第1章天线基础知识

1、第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线技术基础天线技术基础自动化与信息工程学院电子工程系自动化与信息工程学院电子工程系王丽黎王丽黎第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线的作用天线的作用： v 能量的转换：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

2、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。天线概述天线概述第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线的影响天线的影响 如设计、选择和作用不合理，则可能使整个系统如设计、选择和作用不合理，则可能使整个系统工作不正常。工作不正常。 天线的分类： 按用途按用途：通信天线、广播电视天线、雷达天线等：通信天线、广播电视天线、雷达天线等 按工作波长按工作波长：长波天线、中波天线、短波天线、：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；超短波天线、微波天线、光学

3、天线； 按天线的结构按天线的结构：线天线、面天线、阵列天线；：线天线、面天线、阵列天线；第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 线天线线天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 线天线线天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 本课程主要内容本课程主要内容1 1、天线的基础知识、天线的基础知识2 2、常用线天线（结构、特性、分析设计方法、应用等）、常用线天线（结构、特性、分析设

4、计方法、应用等）3 3、常用宽带天线（结构、特性、分析设计方法、应用、常用宽带天线（结构、特性、分析设计方法、应用等）等）4 4、常用面天线（结构、特性、分析设计方法、应用等）、常用面天线（结构、特性、分析设计方法、应用等）5 5、智能天线概述、智能天线概述第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第 1 1 章章 天线基础知识天线基础知识 1.1 1.1 基本振子的辐射基本振子的辐射 1.2 1.2 发射天线的电参数发射天线的电参数 1.3 1.3 互易定理与接收天线的电参数互易定理与接收天线的电参数 1.4 1.4 对称振子对称振子 1.5 1.5 天线阵的方向性天线阵的方向性 1.6

5、1.6 对称振子阵的阻抗特性对称振子阵的阻抗特性 1.7 1.7 无限大理想导电反射面对天线电性能的影响无限大理想导电反射面对天线电性能的影响 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第一节第一节 基本振子的辐射基本振子的辐射 一、电基本振子的辐射一、电基本振子的辐射二、磁基本振子的辐射二、磁基本振子的辐射第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 一、电基本振子的辐射一、电基本振子的辐射1、电基本振子的结构：载有高频电流的短导线、电基本振子的结构：载有高频电流的短导线lIyxzlOIrEHErjkReRlIdrA 4)(0jkrerIdlz 40)sincos (40 rerIdlAjkr

6、zyxrAAAAAA0cossinsinsincoscoscoscossinsincossin 2、电基本振子的辐射场、电基本振子的辐射场第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 22302230001sin ()421cos()411sin ()40rjkrjkrrjkrHHIlkHjerrIlkEjerrIlkkEAjjerrrE jHE AH 01 略去略去了时间因子了时间因子ejt第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 jkrekrkrjlIkH )(1(4sin22 0 HHrjkrrerkrkjlIkjE )1(2cos332203 jkrerkjrkkrjlIkE )1(4si

7、n332203 0 E32)(1,)(1,1,krkrkrHE1 kr1kr rkr2 近场区近场区远场区远场区第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 24sinrlIH 32cosrlIjEr 34sinrlIjE *HESc 是纯虚数是纯虚数无平均功率流动无平均功率流动非辐射场非辐射场感应场感应场（1） 电基本振子的近区场电基本振子的近区场第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 jkrerkIdljH 4sinjkrerIdlkjE 024sin （2） 电基本振子的远区场电基本振子的远区场 Hk0 2 2222115Resin2avrI lSEHer 有能量沿有能量沿 r r 方向向

8、外辐射，方向向外辐射，故远区场又称为故远区场又称为辐射场辐射场。jkrerdlIj sin60第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 （1 1） E E 、H H 均与距离均与距离 r r 成反比，且为球面波。成反比，且为球面波。 E E、H H 和和 S Savav相互垂直，符合右手螺旋定则。相互垂直，符合右手螺旋定则。00120EH 电基本振子的远区场特点：电基本振子的远区场特点：EHr （2 2）传播方向上电磁场的分量为零，故为横电磁波（传播方向上电磁场的分量为零，故为横电磁波（TEMTEM波）。波）。（3 3）E E 和和 H H 的比值为常数，称为媒质的波阻抗，记为的比值为常数，称

9、为媒质的波阻抗，记为 。对于自由空间对于自由空间jkrerkIdljH 4sinjkrerIdlkjE 024sin Hk0 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 （4 4）电基本振子的辐射具有方向性，辐射场是非均匀球面波。电基本振子的辐射具有方向性，辐射场是非均匀球面波。jkrerkIdljH 4sinjkrerIdlkjE 024sin Hk0 有一和方向有关的因子有一和方向有关的因子-方向因子方向因子 sin),( f（5 5）辐射功率和辐射电阻辐射功率和辐射电阻Re21 HESav)()(40sin1522203220WlIdddsSPSavr 辐射功率与辐射功率与电长度有关，电长

