《微波技术与天线》第6章

1、6.1 概论概论6.2 基本振子的辐射基本振子的辐射6.3 天线的电参数天线的电参数6.4 接收天线理论接收天线理论第第6章天线辐射与接收的基本理论章天线辐射与接收的基本理论v1. 天线的定义天线的定义天线的基本功能是辐射和接收无线电波天线的基本功能是辐射和接收无线电波F发射时，把高频电流转换为电磁波；发射时，把高频电流转换为电磁波；F接收时，把电滋波转换为高频电流。接收时，把电滋波转换为高频电流。 不同的无线电设备对天线的要求不同。不同的无线电设备对天线的要求不同。 发射机 接收机发射天线 接收天线 电波 馈线 馈线 图6-1-1 无线电设备的信道方框图通信系统中的天线通信系统中的天线v 能

2、量的转换：能量的转换：自由空间的电磁能量与高频自由空间的电磁能量与高频电流能量的相互转换；电流能量的相互转换；v 能量的分配：能量的分配：使空间传播的电磁波能量在使空间传播的电磁波能量在指定的空域内辐射传播；指定的空域内辐射传播；信信息息源源信号变换信号变换发发信信机机收收信信机机信号变换信号变换受受信信者者 发射：高频能量转换成电磁波能量；发射：高频能量转换成电磁波能量； 向指定空域发射电磁波；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。收集指定空域内的电磁波。能接收电能接收电磁能量磁能量 天线天线2、

3、天线的作用、天线的作用分类的方法分类的方法种类种类按用途分按用途分通信天线、广播天线、雷达天线、导航天线、通信天线、广播天线、雷达天线、导航天线、测向天线等测向天线等按工作频段分按工作频段分长波天线、中波天线、短波天线、超短波天长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线线和微波天线方向性的强弱方向性的强弱全向天线、弱方向性天线和强方向性天线等全向天线、弱方向性天线和强方向性天线等按极化特性按极化特性线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线等线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线等按工作原理分按工作原理分驻波天线、行波天线；阵列天线驻波天线、行波天线；阵列天线按波束控制的按波束控制的方法分方法

4、分固定波束天线、相控天线、智能天线等固定波束天线、相控天线、智能天线等按基本结构分按基本结构分线天线、面天线、缝隙天线线天线、面天线、缝隙天线按电尺寸分按电尺寸分电小天线：尺寸远小于工作波长；电大尺寸电小天线：尺寸远小于工作波长；电大尺寸天线：大小与工作波长可以比拟天线：大小与工作波长可以比拟天线的分类天线的分类 天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。天线应能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这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求其次要求天线与发射机或接收机天线与发射机或接收机匹配匹配(需要计算或测试天线的辐需要计算或测试天线的辐

5、射阻抗）射阻抗）。 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定或对确定方向的来波最大限度的接受方向的来波最大限度的接受, 即天线具有即天线具有方向性（方向方向性（方向函数）函数）。 天线应能发射或接收规定极化的电磁波天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当即天线有适当的的极化极化。 天线应有足够的天线应有足够的工作频带工作频带。对天线的要求对天线的要求 方向性图方向性图 方向性系数方向性系数 增益增益 输入阻抗输入阻抗 驻波系数驻波系数 效率效率影响天线性能指标的关键因素v天线电尺寸天线电尺寸v天线的形状和结构天线的形状和结构v天线上的电

6、流分布天线上的电流分布 发射机 接收机发射天线 接收天线 电波 馈线 馈线 天线常用的性能指标天线常用的性能指标：天线馈线系统手机拉杆电视天线天线 无线公话天线天线35厘米卫星天线 八木天线（八木秀次和宇田太郞） 雷达天线阵美军装备的“铺路爪”相控阵雷达 日本的FPS-XX警戒管制雷达 美国SBX海基X波段反导雷达AN_FPS-117型远程对空监视雷达 美国空军F-15C战斗机装载的(AESA)有源相控阵雷达 美军地勤人员检修F-15C战斗机APG-63雷达 中国的天线阵？中国空警200型预警机空警200的雷达盘子 地空导弹系统的地面制导设备 解析法：求解电磁场方程并满足边界条件解析法：求解电

