第1章__天线基础知识(2)

1、第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 上次课内容回顾上次课内容回顾 2.2.电基本振子的辐射电基本振子的辐射 1.1.绪论绪论 天线的定义、作用天线的定义、作用 天线在无线电通信系统中的地位天线在无线电通信系统中的地位 电基本振子辐射场表达式电基本振子辐射场表达式 电基本振子的辐射特性电基本振子的辐射特性 本次课主要内容本次课主要内容 1 1、发射天线的电参数、发射天线的电参数 2 2、互易定理、互易定理 3 3、接收天线的电参数、接收天线的电参数 有效接收面积、等效噪声温度有效接收面积、等效噪声温度 方向函数、方向图、方向图参数、方向系数、方向函数、方向图、方向图参数、方向系数、 天线效

2、率、增益系数、天线极化、有效长度、天线效率、增益系数、天线极化、有效长度、 输入阻抗与辐射阻抗、频带宽度输入阻抗与辐射阻抗、频带宽度 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 1.2 1.2 发射天线的电参数发射天线的电参数 方向特性方向特性：方向函数、方向图、：方向函数、方向图、 方向图参数、方向系数方向图参数、方向系数 辐射特性辐射特性：天线效率、增益系数、有效长度：天线效率、增益系数、有效长度 极化特性极化特性：天线极化：天线极化 阻抗特性阻抗特性：输入阻抗与辐射阻抗、频带宽度：输入阻抗与辐射阻抗、频带宽度 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 在相同距离的条件下天线辐射场的相对值在

3、相同距离的条件下天线辐射场的相对值 与空间方向（子午角与空间方向（子午角、方位角、方位角）的关系。）的关系。 用用 f (,)表示。表示。 天线辐射的电场强为天线辐射的电场强为 ，把电场，把电场 强度（绝对值）写成强度（绝对值）写成 , rE ),( 60 )(f r I r,E（121） 方向函数方向函数 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 因此，方向函数可定义为因此，方向函数可定义为 ( , , ) ( , ) 60 / E r f I r （122） 将电基本振子的辐射场表达式将电基本振子的辐射场表达式 代入上式，代入上式，可得电基本振子的方向函数为可得电基本振子的方向函数为 (

4、, )( )sin l ff （123） jkr e r Il jE sin 60 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 方向函数是衡量天线的辐射作用在空方向函数是衡量天线的辐射作用在空 间相对分布的参数。间相对分布的参数。 物理意义：物理意义： 描述了天线辐射场强的相对值与描述了天线辐射场强的相对值与 空间方向之间的关系。空间方向之间的关系。 图图122 电基本振子方向图电基本振子方向图 立体方向图立体方向图 E面方向图面方向图H面方向图面方向图 依据归一化方向函数而绘出的为依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图归一化方向图 与天线等距离处，天

5、线辐射场大小在空间与天线等距离处，天线辐射场大小在空间 中的相对分布随方向变化的图形。中的相对分布随方向变化的图形。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 maxmax ( , )( , ) ( , ) ( , ) Ef F fE （124） 最大辐射方向最大辐射方向 上的电场强度上的电场强度 方向函数的最大值方向函数的最大值 理想点源理想点源 电基本振子电基本振子 sin),( F 1),(F 常采用常采用，用，用 表示，即表示，即 ),(F 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线辐射场强在空间的相对分布。天线辐射场强在空间的相对分布。

6、物理意义：物理意义： 天线方向图是方向函数的图形表示。天线方向图是方向函数的图形表示。 工程上常采用两个特定正交平面工程上常采用两个特定正交平面 面面：电场强度矢量所在并包含最大辐射：电场强度矢量所在并包含最大辐射 方向的平面。方向的平面。 面面：磁场强度矢量所在并包含最大辐射：磁场强度矢量所在并包含最大辐射 方向的平面。方向的平面。 ：表示面方向函数；：表示面方向函数； ：表示面方向函数。：表示面方向函数。 , E f , H f 方向图可以用极坐标或直角坐标绘制。方向图可以用极坐标或直角坐标绘制。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 图图123 电基本振子电基本振子E平面方向图（极坐

7、标）平面方向图（极坐标） y z O 功率方向图场强方向图 |sin | 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 功率方向图：功率方向图： , 2 F 图图124 电基本振子电基本振子H平面方向图（极坐标）平面方向图（极坐标） z x y |sin90 | 1 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 电基本振子方向图（直角坐标）电基本振子方向图（直角坐标） E面面 H面面 0 ,F 1 2 ,F 0 1 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 主瓣最大值两边主瓣最大值两边两个零辐射方向之间两个零辐射方向之间的的 夹角。用夹角。用 20E 或或 20H 表示。表示。 (1)零功率点波瓣宽度

