,因而引向天线的增益系数也就近似等于它的方向系数，即G=DD（245）,图2410DL/的关系,4.极化特性常用的引向天线为线极化天线，它的辐射场在空间任一点随着时间的推移都始终在一条直线上变化。当振子面水平架设时，工作于水平极化；当振子面垂直架设时，工作于垂直极化。5.带宽特性引向天线的工作带宽主要受方向性和输入阻抗的限制，一般只有百分之几。在允许馈线上驻波比S2的情况下，引向天线的工作带宽可能达到10%。用单根无源振子作反射器时，由于自阻抗、互阻抗以及电间距d/均与频率关系密切，因而引向天线的工作带宽很窄。此时可以采用排成平面的多振子（例如“王”形振子）或由金属线制成的反射屏作为反射器，这样不仅可以增大前后辐射比，还可以增加工作带宽。,有源振子的带宽对引向天线的工作带宽有着重要影响。为了宽带工作，可以采用直径粗的振子，如扇形振子、“X”形振子以及折合振子等等。图2411为扇形振子及“X”形振子。有关折合振子的介绍将在下面给出。,图2411扇形和“X”形振子(a)扇形振子；(b)“X”形振子,八木天线,两并列八木天线,3.PrintedAntennas印刷天线,PrintedPatchRadiators贴片天线,PrintedSlotRadiators缝隙天线,4.Leaky-waveAntennas漏波天线,4.ReflectorAntennas反射面天线,反射面天线PlanetaryRadarAstronomy,305-mAreciboRadioTelescope,=70cm,70-mGoldstoneRadioTelescope=3.5cm,(fromCampbelletal.),5.LensAntennas透镜天线,RadiationIntensity辐射强度,Radiationintensity=Powerpersteradian=(,)watts/steradian,x,y,z,OP,Transmittingantenna,r,Distance(r)isverylarge,measureoftheabilityofanantennatoconcentrateradiatedpowerinaparticulardirection,AntennaDirectivity天线方向性,DHasnounitsNote:P0=powerradiated,AntennaGain天线增益,Thedirectivityandgainaremeasuresoftheabilityofanantennatoconcentratepowerinaparticulardirection.Directivitypowerradiatedbyantenna(P0)Gainpowerdeliveredtoantenna(PT),:radiationefficiency(50%-75%)Ghasnounits,AntennaGain,Actualantenna,P=PowerDeliveredtotheantenna,S=Powerreceivedatagreatdistance,Measuringequipment,Referenceantenna,Po=PowerDeliveredtotheantenna,S=Powerreceivedatagreatdistance,Measuringequipment,AntennaGain(inthespecificdirection)=Po/P,TypicalGainandBeam-width,1.3天线方向性的讨论1.3.1天线方向性发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图（图1.3.1a）。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1b与图1.3.1c给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.3.1b可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1c可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。,1.3天线方向性的讨论1.3.1天线方向性发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图（图1.3.1a）。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1b与图1.3.1c给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.3.1b可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1c可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。,天线的基本知识,图1.3.1c水平面方向图,发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图（图a），平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图b可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图c可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。,图c水平面方向图,图b垂直面方向图,图a立体方向图,对称振子天线的方向图,波瓣宽度方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见图a,在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。