天线理论与设计—第三章

1、 第3章3.1 工作原理与等效电路工作原理与等效电路3.2 接收的天线参数接收的天线参数3.4 付里斯传输方程与雷达测距方程付里斯传输方程与雷达测距方程第三章第三章 接收天线接收天线 第3章3.1 工作原理与等效电路工作原理与等效电路 接收天线是接收无线电波的装置，它能接收天线是接收无线电波的装置，它能有效地接收某一方向或某些方向的入射波，有效地接收某一方向或某些方向的入射波，并将其转换为高频电流或导行波。并将其转换为高频电流或导行波。 发射天线辐射的电磁波远区为球面电发射天线辐射的电磁波远区为球面电磁波，局部为平面波磁波，局部为平面波 第3章Zxy 第3章当沿当沿y方向传入，则入射场矢量与电

2、振方向传入，则入射场矢量与电振子平行，则激起电压最大；子平行，则激起电压最大；当沿当沿z方向入射，则入射场矢量与电振方向入射，则入射场矢量与电振子垂直，则激起电压为零；子垂直，则激起电压为零；l dEVocli来波方向对激励电压大小的影响来波方向对激励电压大小的影响 第3章等效电路等效电路 第3章 第3章接收天线相当于电压源接收天线相当于电压源 电路分析电路分析 LinocinzzvILinrRIP221输入功率输入功率 第3章阻抗共轭匹配阻抗共轭匹配 inininLjxRzz*最大功率输出给负载最大功率输出给负载 inocRRvP82假设无损耗假设无损耗 riocRRvP82riR对应于输入

3、阻抗对应于输入阻抗的辐射电阻的辐射电阻 第3章3.2 接收天线的参数接收天线的参数方向图：方向图：开路电压或输送给负载的功率开路电压或输送给负载的功率随等强度随等强度 方向来波的相对变化方向来波的相对变化 ,ocvf根据互易定理根据互易定理 同一副天线的收发方向图相同同一副天线的收发方向图相同 测试方法？测试方法？ 第3章输入阻抗输入阻抗 当等效电路电压源短路，即无外来波时，当等效电路电压源短路，即无外来波时，从输入口看进去的阻抗。从输入口看进去的阻抗。 由于接收和发射天线阻抗定义相同，由于接收和发射天线阻抗定义相同，因此同一副天线用于因此同一副天线用于发射和接收时输发射和接收时输入阻抗相同。

4、入阻抗相同。 第3章有效口径有效口径最大有效口径最大有效口径输送给负载的最大功率输送给负载的最大功率与入射波功率密度之比（隐含条件等值与入射波功率密度之比（隐含条件等值入射波，所有入射角中使入射波，所有入射角中使 最大的情况最大的情况即最大辐射方向来考察）即最大辐射方向来考察）ocvSRvSPAriocRem82物理意义：接收天线捕获电磁波的能力物理意义：接收天线捕获电磁波的能力 最大条件：最大条件：1，感应电压最大；，感应电压最大；2，无耗情，无耗情况。况。 第3章电流元电流元最大有效口径的计算最大有效口径的计算 假设电流元与来波电场假设电流元与来波电场 平行，则感应开路电压平行，则感应开路

5、电压 lEvoc来波功率密度来波功率密度： 22ES 电流元的辐射电阻可写为：电流元的辐射电阻可写为： 232 lRri 第3章22222119. 0832328EllEAem若取电流元的长度若取电流元的长度 线径线径 50l300d电流元的实际纵截面电流元的实际纵截面 150002A比较得电流元的最大有效口径是实际纵比较得电流元的最大有效口径是实际纵截面的截面的1785倍倍 第3章建立方向性系数和最大有效口径，功率增益建立方向性系数和最大有效口径，功率增益与有效口径的关系与有效口径的关系 电流元电流元 emAD222483423emAD24eemAeAeDG2244eA称为有效口径称为有效口

6、径 emeeAA 第3章极化失配极化失配 天线与入射波的极化不一定完全匹配，天线与入射波的极化不一定完全匹配，天线与负载也不一定共轭匹配。天线与负载也不一定共轭匹配。这两种失配将减少输送给负载的功率，这两种失配将减少输送给负载的功率，使最大有效口径减少。使最大有效口径减少。 极化失配因子极化失配因子 2*eepR*Ree是天线和入射波的复单位矢量。是天线和入射波的复单位矢量。 和和 第3章用共轭起颠倒参考方向的作用，使天线与用共轭起颠倒参考方向的作用，使天线与入射波的极化分量参考相同的参考轴。入射波的极化分量参考相同的参考轴。 p的可能值在的可能值在01之间之间 假设辐射方向和入射波方向与XY

7、面垂直，则yexeRjRRRsincos和yexejsincos 第3章例：发射天线垂直极化，即产生沿例：发射天线垂直极化，即产生沿Y 轴的线极轴的线极 化波，如图所示。接收天线为线极化波，化波，如图所示。接收天线为线极化波， 求极化失配因子。求极化失配因子。xyR沿y轴的发射天线xy面内的线极化接收天线右旋圆极化接收天线 第3章解：入射波单位复矢量：ye 接收单位复矢量：RRRyyxp22sinsincosyxeRRRsincos因而2*eepR 第3章若若 90R1p，则极化匹配，用，则极化匹配，用 y 极化发射，极化发射， y 极化接收；极化接收； 若若 0R0p，则极化失配，用，则极化