8、：零功率点波瓣宽度： 主 轴 主 瓣 后 瓣 第 一 副 瓣 0 0.5 0 2020.5 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 (2)半功率点波瓣宽度：半功率点波瓣宽度： 主 轴 主 瓣 后 瓣 第 一 副 瓣 0 0.5 0 2020.5 主瓣最大值两边场强等于最大值的主瓣最大值两边场强等于最大值的0.7070.707 倍（或等于最大功率密度的一半）的倍（或等于最大功率密度的一半）的两辐射两辐射 方向之间方向之间 的夹角，又称为的夹角，又称为3 3分贝波束宽度。用分贝波束宽度。用 2 20.5E 0.5E 或 或 2 20.5H 0.5H表示。 表示。 第第1 1章章 天线基础知识天线

9、基础知识 (3)副瓣电平副瓣电平 副瓣最大值与主瓣最大值之比。副瓣最大值与主瓣最大值之比。 一般以分贝表示：一般以分贝表示： ,max2 max2 ,maxmax 10lg20lg av av SE SLLdB SE （128） Sav,max2和和Sav,max 分别为最大副瓣和主瓣分别为最大副瓣和主瓣 的功率密度最大值；的功率密度最大值；Emax2和和Emax 分别为最分别为最 大副瓣和主瓣的场强最大值。大副瓣和主瓣的场强最大值。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 图图125 天线方向图的一般形状天线方向图的一般形状 主 轴 主 瓣 后 瓣 第 一 副 瓣 0 0.5 0 2020

10、.5 (4)前后比前后比 主瓣最大值与后瓣最大值之比。主瓣最大值与后瓣最大值之比。 通常也用分贝表示。通常也用分贝表示。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 在同一距离及相同辐射功率的条件下在同一距离及相同辐射功率的条件下, ,某天线在某天线在 最大辐射方向上的辐射功率密度最大辐射方向上的辐射功率密度S Smax max （或场强 （或场强| |E Emax max| | 的平方）与无方向性天线的平方）与无方向性天线( (点源点源) )的辐射功率密度的辐射功率密度S S0 0 （或场强（或场强| |E E0 0| |的平方）之比。记为的平方）之比。记为D D 2 max max 2 0

11、0 rrorro PPPP ES D S E （129） 式中式中Pr、Pr0分别为实际天线和无方向性天线分别为实际天线和无方向性天线 的辐射功率。的辐射功率。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 方向系数是衡量天线定向辐射能力的方向系数是衡量天线定向辐射能力的 重要参数。重要参数。 物理意义：物理意义： 描述天线与理想的无方向性天线描述天线与理想的无方向性天线 相比在最大辐射方向上将辐射功率增相比在最大辐射方向上将辐射功率增 大的倍数。大的倍数。 2 0 0 2 4240 ro EP S r （1210） 所以由方向系数的定义得所以由方向系数的

12、定义得 2 2 max 60 r r E D P （1211） 无方向性天线的方向系数为无方向性天线的方向系数为 1 1。因为无。因为无 方向性天线在方向性天线在 r r处产生的辐射功率密度为处产生的辐射功率密度为 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 max 60 r PD E r （1212） 上式表明，天线的辐射场与上式表明，天线的辐射场与PrD的平方的平方 根成正比，所以对于不同的天线，若它们的根成正比，所以对于不同的天线，若它们的 辐射功率相等，则在同是最大辐射方向且同辐射功率相等，则在同是最大辐射方向且同 一一r处的观察点，辐射场之比为处的观察点，辐射场之比为 1 max1 m

13、ax2 2 DE ED （1213） 因此，在最大辐射方向上因此，在最大辐射方向上 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 12 21 r r PD PD （121121） 即所需要的辐射功率与方向系数成反比。即所需要的辐射功率与方向系数成反比。 2 00 2 sin),( 4 ddF D （12141214） 若要求在同一若要求在同一r r 处辐射场相等，则要求处辐射场相等，则要求 方向系数计算公式：方向系数计算公式： 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 例：例：求电基本振子的方向系数求电基本振子的方向系数 和半功率和半功率 波瓣宽度波瓣宽度 ， ，并用极坐标和直角坐标画出 并用极坐

