chap3接收天线理论

1、第三章 接收天线理论3.1发射天线与接收天线的互易性天线接收电磁能量的物理过程是：天线在外场作用下激励起感应电动势，并在导体表面产生电流，该电流流进天线负载ZL (接收机)，使接收机回路中产生电流。所以，接收机是一个把空间电磁波能量转换为高频电流能量的能量转换装置。其工作过程恰好是发射天线的逆过程.通常采用互易原理方法，它是利用收发天线的互易性，从发射天线的性能直接导出接收天线的性能。这种方法是分析接收天线的最简洁、最有普遍意义的方法。这里主要介绍这种方法。一般情况下，接收天线与发射天线相距很远，作用在接收天线上的电磁波可认为是平面波。ZLUAZA/Zin设有两个任意放置的天线1和2，彼此之间

2、相距足够远，处于各向同性的无界均匀媒质中，除两天线外没有其它场源，如图所示。 1U天线1(发射)电波传播方向天线2(接收)21I2U天线1(接收)电波传播方向天线2(发射)12I按互易定理12212112IUIUUIUI天线1上若加有电压U1,则1111LAZZUI天线1的阻抗电源的内阻此电流产生于天线2处的电场为),(3011121FrIlEe)(2112ZZ)(1inZ212121UIUI将电流代入后,有),(30)(1111211FlZZrEUeLA假使在天线2上加电压U2,则相应的公式是),(30)(2222122FlZZrEUeLA将电压的表达式代入互易定理,可得),()(),()(

3、2221222111121112FlEZZIFlEZZIeLAeLA)(),()(),(2212221211211121LAeLAeZZEFlIZZEFlI或者写成等号左边完全由表征天线1的参量组成；等号右边完全由表征天线2的参量组成。既然等号的两边分别属于某一天线，而该天线又可以是任意的，对任意形式的天线，应恒等于一个常数.CFElZZIeLA),()(所以有常数天线输入阻抗电源内阻抗归一化方向图函数实效长度外电场输入端感应电流改写上式有LAALAeZZUZZFCElI),(),(FCElUeA以元天线为例EsinEl来波方向(1)(2)确定常数C设基本振子长度为2l，来波方向与振子轴夹角为

4、，如图所示。振子表面切向电场为Esin ，则感应电动势为 sin2lEUA当基本振子作发射时有，F(,)=sin ,le=2l通过比较公式(2),(3)有C=1(3)讨论:a.在公式(1)中,I是外电场引起的感应电流,把UA看成外电场引起的感应电势,则ZA+ZL可视为天线用作接收时的阻抗ZA,接收天线接收端的负载阻抗ZL,所以天线的阻抗ZA用作发射和接收相同.),(FElUeA有(4)ZLUAZAb.接收天线的方向图是指接收天线对不同的来波的感应电势UA的大小变化,由公式(4)可知,此变化关系就是发射天线的方向图F(,),即天线的方向图用作发射与接收也相同.c.接收天线实效长度的定义是:以此长

5、度乘上最大接收方向的来波电场可得感应电势,因为元天线的F(,)=1,所以接收天线的实效长度le等于发射天线的实效长度.eAElU与发射天线一样，我们可采用一些参数(如极化、方向性系数、增益、输入阻抗等)来描述接收天线的性能。这些参数和它用作发射天线时是一致的。即天线的收发具有互易性。 当然，接收天线也有别于发射天线，如回路承受功率小，结构上的不同特点，以及噪声问题等。 3.2接收天线的等效电路,最大输出功率与实效面积由公式(1)接收天线的等效电路图为:ZLUAZALLLAAAjXRZZjXRZ0ALALXXRR令则最大输出功率在下列条件下得到1. 最大接收功率最大接收功率(天线用作接收时的阻抗

6、数值上等于天线用作发射时的输入阻抗)接收功率为:2 2222max200(2)44( eAAAAAAAE lUUPI RRRRRRR谐振） 非谐振）2. 实效面积220EDE221130()( ,)eAlDFR pSEDDElDlERUPeeAA1204120)(304422222222maxeAElU外来波的玻印廷矢量接收天线的实效面积,代表接收天线吸取外来电波能量的能力注意a.天线安放在能够吸取最大能量的方向,b.负载与天线匹配ab42DS 考虑最大辐射方向1),(11F110,30FrlIEe由定义可见，有效面积代表接收天线吸收同极化的外来电磁波的能力。换言之，接收天线所接收到的功率可以

7、看成是具有面积为S的口面所吸收入射电磁波的能流。 接收天线某个方向上的有效面积定义为：天线的极化与来波极化完全匹配以及负载与天线阻抗共轭匹配的最佳状态下，天线在该方向上所接收的功率与入射电磁波能流密度之比. 2835 . 1SD213. 064. 1SD元天线半波天线AeRlD2)(30SD24120212042AAeSRSRl3.3阻抗失配与极化失配接收天线能获得的最大接收功率为 pSPmax这一公式是在假定接收天线的极化与来波极化匹配，且接收天线的的阻抗与负载阻抗共轭匹配情况下得到的。实际上这两种匹配均难以做到，这就使接收天线接收的功率降低，对应的有效面积减小。 引入阻抗失配和极化失配因子

