天线基础知识.ppt

1、第一章天线基础，1.1天线的电气参数1.2天线辐射基础1.3公用天线分类1.4阵列天线1.5智能天线，1.1发射天线的电气参数，描述天线工作特性的参数称为电气参数，也称为电气指标。定量测量天线性能的尺度。要正确设计或选择天线，必须了解天线参数。大部分天线电参数是根据发射状态确定的，目的是将高频电流能量转换为宇宙传播能量，并测量定向辐射的天线的能力。下面介绍了发射天线的主要电气参数，并以电基本振荡器为例进行了说明。1.1.1定向函数天线发射的电磁波是方波，但不是均匀方波，因此对任何天线的辐射场都有方向性。方向函数是相同距离r的天线辐射场的相对值和空间方向(俯仰角度，方位角)的关系f(，)，如图1

2、所示。图1基本电振荡器，1.1.2方向图以曲线表示方向函数，称为方向图(FileldPattern)。方向图是在与天线相同的距离上，空间中天线辐射场大小的相对分布随方向变化的图。根据规格化方向函数绘制标准化方向图。通过改变和而得到的方向图是三维方向图。对于电基本振荡器，由于规格化方向函数f (，)=| sin |，相应的立体方向图如图2所示。图2基本振荡器立体方向图，实际上，两个特定正交平面方向图经常用于工程。自由空间中两个最重要的平面方向是e和h图形方向。e面是具有场强矢量并包含最大发射方向的平面。h面是磁场强度矢量所在的平面，包含最大发射方向。可以使用极坐标绘制方向图表，使用角度绘制方向，

3、使用场强大小绘制矢量直径。这种图形直觉很强，但零点或最小值很难区分。方向角可以用笛卡尔坐标绘制，横坐标表示方向角，纵坐标表示发射振幅。横坐标可以扩展到任何标尺，因此图形很清晰。如图3所示，对于在球体坐标系中沿z轴放置的电气基本振荡器，e面是包含z轴的所有平面(例如yOz面)。此面的方向函数FE()=|sin|。h面是xOy面，它是FH()=1的方向函数，如图4所示，h面的规格化方向图是单位圆。e和h图形方向是沿e和h面的两个主平面的三维视图的剖视图。引入了功率模式(功率模式) (，)，因为需要讨论图3电基本振荡器e平面模式、图4电基本振荡器h平面模式、有时还需要讨论辐射的功率密度(梯度矢量模式

4、值)和方向之间的关系。很容易得到，与场强方向图的关系如图3所示， (，)=F2 (，)电基本振荡器e平面功率方向。1.1.3模式参数实际天线模式比具有多个瓣的电基本振荡器复杂，可细分为主、旁瓣和后瓣，如图5所示。用于说明方向图的参数通常包括：(1)零功率点波瓣宽度(beam width between first nulls，bwfn) 2 0e或20H(下标e，h等于e，h面，下方):主波瓣最大值到两侧0发射方向之间的角度。图5天线模式的一般形状，(2)半功率点波瓣宽度(HalfPower Beam Width，HPBW)20.5E或20.5H:表示主襟翼的最大双面电场强度等于最大值的0.7

5、07倍(或等于最大功率密度的一半)的两个发射方向之间的角度如果天线只有一个强的主襟翼，而另一个侧倾较弱，则可以通过两个主平面内的半功率点襟翼的宽度来判断该天线的定向辐射性能强度。(3)旁瓣级别(sll) :比较旁瓣最大值和主瓣的最大值，通常以分贝为单位，(1-2-8)，表达式、Sav、max2和Sav，max分别表示最大旁瓣和主瓣的功率密度最大值。Emax2和Emax分别是最大旁瓣和主旁瓣的场强最大值。侧瓣通常指向不需要复制的区域，因此天线的旁瓣级别应尽可能低。(4)前后比：表示主皮瓣最大值与后皮瓣最大值的比率，通常也用分贝表示。1.1.4方向系数以上的方向图参数可以在一定程度上描述方向图的状

6、态，但通常仅反映方向图特定方向的发射强度的程度，并且辐射没有分布在整个空间中，因此不能单独表示天线的方向发射能力。为了更准确地比较不同天线之间的方向，需要引入能定量表示天线定向辐射力的电气参数，这就是方向系数。方向系数定义为在相同距离和相同发射功率条件下最大发射方向的天线发射功率密度Smax(或场强|Emax|2的平方)与全方位天线(点源)的发射功率密度S0(或场强|E0|2的平方)的比率。用公式表示：(1)，1.1.5天线效率通常由包含高频电流的天线导体及其绝缘介质造成损失，因此输入天线的实际功率不能全部转换为电磁波能量。这种能量转换的有效程度可以用天线效率来表示。天线效率定义为天线辐射功率