10、度有关，与距离无关与距离无关将辐射功率看成被一个等效电阻所吸收的功率将辐射功率看成被一个等效电阻所吸收的功率辐射电阻辐射电阻212rrPI R2280()rlR 仅与电长度仅与电长度有关有关第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 二、二、 磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射磁基本振子又称磁流元、磁耦极子。磁基本振子又称磁流元、磁耦极子。是虚拟的，用此概念可以简化计算。是虚拟的，用此概念可以简化计算。OrImlxyzEH00,ememememEHHEIIQQ 00sin2sin2jkrmjkrmI lEjerI lHjer 电基本振子和磁基本电基本振子和磁基本振子辐射场的极化方振子辐射场的极化方

11、向相互正交，其它特向相互正交，其它特性完全相同。性完全相同。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 1、 小电流环产生的矢量磁位小电流环产生的矢量磁位 aRlIdAl 40 4sin220rIaA IyzrR恒定电流环产生的磁场恒定电流环产生的磁场RlIdeAljkR 40时变场时：时变场时：)(rRjkjkrjkReee )(1)(rRjkerRjk ljkrRlIdjkRjkre)1(40 xex1第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 RlIdAl 40 4sin220rIa 恒定电流环恒定电流环产生的磁场产生的磁场时变场时：时变场时： ljkrRlIdjkRjkreA)1(40 l

12、jkrljkrldkIeRlIdejkrA 44)1(00 4sin)1 (220rIaejkrAjkr jkreISrjkrA 4sin)1( 02AH 01 0 jHE 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 jkrrerrjkISH cos)1(232jkrerrjkrkISH sin)1(43220 HjkrerrjkISjE sin)1(4200 EEr1 r1 r近场区近场区远场区远场区2、小电流环产生的电磁场、小电流环产生的电磁场第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 cos23rISHr sin43rISH sin420rISjE 4 4、小电流环的远区场、小电流环的远区场

13、jkrerISkH sin42jkrerkISE sin40 ZH 3、小电流环的近区场、小电流环的近区场kZ0 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 (2) 球面波球面波 非均匀球面波非均匀球面波 (1) TEM波波 E/H=Z有一和方向有关的因子有一和方向有关的因子-方向因子方向因子 sin),( f(3) 功率流密度功率流密度22*)4sin(rISkZrHESc 辐射场辐射场SdSPScr 642160()aI 46)(320 aRr (4) 辐射功率辐射功率(5) 辐射电阻辐射电阻jkrerISkH sin42jkrerkISE sin405 5 远区场性质远区场性质第第1 1章

14、章 天线基础知识天线基础知识 总结总结jkrerISkH sin42jkrerkISE sin40jkrerlkIjH 4sinjkrerlIkjE 4sin2辐射场的特点：辐射场的特点：（1 1）非均匀球面非均匀球面TEMTEM波；（波；（2 2）场强与距离成反比；）场强与距离成反比；（3 3）辐射功率流密度与距离平方成反比，辐射功率为常数；）辐射功率流密度与距离平方成反比，辐射功率为常数；电流元和电流环是电磁辐射的两个基本单元；电流元和电流环是电磁辐射的两个基本单元；电流元和电流环辐射远区场表达式为：电流元和电流环辐射远区场表达式为：第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线的天线的方

15、向性方向性 方向性函数、方向图、方向系数方向性函数、方向图、方向系数天线的效率和增益系数天线的效率和增益系数天线的阻抗特性天线的阻抗特性 天线的工作频率、带宽、有效长度天线的工作频率、带宽、有效长度天线的极化天线的极化第二节第二节 发射天线的电参数发射天线的电参数第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 一、一、 方向函数方向函数在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向（子午角（子午角、方位角、方位角）的关系。）的关系。60( , ,( , )IE rfr yzrOx场强场强方向性函数方向性函数( , , )( , )60 /E rfI r

16、电基本振子的方向函数为：电基本振子的方向函数为：( ,)( )sinlff 常采用归一化方向函数，用常采用归一化方向函数，用 F(,) 表示：表示：maxmax( , )( , )( , )( , )EfFfE 电基本振子的归一化方向函数为：电基本振子的归一化方向函数为： F(,)=|sin|第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 为了分析和对比方便，定义：为了分析和对比方便，定义：理想点源是无方向性天线理想点源是无方向性天线，它，它在各个方向上、相同距离处产生的辐射场的大小是相等的，在各个方向上、相同距离处产生的辐射场的大小是相等的，它的归一化方向函数为：它的归一化方向函数为：F(,)=

