A天线解析PPT教学课件

1、第1页/共53页相控相控阵天阵天线线第2页/共53页110m “big ear” radio telescope of the Ohio State University第3页/共53页天线的作用天线的作用： v 能量的转换：自由空间的电磁能量与高频电流能量的相互转换；v 能量的分配：使空间传播的电磁波能量在指定的空域内辐射传播；信息源信号变换发信机收信机信号变换受信者 发射：高频能量转换成电磁波能量； 向指定空域发射电磁波； 接收：电磁波能量转换成高频电流形式的能量 ； 收集指定空域内的电磁波。能接收电磁能量 天线第4页/共53页天线的影响天线的影响 如设计、选择和作用不合理，则可能使整个系

2、统工作不正常。 天线的分类： 按用途：通信天线、广播电视天线、雷达天线等 按工作波长：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线、光学天线； 按天线的结构：线天线、面天线、阵列天线；第5页/共53页7.1 7.1 基本元的辐射基本元的辐射 基本元的类型： 电流元，电基本振子，电偶极子 磁流元，磁基本振子，磁偶极子 面基本元，面元：面元上的场可用等效电流元和等效磁流元来代替，利用电基本振子和磁基本振子的结果而得出面元的辐射特性 天线可分为无限多个基本元，其上有电流或磁流。每个基本元上的电流或磁流的振幅、相位和方向均为相同的。但各个元上的相应参数是不同的。如掌握了每个基本元的辐射特性，则可

3、根据电流或磁流的振幅、相位和方向在空间的分布，则可得出各类天线的辐射特性。第6页/共53页电基本振子的辐射电基本振子的辐射 电基本振子：一段载有高频电流的细导线（直线电流元），l l,沿线各点的电流的振幅和相位均相同（等幅同相分布）。设该直流元Il沿z轴放置，如图。 对于电流元，已知： IIlzIlzSlJdSt=纷=vv则矢量位 0( )44jkrjkrzJ r edAzIlezArrtmtmpp-=vv对于球坐标，有 0;sin;cosAAAAAzzr第7页/共53页则磁场为： jkrjkrjkrzzzzerjkrIlrererrIlrArArrrrAArrrrrAH1sin4)sin(s

4、in41cossinsinsin10sincos0sinsin1122可解得： 1sin40jkrrIleHjkrrHHjqqp-骣=+桫= 第8页/共53页电场可由电场可由 HjE10sin14cos12222ErrjkkreIljErjkreIljEjkrjkrr2221cos21sin41sin40jkrrjkrjkrrIleEjjkrrIlejkEjkrrrIleHjkrrHHEqjqjqpweqpweqp-骣= -+桫骣= -+桫骣=+桫=电基本振子的场为：第9页/共53页第10页/共53页近场区：近场区：电偶极子的场区可分为：远场区；近场区；中间场区。 当kr1,即r 1时，为远场

5、区，辐射场（一般 r=5l:感应场比辐射场低30分贝） 其场分布为 0sin600sin2llEHHerlIjEEerlIjHrjkrArjkrA222 21cos211sin41sin40jkrrjkrjkrrIlk eEjjkrrIlkejEjrkrk rIlkeHjrkrHHEqjqjqpweqpweqp-骣= -+桫骣= - +桫骣=+桫=第12页/共53页远场区分析远场区分析4）电偶极子的远区场为一沿径向向外传播的横电磁波。电磁能量离开场源向空间辐射出去，因此称为辐射场。在方位上，场与 有关，在不同的方向上，其辐射强度是不同的。当 =90方向时，辐射最强；当 0方向时，辐射为零。si

6、n260sin0jkrAjkrArrI lHjerI lEjerHHEEjqjjqlpql-=3） 的比值为120，为波阻抗。由h0表示。故可只讨论一个场分量即可;HE 和1）仅有 两个场分量，该两场分量与矢径r三者方向相互垂直，且符合右手螺旋法则。场强与r成反比，即随距离的增加而减小。等相位面只与r有关-球面波;HE 和2） 两者在时间上同相，其平均坡印廷矢量 是实数，为有功功率且指向r 的增加方向;HE 和*1Re2avSE H=vvv第13页/共53页对偶性原理与磁基本振对偶性原理与磁基本振子子 如描述物理现象的方程具有相同的数学形式，则其解也将有相同的数学形式。相对应的量称为对偶量，其

