微波技术与天线第6章

1、第6章 天线辐射与接收的基本理论6.1 概论概论6.2 天线的电参数天线的电参数6.3 基本振子的辐射基本振子的辐射6.4 对称天线的辐射场对称天线的辐射场第6章 天线辐射与接收的基本理论第6章 天线辐射与接收的基本理论6.1 概论概论 通信的目的是传递信息, 根据传递信息的途径不同, 可将通信系统大致分为两大类: 一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息, 即所谓的有线通信, 如电话、计算机局域网等有线通信系统; 另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息, 即所谓的无线通信, 如电视、 广播、 雷达、 导航、卫星等无线通信系统。 在如图 6 -1 所示的无线通信系统中, 需要将来自发

2、射机的导波能量转变为无线电波, 或者将无线电波转换为导波能量, 用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。 第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6 1 无线电通信系统框图第6章 天线辐射与接收的基本理论无线电通信系统的基本方框图无线电通信系统的基本方框图无线电定位系统无线电定位系统图图 6 2第6章 天线辐射与接收的基本理论0.BDEJHtBtD辐射源：辐射源：第6章 天线辐射与接收的基本理论 天线的定义：辐射和接收电磁波的装置 讨论重点：发射天线所产生的辐射场在空间的分布规律 研究内容： 天线理论基础天线理论基础工程中常用的典型天线工程中常用的典型天线第6章 天线辐射与接收的基本理论天线的发展：

3、第一副天线：1887年德国物理学家赫兹 发射：两个球 接收：环1901年： 意大利物理学家马可尼 大型天线 远洋通信 发射：50 根下垂铜线，顶部用水平横线连在 一起，横线挂在两个塔上 长波越洋通信： 特点：功率大，结构庞大，效率很低1925年后：无线电广播盛行-中波电线 型式与长波天线相似：T形， 形和伞形1920年三极管可产生1MHz连续波后，谐振式半波天线成可能。第6章 天线辐射与接收的基本理论 1925年前后，发现电离层，短波，使天线所需效率大为减小，提出新要求： 辐射的电磁波不需集中于地面，而集中于空中-水平天线和阵列 电离层变动，两点工作频率早晚更换-倍波天线和行波菱形天线 192

4、7年， 超短波八木天线 1937年，抛物反射面天线 1940年前后，长中短波线形天线的理论成熟，沿用至今 1888年赫兹提出的抛物柱面天线由于没有振荡源沉默了30年 三十年代：喇叭天线-波导技术第6章 天线辐射与接收的基本理论 二战期间，雷达技术-超短波与微波天线-抛物面，透镜，介质棒，开槽天线（抛物面最突出） 二战后，无线电技术迅速发展-微波中继通信，散射通信，电视广播 五十年代， 对数周期，等角螺旋天线 五十年代末，卫星上天，洲际导弹-高增益，高分辨率，圆极化，宽频带，快速扫描和精确跟踪 六十到七十年代末，空前发展-大型地面站天线，相控阵 七十年代，毫米波，亚毫米波，光波-小型，轻便，平嵌

5、 -有源天线，微带天线，开槽天线，表面波天线，共形阵第6章 天线辐射与接收的基本理论天线的作用： 发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线, 通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量, 并向所需方向辐射出去。到达接收点后, 接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量, 经馈线输送至接收机输入端。天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备, 它的选择与设计是否合理, 对整个无线电通信系统的性能有很大的影响, 若天线设计不当, 就可能导致整个系统不能正常工作。 第6章 天线辐射与接收的基本理论 综上所述, 天线应有以下功能: 天线应能

6、将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。 这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与发射机或接收机匹配。 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性。 天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当的极化。 天线应有足够的工作频带。 第6章 天线辐射与接收的基本理论 以上四点是天线最基本的功能, 据此可定义若干参数作为设计和评价天线的依据。通信的飞速发展对天线提出了许多新的要求,天线的功能也不断有新的突破。除了完成高频能量的转换外, 还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理, 如信号处理天线、单脉冲天线、自适应天线和智能

7、天线等。特别是自1997年以来, 第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点, 而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技术之一。 第6章 天线辐射与接收的基本理论天线的种类很多： 按用途可将天线分为通信天线、 广播电视天线、雷达天线等; 按工作波长, 可分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等； 按使用领域划分，有移动通讯天线、广播电天线、雷达天线、导航天线等； 按工作带宽划分，有点频天线、窄带天线、宽带天线、超宽带天线等； 按极化形式划分，有线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线等。 按辐射元的类型可分为线天线和面天线。所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成

