6--天线辐射与接收的基本理论课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,6,章 天线辐射和接收的基本理论,天线概述,电流元辐射,对偶原理与磁流元辐射,对称振子辐射,天线的电参数,接收天线理论,*,本章要了解基本振子（,基本电振子，基本磁振子，缝隙、面辐射元,）的辐射特性。,预备知识是时变场的位函数、达朗贝尔方程、电磁场与电磁波第八章的电磁辐射理论基础,*定义天线的基本参数（从对馈线的角度，发射的角度，接收的角度），了解其物理意义，掌握有关计算,*经典参考读物：约翰,.,克劳斯著,天线,上下册,6.1,概论,通信的目的是传递信息,根据传递信息的途径不同,可将通信系统大致分为两大类,:,一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息,即所谓的有线通信,如电话、计算机局域网等有线通信系统,;,另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息,即所谓的无线通信,如电视、 广播、 雷达、 导航、卫星等无线通信系统。 在如图,6 -1,所示的无线通信系统中,需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波,或者将无线电波转换为导波能量,用来,辐射和接收无线电波的装置称为天线,。,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,2,、天线的作用,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,？,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,天线常用的性能指标：,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,6.2,基本振子的辐射,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,点源的矢磁位,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,电流元：长度远小于波长的一段电流，,电流均匀分布,。,天线可看成由电流元组成，天线的辐射可由各电流元的辐射叠加产生。,一 电流元（基本振子）辐射,根据电磁场理论，电流分布求矢量磁位,由于基本电振子的长度远远小于波长和场点,电流元辐射的计算,:,(1),近场,(,感应场,),区,:,在近区,电场,E,和,Er,与静电场问题中的电偶极子的电场相似,磁场,H,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,;,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。, 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。,(2),远场,(,辐射场,),区,:,辐射场特点：,(1),球面波,相位因子,-,等相位面球面,(2) TEM,波,传播方向上电磁场分量为零,(4),辐射具有方向性,(5),辐射功率,空间辐射的总功率称为辐射功率，是任意包围电流源球面上的积分，即,辐射场的方向性,二 对偶原理与磁流元的辐射,1,、对偶原理,磁流磁荷不存在，引入后可令其为,0,，不影响方程正确性,麦克斯韦方程组,对称形式麦克斯韦方程组,引入磁流与磁荷,电流产生的场的场方程和磁流产生的场的场方程形式相同。只要进行变量代换：,两者可以互相得到。因此，,电流产生的场分布经过变量代换变为磁流产生的场分布,磁流产生的场分布经过变量代换变为电流产生的场分布,2,磁流元的辐射,磁流元：,长度远小于波长的一段,磁流,，,磁流,均匀分布。,由对偶原理，磁流元辐射可由电流元辐射场经过变量代换获得,电流元辐射（远场）,磁流元辐射（远场）,磁流元辐射特点,磁流元辐射（远场）,3.,小电流环的辐射,电流小环的磁矩,磁偶极子的磁矩,磁偶极子等效为磁流元,6.3,天线的电参数,当天线的形式及其上的电流（或电磁场）分布确定之后，天线所产生的辐射场便唯一地确定了。