8、，则接收天线实际接收功率为 pSpSPRR根据传输线理论222211111ALALZZZZR为了使接收天线能从外来电磁波中吸收最大能量，它的极化应与外来电磁波的极化相同。例如用垂直极化天线接收垂直极化天线发射的信号；用水平极化天线接收水平极化天线发射的信号；用右旋圆极化天线接收右旋圆极化天线发射的信号等。 极化失配因子的计算需视天线极化与来波极化的具体情况而定，总的原则是：天线不能接收与其极化正交的来波极化分量。如线极化天线不能接收来波中与其极化方向垂直的极化分量；圆极化天线不能接收来波中与其旋向相反的圆极化分量。 在一般情况下，若接收天线和来波的极化椭圆的轴比分别为v1和v2 ，两长轴间夹角

9、为，则极化失配因子为 2cos)1)(1 (2)1)(1 ()1)(1 (22122212221222121maxPPR任何椭圆极化波可以看成是由旋转方向相反的两个圆极化波所合成,所以有)(22222max22112121LRLRLLRRREEEEEEEEPP发射天线极化椭圆所分解得的右旋圆极化波和坐旋圆极化波的幅度接收天线极化椭圆所分解得的右旋圆极化波和坐旋圆极化波的幅度天线1天线2极化失配系数垂直极化垂直极化1垂直极化水平极化0垂直极化圆极化(右旋)1/2圆极化(右旋)圆极化(左旋)0圆极化(左旋)圆极化(左旋)10,110jLReEE0,110jLReEE0,110jLReEE0,110

10、jLReEE0018,11jLReEE01LREE01LREE10LREE10LREE10LREE3.4接收天线的噪声温度 对于发射功率有限的远距离通讯、雷达、射电天文设备等，接收信号将很弱，需要灵敏度很高的天线接收机系统，但这时各种噪声将很明显。无线电设备接收信号的质量是由接收机的功率信噪比PS /PN决定的。PS 为接收机输入端的信号功率；PN为各种干扰源产生的噪声功率。无线电设备接收的噪声又分内部噪声和外部噪声。 外部噪声(干扰)包括：雷电引起的大气噪声；电气设备产生的工业噪声；其它无线电设备引起的干涉噪声；来自宇宙天体如太阳、银河系等产生的宇宙噪声，地球及大气气体的热辐射产生的噪声等；

11、 内部噪声：自由电子在该无线电设备的各元、器件中以及天线和馈线中的热运动所引起。 在长波和中波波段，外部噪声的功率远大于接收设备的内部噪声。因此在求PS /PN时可忽略内部噪声。在这个波段内主要是工业噪声和大气噪声。在短波和超短波波段，内部噪声功率和外部噪声功率接近，内部噪声不能忽视。T0R若天馈系统的传输效率为a，则等效到接收机输入端的整个天馈系统的噪声温度TA为 3.5环天线根据收发天线的互易性，任何形式的天线都可以既用作发射，也可用作接收，但由于电气性能和结构上的原因，有的天线较适合用于发射，而有的较适合用于接收。环天线就是接收装置中用得较多一种天线形式。 环天线是将一根金属导线绕成一定

12、形状，如圆形、方形、三角形等，以导体两端作为输出端的结构如图所示。绕制多圈(如螺旋状或重叠绕制)的称为多圈环天线。根据环的周长L相对于波长的大小，可分为电大环L，中等环/4L和电小环L/4。 各种形式的环天线 电小环天线是实际应用最多的，如收音机中的天线，便携式电台接收天线，无线电导航定位天线、场强计的探头天线等。电大环天线主要用作定向阵列天线的单元等。 对于电小环天线，有时为了提高其效率，除采用多圈外，可在环中放置磁芯(即绕制在铁氧体棒上)。 书上采用接收的观点导出了矩形电小环天线的有效长度、辐射电阻。)cos2(sin1cbrtEEm)cos2(sin2cbrtEEm12EHrbhN1边上的电场为2边上的电场为)cos2sin()cos(2)cos2(sin)cos2(sin)(21brtNhEcbrtcbrtNhEhEENUmm环天线上的感应电压是bcos2)cos(cosrtbNhEUm电压的实数值为cosbNhEU cos2 NSEU 或写成环天线面积cosEhUeNShe2为环天线的实效高度在00,180方向感应电压最大00,27090方向,感应电压为零在E环天线的辐射阻抗为22223120080NShRer例.圆环天线的直径d=30cm,圈数N=10,求在=500m时的实效高度和辐射电阻.解:环天线的面积为22221007. 743 . 014. 34mdS