第6章 天线辐射与接收基本理论

1、第第6 6章章 天线辐射与接收的基本理论天线辐射与接收的基本理论 通信系统根据传递信息的途径不同可分为两通信系统根据传递信息的途径不同可分为两大类有线通信、无线通信系统。天线是无线通信大类有线通信、无线通信系统。天线是无线通信系统中一个必不可少的重要设备。系统中一个必不可少的重要设备。发发 端端收收 端端电磁波电磁波发射天线发射天线产生电磁波产生电磁波接收天线接收天线接收电磁波接收电磁波6.1 6.1 概论概论天线具有如下基本功能：天线具有如下基本功能：1 1）开放结构）开放结构- -将导波能量尽可能多的转变为电磁波能将导波能量尽可能多的转变为电磁波能量量2 2）具有方向性）具有方向性- -使

2、电磁波尽可能集中于确定的方向上使电磁波尽可能集中于确定的方向上3 3）具有适当的极化）具有适当的极化- -能发射或接收规定极化的电磁波能发射或接收规定极化的电磁波4 4）具有足够的工作频带）具有足够的工作频带天线按照辐射元的类型可以分为两大类：天线按照辐射元的类型可以分为两大类：1 1）线天线）线天线由半径远小于波长的金属导线构成，由半径远小于波长的金属导线构成， 主要用于长波、中波、短波波段。主要用于长波、中波、短波波段。2 2）面天线）面天线由尺寸大于波长的金属或介质面构由尺寸大于波长的金属或介质面构 成，主要用于微波波段。成，主要用于微波波段。6.2 6.2 基本振子的辐射基本振子的辐射

3、1.1.电基本振子电基本振子zo2l2llIm0sin()IIt长度远小于波长长度远小于波长电流电流I I振幅均匀分布、相位相振幅均匀分布、相位相同的直线电流元同的直线电流元为线天线的基本组成部分，任意线天线可看成是为线天线的基本组成部分，任意线天线可看成是由一系列电基本阵子构成的。由一系列电基本阵子构成的。条件：条件：112krrk 1010倍以上即可倍以上即可sinsin42jkrjkrjkIljIlHeerr60sinsin2jkrjkrjIljIlEeerr 特性：特性：电基本振子的电磁能量沿电基本振子的电磁能量沿r r方向传播，说明远方向传播，说明远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁

4、波区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波TEMTEM，又称辐射场。又称辐射场。（1 1）辐射场）辐射场球面波，即辐射场的强度与距离成反比，随着球面波，即辐射场的强度与距离成反比，随着距离增大，辐射场减小。距离增大，辐射场减小。不同方向，辐射强度不同，即不同方向，辐射强度不同，即辐射具有方向性辐射具有方向性场量场量sin0,2对应轴向，无辐射对应轴向，无辐射对应垂直于轴向，辐射最强对应垂直于轴向，辐射最强表示能量的分配情况表示能量的分配情况0( )sin()E ttkrtrnr一一. .模型模型zo2l2llIMm0sin()MMIIt二二. .辐射场辐射场根据电磁对偶原理根据电磁对偶原理 代入电

5、流元辐射场代入电流元辐射场MeMeMIIHEDB 2.2.磁基本振子磁基本振子()sin2jkrMMeMjI lEHIIer 2sinsin22jkrjkrMMMjI ljI lEHeerr 三三. .辐射特性辐射特性 电流元电流元 沿沿 方向，方向， 沿沿 方向方向 eHeE不同：磁流元不同：磁流元 沿沿 方向，方向， 沿沿 方向方向MEMH两者的两者的E E、H H面互换面互换6.3 6.3 天线的电参数天线的电参数1.1.天线的方向图及其有关参数天线的方向图及其有关参数（1 1）天线方向图：指在离天线一定距离处，辐射场）天线方向图：指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方