7、方程称为对偶性方程。 由麦克斯韦方程组： DBtBEtDJH0由电流和电荷所产生的场 0DBtBJEtDHmm单由磁流和磁荷产生的场应满足 DBtBJEtDJHmm引入磁荷和磁流，则麦克斯韦方程组为对称形式：互换规则是：将原式中的参量进行下列替换 hh1,emAmmemAJJEHJJHE第14页/共53页7.27.2天线的电参数天线的电参数 能量转换：输入阻抗、辐射电阻、效率、增益系数能量分配：波瓣宽度、旁瓣电平、方向性系数 辐射功率：单位时间内天线向围绕它的整个球面辐射的总能量称为辐射功率。用PS表示。与输入功率Pin有关。第15页/共53页1.1.发射天线发射天线 1.1 1.1 方向图、

8、主瓣宽度和旁瓣电平方向图、主瓣宽度和旁瓣电平天线的方向性：距离天线相同距离而在不同方向上各点上的电场强度（功率密度）的相对关系。方向函数： 用数学表达式表示天线方向性；归一化方向函数：令空间场强（功率）的最大值等于1，相应的方向性函数为归一化方向函数。 其归一化方向性函数为 max),(),(ffF如天线的远区场： jkrAefrIrE),(60),(式中f(,)为方向性函数。第16页/共53页方向图：或天线波瓣图，由图形表示方向函数；一般在两正交的主平面上（即当 =常数，或 =常数）的场强或功率的分布；归一化方向图：由图形表示的归一化方向函数；主平面：E面-与电场相平行的面 H面-与磁场相平

9、行的面 无方向性天线：理想点源, 它在任意一个方向所产生的电场强度都是一样的。 第17页/共53页主瓣宽度： -3dB(半功率点)波瓣宽度，主波瓣场强在1到0.707之间的角度的两倍，又有零功率波瓣宽度。旁瓣电平：付瓣电平，指第一付瓣电平，以分贝数表示 1212lg20lg10lg10EEPPFSLL主瓣最大值第一旁瓣最大值旁瓣电平方向图E面H面的方向图中的波瓣具有多瓣性主瓣：辐射的最大方向所在的波瓣；尾瓣：与主瓣方向相反的波瓣；旁瓣、副瓣或栅瓣：其它方向的波瓣。前后比：最大辐射方向的电平与尾瓣电平之比。 (dB)第18页/共53页 1.2 方向系数方向系数 方向性系数：在同一距离及相同辐射功

10、率的条件下，某天线在最大辐射方向上辐射的功率密度Pmax与无方向性天线的辐射功率密度P0之比称为天线的方向性系数。constPconstPconstPEEPPPPDLSS202max0max0max无方向性天线的天线最大辐射方向上constEPPDSS点源0或D 亦可用分贝数表示： DdBDlg10)(第19页/共53页对于无方向性天线，它所产生的辐射功率密对于无方向性天线，它所产生的辐射功率密度为度为24021Re42020EHErPPS故： 22060rPES则有： 222maxmax2060ErEDPES=对于已知天线，可求其最大方向的辐射场强： rDPES60max场点与源点之间的距离

11、辐射功率天线方向性的强弱决定于工作波长、天线的形式和尺寸。第20页/共53页对于所讨论的天线，设其归一化方向函数为F(,)，则其任意方向的场强与功率密度分别为： max( , )( , )EEFq fq j=222max( , )( , )( , )240240EEPFq jq jq jpp=则辐射功率为： 222max001( , )sin240PEFrd dppq jq q jpS S2=蝌则方向系数： 2002sin),(4ddFD归一化方向函数 由上式可见，天线主瓣越宽，则方向系数小。 点源 D =1, 对于电基本振子：D =1.5。 第21页/共53页1.3 输入阻抗和辐射电阻输入阻

12、抗和辐射电阻为比较不同的天线辐射能力的相对大小，一般不采用辐射功率的大小来说明，因为辐射功率与发射机的输入功率有关，故采用辐射电阻参量来描述天线的辐射能力。 2IPRSS式中 PS 为该天线的辐射功率辐射电阻：是指相对于一定天线电流值的辐射功率。它代表天线辐射能力的大小。1）辐射电阻：第22页/共53页2）输入阻抗：）输入阻抗： 天线的主要作用是将高频电流能量转化为电磁波能量发射出去，若要从馈线上获取较大的能量，则需要使天线的输入阻抗与馈线的波阻抗匹配。若不匹配，则会引起馈线中产生驻波，天线所获取的功率就会很小。2inininininininPVZRjXII=+G源天线的输入阻抗：输入端点或馈

13、电点所呈现的阻抗。 第23页/共53页 天线与馈线的阻抗一般不匹配，可接入匹配网络来消除天线的电抗，使电阻等于馈线的特性阻抗。此时 =1, G =0。 天线的输入阻抗决定于天线本身的结构和尺寸，工作频率以及天线的周围物体的影响等。当输入电阻等于辐射电阻时，则天线为理想状态（无损耗）。求输入阻抗的方法：理论计算； 实验确定。inlRRR=+S SinRR=S S辐射电阻与损耗电阻之和第24页/共53页 1.4 效率效率 则天线的效率： 0AinllPPRRPPPRRRhSSSSSS=+辐射电阻 损耗电阻 天线系统如图。 GPGPinPS发生器的输出功率进入到天线的功率Pin天线的辐射功率如果计入