7、磁场方程并满足边界条件, 但这往往十分繁但这往往十分繁杂杂, 有时甚至是十分困难的。在实际问题中有时甚至是十分困难的。在实际问题中, 往往将条件理想往往将条件理想化化, 进行一些近似处理进行一些近似处理, 从而得到近似结果从而得到近似结果, 这是天线工程中最这是天线工程中最常用的方法。常用的方法。 数值法：在某些情况下数值法：在某些情况下, 如果需要较精确的解如果需要较精确的解, 可借助电磁可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。场理论的数值计算方法来进行。天线的研究方法天线的研究方法预备知识：时变场的达朗贝尔方程，滞后位及其解预备知识：时变场的达朗贝尔方程，滞后位及其解v磁矢位和电标位v线性、

8、均匀各向同性的无耗媒质中， 时谐形式的麦克斯韦方程天线辐射场的求解思路：天线辐射场的求解思路：点源点源的磁矢位转换点源的辐射场计算连续分布结构的辐射场突破点源后利用突破点源后利用结果推导新结构结果推导新结构的结果的结果6.2 基本振子的辐射基本振子的辐射图 6 2 电基本振子PrzyxlOyxzlOIrEHEr1. 电基本振子电基本振子 电基本振子是一段电基本振子是一段长度长度l远小于波长远小于波长, 电流电流I振幅振幅均匀分布、均匀分布、相位相同相位相同的直线电流元的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分它是线天线的基本组成部分, 任意线天任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。线均可

9、看成是由一系列电基本振子构成的。 320232022cos()4 1sin()4 1sin ()0040jkrrjkrjkrrIljkEerrIljkjkEerrrIljkHerrEHH(6-2-1)式中, ， 是媒质中电磁波的波数 k电基本振子的辐射场在电磁场理论中在电磁场理论中, 已给出了在球坐标原点已给出了在球坐标原点O沿沿z轴放置的轴放置的电基本振子电基本振子(图图6 -2)在周围空间产生的场为在周围空间产生的场为yxzlOIrEHEr303022cos4 2sin4 sin4rIlEjrIlEjrIlHr (6-2-2)302230222cos()4 1sin()4 1sin ()4

10、jkrjkrrjkrkerkjIljErIljkerrjErIklHerr21rkr时 303022cos42sin4sin4rIlEjrwIlEjrwIlHr 近区场的特点近区场的特点 在近区在近区, 电场和与静电场问题中的电偶极子的电场相似电场和与静电场问题中的电偶极子的电场相似, 磁场和恒磁场和恒 定电流场问题中的电流元的磁场相似定电流场问题中的电流元的磁场相似, 所以近区场称为所以近区场称为准静态场；准静态场； 由于场强与由于场强与1/r的高次方成正比的高次方成正比, 所以近区场随距离的增大而迅速减所以近区场随距离的增大而迅速减 小小, 即即离天线较远时离天线较远时, 可认为近区场近似

11、为零可认为近区场近似为零； 电场与磁场相位相差电场与磁场相位相差90, 说明玻印廷矢量为虚数说明玻印廷矢量为虚数, 也就是说也就是说, 电磁电磁 能量在场源和场之间来回振荡能量在场源和场之间来回振荡, 没有能量向外辐射没有能量向外辐射, 所以近区场又所以近区场又 称为称为感应场。感应场。 23111rrr1 jkre电基本振子的远区场为jkrerIljEsin60jkrerIljHsin2(6-2-5)HES21H 在远区在远区, 电基本振子的场只有电基本振子的场只有 和和 两个分量两个分量, 它们在它们在空间上相互垂直空间上相互垂直, 在时间上同相位在时间上同相位, 所以其玻印廷矢量所以其玻

