天线原理 第三章 天线基本参数

1、第3章：基本天线参数，1。方向性函数2。辐射模式)3。模式参数4。可怕的活动5。天线效率6。收获。7.极化)8、有效长度9、输入阻抗10、辐射电阻11、带宽、天线方向图定义：天线辐射方向图或天线方向图定义为“天线辐射参数随空间坐标的变化方向图”，辐射参数包括天线辐射的功率通量密度。通常，天线方向图是在远场中确定的，并表示为空间方向坐标的函数，方向图的形状与距离无关。一般来说，我们最关心的是功率模式和场强模式。3.1定向功能任何天线辐射的电磁波都不是均匀的平面波，其辐射场是定向的。所谓方向函数是在相同距离条件下天线辐射场的相对值与空间方向之间的关系，一般表示为。天线在空间任意方向的电场强度可以表

2、示为：一个与方向无关的常数，它是场强方向图函数，唯一的函数定义为：以基本电振子为例，其辐射电场强度可以表示为：分量表达式，为便于比较，偶极子的方向图函数通常用归一化方向函数表示。基本电振动器的归一化方向函数为：归一化功率模式，功率通量密度为复波因廷矢量的振幅。显然，可以获得归一化功率模式和归一化场强模式之间的关系：3.2辐射模式以曲线形式描述方向函数，这被称为模式。它是描述天线辐射场在空间随方向变化的相对分布的图形。通常称为标准化模式。1。图案分类、三维图案、二维图案、极坐标图案、直角坐标图案、球面坐标图案和直角坐标图案。立体方向图(三维)变化和获得的方向图是立体方向图，它综合描述了天线在各个

3、方向的辐射情况。下图是基本电动振动器的透视图。基本电振动器的3D模式、半波偶极子和基本电振动器有什么区别？(a)7元Yagi天线，(b)三维球坐标场强方向图，(c)三维直角坐标场强方向图，以及3。e平面和H平面模式。e平面包含最大辐射方向上的电场矢量所在的平面。用E面截取立体图形，得到E面图形。h平面包含最大辐射方向的磁场矢量所在的平面。用H平面截取立体图形，得到H平面图形。圆极化天线没有E面和H面？对于基本的电振动器，E平面是包含Z轴的任何平面，例如XOZ平面，方向函数在其上。h平面是XOY平面，方向函数在其上。3.3方向图参数实际天线或阵列天线的方向图很复杂，通常有多个波瓣，包括主波瓣(主

4、波束)、多个旁瓣(旁瓣)和后波瓣(尾波瓣)，如图所示。半功率波束宽度，也称为主瓣宽度或3dB波瓣宽度，是指两个辐射方向之间的夹角，其中主瓣最大值两侧的场强等于最大值的0.707倍(最大功率密度减半)，通常表示为。旁瓣电平的定义：旁瓣的最大值与主瓣的最大值之比通常用分贝表示，即2。第一个零波束宽度主瓣最大值两侧零辐射两个方向之间的角度通常用分贝表示。主瓣宽度也称为半功率波束宽度或3dB波束宽度。一般来说，天线的E面和H面方向图的主瓣宽度是不同的，可以分别记录为20.5E和20.5H。通常，最靠近主瓣的第一个旁瓣是所有旁瓣中最大的。为了测量辐射功率集中在主瓣的程度，引入了第一旁瓣电平的概念，即第一

5、旁瓣的最大值与主瓣的最大值之比。旁瓣电平通常指第一个旁瓣电平。旁瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。因此，天线的旁瓣电平越低，天线在不必要的方向上辐射或接收的能量越弱，或者抑制这些方向上的杂散入射波的能力越强，抗干扰能力越强。因此，在天线设计中，往往有低旁瓣的设计要求，如基站和雷达天线的上旁瓣。4。主瓣的最大值和后瓣的最大值之间的比值用分贝表示。不同的用途需要不同的天线方向图。例如，无线电和电视发射天线、移动通信基站天线等。要求在水平面上有全向方向图，在垂直面上有一定的方向性，以提高天线增益，如下图(a)所示；用于微波中继通信、远程雷达、射电天文学、卫星接收等天线。它要求是铅笔光束模式，如