17、1第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 二、方向图二、方向图（方向函数的图示表示）（方向函数的图示表示）与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。化的图形。电基本振子：电基本振子：|sin|),( F第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 |sin|),(0 EF190sin),(00 HFE E面面方向图方向图：传播方向和电场矢量构传播方向和电场矢量构成的、包含最大辐射方向的平面；成的、包含最大辐射方向的平面；H H面面方向图方向图：传播方向和磁场矢量构传播方向和磁场矢量构成的、包含最大辐射方向的平面；成的

18、、包含最大辐射方向的平面；E E 面方面方向图向图H H 面方面方向图向图第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 球坐标系中的磁基本振子方向性和电基本振子一样，但球坐标系中的磁基本振子方向性和电基本振子一样，但 E E 面面和和 H H 面的位置互换。面的位置互换。磁基本振子磁基本振子H H 面方向图面方向图磁基本振子磁基本振子E E 面方向图面方向图|sin|),(0 HF190sin),(00 EF第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 主射方向主射方向主瓣主瓣( (主叶主叶) )副瓣副瓣( (副叶副叶) )后瓣后瓣零射方向零射方向5 . 02 707. 01半功率角主瓣宽度半功率角主

19、瓣宽度: :Half Power Beam Width, HPBW零功率角主瓣宽度零功率角主瓣宽度: :Beam Width between first Nulls, BWFN5 . 02 副瓣电平副瓣电平( (Side Lobe Lever,SLL) )，副瓣最大与主瓣最大值之比，副瓣最大与主瓣最大值之比)(log20)(log10maxmaxmaxmaxdBEEdBSSSLLavav主主副副主主副副 后瓣电平后瓣电平：主瓣最大值与后瓣：主瓣最大值与后瓣最大值之比最大值之比( (前后抑制比前后抑制比) )(log20maxmaxdBEE后后主主02 02 三、方向图参数三、方向图参数第第1

20、1章章 天线基础知识天线基础知识 方向图的极坐方向图的极坐标表示标表示方向图的直角方向图的直角坐标表示坐标表示第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 两种卫星天线的方向图比较两种卫星天线的方向图比较全向天线的方向图：全向天线的方向图：第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 有向有向天线方向图：等角螺旋天线方向图、伦伯天线方向图天线方向图：等角螺旋天线方向图、伦伯天线方向图第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 （四）方向性系数（四）方向性系数 （DirectivityDirectivity）方向性系数方向性系数：表示天线辐射能量在空间的集中能力；：表示天线辐射能量在空间的集中能力；定义：

21、在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大定义：在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度辐射方向上的辐射功率密度 Smax （或场强（或场强|Emax|2的平方）和无的平方）和无方向性天线（点源）的辐射功率密度方向性天线（点源）的辐射功率密度 S0（或场强（或场强|E0|2的平方）的平方）之比。之比。2maxmax200rrorroPPPPESDSE无方向性无方向性天线天线无方向性无方向性天线天线无方向性无方向性天线天线无方向性无方向性天线天线被研究天线被研究天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 20024240roEPSr22max60rr EDPm

22、ax60rPDEr天线的辐射场与天线的辐射场与 PrD 的平方根成正比的平方根成正比对于不同的天线对于不同的天线, ,若它们的辐射功率相等，若它们的辐射功率相等，则在同是最大辐射方向且同一则在同是最大辐射方向且同一 r r 处的观察处的观察点，辐射场之比为：点，辐射场之比为：1max1max22DEED 若要求它们在同一若要求它们在同一 r 处观处观察点辐射场相等，则：察点辐射场相等，则： 1221rrPDPD需要的辐射功需要的辐射功率与方向系数率与方向系数成反比成反比第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 22002002200( , )( , )sin1( , )sin444rorrav

23、avSrrPPavPSdsSrd dPPSSd drr 方向性系数的计算：方向性系数的计算：22002002200( , )( , )sin1( , )sin444rorravavSrrPPavPSdsSrd dPPSSd drr ,max200200,max1( , )sin44( , )sinavavavavSDSd dSd dS ,max200200,max1( , )sin44( , )sinavavavavSDSd dSd dS maxmax( , )( , )( , )( , )EfFfE 222,maxmax2200( , )( , )( , )4( , )sinavavSEFS