6、向变化的曲线图，通的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。面方向图来表示。在地面架设的线天线一般采用水平面和铅垂平面表在地面架设的线天线一般采用水平面和铅垂平面表示其方向图；示其方向图；超高频天线，采用超高频天线，采用E E平面和平面和H H平面来表示。平面来表示。方向性函数：表示辐射场与角坐标之间关系的函数方向性函数：表示辐射场与角坐标之间关系的函数( )( , ) ( , )E tA r t f 最大辐射方向：辐射场的模取最大值的方向最大辐射方向：辐射场的模取最大值的方向max

7、max(,) , (,)mmmmEEff 归一化方向性函数：沿最大辐射方向模值为归一化方向性函数：沿最大辐射方向模值为1 1的的 方向性函数方向性函数（2 2）主瓣宽度与副瓣电平）主瓣宽度与副瓣电平主瓣：最大辐射方向所在的波瓣主瓣：最大辐射方向所在的波瓣副瓣：其余波瓣依次为第一副瓣、第二副瓣副瓣：其余波瓣依次为第一副瓣、第二副瓣【主瓣宽度主瓣宽度】半功率：功率为最大值一半，场强为半功率：功率为最大值一半，场强为 ，120.5210db10db：功率为最大值：功率为最大值1/101/10，场强为，场强为0.3160.316，0.12全主瓣宽度：全主瓣宽度：02【旁瓣电平旁瓣电平】旁瓣电平指离主瓣

8、最近而且电平最高的第一旁瓣旁瓣电平指离主瓣最近而且电平最高的第一旁瓣电平，一般以分贝表示。旁瓣分散了辐射功率，电平，一般以分贝表示。旁瓣分散了辐射功率，应尽量抑制。应尽量抑制。主瓣宽度越小，能量越集中，定向性越好。主瓣宽度越小，能量越集中，定向性越好。（3 3）前后比）前后比前后比指最大辐射方向前向电平与其相反方向后前后比指最大辐射方向前向电平与其相反方向后向电平之比，通常以分贝表示。向电平之比，通常以分贝表示。（4 4）方向系数）方向系数定义：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方定义：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率密度与相同辐射功率的理想无方向上的辐射功率密度与相同辐射功

9、率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率密度之比即最向性天线在同一距离处的辐射功率密度之比即最大辐射方向的功率密度与在同一球面上的平均功大辐射方向的功率密度与在同一球面上的平均功率密度之比，记为率密度之比，记为D D2maxmax2avavESDSE计算式：计算式：2max222004sinavEDEdFd 【讨论】【讨论】1 1） 2 2）D D越大，方向性越强越大，方向性越强1D 如：电流元如：电流元22220000441.5sinsinsinDdFddd 2.2.效率效率inPP效率：天线实际辐射功率与发射机提供即输入功率效率：天线实际辐射功率与发射机提供即输入功率 之比之比(1 )3

10、.3.增益：综合衡量天线能量转换盒方向特性的参增益：综合衡量天线能量转换盒方向特性的参 数，是天线的方向系数与效率之积数，是天线的方向系数与效率之积GD辐射电阻：常用来度量天线辐射功率的能力。辐射电阻：常用来度量天线辐射功率的能力。定义：设有一电阻，当通过它的电流等于天线上定义：设有一电阻，当通过它的电流等于天线上的最大电流时，其损耗的功率就等于其辐射功率。的最大电流时，其损耗的功率就等于其辐射功率。202 RPI ()RP辐射能力4.4.工作频带工作频带天线各参数不超过允许变化范围所对应的频率范围天线各参数不超过允许变化范围所对应的频率范围5.5.极化极化 极化特性指天线在最大辐射方向上电场矢量的方极化特性指天线在最大辐射方向上电场矢量的方 向随时间的变化规律，分为线极化、圆极化、椭向随时间的变化规律，分为线极化、圆极化、椭 圆极化。按天线所辐射的电场的极化形式可将天圆极化。按天线所辐射的电场的极化形式可将天 线分为线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线线分为线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线6.6.输入阻抗输入阻抗要使天线辐射效率高，必须使天线与馈线良好的匹要使天线辐射效率高，必须使天线与馈线良好的匹配，即天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才配，即天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率。能使天线获得最大功率。0inzz6.4