通常我们可以利用前面所得到的微分线元或面元的辐射,场叠加,（积分）来求出特定天线的辐射场。不同的天线具有不同的形式或不同的源分布，因而具有不同的辐射场分布。,在实际工程中，如果用不同的,辐射场来比较,不同天线在某一方面的特性优劣的话，既不直观又不方便，因而往往采用我们这里所要介绍的,天线指标,来说明。,天线指标（天线的电参数）就是描述天线某一方面特性的参数，它是定量衡量天线性能的尺度。,天线的电参数是由天线辐射场所确定的。事实上，对某一天线的讨论,就是由天线的具体形式和源分布特点来确定天线的辐射场,并进而得出其有关指标。,发射天线的电参数,天线指标（天线的电参数）,就是描述天线某一方面特性的参数，它是定量衡量天线性能的尺度,。,(1),问题的提出：,不同天线在某一方面的特性优劣,(2),发射天线电参数：,以衡量天线把高频电流能量转换成空间电磁波能量及定向辐射特性，而输入阻抗和辐射阻抗则是衡量天线电路特性,辐射特性,电路特性,方向函数、方向图、方向图参数、方向系数,增益、天线的极化、有效长度、频带宽度,输入阻抗、辐射阻抗、天线效率、,电基本振子的,辐射场具有方向性，在相同距离的条件下，不同的方向上，辐射场不同。,事实上，,所有的真实天线都具有方向性,，为了描述天线的方向性，引入以下电参数：,方向函数,/,方向图,/,方向图参数,/,方向系数,（,1,）电基本振子的辐射场,1,、方向函数,（,2,）按天线的方向性对天线的分类：,各向同性（,isotropic antenna,）天线（等方向性天线,）,：在,所有方向上具有相同辐射,的,假想,的,无损耗,天线，天线又称为,“,理想点源天线,”，它通常,作为参考,来,表示实际天线的方向特性,。,方向性天线（,directional antenna,）,：具有在某些方向上比其他方向能更有效地辐射或接收电磁波的特点。,（,3,）,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的关系,天线辐射场为,，则定义天线的,方向性函数,为,电基本振子的方向性函数：,（,4,）归一化,方向函数,电场强度最大值，最大辐射方向上的电场强度,不同,(,q,f,),方向上电强分布函数,电基本振子的归一化方向性函数：,理想点源天线的归一化方向性函数,2,、天线方向图,如果将作为,空间角度,q,和,f,函数的天线方向性函数以图形的形式表示出来，则称为方向图或方向性图,。与前面方向性函数的定义相对应，方向图的类型有（归一化场强）方向图及功率方向图等等。同时改变,q,和,f,可得到空间,立体方向图,，这样的图虽形象、直观，但既不容易画出，也不容易定量地了解辐射场空间分布数值。为此，我们往往采用通过天线,最大辐射方向的两个相互垂直的面上的,平面方向图,来表示辐射方向性。,半波振子,理想点源（无耗均匀辐射器）,相互垂直的两个面：,子午面则是,f,为常数的面（,包含,z,轴,的任意平面）,赤道面是,q,=,90,的,面（即,XOY,平面,）,（,1,）子午面和赤道面方向图,子午面方向图（极坐标）,h,/,l,1,z,2,h,赤道面方向图（极坐标）,子午面方向图（极坐标）,h,/,l,1,z,2,h,赤道面方向图（极坐标）,针对,架设在地面上的天线,，常用平行于地面的,水平面,和与之垂直的,垂直面,内方向图来描述天线辐射场分布特性。这时，需,说明天线相对于地面的架设状况,（如平行于或垂直于地面），才能有效地表示天线的方向性。,线天线的,E,面：,包含振子轴线的任意平面,线天线的,H,面,:,垂直于振子轴线的平面,（,2,）水平面和垂直面方向图,E,面：,包含最大辐射方向，电场矢量所在的平面,（,由电场强度方向和最大辐射方向构成的平面,），,H,面：,包含最大辐射方向，磁场矢量所在的平面称为,（,由磁场方向和最大辐射方向构成的平面,）,。,（,3,）,E,面及,H,面方向图,x,y,H-plane pattern,E-plane pattern,90,O,z,（,4,）方向图的画法,极坐标系,or,直角坐标系,形象直观波束多时，,O,方向不易区分,极坐标系,直角坐标系可以按任意尺度扩展,图形清晰,直角坐标系,波束较少时（线天线）极坐标系,波束较多时,（,口径天线）直角坐标系,波瓣,（,波束）,：,方向图的各个部分，指以相当弱的方向为界限来划分方向图的各个部分,(,两个极小值点之间 的部分,）,主瓣：,包括最强辐射方向的波瓣,副瓣（旁瓣,）,：,除去主瓣后的所有波瓣，离开主瓣依次为第,1,，,2,，,3,个副瓣,后瓣：,与主瓣方向相反的波束,栅瓣,：,除去主瓣外，在其它方向上出现的与主瓣幅度相等的波瓣,3,、主瓣和副瓣,(a),元辐射方向性图,(b),铅笔形方向性图,(c),扇形方向性图,(d),余割平方方向性图,下图以极坐标绘出了典型的雷达天线的方向图。