24、EDFd d 222,maxmax2200( , )( , )( , )4( , )sinavavSEFSEDFd d 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 例例1 1 计算电流元和电流环的方向性系数计算电流元和电流环的方向性系数jkrerkISE sin40jkrerlIkjE 4sin2max),(),(ffF SddFD sin),(42 sin dd 20 03)(sin45 .1 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 五、天线效率五、天线效率 定义：天线辐射功率定义：天线辐射功率 Pr 与输入功率与输入功率 Pin 之比，记为之比，记为 A。rAinPPlossradrinr

25、APPPPP 输入功率输入功率辐射功率辐射功率损耗功率损耗功率lrrRRR 超短波和微波天线的效率较高，接近超短波和微波天线的效率较高，接近1。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 六、增益系数六、增益系数增益系数表示天线的定向收益程度。增益系数表示天线的定向收益程度。定义：在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐定义：在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度射方向上的辐射功率密度 S Smaxmax（或场强（或场强| |E Emaxmax| |2 2的平方）和理的平方）和理想无方向性天线（理想点源）的辐射功率密度想无方向性天线（理想点源）的辐射功率密

26、度S S0 0（或场强（或场强| |E E0 0| |2 2的平方）之比，记为的平方）之比，记为G G。002maxmax200ininininPPPPESGSE2maxmax200rrorroPPPPESDSE0max0SSrrPPD 0max0SSininPPG inrAAPP 1000maxmax00ininrrAPPPPASSGSSGD频率越高的天线越容频率越高的天线越容易得到很高的增益。易得到很高的增益。max6060inrP GPDErr第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 七、天线的极化七、天线的极化 辐射场的极化：在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间辐射场的极化：在空间某

27、一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹。运动的轨迹。按其轨迹的形状可分为按其轨迹的形状可分为线极化线极化、圆极化圆极化（右旋圆极化右旋圆极化和和左旋左旋圆极化圆极化（立体图立体图）和）和椭圆极化椭圆极化。天线不能接收与其正交的极化分量。天线不能接收与其正交的极化分量。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 八、八、 有效长度有效长度天线上的电流分布不均匀导致天线上各部位的辐射能力不一样。天线上的电流分布不均匀导致天线上各部位的辐射能力不一样。有效长度的定义有效长度的定义：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下，假设天线上的电流分布为均匀分

28、布时天线的等效长的条件下，假设天线上的电流分布为均匀分布时天线的等效长度。通常将归算于输入电流度。通常将归算于输入电流 I Ii n i n 的有效长度记为的有效长度记为 l le i ne i n，把归算于，把归算于波腹电流波腹电流 I Im m 的有效长度记为的有效长度记为 l le me m。lleinIinIin实际电流分布电流均匀分布I(z)zmax0006060( )( )lllEdEI zI z dzrrmax60in einI lEr 0( )lin einI lI z dz加大天线的等效长度，可加大天线的等效长度，可以提高天线的辐射能力。以提高天线的辐射能力。第第1 1章章

29、天线基础知识天线基础知识 九、九、 输入阻抗输入阻抗inininininUZRjXIinZinZlossRradRinjX十、十、 频带宽度频带宽度（Bandwidth）当工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在所允许当工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度。的范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度。绝对带宽绝对带宽: :相对带宽相对带宽: :minmax0,fff中心、最高、最低工作频率：中心、最高、最低工作频率：minmaxff0minmaxfff 窄带天线窄带天线：相对带宽百分之几；：相对带宽百分之几；宽带天线宽带天线：相对带宽百分

30、之几：相对带宽百分之几十；十；超宽带天线超宽带天线：绝对带宽可达几个倍频。：绝对带宽可达几个倍频。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线天线inZ矢量网络矢量网络分析仪分析仪馈线馈线微波暗室微波暗室天线电参数的测量天线电参数的测量阻抗特性阻抗特性驻波比、驻波比、S S1111参数、参数、反射系数、输入阻抗反射系数、输入阻抗第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 微波暗室微波暗室第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线电参数的测量天线电参数的测量方向性测量方向性测量天线天线LZ检波器检波器功率计功率计馈线馈线微波暗室微波暗室平面波投射平面波投射效率和增益还可以用标准效率和增益还可

31、以用标准增益天线比对方法测量增益天线比对方法测量被测天线转动，而辅助天线不动；被测天线转动，而辅助天线不动；被测天线不动，辅助天线动；被测天线不动，辅助天线动；第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第三节第三节 互易定理与接收天线的电参数互易定理与接收天线的电参数 1 1、 互易定理互易定理 接收天线工作的物理过程：天线导体在空间电场的作用下产生感接收天线工作的物理过程：天线导体在空间电场的作用下产生感应电动势，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产应电动势，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生电压，在接收机回路中产生电流。生电压，在接收机回路中产生电流。所以接收天线是一个