还有一种波瓣宽度，即10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低10dB（功率密度降至十分之一）的两个点间的夹角，见图b.,3dB波瓣宽度,-3dB点,-3dB点,10dB波瓣宽度,-10dB点,-10dB点,峰值方向（最大辐射方向）,图a,图b,峰值方向（最大辐射方向）,前后比方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为F/B。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F/B的计算十分简单-F/B=10Lg（前向功率密度）/（后向功率密度）对天线的前后比F/B有要求时，其典型值为（1830）dB，特殊情况下则要求达（3540）dB.,天线的输入阻抗Zin定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量Rin和电抗分量Xin，即Zin=Rin+jXin。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线，其输入阻抗为Zin=73.142.5(欧)。当把其长度缩短（）时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为Zin=73.1(欧),（标称75欧）。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，即Zin=280(欧),（标称300欧）。对于任一天线，人们总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近50欧，从而使得天线的输入阻抗为Zin=Rin=50欧-这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。,天线的工作频率范围（频带宽度）无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义-一种是指：在驻波比SWR1.5条件下，天线的工作频带宽度；一种是指：天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR不超过1.5时，天线的工作频率范围。一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。,匹配什么叫匹配？简单地说，馈线终端所接负载阻抗L等于馈线特性阻抗0时，称为馈线终端是匹配连接的。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。如下图所示，当天线阻抗为50欧时，与50欧的电缆是匹配的，而当天线阻抗为80欧时，与50欧的电缆是不匹配的。如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加装匹配装置。,天线,DirectivityandGain,EIRP(EffectiveIsotropicRadiatedPower)有效全向辐射功率EIRP也称为等效全向辐射功率，它的定义是天线发送出的功率（P）和该天线增益（G）的乘积，即：EIRP=P*G如果用dB计算，则为EIRP(dBW)=P(dBW)+G(dBW)EIRP表示了发送功率和天线增益的联合效果。,EquivalentIsotropicallyRadiatedPower(inagivendirection):Theproductofthepowersuppliedtotheantennaandtheantennagainrelativetoanisotropicantennainagivendirection,PFD:IsotropicRadiator,NotesLoss-lesspropagationmediumassumedIsotropicradiatorcannotbephysicallyrealizedPFDdoesnotdependonfrequency/wavelength,PowerFluxDensity(PFD),PFD:DistanceDependence,PFD:Example1,WhatisthePFDfromTVbroadcastGEOGeosynchronousEarthOrbitsatelliteatTrieste?EIRP=180kW(52.5dB(W)Distance:38000kmFreespace,PFD:Example2,WhatisthePFDfromahand-heldphoneatthehead?EIRP=180mWDistance=3.8cmFreespace,PFD:Example3,WhatistheratioofthepowersrequiredtoproducethesamepowerfluxdensityataGEO-satelliteandataLEO-satellite.?Distances:GEO:38000kmLEO:1000km,PFDLimits,TheWRC2000decidedthatthePFDattheEarthssurfaceproducedbyemissionfromaspacestationinFixed-satelliteserviceshallnotexceedthelimitshowninthefigure.Thefigureisvalidforstationsatthegeostationaryorbitinfrequencyband10.7-11.7GHzandreferenceband4kHz.ForothercasesseeRRTableS21-4.,e.i.r.p.:Example1,PFD=e.i.r.p./(4d2)e.i.r.p.