14、传输系统的效率hf，整个天线系统的效率为： inAGinGPPPPP PfhhhSS=2(1)inGPP=- G2(1)Ah=- G若传输线无耗如传输线无耗第25页/共53页当天线的电尺寸l /l 很小（中长波）的天线，RS较小，地面及邻近物体的吸收所造成的损耗电阻较大，因此天线效率很低，只有百分之几。而天线电尺寸较大时，如微波或超短波的面天线，其辐射电阻较大，辐射能力强，其效率可接近于1。第26页/共53页1.5 增益增益发射天线增益系数的定义：在相同输入功率的条件下，天线在最大辐射(某)方向某点产生的功率密度与理想点源（效率100%）同一点产生的功率密度的比值，-此天线的增益。 输入功率相

15、同的辐射功率密度该天线在无损耗时平均射方向的功率密度有损耗时天线在最大辐G相同相同无耗ininppEEppG202max0maxS用分贝数表示： GdBGlg10)(第27页/共53页与方向系数的定义的不同点：1）方向系数是从辐射功率出发，而增益系数则是以输入功率作参考；2）在增益系数中点源是理想的，即天线效率等于1。 maxmax00inAinpPpPGDpPPhSS=耗无耗耗相同最大方向的增益系数。用理想点源作基准，为绝对增益。若以其它天线对比，称为相对增益。 实际增益（系统）、有效增益（天线）、方向增益（方向系数）之间的关系： DGGAGh)1 ()1 (22GGAGDh=即有第28页/

16、共53页由最大方向的辐射场强，有： max606060GGD PGPDPErrrhS=AGPPfhhhS=AGDh=由对于理想的无方向性天线，D =1,hA=1,G =1max60GPEr=第29页/共53页1.6 极化极化 发射天线的极化是指在在最大辐射方向上辐射电波的极化，其定义为在最大辐射方向上电场矢量端点运动的轨迹。 分类：线极化（水平极化或垂直极化） 圆极化（左旋圆极化天线或右旋圆极化天线） 椭圆极化（双极化-水平极化和垂直极化）应用：线极化，传播接收应为同极化； 圆极化，可传播接收任意方向的线极化波；发射接收电场极化可以接收到场第30页/共53页 1.7 有效长有效长度度 则天线的

17、辐射场强为 对于线天线，天线的有效长度是其上的电流分布与电基本振子相同，其上的电流同相且均匀分布，电流的大小等于实际天线的馈电点电流（或波腹电流）。并在同一距离的远区，实际天线在最大辐射方向的场强等于此天线在该方向产生的场强。lledllIIl)(1,30),(FrIklEe第31页/共53页1.8 工作频带宽度工作频带宽度 阻抗带宽：能满足天线阻抗要求（或归一化输入电流为0.707时）的频带宽度。如中心频率为f0，归一化输入电流为0.707时为 ，或输入功率为一半时，则称2Df 为3dB带宽，一般用其驻波比表示，如对于某短波天线，驻波比VSWR小于2的带宽为5M10MHz的范围内。ffD0方

18、向性带宽：当主瓣归一化场强电平降到0.707时的带宽。增益宽带：倍频程：f2 /f1, (如两个倍频程，五个倍频程）相对带宽： 2Df /f100%第32页/共53页1.9功率容量功率容量 功率容量限制因素： 天线表面的电场； 介质材料的性质（天线周围的空气及天线绝缘子的介质强度）； 场强过大-空气电离-击穿 起始场强：约为30kV/cm 第33页/共53页2. 2. 接收天线接收天线 天线的接收原理：天线导体在外电场的作用下激励产生感应电动势并在天线回路中产生电流。 由互易定理分析可得：同一副天线在用作接收时和用作发射时，其各电参数相同。只是其含义不同。 第34页/共53页有效接收面积（有效

19、面积或实效面积）有效接收面积（有效面积或实效面积） 天线的极化与来波的极化完全匹配以及其负载与天线阻抗共轭匹配条件下，天线在某方向所接收的功率Pre(,)与入射电磁波功率密度 p 之比称为天线在方向(,)上的有效面积， 当天线效率等于1，在最大接收方向上，称为天线的有效接收面积。 ()22( , ),4reePAGFpq jlq jp=2( , )4reePADpq jlp=第35页/共53页3. 3. 电基本振子的电参数电基本振子的电参数 方向性函数： )sin(),(F其E面（ 0）面方向性函数： )sin(),(F1F =H面（ 90）方向性函数为：其波瓣宽度： 9025 . 0无副瓣。

