天线的基本参数

1、1.1天线的基本参数antema丹日"a I lermrnrtJsZ从左侧的传输线的角度看，天线是一个阻抗(impedanee )为Z的2终端电路单元(2-terminal circuit element),其中Z包含的电阻部分(resistivecomp onent)被称为辐射电阻(radiation resista nee, Rr)；从右侧的自由空间角度来看，天线的特征可以用辐射方向图(radiation pattern )或者包含场 量的方向图。不等于天线材料自己的电阻，而是天线、天线所处的环境(比如 温度)和天线终端的综合纟吉果。影响辐射电阻Rr的还包括天线温度(antenn

2、a temperature , Ta)。对于无损天线来 说，天线温度Ta和天线材料本身的温度一点都没有关系，而是与自由空间的温度有关。 确切地说，天线温度与其说是天线的固有属性，还不如说是一个取决于天线“看到”的区域的参数。从这个角度看，一个接收天线可以被视作能遥感 测温设备。辐射电阻FL和天线温度Ta都是标量。另一方面，辐射方向图包括场变量或 者功率变 量(功率变量与场变量的平方成正比)，这两个变量都是球体坐标B和 的函数。1.2天线的方向性(D, Directivity )和增益(G , Gain )D=4 n Oa,M中Qa是总波束围(或者波束立体角)oqa由主瓣围(立体角)Qm+副瓣围

3、(立 体角)0 mO如果是各向同性的(isotropic )天线，则0 a=4 n,因此D=10各向同性天线具有最低 的方向性，所有实际的天线的方向性都大于1o如果一个天线只对上半空间辐射，则其波束围0a=2 n,因此D=4冗/2 n=2=3.01 dBi o简单短偶极子具有波束围0 A=2.67 n sr,和定向性D=1.5 (176dBi)。如果一个天线的主瓣在B平面和平面的半功率波束宽度HPBW都是20度，则 D=4 n sr/ Oa sr=41000 deg 2/(20 deg)*(20 deg)103 20dBi(dB over isotropic)o这意味着，当输入功率相同时，该天

4、线在主瓣方向的辐射功率是各向同性天 线的103倍。天线增益G既考虑天线的方向性，又考虑天线的效率。G=kD o只要天线不 是 100%损耗，那么G就小于D。k是天线的效率因子(0W k< 1)0天线效率只和天线的欧 姆电阻损耗有关。在发射状态时，这些电阻损耗使得收到的能量没有被发射出去，而是加 热了天线本身。1.3天线的分辨率(Resolution )天线的分辨率被定义为第一零点波束宽度(FNBW, beam width betweenfirst nulls）的一半。例如，当天线的FNBW为2。时，它的分辨率就是1。这样的天线了区分位于Clarke对地静止轨道上相距1 °的两颗

5、卫星的发射机。当 天线的最 大波束对准一颗卫星时，另一颗卫星正好位于第一零点。天线能够分辨出天空中均匀分布的无线电发射机或者点辐射源的数目得近似值N=4nQA。因此，天线能够分辨的点源数在数值上等于该天线的方向性D1.4 天线的口径(Aperture )引入天线口径这个概念在讨论接收天线显得特别简便。假设接收天线是浸没在均匀平面波中的电磁喇叭设平面波的Poynting矢量（或者功率密度）为S （瓦/平方米）；设喇叭的开口面 积是A平方米。如果喇叭经由其全部开口面积从平面波中提取功率，那么，吸收到的总功 率P=S*A （瓦）。这样，就可以只关注这个电磁喇叭的开口，而它从经过的波中摄取的总 功率和

6、口径（或者开口的面积）成正比。1.5 Friis传输公式口径的概念有助于解释著名的Friis传输公式l-an emiuint;enter>Hec-fiive-这个公式给出了在无线通信线路上收到的功率大小。设发射机T将功率Pt馈送给有效口径为Aet的发射天线。在相距r处有一个有效口径为Aer的接收天线，该接收天线截取了发射天线发出来的部分功率，并转送给接收机Ro先暂时假定发射天线是各向同性的，则在接收天线的位置的功率密度(Power per unit area ) 是：Sr= R/4 n2 (W/米 2)若发射天线有增益Gt,则接收天线的位置的功率密度(Power per unit are