14、标和直角坐标画出 面和面方向图。面和面方向图。 5 . 1 sin 4 sin 4 2 00 3 2 00 2 ddddF D ），（ sin),(F 令令 904522 454590,45 707. 0sin),( 5 . 0 5 . 0 F 5 . 0 D 5 . 0 2 解：电基本振子方向系数为解：电基本振子方向系数为 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 （）根据电基本振子的方向函数，求出面和（）根据电基本振子的方向函数，求出面和 面归一化方向函数。面归一化方向函数。 面：面： 面：面： sin, E F 1, H F （）根据求出的归一化方向函数，列表计算。（）根据求出的归一化方

15、向函数，列表计算。 （）根据计算结果，选取需要的坐标系进行绘制。（）根据计算结果，选取需要的坐标系进行绘制。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 0/6/3/22/35/6 FE=sin 0 0.50.866 10.866 0.5 0 0 /2 3/2 2 FH=1 1 1 1 1 1 注意：注意： 所取角度间隔可根据需要确定，角度间隔所取角度间隔可根据需要确定，角度间隔 越小，画出的方向图越精确，但一定要找出发越小，画出的方向图越精确，但一定要找出发 生零值和最大值的角度。生零值和最大值的角度。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 E面方向图（极坐标）面方向图（极坐标） E面方向

16、图（直角坐标）面方向图（直角坐标） H面方向图（极坐标）面方向图（极坐标） H面方向图（直角坐标）面方向图（直角坐标） x y y z ,F 0 1 ,F 1 2 ,F ,F 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 若以分贝表示，则若以分贝表示，则D=10lg1.5=1.76dB。 可见，电基本振子的方向系数是很低的。可见，电基本振子的方向系数是很低的。 为了强调方向系数是以无方向性天线作为了强调方向系数是以无方向性天线作 为比较标准得出的，有时将为比较标准得出的，有时将dB写成写成dBi，以，以 示说明。示说明。 如果方向系数是以半波振子天线作为比如果方向系数是以半波振子天线作为比 较标准

17、得出的，则将较标准得出的，则将dB写成写成dBd。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线辐射功率天线辐射功率Pr与输入功率与输入功率Pin之比。之比。 r A in P P （1221） 辐射电阻的一般表达式：辐射电阻的一般表达式： 2 2 00 30 ( , )sin r Rfd d （1222） 方向系数与辐射电阻之间的联系公式：方向系数与辐射电阻之间的联系公式： 2 max 120 r f D R （1223） 记为记为A 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 （1224） Rl 是归算于电流是归算于电流 I 的损耗电阻，这样的损耗电阻，这样 rr A rlrl PR PP

18、RR （1225） ll RIP 2 2 1 提高天线效率提高天线效率 增大辐射电阻增大辐射电阻 减小损耗电阻减小损耗电阻 损耗功率损耗功率Pl 与损耗电阻与损耗电阻Rl 的关系为的关系为 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线效率是衡量天线能量转换有效程天线效率是衡量天线能量转换有效程 度的重要参数。度的重要参数。 物理意义：物理意义： 天线的辐射功率在天线输入功率天线的辐射功率在天线输入功率 中所占的比重。中所占的比重。 在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在 最大辐射方向上的辐射功率密度最大辐

19、射方向上的辐射功率密度 S Smax max( (或场强 或场强| |E Emax max| |的 的 平方）和理想无方向性天线平方）和理想无方向性天线( (理想点源理想点源) )的辐射功率密的辐射功率密 度度 S S0 0（或场强（或场强| |E E0 0| |的平方）之比，记为的平方）之比，记为G 00 2 max max 2 0 0 inininin PPPP ES G S E （1227） 式中式中Pin、Pin0分别为实际天线和理想无方向性分别为实际天线和理想无方向性 天线的输入功率。天线的输入功率。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 00 maxmax 00 ininrr

20、A PPPP A SS G SS GD （1228） （1229） 理想无方向性天线本身的增益系数为理想无方向性天线本身的增益系数为1 1。 考虑到效率的定义，在有耗情况下，功率考虑到效率的定义，在有耗情况下，功率 密度为无耗时的密度为无耗时的A倍，式倍，式 （1227） 可改可改 写为写为 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 max 6060 inr P GPD E rr （1230） 增益系数也可以用分贝表示为增益系数也可以用分贝表示为 （dB）10lgG 可见，天线增益系数是方向系数与天线可见，天线增益系数是方向系数与天线 效率的乘积。效率的乘积。 可将式（可将式（1-2-121-