8、, 主要用于长波、中波和短波波段；面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的, 主要用于微波波段, 超短波波段则两者兼用。 第6章 天线辐射与接收的基本理论 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。 馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线、同轴线传输线、 波导或微带线等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密, 有时把天线和馈线系统看成是一个部件, 统称为天线馈线系统, 简称天馈系统。 图6-3 天线的不同形式第6章 天线辐射与接收的基本理论6.2 天线的电参数天线的电参数一、一、 天线的方向性特性函数天线的方向性特性函数1.方向函数：方向函数： 方向性函数是指天线的辐射强度与空间坐标之

9、间的函数关 系 ， 分 场 强 （ 幅 值 ） 方 向 函 数 和 功 率 方 向 函数 。 是天线辐射场表达式的幅值中与方向有关的因子； 是功率方向函数与方向函数的关系：归一化方向性函数( , )F ( , )P ( , )P ( , )F ( ,)P 2,F),(),(),(mFFf第6章 天线辐射与接收的基本理论 2. 天线方向图天线方向图 所谓天线方向图，是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面方向图来表示。 1) 在地面上架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示其方向图 水平面 当仰角及距离r

10、为常数时, 电场强度随方位角 的变化曲线, 参见图 6 - 4;第6章 天线辐射与接收的基本理论 铅垂平面 当 及r为常数时, 电场强度随仰角的变化曲线, 参见图 6 - 4。 2) 超高频天线, 通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示 E平面 所谓E平面， 就是电场矢量所在的平面。 对于沿z轴放置的电基本振子而言, 子午平面是E平面。 H平面 所谓H平面， 就是磁场矢量所在的平面。 对于沿z轴放置的电基本振子, 赤道平面是H面。 第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6- 4 坐标参考图第6章 天线辐射与接收的基本理论(a)(a)元辐射方向性图元辐射方向性图 (b)(b)铅笔形方向性图铅笔形方

11、向性图 (c)(c)扇形方向性图扇形方向性图 (d)(d)余割平方方向性图余割平方方向性图第6章 天线辐射与接收的基本理论 例例 6 - 1画出沿z轴放置的电基本振子的E平面和H平面方向图。 解: E平面方向图: 在给定r处, E与 无关; E的归一化场强值为 |E|=|sin|这是电基本振子的E平面方向图函数, 其E平面方向图如图 6 - 5（a）所示。 第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6 -5 (a) 电基本振子E平面方向图 (b) 电基本振子H平面方向图图 6 -5 (c) 电基本振子立体方向图第6章 天线辐射与接收的基本理论 H平面方向图: 在给定r处, 对于=/2, 的归一化场强

12、值为|sin|=1, 也与 无关。因而H平面方向图为一个圆, 其圆心位于沿z方向的振子轴上, 且半径为1, 如图 6 - 5（b）所示。 实际天线的方向图一般要比图 6 -5 复杂。 典型的H平面方向图如图 6 -6（a）所示, 这是在极坐标中 的归一化模值随变化的曲线, 通常有一个主要的最大值和若干个次要的最大值。头两个零值之间的最大辐射区域是主瓣（或称主波束）, 其它次要的最大值区域都是旁瓣（或称边瓣、副瓣）。 为了分析方便, 将图 6 -6（a）的极坐标图画成直角坐标图, 即图 6 -6(b)所示。EE第6章 天线辐射与接收的基本理论 图 6 - 6 (a) 极坐标表示的H平面方向图(b

13、) 直角坐标H平面方向图 (c) 直角坐标H平面方向图第6章 天线辐射与接收的基本理论 3.天线的方向图参数天线的方向图参数 (1) 主瓣宽度 主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量，反映天线。 通常取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度, 在场强方向图中, 等于最大场强的 两点之间的宽度, 称为半功率波瓣宽度; 有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度, 称为零功率波瓣宽度。 其中波瓣是指相邻两零点间的曲线部分。 主瓣张角：主向两侧主瓣零辐射方向间的夹角，记做 。2/102第6章 天线辐射与接收的基本理论 (2) 旁瓣电平 旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平, 一般以分贝