=PFD*(4d2)-160dB10-16W/(m2*4kHz)d21.29*1015m24d24*1015m2e.i.r.p.0.4W/4kHz,Whatisthemaximume.i.r.p.ofaGEOsatellitestationifRRimposePFDlimitsof(-160)dB(W/(m2*4kHz)attheearthsurfaceinEquator(distance35900km)?,PFD:RealAntenna,PFDproducedbyphysicallyrealizableantennasdependsonpoweranddistance(asisotropicsource)horizontaldirectionangle()verticaldirectionangle(),通信距离雷达方程,PT：发射机输出功率GT：发射天线增益fT(T,T)：归一化方向性函数,发射机朝接收天线方向(T,T)发射的能流密度为,Antenna,Transmitter,Antenna,Receiver,Radiowave,接收天线增益为GR，归一化方向性函数为fR(T,T)，接收天线的有效面积定义为：,接收机接收的功率为,如果接收机所能接收的最小输入功率为Pmin，由PRPmin得到最大通信距离为：,自由空间雷达最大作用距离电波到达目标处的功率为：,设目标的散射截面为(,)，则目标散射功率为Ps(,)，该功率传播到接收天线时的功率为,Antenna,Transmitter,Antenna,Receiver,Radiowave,对T/R共站情形,接收机接收到的功率为：,雷达方程,天线的馈电,在研究天线的性质时，我们将功率源和传输线放在幕后，因为它不影响天线本身的性能。但就实际工作的系统来看，天线系统的性能和天线与馈电传输线组合后的（天馈系统）电特性有密切的关系。为了有效地将发射机提供的功率尽可能转化为天线的辐射功率，采用的技术手段包括：阻抗匹配技术和对称振子馈电中的不平衡平衡变换等。阻抗匹配技术，是由于传输线的特性阻抗通常为纯电阻，而天线的输入阻抗一般是复阻抗，这要采用阻抗匹配技术。,发射天线,接收天线,发射机,接收机,电波传播,一、阻抗匹配技术,传输线理论:,从传输线方程解的形式上看，传输线上的电压或者电流，既有沿z轴正向传播的入射波，又有沿z轴负方向传播的反射波，传输线上总的电压或者电流是入射波电压（电流）与反射波电压（电流）的叠加。,反射系数传输线上某点处的反射系数定义为该点的反射波电压与入射波电压之比，即：,令终端负载处的反射系数为,只要反射系数0时，就会有反射波存在，它会携带能量沿着z方向传输，也就是说从信号源传向负载的能量，又被反射回信号源了。为了使得信号源能量，尽可能大的转换成负载消耗的能量，我们要尽可能大的消除反射，因此微波电路或系统要采取阻抗匹配技术。,阻抗匹配技术,（1）阻抗匹配概念：1、负载与传输线之间的匹配：目的是使负载无反射,条件是使负载阻抗特性阻抗ZLZ0，其方法是在负载与传输线之间接入匹配装置，使其输入阻抗作为等效负载与传输线的特性阻抗相匹配。,2、信号源与传输线之间的阻抗匹配，它分为两种情况：(1)信号源与负载线匹配，目的是使信号源端无反射：条件是选择负载阻抗ZL或传输线参数Z0，l，使ZinZG；若负载端已经匹配，则使得电源内阻抗ZGZ0传输线特性阻抗,(2)信号源共轭匹配，目的是使得信号源输出功率最大，条件为Z*GZin,（c）以上两种情况都考虑,天线作为发射机和传输线的负载，我们希望有效地将发射机提供的功率尽可能转化为天线的辐射功率，同样要采用阻抗匹配技术，是由于传输线的特性阻抗通常为纯电阻，而天线的输入阻抗一般是复阻抗，这要采用阻抗匹配技术，否则，发射机的传输能量会被反射回去，对天线来说是一种能量损耗。,信号源或负载或传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。若信号源两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡信号源，否则称为不平衡信号源；若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡负载，否则称为不平衡负载；若传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡传输线，否则为不平衡传输线。在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接，在平衡信号源与平衡负载之间应当用平行双线传输线连接，这样才能有效地传输信号功率，否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接，通常的办法是在两者之间加装“平衡不平衡”的转换装置，一般称为平衡变换器,二、平衡不平衡变换器,二、平衡不平衡变换器线天线通过传输线馈电,对称振子的溃线主要是双线传输线和同轴线,前者为平衡传输线,后者为不平衡传输线.实际工作中,许多天线本身是“平衡”的,例如对称振子.折合振子以及后面将要介绍的等角螺旋天线等都是对称平衡的.因而这些天线要求平衡馈电.用平行双导线馈电,不存在问题,但用同轴线馈电时，就存在“平衡”与“不平衡”之间的转换问题.（1）为什么需要平衡不平衡变换器对称振子天线上各对称线元上的电流分布等幅同相。均匀传输线上（平行双线等）的电流分布有相同的特点。那么为什么用同轴线对对称振子天线馈电时，将出现从不平衡到平衡的变换问题?,对称振子天线：终端开路传输线张开一定角度形成的,等幅同相,等幅反相,为什么用非平衡传输线给对称振子等平衡负载馈电时会出现问题呢?如图所示：如果用平行双导线馈电，对称振子两臂上的的电流等幅、对称。,同轴线对对称天线的馈电,平衡不平衡间的变换，实际中常用的平衡不平衡变换器是实现其功能的.(1)找寻适当的途径使得I4=0。(2)另一个就是让左、右臂均有分流，且为均衡分流（3）振子的两臂均接同轴线内导体,对称振子天线上各对称线元上的电流