6、下图(b)所示；对于搜索雷达和预警雷达天线，要求天线方向图为扇形波束。(a)水平全向模式，(b)笔形波束模式，(c)直角方形波束模式，立体角单位，立体弧度，对应球面面积的立体角为4Sr。在球面坐标系中，球面的面积元素为：对应的立体角元素为：天线在某一方向的辐射强度为该方向单位立体角的辐射功率。3.4方向性，辐射强度u(，)，定义：给定方向的辐射强度定义为单位立体角内天线辐射的功率。这是一个远场参数。半径为r的球面面积为S=4r2，其立体角为=4。给定方向上的辐射强度u(，)由下式表示：所有立体角的辐射功率，也就是fupo inting矢量、流出的总功率和平均辐射强度：理想点源天线的辐射强度与方

7、向角无关。即，U0(0，0)=U0，其可以由天线在4个立体角中的平均辐射功率，即天线的辐射功率来表示，并且方向性系数是用于表征天线的辐射能量集中程度的参数。在相同辐射功率Pr(平均辐射强度)下，天线在给定方向上的辐射强度U(0，0)与理想点源天线在相同方向上的辐射强度U0(0，0)之比。也就是说，从公式中可以看出，辐射强度与电场强度的平方成正比，因此上述公式也可以表示为(相同的pr)，(相同的pr)，其中E(0，0)是天线在指定方向上的电场强度，E0是理想点源天线在相同方向上的电场强度。是光束立体角，定义为：光束立体角就是这样一个立体角。如果单位立体角的功率(辐射强度)等于波束面积的最大值，所

8、有功率将从立体角辐射。通过将辐射功率指向预期方向，该方向上的辐射强度可以比相同功率用于各向同性时增加d倍。方向性完全取决于图案的形状。模式系数是空间坐标的函数。一般方向系数是指最大辐射方向的方向系数。方向系数，计算方向系数的公式可以得到如下：任意方向上方向系数与最大方向系数的关系，方向系数与波束宽度的关系：(条件)，什么是无方向性天线的方向系数？主瓣越窄，方向系数越大，D=1，通信距离与场强之间的关系，天线的方向性系数为(最大方向系数)，可以得到通信距离与场强之间的关系，因此也可以计算任意方向的场强，例如：工作频率例2对于40W的功率，以dBm为单位的转换值应为10 LG(40W/1mw)=1

9、0 LG(40000)=10 LG 4 10 LG 10 LG 1000=46 DBm。例1如果发射功率p为1mw，转换为dbm后为0dbm，DBI和dBd为测试增益(功率增益)值，两者都是相对值，但参考标准不同。dBi的参考标准是全向天线，而dBd的参考标准是偶极天线，所以它们略有不同。一般来说，相同的增益用dBi表示为2。比dBd表示的大15，即dBi=dBd 2.15。示例3对于增益为16dBd的天线，当单位转换为dBi时，其增益为18.15 dBi。示例4 0分贝=2.15分贝，分贝是表示相对值的值。当考虑甲的功率比乙的功率大或小多少分贝时，采用以下计算公式：10公斤(甲功率/乙功率)

10、。在情况6中，A的功率是B的两倍，那么10千克(A功率/B功率)=10千克2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的大3分贝.例7:100米内7/8英寸馈线的传输损耗约为3.9分贝。例8:如果a的功率为46分贝，B的功率为40分贝，可以说a比B大6分贝.dBc，也是代表功率相对值的单位，与分贝的计算方法完全相同。一般来说，dBc与载波功率有关。在许多情况下，DBC用于测量载波功率的相对值，例如干扰(同频干扰、互调干扰、互调干扰、带外干扰)、耦合和杂散的相对值。原则上，在采用dBc的情况下，也可以使用DBc。分贝只是一个比率，不是功率增益的单位。例如，计算基本电子振荡器的方向系数和半功率波瓣宽度。半功