14、表示。 方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域, 所以其电平应尽可能的低, 且天线方向图一般都有这样一条规律： 离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低, 在某种意义上反映了天线方向性的好坏。另外, 在天线的实际应用中, 旁瓣的位置也很重要。20lgsmESLLE第6章 天线辐射与接收的基本理论 (3) 前后比 前后比是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比, 通常以分贝为单位。 上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态, 但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果, 因此都不能单独体现天线集束能量的能力。 例如, 旁瓣电平较低的天线并不表明集束能力强, 而旁瓣电平

15、小也并不意味着天线方向性必然好。为了更精确地比较不同天线的方向性, 需要再定义一个表示天线集束能量的电参数, 这就是方向系数。 第6章 天线辐射与接收的基本理论图图6-76-7 用极坐标表示的天线方向图用极坐标表示的天线方向图第6章 天线辐射与接收的基本理论 4. 方向系数 方向系数定义为: 在离天线某一距离处, 天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S0之比,记为D, 即202max0maxEESSDrP相同(6-2-1)第6章 天线辐射与接收的基本理论 下面由这个定义出发, 导出方向系数的一般计算公式。 设实际天线的辐射功率

16、为Pr, 它在最大辐射方向上r处产生的辐射功率流密度和场强分别为Smax和Emax; 又设有一个理想的无方向性天线, 其辐射功率为Pr不变, 它在相同的距离上产生的辐射功率流密度和场强分别为S0和E0, 其表达式分别为12042020ErPSr22060rPEr由方向系数的定义得(6-2-2)(6-2-3)rPErD602max2(6-2-4) 第6章 天线辐射与接收的基本理论 若天线的辐射功率Pr, 设天线归一化方向函数为F(, ), 则它在任意方向的场强与功率流密度分别为 将式（6 -2 -5）代入上式, 则功率流密度的表达式为 22max),(240),(FES),(),(maxFEE2

17、40),()Re(21),(2EHES(6-2-5)(6-2-6)第6章 天线辐射与接收的基本理论ddsin),(240),(22002max2 FErdSSPSr 将上式代入式（6 -2 -4）即得天线方向系数的一般表达式为 2002sin),(4ddFD 由公式（6 -2 -8）可以看出, 要使天线的方向系数大, 不仅要求主瓣窄, 而且要求全空间的旁瓣电平小。 (6-2-8)(6-2-7) 在半径为r的球面上对功率流密度进行面积分, 就得到辐射功率: 第6章 天线辐射与接收的基本理论工程上，方向系数常用分贝来表示，这需要选择一个参考源，常用的参考源是各向同性辐射源（isotropic，其方

18、向系数为1）和半波偶极子（dipole，其方向系数为1.64）。若以各向同性源为参考，分贝表示为dBi，即 DDlg10)dBi(（6-2-9） 若以半波偶极子为参考，分贝表示为dBd，即 15. 2lg10)dBd(DD（6-2-10） 通常情况下，如果不特别说明，dB指的是dBi。 第6章 天线辐射与接收的基本理论将其代入方向系数的表达式得 因此，电基本振子的方向系数以dBi表示, 则D=10 log1.5 =1.76dBi。若以dBd表示，则为-0.39dBd。可见, 电基本振子的方向系数是很低的。 例例 6 -2确定沿z轴放置的电基本振子的方向系数。 解解: 由上面分析知电基本振子的归

19、一化方向函数为: |F(, )|=| sin|5 . 1ddsinsin42002 D第6章 天线辐射与接收的基本理论二、二、 天线效率和增益天线效率和增益 1.天线的效率： 天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比, 记为A， 即1riPPPPPrrA(6-2-11) 式中, Pi为输入功率；Pl为欧姆损耗。 天线的效率表现了天线在能量上的转换效能，即能量转换的有效程度。第6章 天线辐射与接收的基本理论 G=DA由上式可见: 天线方向系数和效率愈高, 则增益系数愈高。 故天线的增益反映了天线的定向收益程度。 将方向系数公式（6 -2 -4）和效率公式（6 -2 -9）代入上式得i2max26

20、0PErG (6-2-12)(6-2-13) 2.天线的增益 增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数, 它是方向系数与天线效率的乘积, 记为G, 即第6章 天线辐射与接收的基本理论rPEimax60(6-2-15)可见, 天线的增益系数描述了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大的倍数。 A 假设天线为理想的无方向性天线, 即D=1, =1, G=1, 则它在空间各方向上的场强为 由上式可得一个实际天线在最大辐射方向上的场强为rPDrGPEiAimax6060(6-2-14)第6章 天线辐射与接收的基本理论三、三、 天线的辐射功率和辐射电阻天线的辐射功率和辐射电阻