7、a )按比 例增加到：Sr= GtPt/4 nr2 (W/M2)因为接收天线的有效口径是Aer,所以它截取到的功率是：Pr=Sr*Aer= Aer GtPt/4 Fl2因为发射天线的增益公式为：Gt=4 TIAet/ 於因此，Pr/Pt= A erAet/ T栄 (无量纲，入是无线电的波长)这就是著名的Friis传输公式1.6天线的两重性天线既可以被看成电路设备(circuit device ),又可以被看成空间设备(space device )。相应的电路参数和空间参数如下图所示：ZAn WR-IIIA tcmfjeraturcCircJiit aua nrtmejCirrern自Boarn

8、 Bfigk,侏Trans rtior (o?lfon17电磁辐射怎么产生的？当电荷静止不动时，没有辐射。当电荷沿着直线做匀速运动时，没有辐射。当电荷做变速运动时（如曲线运动、往返运动时），产生电磁辐射。1.8功率P和功率密度S功率是单位时间的能量E；功率密度是单位面积的功率，即单位时间、单位面积的能量19脉冲展开的双线天线由两根导线组成，每根导线都类Pulsed Open ed-out Twin-li ne Antennas似瑞士登山者使用的长柄木号角天线是一种基本的宽带天线1.10天线的近场区和远场区在很多场合，我们能根据天线形状对其Figure 2-11 bulled iwinALne

9、amenna. No EaJiitiar; uccim aloui the uniionn acdioD. Ho*cvcr. radimon occurs alom 岂 llie curved action and /f nAtinnim to the righA as 円& tcsied by the reinforcement ef tlw eiwtnc天线的左边是均匀部分。天线的右边部分逐 渐弯曲，直到导线之间的距离达到甚至超过一个波长，而弯曲部分产生的辐 射最后形成了一个向右的波束。 这种围绕着天线的场可以分为两个主要区 域：近场区（Fresnel区）和远场区（Fraunhof

10、er区）。两者的边界半径是 R=2I?/入，其中L是天线的最大尺寸。1.11天线形状和阻抗（impedanee）的关系进行定性估算。在图a中，如果双导线传输线的开口足够大，且满足（1） d远小于入；（2） D入， 则在左侧的输入端呈现为固定的阻抗。在b中，弯曲的导线被拉直成锥形。而在c中， 两个锥形在一条直线上，形成双锥天线。而在d中，锥形退化 成两条直线。从a到d,天 线的阻抗相对恒定，而带宽则逐渐减少。A和b是单向性天线，波束指向右边；c和d 是垂直于线或锥轴的平面上的全向天线。(a)宽的频带宽度Sid益大辐射(b)k较窄的额带寛度E是两个导线向相反方向急剧转弯而形成的螺旋形天线，表现为顺

11、时针旋转的极化特性和最大的垂直于纸面的宽边辐射。和a样，e也显示出宽频特性。(d)最窄的顾带宽度=1.5/1宽的濒带宽AD-fd图 2.19从张开的双线(a)演进到细圆桂天线(d)将导体弯曲成螺蜷天线(e)上图中的天线都是偶极子天线(dipole ),都是平衡的，即它们都通过(平衡的)双导 体传输线来馈电。下图是单极子天线(mono pole),通过(非平衡的)同轴传输线来馈 电。就得到了一个有很宽通过让同轴电缆传输线的层导线和外层导线逐渐变细, 带宽的天线。天线的外形让人联想起火山口。心）宽的频带宽度下图b中，火山口变成了双碟形；而在c中，则成了两个呈宽角度的锥形所有这些天线都是宽频天线，并且是在与轴垂直的平面上的全向天线。址大辐射(b)同轴线但）垠窄的频甜宽3 = 15/1何轴域将c中的下面锥形增加到180度，并减少上面的锥角，就成了 do若上部的锥体进一步变为细桩，就成了