7、Pr与输入功率Pin之比，以A记录。也就是说，1.1.6增益系数方向系数只是测量天线方向辐射特性的参数，仅在方向图中确定。天线效率是指天线的能量转换性能。增益表示天线的方向性利益程度。增益系数定义为在相同距离和相同输入功率下最大发射方向的天线发射功率密度Smax(或场强|Emax|2的平方)与理想全向天线(理想点源)的发射功率密度S0(或场强|E0|2的平方)的比率。公式为：风格的针脚，针脚0分别是实际天线和理想全向天线的输入功率。理想全向天线本身的增益系数为1。考虑效率的定义，功率的密度是不需要太多时间的A倍，因此增益系数是综合测量天线能量转换效率和方向特性的参数。1.1.7天线的极化天线的

8、极化(Polarization)指示所述天线在给定方向上的远场辐射电场的空间方向。通常，对于此天线，指示在最大发射方向上电场的空间方向。实际上，天线的偏振在偏离最大发射方向时发生变化，根据发射方向的不同，天线可能有不同的偏振。辐射场的极化，即在空间的特定位置，电场矢量的端点随时间移动的轨迹，可以根据轨迹的形状分为线极化、圆极化和椭圆偏振，圆形极化也可以根据旋转方向分为右圆形极化和左圆形极化。对于圆极化，一般情况下，手的拇指向波传递电波的方向，如果四个手指向电场矢量的旋转方向弯曲，则电场矢量端点的旋转方向和传播方向与右手螺旋匹配，右手圆极化为右手圆极化，与左手螺旋匹配，左手圆极化为左手圆极化。图

9、6显示了使用z轴作为传播方向在x方向上极化线的场强矢量线的空间分布。图7和图8说明了使用z轴作为传播方向的右侧和左侧圆形偏振光的场强矢量线的空间分布。空间的固定时间场强矢量线的分布旋转与固定位置的场强矢量线相对。椭圆偏振光的旋转定义类似于圆形偏振光。图6在特定时间点的x方向线极化场强矢量线的空间分布，图7在特定时间点的右侧圆极化场强矢量线的空间分布也是可逆的(使用z轴作为传播方向)，图8在特定时间点的l-圆极化场强矢量线的空间之间的分布也是可逆的(使用z轴作为传播方向)，天线接收不到与此垂直的极化分量。例如，线极化天线不能接收垂直于极化方向的线偏振波。圆极化天线不能接收与接收天线极化旋转相反的

10、圆极化组件椭圆极化传播。在这里，不能接收与接收天线的极化旋转相反的圆极化组件。极化不匹配意味着功率损失。为了测量这些损失，具体定义了值介于0到1之间的极化不匹配系数p(polaralization mismatch factor，极化不匹配系数)。1.1.8输入阻抗和辐射电阻；天线通过传输线连接到发射机，天线作为传输线的负载，在传输线之间存在阻抗匹配问题。天线和传输线连接在一起时，天线输入部被定义为对应于有效功率和无效功率的天线输入阻抗。也就是说，天线的输入阻抗Zin是天线的输入端电压与电流的比率。其中Rin，Xin是输入电阻和输入返回。有效功率以损耗和辐射两种方式耗散，而无功功率驻留在近区。

11、天线的输入阻抗由天线的结构、工作频率和周围环境的影响决定。输入阻抗的计算更加困难，因为需要准确地知道天线的激发电流。除少数天线外，大多数天线的输入阻抗在工程中使用近似计算或实验测量。天线辐射功率等于称为天线辐射电阻的电阻吸收的功率。发射功率和发射电阻之间的关系发射电阻可以起到天线发射能力的表达作用。1.1.9频带宽度天线的所有电气参数与工作频率相关。所有天线的工作频率都有一定的范围，如果工作频率偏离中心工作频率F0，天线的电气参数就会恶化，允许范围取决于天线设备系统的工作特性要求。如果工作频率发生变化，则在天线相关电气参数允许的范围内，相应的频率范围称为频带宽度。根据天线设备系统的工作情况，影