21、天线的辐射功率：天线辐射出去电磁波不再能返回的耗散功率，记做 。rPdrHEddsHEdsSPscprsin21Re21Re2200第6章 天线辐射与接收的基本理论例 求电流元 的辐射功率天线的辐射功率与天线结构、尺寸及馈电电流有关天线的辐射功率与天线结构、尺寸及馈电电流有关2222222200)(1040sin21sin60IkdldlIdrrIdldPrsin60rIdlE 解：电流元解：电流元第五章第五章 天线理论基础天线理论基础Idl第6章 天线辐射与接收的基本理论 常用天线的辐射电阻Rr来度量天线辐射功率的能力。天线的辐射电阻是一个虚拟的量, 定义如下: 设有一电阻Rr, 当通过它的

22、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。显然, 辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标, 即辐射电阻越大, 天线的辐射能力越强。它表示了天线辐射电磁波的能力。与馈电电流的大小无关，是天线自身具有的属性。由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为rrRIP2m21即辐射电阻为 2m2IPRrr(6-2-16)(6-2-17)第6章 天线辐射与接收的基本理论 仿照引入辐射电阻的办法, 损耗电阻Rl为2m112IPR 将上述两式代入式（6 -3 -9）得天线效率为rrrRRRRR/1111A 可见, 要提高天线效率, 应尽可能提高Rr, 降低Rl。 (6-2-19)(6-2-

23、18)第6章 天线辐射与接收的基本理论krrIlEjesin60j 将其代入式（6 -3 -7）得辐射功率为rrRIrIlrP220022221ddsinsin60240 所以辐射电阻为 )(208022kdllRr例 6 -3确定电基本振子的辐射电阻。 - 解解: 设不考虑欧姆损耗, 则根据式（6 -3 -4）知电基本振子的远区场为第6章 天线辐射与接收的基本理论4. 4. 极化和交叉极化电平极化和交叉极化电平(Polarization and Cross(Polarization and Crosspolarization Level)polarization Level)极化特性是指天线

24、在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具体地说,就是在空间某一固定位置上,电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形,如果是直线, 就称为线极化(Linearly Polarized);如果是圆就称为圆极化(Circularly Polarized);如果是椭圆就称为椭圆极化(Elliptically Polarized)。如此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、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平极化(Horizontal Polarized)和垂直极化(Vertical Polarized); 圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。当圆极化波入射到一个对称目标上时

25、, 反射波是反旋向的,在电视信号的传播中, 利用这一性质可以克服由反射所引起的重影。 第6章 天线辐射与接收的基本理论理想情况下,线极化意味着只有一个方向, 但实际场合通常是不可能的对线极化,因此引入交叉极化电平来表征线极化的纯度。例如一个垂直极化天线, 交叉极化电平(Crosspolarization Level)是由于在水平方向有电场分量, 一般交 叉 极 化 电 平 是 一 个 测 量 值 , 它 比 同 极 化 电 平 ( C o polarization Level)要小。对于圆极化天线, 难以辐射纯圆极化波, 其实际辐射的是椭圆极化波, 这对利用天线的极化特性实现天线间的电磁隔离是

26、不利的, 因此引入椭圆度参数来表征圆极化纯度。 第6章 天线辐射与接收的基本理论在通信和雷达中, 通常是采用线极化天线, 但如果通信的一方是剧烈摆动或高速运动着的, 为了提高通信的可靠性, 发射和接收都应采用圆极化天线, 典型的例子是车载GPS常用的圆极化天线； 如果雷达是为了干扰和侦察对方目标, 也要使用圆极化天线。另外, 在人造卫星、宇宙飞船和弹道导弹等空间遥测技术中,由于信号通过电离层后会产生法拉第旋转效应, 因此其发射和接收也采用圆极化天线。 第6章 天线辐射与接收的基本理论5. . 频带宽度频带宽度(Frequency Band Width)(Frequency Band Width