21、2-12）改写为：）改写为： 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 增益系数是综合衡量天线能量转换和增益系数是综合衡量天线能量转换和 方向特性的重要参数。方向特性的重要参数。 物理意义：物理意义： 表征天线与理想的无方向性天线表征天线与理想的无方向性天线 相比在最大辐射方向上将输入功率放相比在最大辐射方向上将输入功率放 大的倍数。大的倍数。 在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不 变的条件下，假设天线上的电流分布为均匀分布变的条件下，假设天线上的电流分布为均匀分布 时天线的等效长度。时天线的等效长度。 通常，把

22、归算于输入电流通常，把归算于输入电流I Iin in的有效长度记为 的有效长度记为l lein ein 把归算于波腹电流把归算于波腹电流I Im m的有效长度记为的有效长度记为l lem em 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 max 000 6060 ( )( ) lll EdEI zI z dz rr （1231） l lein IinIin 实 际 电 流 分 布 电 流 均 匀 分 布 I(z) z 图图 129 设实际长度为设实际长度为 l 的某天线的某天线 的电流分布为的电流分布为I I(z)(z)，考虑到各，考虑到各 电基本振子辐射场的叠加，此电基本振子辐射场的叠加，此

23、时该天线在最大辐射方向产生时该天线在最大辐射方向产生 的电场为的电场为 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 max 60 in ein I l E r （1232） 令上两式相等，得令上两式相等，得 0 ( ) l in ein I lI z dz （1233） max 000 6060 ( )( ) lll EdEI zI z dz rr （1231） 若以该天线的输入端电流若以该天线的输入端电流I Iin in为归算电流，则 为归算电流，则 电流以电流以I Iin in为均匀分布、长度为 为均匀分布、长度为lein ein时天线在最大辐 时天线在最大辐 射方向产生的电场为射方向产生的

24、电场为 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 由上式可看出，以高度为一边，则实际电流与由上式可看出，以高度为一边，则实际电流与 等效均匀电流所包围的面积相等。在一般情况下，等效均匀电流所包围的面积相等。在一般情况下， 归算于输入电流归算于输入电流I Iin in的有效长度与归算于波腹电流 的有效长度与归算于波腹电流I Im m 的有效长度不相等。的有效长度不相等。 引入有效长度以后，可写出线天线辐射场强的引入有效长度以后，可写出线天线辐射场强的 一般表达式为一般表达式为 max 60 ( , )( , )( , ) e Il EEFF r 式中式中le与与F(,)均用同一电流均用同一电流I

25、归算。归算。 （1234） 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 2 2 30 e r k l D R （1235） 在天线的设计过程中，有一些专门的在天线的设计过程中，有一些专门的 措施可以措施可以加大天线的等效长度加大天线的等效长度，用来提高，用来提高 天线的辐射能力。天线的辐射能力。 将式（将式（12231223）与上式结合起来，）与上式结合起来， 可得出方向系数与辐射电阻、有效长度之可得出方向系数与辐射电阻、有效长度之 间的关系式间的关系式: : 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线在最大辐射方向上辐射电场矢量端点天线在最大辐射方向上辐射电场矢量端点 运动的轨迹。运动的轨

26、迹。 天线极化天线极化 天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变，因天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变，因 此，此，天线在不同辐射方向可以有不同的极化。天线在不同辐射方向可以有不同的极化。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 椭圆极化椭圆极化 圆极化圆极化 右旋圆极化右旋圆极化 左旋圆极化左旋圆极化 线极化线极化 水平极化：电场矢量与地面平行水平极化：电场矢量与地面平行 垂直极化：电场矢量与地面垂直垂直极化：电场矢量与地面垂直 右旋椭圆极化右旋椭圆极化 左旋椭圆极化左旋椭圆极化 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 右旋右旋 左旋左旋 拇指朝向波的传播方向，四指弯向电场矢量拇指朝向波的

27、传播方向，四指弯向电场矢量 的旋转方向，符合左手螺旋的为左旋圆极化，符的旋转方向，符合左手螺旋的为左旋圆极化，符 合右手螺旋的为右旋圆极化。合右手螺旋的为右旋圆极化。 圆（椭圆）极化判别方法圆（椭圆）极化判别方法 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线不能接收与其正交的极化分量。天线不能接收与其正交的极化分量。 接收天线与来波接收天线与来波 极化失配因子极化失配因子 p = 0 1 极化不一致极化不一致 极化失配极化失配 极化一致极化一致 极化匹配极化匹配 极化失配意味着功率损失，为衡量这种损失，引入极化失配意味着功率损失，为衡量这种损失，引入 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识