32、把空间电磁波能量转换成高频电流能量的转所以接收天线是一个把空间电磁波能量转换成高频电流能量的转换装置，其工作过程就是发射天线的逆过程。换装置，其工作过程就是发射天线的逆过程。天线作为发射还是作为接收，应该满足的边界条件都是一样的，天线作为发射还是作为接收，应该满足的边界条件都是一样的，因此天线在接收状态下的电流分布因此天线在接收状态下的电流分布I(zI(z) )也应该和发射时的相同。也应该和发射时的相同。任意类型的天线用作接收天线时，它的极化、方向性、有效长度任意类型的天线用作接收天线时，它的极化、方向性、有效长度和阻抗特性等均与它用作发射天线时的相同。和阻抗特性等均与它用作发射天线时的相同。

33、这种这种同一天线收发参数相同的性质被称为天线的收发互易性。同一天线收发参数相同的性质被称为天线的收发互易性。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 2 2、有效接收面积、有效接收面积 是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。定义：当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时，定义：当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时，并且天线的极化与来波极化相匹配，接收天线送到匹并且天线的极化与来波极化相匹配，接收天线送到匹配负载的平均功率配负载的平均功率 PLmax 与来波的功率密度与来波的功率密度 Sav 之比，之比，记为记为 A e。maxLeavPAS

34、3 3、等效噪声温度、等效噪声温度第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第四节第四节 对称振子对称振子 一、对称振子的结构及其电流分布一、对称振子的结构及其电流分布二、对称振子的辐射场及其特性二、对称振子的辐射场及其特性三、对称振子的输入阻抗三、对称振子的输入阻抗第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 lOl2az一、对称振子的结构及电流分布一、对称振子的结构及电流分布分析方法分析方法：1）确定天线上的电流分布；）确定天线上的电流分布；2）在天线上取电流元，确定电流元的辐射场；）在天线上取电流元，确定电流元的辐射场；3）求天线上的所有电流元的辐射场之矢量和（积分），）求天线上的所有电流元

35、的辐射场之矢量和（积分）， 得到线天线的总辐射场。得到线天线的总辐射场。对称线天线上的电流分布？对称线天线上的电流分布？对称振子对称振子：中间馈电，其两臂由两段等长等粗的导线构成的天：中间馈电，其两臂由两段等长等粗的导线构成的天线。线。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 l2对称线天线上的电流分布：对称线天线上的电流分布：可将对称线天线看成是一段开路传输线张开形成的，并认为张可将对称线天线看成是一段开路传输线张开形成的，并认为张开后的导线（天线）上的电流分布近似等于原来传输线上的电开后的导线（天线）上的电流分布近似等于原来传输线上的电流分布。（驻波）流分布。（驻波）第第1 1章章 天线基

36、础知识天线基础知识 lOzzdzlrrEP(r, )(2sin)(zlIzIm 在天线上取电流元在天线上取电流元) (dzzI60sin ()sinmjkrIk lz dzdEjer rr-zcoscos60( )sinsin ()60cos(cos )cos()sinjkrljkzmljkrmIeEjk lz edzrIklklje ( )cos(cos )cos()( )60/sinmEklklfIr 方向特性与方位方向特性与方位和电长度有关和电长度有关二、对称线天线的辐射场二、对称线天线的辐射场第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 30210602409027012030015033

37、0180030210602409027012030015033018003021060240902701203001503301800l0.1l0.25l0.65302106024090270120300150330180030210602409027012030015033018003021060240902701203001503301800l0.75l1l1.5特点特点：1 1、总长度小于一个波长时，最大辐射方向在、总长度小于一个波长时，最大辐射方向在 9090，长度，长度越大方向性越强。越大方向性越强。2 2、总长度大于一个波长时，出现旁瓣，最大辐射方向发生改变。、总长度大于一个波长时

38、，出现旁瓣，最大辐射方向发生改变。原因原因：总长度小于一个波长时，电流同相，大于一个波长时出现：总长度小于一个波长时，电流同相，大于一个波长时出现反向电流。反向电流。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 jkrmellrIjE sin)2cos()cos2cos(60 sin)2cos()cos2cos(),(llF 2/2 l半波天线半波天线 半波振子半波振子 sin)cos2cos(),( F64. 1 D l 2全波天线全波天线 sin1)coscos(),( F41. 2 D0240.05011.50200400l / 辐射电阻Rr方向系数D第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识