27、) 天线的电参数都与频率有关, 也就是说, 上述电参数都是针对某一工作频率设计的。当工作频率偏离设计频率时, 往往要引起天线各个参数的变化,例如主瓣宽度增大、旁瓣电平增高、增益系数降低、输入阻抗和极化特性变坏等。实际上, 天线也并非工作在点频, 而是有一定的频率范围。当工作频率变化时, 天线的有关电参数不超出规定范围的频率范围称为频带宽度, 简称为天线的带宽。 第6章 天线辐射与接收的基本理论 1）根据频带宽度的不同，可将天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。 对窄频带天线，常用相对带宽（ ）来表示其频带宽度。对超宽频带天线，则常用绝对带宽（ ）来表示，或用倍频程（ ）作为绝对带宽的单

28、位。 通常，相对带宽只有百分之几的称为窄频带天线，如引向天线；相对带宽达到百分之几十的为宽频带天线，如螺旋天线；绝对带宽达到几个倍频程的称为超宽频带天线，如对数周期天线。 2）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。如归一化输入电流为0.707时频率为 ，或输入功率为最大值一半时，称 为3dB带宽，一般用其驻波比表示。如对于某短波天线，驻波比小于2时带宽在5-10MHz范围内。 3）方向性带宽： 主瓣归一化场强电平降到0.707时的带宽。 4）增益带宽：单位增益带宽GB ，为输入信号频率与该频率下最大增益的乘积。%1000minmaxfffminmaxffmi

29、nmaxffff0f2第6章 天线辐射与接收的基本理论6. 6. 输入阻抗与驻波比输入阻抗与驻波比(Input Impedance and Standing (Input Impedance and Standing Wave Ratio)Wave Ratio)要使天线辐射效率高, 就必须使天线与馈线良好地匹配, 也就是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, 如图68 所示。设天线输入端的反射系数为(或散射参数为S11), 则天线的电压驻波比为 VSWR11（6-2-20）第6章 天线辐射与接收的基本理论回波损耗为 10log20rL(6-2-21) 输入阻抗为 ZZin

30、110(6-2-22) 当反射系数=0时,VSWR=1, 此时Zin=Z0, 天线与馈线匹配, 这意味着输入端功率均被送到天线上, 即天线得到最大功率。 第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6-8 天线与馈线的匹配 第6章 天线辐射与接收的基本理论 图6-9 是某天线的回波损耗与频率的关系曲线, 一般将VSWR2(或|1/3)的带宽称为输入阻抗带宽。当|=1/3 时, 反射功率为输入功率的11%。 第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6-9 某天线的回波损耗与频率的关系曲线 第6章 天线辐射与接收的基本理论 7. 有效长度有效长度 有效长度是衡量天线辐射能力的又一个重要指标。 天线的有效长度定

31、义如下 : 在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下, 假设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。它是把天线在最大辐射方向上的场强和电流联系起来的一个参数, 通常将归于输入电流I0的有效长度记为hein, 把归于波腹电流Im的有效长度记为hem。显然, 有效长度愈长, 表明天线的辐射能力愈强。 第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6 10 短振子的辐射第6章 天线辐射与接收的基本理论 例例 6-4一长度为2h(hh, 因而在yOz面内作下列近似: coszrrrr11/2k所以dzehzIrekjEhhjkzjkrcos0)1 (sin30整个短振子的辐射场为第6章 天线辐射与接收

32、的基本理论222cos2cos)2cos(sin4cos)cossin(2hkkhkkhdzehzFhhjkz则221cos)2cossin(21kkhhFF令积分cos)cossin(2cos1kkhdzeFhhjkz第6章 天线辐射与接收的基本理论)sin(300khreIjEjkrjkrerkhIjEHsin40因而有因为h时, 电流三角分布时的辐射电阻和方向系数与电流正弦分布的辐射电阻和方向系数相同, 也就是说, 电流分布的微小差别不影响辐射特性。因此, 在分析天线的辐射特性时, 当天线上精确的电流分布难以求得时, 可假设为正弦电流分布, 这正是后面对称振子天线的分析基础。现在我们来讨

33、论其有效长度。 根据有效长度的定义, 归于输入点电流的有效长度为hdzhzIIhhhein)1 (00第6章 天线辐射与接收的基本理论 这就是说, 长度为2h、电流不均匀分布的短振子在最大辐射方向上的场强与长度为h、电流为均匀分布的振子在最大辐射方向上的场强相等, 如图 6 -11 所示。 由于输入点电流等于波腹点电流, 所以归于输入点电流的有效长度等于归于波腹点电流的有效长度， 但一般情况下是不相等的。 第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6 11 天线的有效长度第6章 天线辐射与接收的基本理论四、四、 接收天线理论接收天线理论 1. 天线接收的物理过程及收发互易性天线接收的物理过程及收发互