11、率波瓣宽度，解决方案：方向函数，以分贝形式表示的最大辐射方向的方向系数：DdB=10lgD=1.76分贝，天线效率用于考虑损耗和表征天线能量转换效率。3.5天线效率，表面波损耗(微带天线)，天线辐射功率Pr与输入功率Pin之比称为天线效率，用：-损耗功率，-损耗电阻，-辐射电阻，-反射系数，-天线输入阻抗，-表示。那么天线的总效率应该是：发射机通常通过传输线给天线馈电，假设传输线是无损的，并且输入端的输入实际功率是Pin。如果天线与传输线不匹配，则该线上存在反射系数，天线输入端t1的实际实际功率为P1，如下图所示。显然，天线吸收的功率P1被分成两部分，一部分被导体和介质的热损耗吸收，另一部分被

12、辐射到空间，这被称为功率P1。因此，返回，天线的总效率是，其中是反射失配效率；是天线导体和介质损耗效率；是馈电传输线上的反射系数；Zin是天线输入阻抗；Z0是传输线的特征阻抗；根据上图所示的等效电路，如果有，Im是天线上的反节点电流、热损耗电阻和辐射电阻。3.6增益、在输入功率引脚相同的情况下，天线在给定方向上的辐射强度U(0，0)与理想点源天线在同一方向上的辐射强度U0(0，0)之比。即(相同引脚)，注意：上述公式中的增益表达式与方向系数完全相同，但方向系数和增益定义的基本点和条件不同。方向性系数的定义是基于辐射功率和相同的辐射功率，而不考虑天线的能量转换效率。增益的定义基于输入功率和相同的

13、输入功率。在一定方向上产生相同电场强度的情况下，理想点源的输入功率Pin0与天线的输入功率Pin之比。也就是说，(相同的电场强度)，公式中使用了关系Pin0=Pr0。因为理想的点源天线是无损的，所以它的输入功率等于辐射功率。此时，增益表达式可以写成：天线的有效辐射功率可以表示为：天线增益和方向系数之间的关系为：3.7极化辐射场的极化指的是电子终点的轨迹根据不同的轨道形状，可以分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。电磁波的极化是指电磁波在空间某一位置沿电磁波传播方向的电场矢量在空间的方向随时间的变化所描绘的轨迹。线性极化：电场矢量沿直线往复运动。线偏振分为水平偏振和垂直偏振。圆偏振：电场矢量的大小是恒定

14、的，它的末端是圆运动的。分为左手圆极化和右手圆极化。椭圆极化：电场矢量的大小随时间变化，其末端运动轨迹为椭圆。它可以分为左手椭圆偏振和右手椭圆偏振。圆极化方向的判断：拇指指电磁波的传播方向，四个手指指电场的旋转方向，称为右旋(椭圆)圆极化和左旋(椭圆)圆极化。天线极化由电磁波的极化决定。天线的极化被定义为发射时辐射电磁波在最大增益方向上的极化，或者接收时入射电磁波在天线终端最大可用功率方向上的极化。最大增益方向是天线方向图的最大方向，或最大指向方向。天线的极化在所有方向上不是恒定的，因此定义天线在其最大指向方向上的极化是有意义的。例如，对于线性极化天线，辐射电场矢量的方向随方向角而变化。对于圆

15、极化天线，它可以被设计成在最大指向方向上圆极化，但是在其他方向上通常是椭圆极化。当它远离最大指向时，它甚至可能退化为线偏振。如果将地面用作参考平面，线偏振可以分为垂直偏振和水平偏振。当电磁波的电场矢量在其最大辐射方向垂直于地面时，称为垂直极化；平行于地面被称为水平极化。相应的天线被称为垂直极化天线和水平极化天线。上图(a)中的八木天线、角锥天线和偶极天线都是典型的线性极化天线。上面图(b)所示的平面阿基米德螺旋天线和稍后介绍的等角螺旋天线和轴向模式圆柱螺旋天线是典型的圆极化天线。平面电磁波极化的讨论天线辐射的电磁波是球面波。然而，在以天线上某一点为中心、远场距离r为半径的球体上，取天线最大指向附近的一个小区域，该小区域上的电磁波可以近似为平面波。在球面坐标系中，天线远区的辐射电场一般用E和E表示，如下图所示。不失一般性，它可以用ex和Ey表示。沿着正z方向传播的平面波的合成电场可以写成，其中和是单位矢量，分别是电场分量Ex和Ey的相位，E0 x和E0y是它们的振幅。