39、 三、三、 对称振子的输入阻抗对称振子的输入阻抗分析方法：精确的数值求解方法、分析方法：精确的数值求解方法、“等值传输线法等值传输线法”。2adzOzzlldzz(b)dz2azDz(a)O2adzOzzlldzz(b)dz2azDz(a)O1、对应线元间距离不、对应线元间距离不变，结构沿线均匀，特变，结构沿线均匀，特性阻抗沿线不变性阻抗沿线不变1、对应线元间距、对应线元间距变化，其特性阻抗变化，其特性阻抗沿臂长改变沿臂长改变修正一：修正一：用一平均特性阻用一平均特性阻抗来代替沿振子抗来代替沿振子全长不断变化的全长不断变化的特性阻抗。特性阻抗。2、非辐射结构，能量、非辐射结构，能量沿线传输，主

40、要的损耗沿线传输，主要的损耗为导线的欧姆损耗为导线的欧姆损耗2、辐射结构，可、辐射结构，可忽略欧姆损耗忽略欧姆损耗修正二：修正二：辐射功率看作是辐射功率看作是一种电阻损耗，一种电阻损耗，均匀分布在等效均匀分布在等效传输线上，由此传输线上，由此计算其衰减常数计算其衰减常数对称振子等效为具有一平均特对称振子等效为具有一平均特性阻抗的有耗传输线。性阻抗的有耗传输线。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 0120lnDZa 2adzOzzlldzz(b)dz2azDz(a)O2adzOzzlldzz(b)dz2azDz(a)O120 ln(2z/a)平均特性阻抗：平均特性阻抗：00012( )12

41、0(ln1)lAlZZz dzla单位长度损耗电阻为单位长度损耗电阻为R1，振子上的损耗功率为：，振子上的损耗功率为：2101( )2llPI zR dz212rmrPIR辐射功率：辐射功率：01(2)sin(2)(2)cos(2)(2)sin(2)inAZZshllchlljshll 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 0.10.30.50.70100020003000400050006000l / Rin /0.10.30.50.7100020000100020003000l / Xin /4000(a)(b)340 460 560 Z0A1000 340 460 560 Z0A10

42、00 对称振子越粗平均特性阻抗越小，频带特性越好。对称振子越粗平均特性阻抗越小，频带特性越好。00012( )120(ln1)lAlZZz dzla01(2)sin(2)(2)cos(2)(2)sin(2)inAZZshllchlljshll 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第五节第五节 天线阵的方向性天线阵的方向性 一、天线阵的概念一、天线阵的概念二、方向图相乘原理二、方向图相乘原理三、均匀直线阵三、均匀直线阵第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 线阵线阵圆阵圆阵平面方阵平面方阵一、概念一、概念 由若干个单元天线在空间按一定的规律排列，形成的天线系统。由若干个单元天线在空间按一

43、定的规律排列，形成的天线系统。天线阵中的单元天线称为阵元。天线阵中的单元天线称为阵元。一般同一天线阵中的阵元都是相同的（相似元）：一般同一天线阵中的阵元都是相同的（相似元）：类型、尺寸相同、架设方位相同。类型、尺寸相同、架设方位相同。天线组阵的目的：天线组阵的目的：1）加强天线的定向辐射能力）加强天线的定向辐射能力2）可以通过设计阵元的排列形式以及馈送给）可以通过设计阵元的排列形式以及馈送给各阵元电流的大小和相位来形成某个所需的各阵元电流的大小和相位来形成某个所需的方向图（智能天线）。方向图（智能天线）。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 二、方向图乘积定理二、方向图乘积定理 （以二元阵

44、为例）（以二元阵为例） 21jImI edI1I2I2 mI1e jr2r1P(r1, , )yxz两天线空间取向一致，两天线空间取向一致，结构完全相同：结构完全相同：f1(,)=f2(,)12121122126060( , )( , ),( , )( , )jkrjkrmmIIEfeEferr 忽略传播路径不同对振幅的影响，则忽略传播路径不同对振幅的影响，则 1211rr12()121( , )( , )( , )( , )(1)jk rrEEEEme 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 令令：=+k(r1-r2)=+kr12()121( , )( , )( , )( , )(1)jk

45、 rrEEEEme dI1I2I2 mI1e jr2r1P(r1, , )yxzE(,)=E1(,)(1+me j )r=dcos12121122126060( , )( , ),( , )( , )jkrjkrmmIIEfeEferr )1(),(),(1 jmeff ( , , )( , )60 /E rfI r 单元天线的单元天线的自因子自因子天线阵天线阵阵因子阵因子 f(,)=f1(,)fa(,) 方向图相乘原理：方向图相乘原理：天线阵的方向函数天线阵的方向函数等于单元天线的方等于单元天线的方向函数和天线阵的向函数和天线阵的阵因子相乘阵因子相乘第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识