34、易性 图 6-12所示为一接收天线， 它处于外来无线电波Ei的场中, 发射天线与接收天线相距甚远, 因此, 到达接收天线上各点的波是均匀平面波。 设入射电场可分为两个分量: 一个是垂直于射线与天线轴所构成平面的分量E1, 另一个是在上述平面内的分量E2。只有沿天线导体表面的电场切线分量Ez=E2sin才能在天线上激起电流, 在这个切向分量的作用下, 天线元段dz上将产生感应电动势 =-Ezdz。 第6章 天线辐射与接收的基本理论 设在入射场的作用下, 接收天线上的电流分布为I(z), 并假设电流初相为零, 则接收天线从入射场中吸收的功率由上述分析得整个天线吸收的功率为)(ZIdpdzezIEe

35、zIPlljkzZlljkzcoscos)()( 式中, 因子e jkzcos是入射场到达天线上各元段的波程差。 根据电磁场的边值理论, 天线在接收状态下的电流分布应和发射时相同。 因此假设接收天线的电流分布为 I(z)=Im sink(l-|z|)则根据式（6 -2 -23）得接收功率为（6 - 2 -23）（6 - 2 -24）第6章 天线辐射与接收的基本理论dzezlkIEpjkzmllcos2)(sinsindzkzzlkIEml)coscos()(sinsin202因此接收天线输入电动势为根据上节有效长度的定义, 有klkkldzzlkklIIhllmmeinsincos1)(sin

36、sin 将式（6 -2 -27）代入式（6 -2 -26）得接收天线的表达式为（6 - 2 - 25）lmmindzkzzlkklIIEIp02cos)cos()(sinsinsin2（6 -2 - 26）（6 - 2 - 27）第6章 天线辐射与接收的基本理论 式中,是入射场Ei与的夹角; 是方向角的单位矢量； hein是接收天线归于输入电流的有效长度。 F()是接收天线的归一化方向函数, 它等于天线用作发射时的方向函数。 可见, 接收电动势E和天线发射状态下的有效长度成正比, 且具有与发射天线相同的方向性。如果假设发射天线的归一化方向函数为F(i), 最大入射场强为| Ei |max, 则

37、接收天线的接收电动势为=|Ei|maxF(i)cosheinF(i) E =E2heinF()=Ei cosheinF() （6 -2 - 28）（6 - 2 - 29）第6章 天线辐射与接收的基本理论 天线接收的功率可分为三部分， 即 P=Pr+PL+Pl (6 - 2 - 30)其中, Pr为接收天线的再辐射功率; PL为负载吸收的功率; Pl为导线和媒质的损耗功率。 接收天线的等效电路如图6-14 所示。 图中Z0为包括辐射阻抗Z0和损耗电阻Rl0在内的接收天线输入阻抗, ZL是负载阻抗。可见在接收状态下, 天线输入阻抗相当于接收电动势 的内阻抗。 第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6

38、 12 天线的等效电路第6章 天线辐射与接收的基本理论 2. 有效接收面积有效接收面积 有效接收面积是衡量一个天线接收无线电波能力的重要指标。它的定义为: 当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时, 接收天线传送到匹配负载的平均功率为PLmax, 并假定此功率是由一块与来波方向相垂直的面积所截获, 则这个面积就称为接收天线的有效接收面积, 记为Ae, 即有avLespAmax 式中, Sav为入射到天线上电磁波的时间平均功率流密度，其值为221iavEs（6 - 2 - 31）（6 - 2- 32）第6章 天线辐射与接收的基本理论 根据图 6-14 接收天线的等效电路, 传送到匹配负载的平均

39、功率（忽略天线本身的损耗）为02max8RpL 当天线以最大方向对准来波方向时, 接收电动势为lEi 将上述各式代入式（6- 2 -31）有ddFRlRsin), (302200020 0230RlAe（6 - 2 -33）（6 - 2-34）（6 - 2 -35）（6 - 2 -36）第6章 天线辐射与接收的基本理论ddsin),(22002e FA可见, 如果已知天线的方向系数, 就可知道天线的有效接收面积。例如,电基本振子的方向系数为D=1.5, Ae=0.122。如果考虑天线的效率, 则有效接收面积为 将天线的方向系数公式代入上式得天线的有效接收面积为42eDA （6 - 2 -37）

