《微波技术与天线》第6章

6.1概论6.2基本振子的辐射6.3天线的电参数6.4接收天线理论第6章天线辐射与接收的基本理论1.天线的定义天线的基本功能是辐射和接收无线电波发射时，把高频电流转换为电磁波；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。图6-1-1无线电设备的信道方框图通信系统中的天线能量的转换：自由空间的电磁能量与高频电流能量的相互转换；能量的分配：使空间传播的电磁波能量在指定的空域内辐射传播；信息源信号变换发信机收信机信号变换受信者

发射：高频能量转换成电磁波能量；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；收集指定空域内的电磁波。能接收电磁能量天线？2、天线的作用分类的方法种类按用途分通信天线、广播天线、雷达天线、导航天线、测向天线等按工作频段分长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线方向性的强弱全向天线、弱方向性天线和强方向性天线等按极化特性线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线等按工作原理分驻波天线、行波天线；阵列天线按波束控制的方法分固定波束天线、相控天线、智能天线等按基本结构分线天线、面天线、缝隙天线按电尺寸分电小天线：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。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(需要计算或测试天线的辐射阻抗）。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（方向函数）。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。对天线的要求方向性图方向性系数增益输入阻抗驻波系数效率影响天线性能指标的关键因素天线电尺寸天线的形状和结构天线上的电流分布

天线常用的性能指标：天线馈线系统手机拉杆电视天线

无线公话天线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,但这往往十分繁杂,有时甚至是十分困难的。在实际问题中,往往将条件理想化,进行一些近似处理,从而得到近似结果,这是天线工程中最常用的方法。数值法：在某些情况下,如果需要较精确的解,可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。天线的研究方法预备知识：时变场的达朗贝尔方程，滞后位及其解磁矢位和电标位线性、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：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结果推导新结构的结果6.2基本振子的辐射图6–2电基本振子1.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。

(6-2-1)式中,，是媒质中电磁波的波数电基本振子的辐射场在电磁场理论中,已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电基本振子(图6-2)在周围空间产生的场为(6-2-2)近区场的特点

①在近区,电场和与静电场问题中的电偶极子的电场相似,磁场和恒定电流场问题中的电流元的磁场相似,所以近区场称为准静态场；

②由于场强与1/r的高次方成正比,所以近区场随距离的增大而迅速减小,即离天线较远时,可认为近区场近似为零；

③电场与磁场相位相差90°,说明玻印廷矢量为虚数,也就是说,电磁能量在场源和场之间来回振荡,没有能量向外辐射,所以近区场又称为感应场。

电基本振子的远区场为(6-2-5)

①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;②/=η==120π（Ω）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;③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;④在不同的方向上,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。远区场的特点辐射场的方向性

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：2πb<<λ,如图6-3所示。假设其上有电流i(t)=Icosωt,由电磁场理论,其磁偶极矩矢量为根据电与磁的对偶性原理:(6-2-6)(A·m2)2.磁基本振子的场根据电与磁的对偶性原理:图6–3磁基本振子的辐射与电基本振子做相同的近似得磁基本振子的远区场为:(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场与磁基本振子的远区场,可以发现它们具有相同的方向函数|sinθ|,而且在空间相互正交,相位相差90°。所以将电基本振子与磁基本振子组合后,可构成一个椭圆（或圆）极化波天线,具体将在第8章中介绍。

磁基本阵子的应用电磁测井6.3天线的电参数（1）水平面：当仰角Δ及距离r为常数时,电场强度随方位角的变化曲线,

（2）铅垂平面：当及r为常数时,电场强度随仰角Δ的变化曲线,1.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,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)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E平面：电场矢量所在的平面，沿z轴放置的电基本振子,子午面是E平面。H平面：磁场矢量所在的平面，赤道平面是H面。

2)超高频天线,通常采用与场矢量相平行的两个平面解:①E平面方向图:例：画出沿z轴放置的电基本振子的E平面和H平面方向图。

给定r处,对于θ=π/2,Eθ的归一化场强值为|sinθ|=1,与φ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

②H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E平面方向图如图所示,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）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

3)天线的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:主瓣宽度旁瓣电平前后比方向系数(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。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;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。波瓣宽度越窄，能量越集中(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。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;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。电基本振子？（2）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:

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

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，这就是方向系数雷达,通信等大部分天线设备,都是利用主向(或主平面)(最大辐射方向)的辐射来完成任务的。偏离主向的辐射功率不仅被无谓浪费,而且还会干扰电波信号。因此,尽可能减少非主向的辐射和增加主向辐射。常采用方向性系数这个参量来说明天线在主向辐射功率的集中程度4）天线方向性系数（Directivity）（1）方向性系数D的表达式

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Smax和总辐射功率相同的全向天线的功率流密度S0的比值方向系数: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的集中程度

(2)分贝来表示:方向性系数还可用分贝来表示，且有

主瓣越窄，方向系数越大。无方向性天线的方向系数为1。若以分贝表示,则D=10log101.5=1.76dBi。可见,电基本振子的方向系数是很低的。将其代入方向系数的表达式得［例6-2］确定沿z轴放置的电基本振子的方向系数。解:由上面分析知电基本振子的归一化方向函数为:

5）天线的效率（Efficiency）天线效率A：天线辐射有用功率与天线输入的有用功率Pin之比，表示天线能量转化的量度，即发射机提高天线效率：减少损耗电阻，提高辐射电阻

欧姆损耗将其代入式（6-3-7）得辐射功率为

所以辐射电阻为

［例6-3］确定电基本振子的辐射电阻。解:设不考虑欧姆损耗,则根据式（6-2-4）知电基本振子的远区场为

3.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,它是方向系数与天线效率的乘积,记为G,即

G=D·ηA由上式可见:天线方向系数和效率愈高,则增益系数愈高。

增益系数的物理意义：将方向系数公式(6-3-4)和效率公式(6-3-9)代入上式得(6-3-14)(6-3-15)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,

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。

一个输入功率为10w的无方向性天线，与一个输入功率为1w、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是一样的。(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(6-3-16)4.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。该图形如果是直线,就称为线极化;如果是圆，就称为圆极化;如果是椭圆，就称为椭圆极化。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、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;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GPS圆极化天线

5.频带宽度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应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度,简称为天线的带宽。6.输入阻抗

要使天线效率高,就必须使天线与馈线良好匹配,也就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,当天线工作频率偏离设计频率时,天线与传输线的匹配变坏,致使传输线上电压驻波比增大,天线效率降低。因此在实际应用中,还引入电压驻波比参数,并且驻波比不能大于某一规定值。7.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。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,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。6.4接收天线理论天线的接收原理：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路中产生电流。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，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，在天线的输入端产生电压，在接收机回路中产生电流。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，如图所示，接收天线总是位于发射天线的远区辐射场中．因此可以认为到达接收天线处的无线电波是均匀平面波，设来波方向与天线轴z之间的夹角为θ，接收天线上的感应电动势：

发射天线的远区场可看成TEM平面波，则电场是垂直于波的传播方向的平面内的任意矢量，建立如图所示的的坐标系：电波射线与天线轴构成入射平面，入射电场可分为两个分量：一个是与入射面相垂直的分量E1，；一个是与入射面平行的分量E2，。

2.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（6-4-9）（6-4-10）

根据图6-10接收天线的等效电路,传送到匹配负载的平均功率（忽略天线本身的损耗）为当天线以最大方向对准来波方向时,接收电动势为将上述各式代入式（6-4-9）有所以有（6-4-11）（6-4-12）（6-4-13）（6-4-14）

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=0.12λ2。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（6-4-15）（6-4-16）（6-4-17）等效噪声温度天线除了能够接收无线电波之外，还能够接收来自空间各种物体的噪声信号。外部噪声通过天线进人接收机，因此，又称天线噪声。天线接收的噪声功率的大小可以用天线的等效噪声温度Ta来表示，是接收天线的特殊参数。宇宙气体星体辐射太阳辐射高压线放电式光电视台大气噪声闪电热噪声点火噪声放大器噪声地面热噪声TR外部噪声包含有各种成分，例如：地面上有其它电台信号以及各种电气设备工作时的工业辐射,它们主要分布在长、中、短波波段；宇宙辐射（太阳系，银河系，河外星系）辐射的电磁波，空间中有大气雷电放电以