12、印廷矢量 是实数是实数, 且指向且指向 r 方向。方向。 这说明电基本振子的远区场是一个沿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着径向向外传播的横电磁波, 所以远区场又称所以远区场又称辐射场辐射场; / = =120（）是一常数）是一常数, 即等于媒质的即等于媒质的本征阻抗本征阻抗, 因而远区场具有与平面波相同的特性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辐射场的强度与距离成反比, 随着距离的增大随着距离的增大, 辐射场辐射场减小。减小。 这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的, 当距离当距离增大时增大时, 辐射能

13、量分布到更大的球面面积上辐射能量分布到更大的球面面积上; 在不同的方向上在不同的方向上, 辐射强度是不相等的。这说明电基本辐射强度是不相等的。这说明电基本振子的辐射是有振子的辐射是有方向性方向性的。的。 00 /HEE远区场的特点远区场的特点sin8fEH辐射场与方向有关。方向性函数 （ ， ）面方向性图为 字形。面方向性图为圆形（轴对称）sinf（ ， ）辐射场的方向性辐射场的方向性 磁基本振子是一个半径为磁基本振子是一个半径为b的细线小环的细线小环, 且小环的周长满且小环的周长满足条件：足条件：2b, 如图如图6- 3所示。假设其上有电流所示。假设其上有电流i(t)=Icost, 由电磁场

14、理论由电磁场理论, 其磁偶极矩矢量为其磁偶极矩矢量为mzzmpabIaP2根据电与磁的对偶性原理根据电与磁的对偶性原理: (6-2-6)(Am2)2. 磁基本振子的场磁基本振子的场根据电与磁的对偶性原理根据电与磁的对偶性原理: 图 6 3 磁基本振子的辐射PzyxObdlI0HEErjkrmerrjkpjE)1(sin4 20jkrmrerjrkpjH)1(cos232jkrmerjrkrkjpjH)1(sin2322与电基本振子做相同的近似得磁基本振子的远区场为: jkrmerpjEsin2 0jkrmerpHsin2 10(6-2-7)(6-2-8)磁基本振子的辐射场 比较电基本振子的远区

15、场比较电基本振子的远区场 与磁基本振子的远区场与磁基本振子的远区场 , 可可以发现它们具有相同的方向函数以发现它们具有相同的方向函数|sin|, 而且在空间相互正交而且在空间相互正交, 相位相差相位相差90。所以将电基本振子与磁基本振子组合后。所以将电基本振子与磁基本振子组合后, 可构可构成一个椭圆（或圆）极化波天线成一个椭圆（或圆）极化波天线, 具体将在第具体将在第8章中介绍。章中介绍。 EE磁基本阵子的应用电磁测井电磁测井6.3 天线的电参数天线的电参数 （1）水平面水平面：当仰角：当仰角及距离及距离r为常数时为常数时, 电场强度随方位角电场强度随方位角 的变化曲线的变化曲线, （2）铅垂

16、平面铅垂平面：当：当 及及r为常数时为常数时, 电场电场 强度随仰角强度随仰角的变化曲线的变化曲线, 1. 天线方向图及其有关参数天线方向图及其有关参数 天线方向图，是指在离天线一定距离处天线方向图，是指在离天线一定距离处, , 辐射场的辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图, , 通常采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。图来表示。1) 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rzyxOE平面：平面：电场矢量

17、所在的平面，沿电场矢量所在的平面，沿z轴放置的电基本振子轴放置的电基本振子, 子午面是子午面是E平面。平面。H平面：平面： 磁场矢量所在的平面，赤道平面是磁场矢量所在的平面，赤道平面是H面。面。 2) 超高频天线超高频天线, , 通常采用与场矢量相平行的两个平面通常采用与场矢量相平行的两个平面解: E平面方向图平面方向图:例：画出沿例：画出沿z轴放置的电基本振子的轴放置的电基本振子的E平面和平面和H平面方向图。平面方向图。 给定给定r处处, 对于对于=/2, E的归一化场强值为的归一化场强值为|sin|=1,与与无关，无关， 因因 而而 H平面方向图为一个圆平面方向图为一个圆, 其圆心位于沿其