46、三、例题三、例题 【1】 有两有两 个半波振子组成一个平行二元阵，其间隔距离个半波振子组成一个平行二元阵，其间隔距离d=0.25，电流比，电流比 ，求其，求其 E 面（面（yOz）和）和 H 面面的方向函数及方向图。的方向函数及方向图。 221jmmIIe yzI1dI2r1r2x解：解：m1，等幅等幅二元阵二元阵2cos21),( jamef1）E面（面（yoz面）：面）：yOdzr1r2Im12j1 2e mmIIrcoscos4rd ( )cos222Ekr 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 ( )2cos(cos )44af lOzzdzlrrEP(r, ) sin)cos2c

47、os(),(1 f1cos(sin )2( )cosfcos(sin )2( )cos(cos )cos44Ef90112030150180210240270300330060f1()901120301501802102402703003300fa()60901120301501802102402703003300f ()60d 对对方向方向图的图的影响影响第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 2) H2) H平面（平面（xoyxoy面）面）( )1cos(cos )44Hf Im1d2j1 2e mmIIrr1r2yOxoHf90,sin)cos2cos(),(1 90112030150

48、180210240270300330060f1()901120301501802102402703003300fa()60901120301501802102402703003300f ()60第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 【2】 有两个半波振子组成一个共线二元阵，其间隔距离有两个半波振子组成一个共线二元阵，其间隔距离d=，电，电流比流比Im2=Im1，求其，求其E面和面和H面的方向函数及方向图。面的方向函数及方向图。yOdzr1r2Im1Im2 Im1r解：解： m=1,=0，等幅同相二元阵，等幅同相二元阵 相位差相位差=kr1）E面（面（yoz面）：面）：fa()=|2cos(

49、cos)| cos(cos )2( )2cos( cos )sinEf9012060300330300270240210150180f1 ()90120603003303002702402101501809012060300330300270240210150180fa ()f ()111立立体体图图第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 2） H平面（平面（xOz）o90 yOdzr1r2Im1Im2 Im1rfH=12=2zxOIm1, Im29012060300330300270240210150180r12f ()第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 0m1d0.5d1d1.5d

50、2.00m1m0.7m0.4dm10d2 23 加大间隔距离加大间隔距离 d d 会加大波程差的变化范围，导致波瓣个数变多；会加大波程差的变化范围，导致波瓣个数变多；改变电流激励初始相差，会改变阵因子的最大辐射方向。改变电流激励初始相差，会改变阵因子的最大辐射方向。影响天线阵方向图的因素影响天线阵方向图的因素天线阵元的间距天线阵元的间距、电流激励初始相位差电流激励初始相位差、电流激励幅度。、电流激励幅度。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 1、均匀直线阵：所有单、均匀直线阵：所有单元天线元天线结构相同结构相同、等间等间距距、等幅激励等幅激励而而相位相位沿沿阵轴线呈依次等量阵轴线呈依次等量

51、递增递增或递减或递减的直线阵。的直线阵。三、均匀直线阵三、均匀直线阵dyININ1rNrN1r1r2r3zI1I2I3OxIn=In-1e j阵轴阵轴()=+kdcos( )2( )3( )(1)( )1(1)( )1( )1jjjj NaNj nnfeeeee sin2( )sin2aNfsin12( )sin2aNFN 2m，取取最最大大值值 N N第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 sin12( )sin2aNFN方向图副瓣位置：方向图副瓣位置：(21)1,2,2mmmNN021,2,1mmNN零值位置（对应零辐射方向）零值位置（对应零辐射方向）第一个零点第一个零点：01=2/N第

52、第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 【例题】【例题】 设有一个五元均匀直线阵，间隔距离设有一个五元均匀直线阵，间隔距离d=0.35，电，电流激励相位差流激励相位差=/2，绘出均匀直线阵阵，绘出均匀直线阵阵因子方向图，同因子方向图，同时计算极坐标方向图中的第一副瓣位置和副瓣电平、第时计算极坐标方向图中的第一副瓣位置和副瓣电平、第一零点位置。一零点位置。cos0.7 cos2kd51.4sinsin5(cos )11244 ( )1.455sinsin(cos )244aF 解：解：10.80.60.40.200.500.511.522.533.5(a)27030033001802402101

53、50120906030(b)第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 (21)1,2,2mmmNN021,2,1mmNNcos0.7 cos2kd53cos7 . 021 mo2 .9801 om821 52cos7 . 0201 间间距距变变化化个数个数变化变化115sin120.2512.14dB5sin2 mmSLL第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线阵的优点天线阵的优点:（1 1） 通过设计阵元的个数、排列方式和间距，设计天线主波通过设计阵元的个数、排列方式和间距，设计天线主波束的宽窄和副瓣束的宽窄和副瓣; ;（2 2）通过改变阵元的相位，改变主波束的方向）通过改变阵元的相位