12、响天线波段宽度的主要电气参数也有所不同。根据频带宽度，可以将天线分为窄频带天线、宽带天线和超宽带天线。如果天线的最大工作频率为fmax，最小工作频率为fmin，则窄频带天线的相对带宽通常为(fmax-fmin)/F0 100%，表示频带宽度。对于超宽带天线，fmax/fmin通常是绝对带宽，表示频带宽度。通常，只有几%的相对带宽是窄波段天线，如天线。宽带天线(例如螺旋天线)，其相对带宽达到数十%:绝对带宽可以达到几个称为超宽带天线(例如对数周期天线)的八度音程。相互定理和接收天线的电参数，相互定理对接收天线的操作的物理过程是，天线导体在空间电场的作用下产生感应电动势，在导体表面产生感应电流，在

13、天线的输入端产生电压，在接收器电路上产生电流。因此，接收天线是在空间中将电磁波能量转换为高频电流能量的转换装置，工作过程就是发射天线的逆过程。因为天线必须通过发送或接收来满足的边界条件相同，所以在接收状态下天线的电流分布也必须与发送时相同。也就是说，当所有类型的天线用作接收天线时，该天线的偏振、方向、阻抗特性等与用作发送天线时相同。这种天线收发参数的相同特性称为天线的收发互易性，这可以通过电磁场理论的相互主体性定理来证明。1.2.2有效接收领域；有效接收区域是衡量接收天线传播接收能力的重要指标。接收天线的有效接收区域定义为：当接收方向按照最大接收方向指定的接收方向接收时，天线的偏振度和接收天线

14、的偏振度与传播偏振度匹配，接收天线发送到匹配负载的平均功率PLmax与接收天线的功率密度Sav的比率。也就是说，1.2.3等效噪声温度天线不仅可以接收无线电波，还可以从空间中的各种物体接收噪声信号。外部噪音通过天线进入接收器，因此也称为天线噪音。外部噪声包括各种组件，如地面上有其他无线电信号，各种电气设备工作的工业辐射，它们主要分布在张中、短波波段。宇宙中有大气的闪电放电和宇宙空间的多种辐射，主要分布在比极超短波和极超短波稍低的波段。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。1.2天线发射基准，本节讨论了天线的基本发射单元电流元件、磁流元件和惠更斯元件的发射问题。1.2.1电

15、基本振荡器(也称为电流元件)的辐射，电基本振荡器(Electric Short Dipole)表示理想高频电流直接导线，其长度l远小于波长，半径a远小于l，沿振荡器的电流I各处都是相同的相位。使用这些电流元件，可以构成实际上更复杂的天线，因此，电基本振荡器的发射特性是研究更复杂天线的发射特性的基础。图9电基本振荡器远场、1.2.2磁基本振荡器、磁基本振荡器(Magnetic Short Dipole)被称为磁流元件、磁偶极。虽然是虚拟的，但到目前为止还不能确定是否存在与自然分离的磁电荷和磁流，但它对应于一些实际的波源，例如小回路天线或设定的电场波源，可以使用此概念简化计算，因此需要讨论这一点。

16、图10中的磁基本振荡器、1.2.3等效原理和惠更斯元素的辐射通常由金属表面S1和初级辐射源组成。包围天线的闭合曲面由金属表面的外表面S1和金属表面的口径表面S2组成。因为S1是导体的外表面，上面的场为0，所以表面天线的辐射问题被转换为口径表面S2的辐射。口径表面具有口径场ES和HS，因此根据惠更斯原理，将口径面S2分割为许多称为惠更斯元素或二次辐射源的面元素。图11是所有惠更斯元素的辐射获得全口径表面辐射场的等效原理。为了便于计算，口径曲面S2通常用作平面。在由口径场解释辐射场时，每个面元素的二次辐射可以替换为等效电流元素和等效磁流元素，口径场的辐射场由所有等效电流元素(等效电基本振荡器)和等

17、效磁流元素(等效磁基本振荡器)生成。这是电磁场理论的等效原理。图12惠更斯辐射源及其坐标，1.3一般天线分类，按用途：通信天线、广播电视天线、雷达天线等；按工作波长：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等；辐射元件类型：线天线和天线。电线天线由金属线组成，半径远小于长波、中波和短波波段中主要使用的波长。通常由平面或表面口径组成的塔天线主要用于微波波段，超短波波段两者都使用。带宽特定：窄带、宽带、超宽带天线、线天线、偶极天线1极天线8木天线对数周期天线行波天线、图14圆锥螺旋天线(a)下馈；(b)顶部馈电、图13引线天线、图15对数周期天线、扬声器天线、扬声器天线：由逐步打开的波导组成，简单结构、方便馈电、宽频带、大功率容量和高增益扬声器天线。喇叭天线可根据口径的形状分