18、圆心位于沿z方向的振子轴上方向的振子轴上, 且半径为且半径为1 H平面方向图平面方向图:图 6 -5 (a) 电基本振子E平面方向图图 6 -5 (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图 6 -5 (d) 电基本振子方向图复杂天线的复杂天线的E平面方向图如图所示平面方向图如图所示, 这是在极坐标中这是在极坐标中 的归一化模值随的归一化模值随 变变化的曲线化的曲线, 通常有通常有一个一个主要的主要的最大值最大值和若干个和若干个次要的最大值次要的最大值。头两个零值。头两个零值之间的最大辐射区域是之间的最大辐射区域是主瓣（或称主波束）主瓣（或称主波束）, 其它次要的

19、最大值区域都是其它次要的最大值区域都是旁瓣（或称边瓣、副瓣）旁瓣（或称边瓣、副瓣）E主瓣旁瓣图 6 - 6 (a) 极坐标归一化方向图 主瓣旁瓣 图 6-6(b) 直角坐标归一化方向图(c) 直角坐标分贝方向图将的极坐标图画成直角坐标图将的极坐标图画成直角坐标图 3) 天线的天线的方向图参数方向图参数 为了方便对各种天线的方向图特性进行比较, 就需要规定一些特性参数。 这些参数有:主瓣宽度主瓣宽度旁瓣电平旁瓣电平前后比前后比方向系数方向系数(1) 主瓣宽度主瓣宽度 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。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。 通常它取方向图主瓣两个半

20、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, 称为零功率波瓣零功率波瓣宽度宽度。2/ 1波瓣宽度越窄，能量越集中波瓣宽度越窄，能量越集中(1) 主瓣宽度主瓣宽度 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。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。 通常它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, 称为零功率波瓣零功率波瓣宽度宽度。2/ 1电基本振

21、子？电基本振子？（2）旁瓣电平：）旁瓣电平： 指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平 （3）前后比）前后比: 后瓣平均功率密度最大值与主瓣平均功率密度最大值之后瓣平均功率密度最大值与主瓣平均功率密度最大值之 比，以分贝表示比，以分贝表示 ,max180max180,maxmax10lg20lgavavSEFBSE 方向图参数方向图参数虽能从一定程度上描述方向图的状态，但它们一虽能从一定程度上描述方向图的状态，但它们一般仅能反映各个方向的辐射相对强弱程度。如：方向图可以看般仅能反映各个方向的辐射相对强弱程度。如：方向图可以看出哪个方向大，哪个方向小；但不能定量的

22、给出某一点的场强出哪个方向大，哪个方向小；但不能定量的给出某一点的场强到底是多少，因而不能单独体现天线的定向辐别能力。为了更到底是多少，因而不能单独体现天线的定向辐别能力。为了更精确地比较个同天线之间的方向性，需要引入一个能定量地表精确地比较个同天线之间的方向性，需要引入一个能定量地表示天线定向辐射能力的电参数，这就是示天线定向辐射能力的电参数，这就是方向系数方向系数 雷达雷达, ,通信等大部分天线设备通信等大部分天线设备, ,都是利用都是利用主向主向( (或主平面或主平面)()(最大最大辐射方向辐射方向) )的辐射来完成任务的。偏离主向的辐射功率不仅被的辐射来完成任务的。偏离主向的辐射功率不

23、仅被无谓浪费无谓浪费, ,而且还会干扰电波信号。因此而且还会干扰电波信号。因此, ,尽可能尽可能减少非主向减少非主向的辐射和增加主向辐射的辐射和增加主向辐射。常采用。常采用方向性系数方向性系数这个参量来这个参量来说明天线在主向辐射功率的集中程度说明天线在主向辐射功率的集中程度 4）天线方向性系数（）天线方向性系数（Directivity）00002maxmax200(P =P,r=r ) (P =P,r=r ) |SEDSE（1）方向性系数）方向性系数D的表达式的表达式 在离开天线同一距离在离开天线同一距离r0时，天线在最大辐射方向上的功率密度时，天线在最大辐射方向上的功率密度Smax和总辐射