20、 由场 sin260sin0jkrAjkrArrI lHjerI lEjerHHEEjqjjqlpql-=第36页/共53页基本振子的方向系数基本振子的方向系数 电基本振子的方向系数： D =1则其有效面积为 220.124eDAllp=3电基本振子辐射电阻 2/2AIPRSS2)/(80llR S第37页/共53页7.3 电波传播电波传播直射：在无界均匀线性媒质中，电波以直线方式传播。 发收菲涅尔区dd 与传输波长成正比。光为直线传播。 当电波传播的过程中有障碍物时，电波将产生反射、折射、绕射、和散射。多 径1. 无线电波的传播机制：第38页/共53页反射：当障碍物表面平滑、且远大于传播电波

21、的波长时，电波会产生反射；导体入射波反射波非导体入射波折射波反射波绕射散射散射：当障碍物表面粗糙或障碍物远小于波长时，则会产生散射； 折射：当障碍物表面平滑、且当障碍物为非导体时，则会产生折射；绕射：当障碍物可与波长相比时，则会产生绕射；第39页/共53页2. 无线电波的空间传播方式：无线电波的空间传播方式： 主要传播特点：传输损耗小，作用距离远；受电离层扰动影响小，传播情况稳定；有较强的穿透海水及土壤的能力；但大气噪声电平高，工作频带窄。地波 地波：电磁波沿地球表面传播；第40页/共53页 对流层电波传播：电波在低空大气对流层电波传播：电波在低空大气对流层中的对流层中的传播传播a) 视距传播

22、（距离1050km，110GHz）， 主要特点：传播区域限于视线距离以内；频率越高受地形、地物的影响越大；微波衰落严重；大气吸收及雨衰减严重（1GHz）散射通信发收视距传播发收b)散射传播: 利用对流层中介质的不均匀性对电波的散射作用实现超视距传播(200MHz5GHz，300800km)；特点: 传输损耗大，但单跳距离大；适用于无法建立微波中继站的区域，如海岛之间。第41页/共53页 电离层电波传播：电离层电波传播：散射通信发收b)电离层散射传播（3050MHz，10002000km）；利用电离层中电子浓度的不均匀性对电波的散射作用完成远距离通信。a)电离层反射传播, 天波: 主要用于中波、

23、短波的远距离的广播、通信，岸船间航海移动移动通信，飞机地面间航空移动通信。 其特点：传播损耗小（远），衰落现象严重，短波传播受电离层扰动大；c) 流星电离余迹反（散）射传播。天波第42页/共53页卫星通信: 地与宇宙飞船、人造地球卫星及星体等之间的通信。 （f =3GHz10GHz） 外大气层及行星际空间电波传播第43页/共53页 地地-电离层波导传播电离层波导传播:低频、甚低频远距离传播、标准频率和时间信号的传播;特点：传播损耗小，受电离层扰动小，传播相位稳定，有良好的可预测性，但大气噪声电平离，工作频带窄。第44页/共53页3. 自由空间的电波传播自由空间的电波传播 设有一天线置于自由空间

24、，在最大辐射方向上、距离为r的接收点处产生的场强为： 06060(/)ttPGP DEV mrrS=t 代表发射天线，Pt为发射天线的输入功率，Gt为发射天线的增益，r为天线间的距离。接收天线的接收功率为： 222()444ttrerttrP GPSAGPG GWrrllppp骣=桫式中S为坡印廷矢量（W/m2）, Ae为接收天线的有效面积(m2)，Gr为接收天线的增益。 第45页/共53页自由空间的基本传输损耗自由空间的基本传输损耗Lbf： 自由空间内发射天线的发射功率Pt与接收天线的输出功率Pr之比。241tbfrtrPrLPGGpl骣=桫用dB表示： 10lg32.4520lg()20lg ()()tbfrrtPLPf MHzr kmGGdB=+-第46页/共53页自由空间的传输损自由空间的传输损耗：耗：电磁波的衰减可由自由空间传输损耗Ldf表示。自由空间传输损耗Ldf是用在自由空间内两个理想点源天线（G=1）之间的传输损耗来定义。 241,1tdftrrPrLGGPpl骣=桫用dB表示： 10lg32.4520lg()20lg ()()tdfrPLPf MHzr kmdB=+自由空间的传输损耗Ldf：自由空间内理想点源天线的发射功率Pt与Gr=1的接收天线的输出功率Pr之比。亦即不包含天线时的自由空间路径损耗：第47页/共53页4. 传输媒质对电波传播的影响传输媒