54、，改变主波束的方向; ; 如果使阵元相位随时间变化如果使阵元相位随时间变化, ,可以使天线阵主波束在空间扫可以使天线阵主波束在空间扫描描, , 形成形成相控阵天线相控阵天线；（3 3）实时检测用户和干扰源，按一定的波束形成方法随时调整）实时检测用户和干扰源，按一定的波束形成方法随时调整天线阵元的电流幅度和相位天线阵元的电流幅度和相位, , 使主波束对准用户、零射方向使主波束对准用户、零射方向对准干扰，并随用户和干扰源的变化而变化，就形成自适应对准干扰，并随用户和干扰源的变化而变化，就形成自适应天线或天线或智能天线智能天线。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 2、均匀直线阵的应用：、均匀直

55、线阵的应用：1）同相均匀直线阵）同相均匀直线阵（边射或侧射式直线阵）（边射或侧射式直线阵）2703003300306090120150180210240(b)10.80.60.40.202.521.510.5 00.511.522.5F()(a)条件：条件： =0 ，=kd cos。特点：最大辐射方向垂直于阵轴线；特点：最大辐射方向垂直于阵轴线； 阵元数越多，间隔距离越大，主瓣越窄，副瓣电平越高。阵元数越多，间隔距离越大，主瓣越窄，副瓣电平越高。d0.25N5d0.5N10d1N5第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 2）普通端射阵）普通端射阵maxmax0kdkd阵的各元电流相位沿最大辐

56、射方向依次滞后阵的各元电流相位沿最大辐射方向依次滞后 kd。条件：条件： +kdcos0=0或或+kdcos=0，即：即：9060301201501802102402703003300(b)10.80.60.40.2032.521.510.50F()(a)特点：最大辐射方向沿天线阵的阵轴线特点：最大辐射方向沿天线阵的阵轴线 主瓣过宽，方向性较弱主瓣过宽，方向性较弱第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 3 3） 强方向性端射阵（汉森强方向性端射阵（汉森- -伍德耶特阵）伍德耶特阵）汉森和伍德耶特指出：对一定的均匀直线阵，通过控制单元汉森和伍德耶特指出：对一定的均匀直线阵，通过控制单元间的激励

57、电流相位间的激励电流相位差可以获得最大方向系数。差可以获得最大方向系数。kdN 在原始普通端射阵的基础上将相邻单元间的初相差再加上在原始普通端射阵的基础上将相邻单元间的初相差再加上/ /N N 的相位延迟，阵轴线方向不完全同相。的相位延迟，阵轴线方向不完全同相。9060301201501802102402703003300(b)10.80.60.40.203.532.521.510.62F()(a)第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 3. 3. 均匀直线阵的方向系数均匀直线阵的方向系数 222,maxmax2200( , )( , )( , )4( , )sinavavSEFSEDFd

58、d 109876543210.10.20.30.40.50.605101520253035402468101214161820N5d0.25d / NDD(a)(b)强方向性端射阵普通端射阵边射阵第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 10.500.5110.500.5110.500.5110.500.5110.500.51 10.500.51(a)(b)最佳均匀直线阵：距离为最佳均匀直线阵：距离为0.250.25的的八元均匀直线阵方向系数为八元均匀直线阵方向系数为5.55.5。10.500.5110.500.5110.500.5110.500.51

59、10.500.51 10.500.51(a)(b)八元圆环阵（半径为八元圆环阵（半径为7 70.25/20.25/2），能达到），能达到8.18.1的方的方向系数向系数第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第六节第六节 对称振子阵的阻抗特性对称振子阵的阻抗特性 一、二元阵的阻抗一、二元阵的阻抗二、直线阵的阻抗二、直线阵的阻抗天线阵的阻抗包括两部分：一是不考虑互耦作用时的自天线阵的阻抗包括两部分：一是不考虑互耦作用时的自阻抗；另一个是由相互感应作用而产生的互阻抗。阻抗；另一个是由相互感应作用而产生的互阻抗。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 一、一、 二元阵的阻抗二元阵的阻抗 z1z2

60、l2l1dz1r12I2I1E12OO l1 l2为满足边界条件振子为满足边界条件振子1 1的电流必的电流必须额外提供的功率为：须额外提供的功率为：12111211( )2dPIz E dz 振子振子1 1在振子在振子2 2的耦合下产生的总的耦合下产生的总感应辐射功率为：感应辐射功率为：11111212111211( )2llllPdPIz E dz 振子振子2 2在振子在振子1 1的耦合下产生的总感应辐射功率为：的耦合下产生的总感应辐射功率为：22222121222121()2llllPdPIz E dz 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 互耦振子阵中，振子互耦振子阵中，振子1 1和