24、和总辐射 功率相同的全向天线的功率流密度功率相同的全向天线的功率流密度S0的比值的比值方向系数方向系数:定量地表示天线定向辐射能力的电参数定量地表示天线定向辐射能力的电参数,说明天线在主向辐射功率说明天线在主向辐射功率 的的集中程度集中程度 22004,sinDFd d (2)分贝来表示分贝来表示:方向性系数还可用分贝来表示，且有方向性系数还可用分贝来表示，且有 10lg()10lg2.15DDD dBdD（dBi）2200,sinavavSPSdsSrd d 020022001,sin444rravPPPPSSd drr ,max200200,max1,sin44,sinavavavavSD

25、Sd dSd dS 222maxmax,avavESFSE ，22004,sinDFd d 主瓣越窄，方向系数越大。无方向性天线的方向系数为主瓣越窄，方向系数越大。无方向性天线的方向系数为1。 5 . 1sinsin42002 ddD 若以分贝表示若以分贝表示, 则则D=10 log10 1.5=1.76dBi。可见。可见, 电基本振电基本振子的方向系数是很低的。子的方向系数是很低的。将其代入方向系数的表达式得将其代入方向系数的表达式得例 6 -2确定沿确定沿z轴放置的电基本振子的方向系数。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一化方向函数为由上面分析知电基本振子的

26、归一化方向函数为: ( , )sinF 5） 天线的效率（天线的效率（Efficiency）天线效率天线效率 A A：天线辐射有用功率：天线辐射有用功率 与天线输入的与天线输入的有用功率有用功率Pin之比，表示天线能量转化的量度，即之比，表示天线能量转化的量度，即PAinPAininlPRRPRRR发发射射机机inPlPPPRlRlPinRinP21;2inlinlPPP RRR PI R提高天线效率：减少损耗电阻，提高辐射电阻提高天线效率：减少损耗电阻，提高辐射电阻 lP欧姆损耗PjkrderIljEsin60 将其代入式（将其代入式（6-3-7）得辐射功率为）得辐射功率为 RIddrIlr

27、P220022221sinsin)60(240 所以辐射电阻为所以辐射电阻为 22)(80lR 例例6-3确定电基本振子的辐射电阻。确定电基本振子的辐射电阻。解解: 设不考虑欧姆损耗设不考虑欧姆损耗, 则根据式（则根据式（6-2-4）知电基本振子的远）知电基本振子的远区场为区场为 3. 增益系数增益系数 增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数, 它它是方向系数与天线效率的乘积是方向系数与天线效率的乘积, 记为G, 即 G=DA由上式可见: 天线方向系数和效率愈高天线方向系数和效率愈高, 则增益系数愈高。则增益系数愈高。 增益系数的物理意义：

28、 将方向系数公式(6-3-4)和效率公式(6-3-9)代入上式得iPErG602max2(6-3-14)(6-3-15)22max60AirEDPPP 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 可见可见, 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。在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。 一个输入功率为一个输入功率为10w的无方向性天线，与一个输入功率为的无方向性天线，与一个输入功率为1w、增益系数为增益系数为10的有方向性天线在最大辐射方向上的电场强度的有

29、方向性天线在最大辐射方向上的电场强度是一样的。是一样的。 ArPEi60max(6-3-17)由上式可得一个实际天线在最大辐射方向上的场强为rPDrGPEiAi6060max(6-3-16)4. 4. 极化特性极化特性 极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。时间变化的规律。 具体地说具体地说, 就是在空间某一固定位置上就是在空间某一固定位置上, 电电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形。该图形如果是直线场矢量的末端随时间变化所描绘的图形。该图形如果是直线, 就称为线极化就称为线极化; 如果是圆，如果是圆， 就称为圆极化就称