8、失配，用 y 极化发射，极化发射， 极化接收；极化接收； x 第3章例：如接收天线右旋圆极化， 来波为y向线极化，求极化失配因 子。解： 已知右旋圆极化则接收单位复矢量中的9045RR) (2145sin45cos2y jxyexejRdByy jxp321) (212 第3章 来波是线极化波，用圆极化天线接收来波是线极化波，用圆极化天线接收功率损失一半功率损失一半(3dB)。入射波是左旋圆极化，接收天线用？入射波是左旋圆极化，接收天线用？旋圆极化，则为交叉极化旋圆极化，则为交叉极化 其他的匹配情况列举其他的匹配情况列举右 第3章阻抗失配因子阻抗失配因子 2222211111SWRSWRLin

9、LinVVzzzzq计入两种失配后有效口径为计入两种失配后有效口径为 emepqAA emeRpqSASAP 第3章mBTT,mT10式中：式中：TB为亮度温度（为亮度温度（K），）， 为热辐射率，为热辐射率， 为实际（分子）温度（为实际（分子）温度（K）。热辐射率的）。热辐射率的值为值为 , 因而亮度温度可达到的最因而亮度温度可达到的最大值等于实际温度。大值等于实际温度。天线温度实际温度高于绝对零度实际温度高于绝对零度(-273. )的任何物体均辐的任何物体均辐射能量，总辐射能量通常一个称为射能量，总辐射能量通常一个称为亮度温度亮度温度的等效温度的等效温度TB 来表示，它定义为来表示，它定义

10、为 第3章良好的天然微波能量辐射体是：良好的天然微波能量辐射体是：（a）亮度温度约）亮度温度约300K的地面；的地面；（b）亮度温度约）亮度温度约5K的天顶的天顶;（c） 亮度温度约亮度温度约100150K的水平方向的天空。的水平方向的天空。 天线截获各种源的辐射能量，在天线输出端天线截获各种源的辐射能量，在天线输出端表现为表现为天线温度天线温度。 可用公式写为可用公式写为 200200sin,sin,ddGddGTTBA 第3章 第3章天线输出端的天线输出端的天线温度天线温度由物体由物体亮度温度亮度温度经天线经天线的的功率增益加权平均功率增益加权平均后给出。后给出。 假设无失配损失而且天线与

11、接收机之间的假设无失配损失而且天线与接收机之间的传输线无耗，传输线无耗，输送给接收机的噪声功率输送给接收机的噪声功率由由下式给出下式给出fkTPAR式中式中k=1.3810-23(J/K)为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数； f为频带宽度。为频带宽度。 第3章接收微弱信号的无线电设备广泛采用低噪声天线，为此引入品质因数 G/TA来衡量天线的信噪比。为降低天线温度和提高品质因数，天线方向图的远副瓣和背瓣应尽量低。 显然, TA愈高, 天线送至接收机的噪声功率愈大, 反之愈小。 TA取决于天线周围空间的噪声源的强度和分布, 也与天线的方向性有关。 第3章付里斯传输方程付里斯传输方程 3.4 付里斯传输

12、方程与雷达测距方程付里斯传输方程与雷达测距方程 第3章假设发射天线的方向性系数为假设发射天线的方向性系数为Dr，最大有效，最大有效口径为口径为Aemr，发射功率为，发射功率为Pr。接收天线的方。接收天线的方向性系数为向性系数为DR (收发对准的方向收发对准的方向) ，最大有，最大有效口径为效口径为AemR。输送给负载的最大功率输送给负载的最大功率为为 24 rAPDPemRrrR又又 emAD24 第3章则则 22)4(rDDPPRrrR或或22rAAPPemRemrrR上两式称为上两式称为付里斯传输方程付里斯传输方程。它表明接收功。它表明接收功率和发射功率之间的关系。若率和发射功率之间的关系

13、。若计入天线的损计入天线的损耗耗，则可写为，则可写为 22)4(rGGPPRrrR 第3章 雷达测距方程雷达测距方程 r 第3章 第3章 在雷达问题中，假设发射天线与接收在雷达问题中，假设发射天线与接收天线均对准目标，则天线均对准目标，则入射到目标上的功率入射到目标上的功率密度密度为为 2224rAPrDPSemrrrri目标截获的功率目标截获的功率与入射功率密度成正比与入射功率密度成正比 iiSP 第3章式中式中 为目标的等效面积，称为为目标的等效面积，称为雷达截面雷达截面。若目标截获的功率再各向同性地辐射，则若目标截获的功率再各向同性地辐射，则入射到接收天线的功率密度等于实际目标入射到接收天线的功率密度等于实际目标散射的功率密度散射的功率密度 24 rPSis输送给接收机的最大功率为输送给接收机的最大功率为 SRemRSAP 第3章联合上述四个方程得出联合上述四个方程得出 24244rAAPrSAPRemremriRemR或或 432)4(rDDPPR