28、 收发天线在不同极化方式时的极化失配因子收发天线在不同极化方式时的极化失配因子 天线天线1 天线天线2 p 垂直极化垂直极化垂直极化垂直极化 1 垂直极化垂直极化水平极化水平极化 0 线极化线极化圆极化圆极化 0.5 圆极化（右旋）圆极化（右旋）圆极化（左旋）圆极化（左旋） 0 圆极化（左旋）圆极化（左旋）圆极化（左旋）圆极化（左旋） 1 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 in ininin in U ZRjX I （1236） 输入电阻输入电阻 输入电抗输入电抗 输入阻抗的计算是比较困难的，大多数天线的输入阻抗的计算是比较困难的，大多数天线的 输入阻抗在工程中采用近似计算或实验测定。

29、输入阻抗在工程中采用近似计算或实验测定。 天线输入端电压与电流之比。天线输入端电压与电流之比。 输入阻抗与辐射阻抗输入阻抗与辐射阻抗 1.2.9 输入阻抗输入阻抗Zin 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 辐射功率与归算电流之间的关系为辐射功率与归算电流之间的关系为 22 000 22 11 () 22 11 () 22 rinrinrr mmrmmrmrm PIZIRjX IZIRjX （1237） 式中式中Zr0、Zrm分别为归于输入电流和波腹电流分别为归于输入电流和波腹电流 的辐射阻抗。的辐射阻抗。Rr0、Rrm、Xr0、Xrm也为相应的辐射也为相应的辐射 电阻和辐射电抗。电阻和辐

30、射电抗。 因此，辐射阻抗是一个因此，辐射阻抗是一个假想的等效阻抗假想的等效阻抗 辐射阻抗辐射阻抗 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 当工作频率变化时，天线的有关电参数变化的当工作频率变化时，天线的有关电参数变化的 程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围称为程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围称为 频带宽度，简称带宽。频带宽度，简称带宽。 若天线的最高工作频率为若天线的最高工作频率为fmax ，最低工作频率，最低工作频率 为为fmin ， 天线中心工作频率为天线中心工作频率为f0 ， ，则 则 相对带宽：相对带宽： %100 0 minmax f ff 绝对带宽：绝对带宽： min

31、 max f f 频带宽度频带宽度 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 如果绝对带宽可达到几个倍频程的称为如果绝对带宽可达到几个倍频程的称为 超宽频带天线超宽频带天线，例如对数周期天线。，例如对数周期天线。 相对带宽只有百分之几的为相对带宽只有百分之几的为窄频带天线窄频带天线， 例如引向天线；例如引向天线； 相对带宽达百分之几十的为相对带宽达百分之几十的为宽频带天线宽频带天线， 例如螺旋天线；例如螺旋天线； 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 1.3 1.3 互易定理与接收天线的电参数互易定理与接收天线的电参数 结论：结论：同一天线，用做发射和接收时，同一天线，用做发射和接收时，

32、其性能保持不变。其性能保持不变。 互易定理：互易定理： 任意类型的天线用作接收天线时，它的任意类型的天线用作接收天线时，它的 极化、方向性、有效长度和阻抗特性等均与极化、方向性、有效长度和阻抗特性等均与 它用作发射天线时的相同。它用作发射天线时的相同。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线导体在空间电场的作用下产生感应天线导体在空间电场的作用下产生感应 电动势，并在导体表面激励起感应电流，在电动势，并在导体表面激励起感应电流，在 天线的输入端产生电压，在接收机回路中产天线的输入端产生电压，在接收机回路中产 生电流。生电流。 接收天线工作的物理过程：接收天线工作的物理过程： 结论：结论

33、：接收天线其工作过程就是发射天线的接收天线其工作过程就是发射天线的 逆过程。逆过程。 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 图图132 接收天线的等效电路接收天线的等效电路 Zin ZL E E 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收 时，并且天线的极化与来波极化相匹配，接收天线时，并且天线的极化与来波极化相匹配，接收天线 送到匹配负载的平均功率送到匹配负载的平均功率 P PL Lmax max 与来波的功率密度 与来波的功率密度 S Sav av之比，记为 之比，记为A Ae e。即。即 maxL e av P A S （131） 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 电台信号及各种电气设备工作时的工业辐射电台信号及各种电气设备工作时的工业辐射 大气雷电放电以及来自宇宙空间的各种辐射大气雷电放电以及来