30、为圆极化; 如果是椭圆，如果是椭圆， 就称就称为椭圆极化。为椭圆极化。 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极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线、圆极化天线和椭圆极化天线。 线极化又可分为水平极化和垂直极化水平极化和垂直极化; 圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。 圆极化天线在无线通信中应用广泛圆极化天线在无线通信中应用广泛GPS圆极化天线 5. 5. 频带宽度频带宽度p 天线的电参数都与频率有关天线的电参数都与频率有关, 也就是说也就是说, 上述电参数都是上述电参数都是针对某一工作频率设计的。针对某一工作频率设计的。p 当工作频率偏离设计频率时当工作频率偏离设计频率时,

31、往往要引起天线参数的变化往往要引起天线参数的变化, 例如主瓣宽度增大、旁瓣电平增高、增益系数降低、例如主瓣宽度增大、旁瓣电平增高、增益系数降低、 输输入阻抗和极化特性变坏等。入阻抗和极化特性变坏等。p 实际上实际上, 天线也并非工作在点频天线也并非工作在点频, 而是有一定的频率范围。而是有一定的频率范围。当工作频率变化时当工作频率变化时, 天线的有关电参数不应超出规定的范天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度围，这一频率范围称为频带宽度, 简称为简称为天线的带宽天线的带宽。6. 6. 输入阻抗输入阻抗 要使天线效率高要使天线效率高, 就必须使天线与馈线良好匹配就必须使天线

32、与馈线良好匹配, 也就也就是要使天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗是要使天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗, 这样才能使这样才能使天线获得最大功率天线获得最大功率。 天线的输入阻抗对频率的变化往往十分敏感天线的输入阻抗对频率的变化往往十分敏感, 当天线工当天线工作频率偏离设计频率时作频率偏离设计频率时, 天线与传输线的匹配变坏天线与传输线的匹配变坏, 致使传致使传输线上电压驻波比增大输线上电压驻波比增大, 天线效率降低。天线效率降低。 因此在实际应用中因此在实际应用中, 还引入电压驻波比参数还引入电压驻波比参数, 并且驻波并且驻波比不能大于某一规定值。比不能大于某一规定值。 7. 7. 有效长

33、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。有效长度是衡量天线辐射能力的又一个重要指标。 天线的有效长度定义如下天线的有效长度定义如下: 在保持实际天线最大辐射方向在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下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假设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。天线的等效长度。 天线的有效长度是把天线在最大辐射方向上的场强和电流天线的有效长度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联系起来的一个参数, 通常将归于输入电流通常将归于输入电流I0的有效长度记为的有效长度记为hein, 把归于波腹电流把归于波腹电流Im的有

34、效长度记为的有效长度记为hem。显然。显然, 有效长度愈有效长度愈长长, 表明天线的辐射能力愈强。表明天线的辐射能力愈强。6.4 接收天线理论接收天线理论天线的接收原理：天线导体在外电场的天线的接收原理：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作用下激励产生感应电动势并在天线回路中产生电流。路中产生电流。 远场区可视为均匀平面波远场区可视为均匀平面波天线的收发互易性，同一天线既可以做为发射天线，也可以作为接天线的收发互易性，同一天线既可以做为发射天线，也可以作为接收天线，同一天线用于接收时的指标与用于发射时的指标相比完全收天线，同一天线用于接收时的指标与用于发射时的指标相比完全相同

35、，这种性质叫天线的收发互易性。相同，这种性质叫天线的收发互易性。 接受天线多了有效接受面积，等效噪声温度等的指标接受天线多了有效接受面积，等效噪声温度等的指标 只有沿天线表面的电场切线分量才能激励起天线的表面电流 接收天线工作的物理过程是，接收天线导体在空间电场的作用下产生接收天线工作的物理过程是，接收天线导体在空间电场的作用下产生感应电感应电动势动势，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生电压电压，在接收机回，在接收机回路中产生路中产生电流电流。所以接收天线是一个把。所以接收天线是一个把空间电磁波能量空间电磁波能量转换成转换成高频电流能