40、（6 - 2 -38）42eGA （6 - 2 -39）所以有第6章 天线辐射与接收的基本理论 3. 等效噪声温度等效噪声温度 接收天线把从周围空间接收到的噪声功率送到接收机的过程类似于噪声电阻把噪声功率输送给与其相连的电阻网络。因此接收天线等效为一个温度为Ta的电阻, 天线向与其匹配的接收机输送的噪声功率Pn就等于该电阻所输送的最大噪声功率, 即fKpTbna（6 - 2 -40）式中, Kb=1.3810-23 (J/K)为波耳兹曼常数, 而f为与天线相连的接收机的带宽。 第6章 天线辐射与接收的基本理论噪声源分布在天线周围的空间, 天线的等效噪声温度为ddsin),(),(22200aF

41、TDT （6 - 2 -41）式中, T(, )为噪声源的空间分布函数；F(, )为天线的归一化方向函数。 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6章 天线辐射与接收的基本理论 4. 接收天线的方向性接收天线的方向性 从以上分析可以看出, 收、发天线互易。也就是说, 对发射天线的分析, 同样适合于接收天线。但从接收的角度讲, 要保证正常接收, 必须使信号功率与噪声功率的比值达到一定的数值。为此, 对接收天线的方向性有以下要求: 主瓣宽度尽可能窄, 以抑制干扰。但如果信号与干扰来自同一方向, 即使主瓣

42、很窄,也不能抑制干扰; 另一方面, 当来波方向易于变化时, 主瓣太窄则难以保证稳定的接收。 因此, 如何选择主瓣宽度, 应根据具体情况而定。 第6章 天线辐射与接收的基本理论 旁瓣电平尽可能低。如果干扰方向恰与旁瓣最大方向相同, 则接收噪声功率就会较高, 也就是干扰较大; 对雷达天线而言, 如果旁瓣较大, 则由主瓣所看到的目标与旁瓣所看到的目标会在显示器上相混淆, 造成目标的失落。 因此, 在任何情况下, 都希望旁瓣电平尽可能的低。 天线方向图中最好能有一个或多个可控制的零点, 以便将零点对准干扰方向,而且当干扰方向变化时, 零点方向也随之改变, 这也称为零点自动形成技术。 第6章 天线辐射与

43、接收的基本理论6.3 基本振子的辐射基本振子的辐射 1. 电基本振子电基本振子 电基本振子是一段长度l远小于波长, 电流I振幅均匀分布、 相位相同的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。 下面首先介绍电基本振子的辐射特性。 在电磁场理论中, 已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电基本振子(图6 -13)在周围空间产生的场为第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6 13电基本振子的辐射第6章 天线辐射与接收的基本理论式中, ，是媒质中电磁波的波数 k krrkrkrrrkrIlHHHErkrkrIlErkrIlEj2j2230j230ej1sin40

44、00e )jj(sin14e )j(cos24(6-3-1)第6章 天线辐射与接收的基本理论 下面介绍电基本振子的电磁场特性。 (1) 近区场 在靠近电基本振子的区域（kr1即r1, 即r/2）, 在这种情况下, 式（6-3-1）中的1/r2和1/r3项比起1/r项而言, 可忽略不计, 于是电基本振子的电磁场表示式简化为krrIlkEj02esin 4jkrrkIlHjesin4j(6-3-3)第6章 天线辐射与接收的基本理论7010412000 将上式代入式（6-3-3）得电基本振子的远区场为krrIlEjesin60jkrrIlHjesin2j 对式（6-3-5）进行分析可知: /22,0

45、022cfk9010361式中, (6-3-4)(6-3-5)(F/m)(H/m)第6章 天线辐射与接收的基本理论 在远区, 电基本振子的场只有 和 两个分量, 它们在空间上相互垂直, 在时间上同相位, 所以其玻印廷矢量 是实数, 且指向 r 方向。 这说明电基本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波, 所以远区场又称辐射场; / = =120（）是一常数, 即等于媒质的本征阻抗, 因而远区场具有与平面波相同的特性; 辐射场的强度与距离成反比, 随着距离的增大, 辐射场减小。 这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的, 当距离增大时, 辐射能量分布到更大的球面面积上; 在不同的方向上,