36、量高频电流能量的的转换装置，其工作过程就是发射天线的转换装置，其工作过程就是发射天线的逆过程，逆过程，如图所示，接收天线总是位于如图所示，接收天线总是位于发射天线的发射天线的远区辐射场远区辐射场中因此可以认为到达接收天线处的无线电波是中因此可以认为到达接收天线处的无线电波是均匀平均匀平面波面波，设来波方向与天线轴，设来波方向与天线轴z z之间的夹角为之间的夹角为，接收天线上的感应电动势：，接收天线上的感应电动势： E dl（天线导体）发射天线的远区场可看成发射天线的远区场可看成TEMTEM平面波平面波，则电场是垂直于波的传播方向的平则电场是垂直于波的传播方向的平面内的任意矢量，建立如图所示的面

37、内的任意矢量，建立如图所示的的的坐标系坐标系：电波射线与天线轴构成：电波射线与天线轴构成入射平面入射平面，入射电场可分为两个分，入射电场可分为两个分量：一个是与入射面相垂直的分量量：一个是与入射面相垂直的分量E E1，；一个是与，；一个是与入射面平行的分量入射面平行的分量E E2 2，。，。 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重要指标标。它的定义为。它的定义为: 当天线以最大接收方向对准来波方向进行接当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时收时, 接收天线传送到匹配负载的平均功率为接收天线传送到匹配负

38、载的平均功率为PLmax, 并假定此并假定此功率是由一块与来波方向相垂直的面积所截获功率是由一块与来波方向相垂直的面积所截获, 则这个面积就则这个面积就称为接收天线的有效接收面积称为接收天线的有效接收面积, 记为记为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 - 4 - 9）（6 - 4 - 10） 根据图根据图 6 - 10 接收天线的等效电路接收天线的等效电路, 传送到匹配负载的平传送到匹配负载的平均功率（忽略天线本身的损耗）为均功率（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当天线以最

39、大方向对准来波方向时, 接收电动势为接收电动势为lEi 将上述各式代入式（将上述各式代入式（6- 4 -9）有）有ddFRlRsin), (302200020 所以有0230RlAe（6 - 4 -11）（6 - 4 -12）（6 - 4 -13）（6 - 4 -14）ddFAesin),(22002 如果已知天线的方向系数如果已知天线的方向系数, 就可知道天线的有效接收面积就可知道天线的有效接收面积。 例如例如,电基本振子的方向系数为电基本振子的方向系数为D=1.5, Ae=0.122。如果考虑天线。如果考虑天线的效率的效率, 则有效接收面积为则有效接收面积为 将天线的方向系数公式代入上式得

40、天线的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42DAe（6 - 4 -15）（6 - 4 -16）42GAe（6 - 4 -17）等效噪声温度等效噪声温度天线除了能够接收天线除了能够接收无线电波无线电波之外，还能够接收来自空间各种物体的之外，还能够接收来自空间各种物体的噪声信号噪声信号。外部噪声通过天线进人接收机，因此，又称外部噪声通过天线进人接收机，因此，又称天线噪声天线噪声。天线接收的噪声功率的天线接收的噪声功率的大小可以用天线的大小可以用天线的等效噪声温度等效噪声温度Ta来表示，来表示，是接收天线的特殊参数是接收天线的特殊参数。 宇宙气体宇宙气体星体辐射星体辐射太阳辐射太阳辐射高压线高压线放电式光放电式光电视台电视台大气噪大气噪声声闪电闪电热噪声热噪声点火噪声点火噪声放大器噪声放大器噪声地面热噪声地面热噪声TR外部噪声包含有各种成外部噪声包含有各种成分，例如：地面上有其分，例如：地面上有其它电台信号以及各种电它电台信号以及各种电气设备工作时的工业辐气设备工作时的工业辐射射,它们主要分布在长、它们主要分布在长、中、短波波段；宇宙辐中、短波波段；宇宙辐射（太阳系，银河系，射（太阳系