46、辐射强度是不相等的。 这说明电基本振子的辐射是有方向性的。 00/HES21HHEE第6章 天线辐射与接收的基本理论 (3)基本电振子天线的电参数： 方向性函数、方向性系数、辐射功率、辐射电阻 2. 磁基本振子的场磁基本振子的场 在讨论了电基本振子的辐射情况后, 现在再来讨论一下磁基本振子的辐射。我们知道, 在稳态电磁场中, 静止的电荷产生电场, 恒定的电流产生磁场。那么, 是否有静止的磁荷产生磁场, 恒定的磁流产生电场呢？迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是, 如果引入这种假想的磁荷和磁流的概念, 将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来

47、取代,即将“电源”换成等效“磁源”, 可以大大简化计算工作。 第6章 天线辐射与接收的基本理论 稳态场有这种特性, 时变场也有这种特性。 小电流环的辐射场与磁偶极子的辐射场相同。 磁基本振子是一个半径为b的细线小环, 且小环的周长满足条件：2b, 如图6-3所示。假设其上有电流i(t)=Icost, 由电磁场理论, 其磁偶极矩矢量为m2mpabIapzz 根据电与磁的对偶性原理, 只要将电基本振子场的表达式（6- 3 -1）中的E换为2H, H换为-E, 并将电偶极矩p=Il/(j)换为磁偶极矩pm, 就可以得到沿z轴放置的磁基本振子的场: (6-3-6)(Am2)第6章 天线辐射与接收的基本

48、理论图 6 14 磁基本振子的辐射第6章 天线辐射与接收的基本理论0HEErkrrrkp Ej2m0e1jsin4jkrmrrrkpHj32e )1j(cos2jkrrrkrkpHj322me1jjsin2j与电基本振子做相同的近似得磁基本振子的远区场为: krrpEjm0esin2 krmrp Hj0esin21(6-3-7)(6-3-8)第6章 天线辐射与接收的基本理论6.4. 对称振子天线 对称振子上的电流：)(sin)(zlIzInnI是波腹电流第五章第五章 天线理论基础天线理论基础I(a)(b)II(c)第6章 天线辐射与接收的基本理论图图6-15 6-15 对称振子结构对称振子结构

49、第6章 天线辐射与接收的基本理论第6章 天线辐射与接收的基本理论图图6-16 6-16 天线上的电流分布天线上的电流分布 第6章 天线辐射与接收的基本理论0( )cos( )sinLLU dUdUI djdZ0z)(sin)(zlIzIn0z)(sin)(zlIzIn其中： 是波腹电流， 为对称振子一臂长，相移常数 与自由空间辐射波的相移常数相同。nIl2第6章 天线辐射与接收的基本理论对称振子天线的辐射场 dz段的辐射场：11/sin)(sin601rdzezlIjEdrjn22/sin)(sin602rdzezlIjEdrjn第五章第五章 天线理论基础天线理论基础 和 在观察点叠加1dE2

50、dE21EdEdEd0)coscos(sin)(sin1200rjnezrdzzlIjsin)(sin60210rjrjneerdzzlIjcos01zrrcos02zrr21第6章 天线辐射与接收的基本理论 对称振子的辐射场 120sincos)coscos(60000EHellrIjEdElrjn第五章第五章 天线理论基天线理论基础础第6章 天线辐射与接收的基本理论 方向函数sincos)coscos(),(llFsin)cos2cos(),(F90m半波振子半波振子sin1coscos),(F90m全波振子全波振子第五章第五章 天线理论基础天线理论基础结论：结论：对称振子天线的方向函数与

51、方位角对称振子天线的方向函数与方位角 无关，无关，其方向图是以振子轴线为基准的旋转对称图其方向图是以振子轴线为基准的旋转对称图形形对称振子的臂长会影响到方向图对称振子的臂长会影响到方向图第6章 天线辐射与接收的基本理论辐射电阻第五章第五章 天线理论基础天线理论基础22221IPIPRrrrdlldrEdIIPRnnrr202200222cos)coscos(sin160sin12以波腹电流作为参考电流：)(rRl半波振子辐射电阻半波振子辐射电阻73.173.1 全波振子辐射电阻全波振子辐射电阻199199 第6章 天线辐射与接收的基本理论方向系数第五章第五章 天线理论基础天线理论基础2224212rRIESSDrnmm1202214),