方向图的各个部分，指以相当弱的方向为界限来划分方向图的各个部分,(,两个极小值点之间 的部分）,波瓣（波束）；,方向图中辐射最强的方向称为,主射方向,，辐射为零的方向称为,零射方向。具有,主射方向的方向叶称为,主瓣,，其余称为,副瓣,，,离开主瓣依次为第,1,，,2,，,3,个副瓣 。与主瓣方向相反的波束，,后瓣。,除去主瓣外，在其它方向上出现的与主瓣幅度相等的波瓣,，栅瓣,一般天线设计的要求：,天线的应用中往往选择天线的设计使其在某一方向上的辐射最强，其它方向辐射较弱，使能量集中在最大辐射方向，而不耗散到其它方向（副瓣）上，造成对其它系统的干扰，因此，尽量使主瓣变窄，副瓣变弱，衡量这两个方面的天线术语：,主瓣宽度,副瓣电平,（,1,）波瓣宽度：零功率点波瓣宽度，半功率点波瓣宽度,零功率点波瓣宽度,：,主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角,用,2q,0,表示，用,2q,0E,，,2q,0H,表示,E,面或,H,面的零功率主瓣宽度,半功率点波瓣宽度（,3,分贝波瓣宽度，,3dB,波瓣宽度）：,波瓣宽度越窄，能量越集中,见图,6-6,水平和垂直波瓣,在天线的水平面（垂直面）方向图上，相对于主瓣最大点功率增益下降,3dB,的两点之间所张的角度，定义为天线的水平（垂直）波瓣宽度（,3dB,宽度，可以有其它的定义方式）。,天线辐射的大部分能量都集中在波瓣宽度内，波瓣宽度的大小反映了天线的辐射集中程度。,全向天线的水平波瓣宽度为,360,，定向天线的水平波瓣宽度有,20,、,30,、,65,、,90,、,105,、,120,、,180,等，,常用,65,、,90,；,天线的垂直波瓣宽度一般在,3,80,之间，基站采用较多的是,5,18,的天线。,天线的增益和水平及垂直波瓣宽度密切相关，一般来说，天线的波瓣宽度越小，其增益越大，在确定这三个参数时，需一起考虑。,水平和垂直波瓣宽度的选取原则,对不同传播环境、不同地形地貌，天线的水平波瓣宽度、垂直波瓣宽度一般可遵循下面的原则选取：,水平波瓣宽度,对基站数目较多、覆盖半径较小、话务分布较大的区域，水平波瓣宽度应选得小一点。,对覆盖半径较大，话务分布较少的区域，水平波瓣宽度应选得大一些。,垂直波瓣宽度,对地形平坦，建筑物稀疏，平均高度较低的区域，垂直波瓣宽度可选得小一点。,对地形复杂、落差大的区域，垂直波瓣宽度可选得大一些。,（,2,）旁瓣电平（,Side Lobe Lever SLL,）：,指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平，以分贝表示,（,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,上述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,r,0,时，天线在最大辐射方向上的功率密度,S,max,和总辐射功率相同的全向天线的功率流密度,S,0,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,。,例：确定沿,z,轴放置的电基本振子的方向系数,问：沿,z,轴放置的半波偶极子（半波振子）的方向系数,（,4,）方向性系数,D,的与辐射电阻的关系：,例：确定电基本振子的辐射电阻,5,天线的效率（,Efficiency,）,天线效率,A,：天线辐射有功功率,P,r,与天线输入的,有功功率,P,in,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,输入功率,相同时，某天线在某一方向上的远区产生的功率流密度,S,1,与理想点源（无方向性）天线在同一方向同一距离处产生的功率流密度,S,0,的比值，称为该天线在该方向上的增益系数，简称增益，常用,G,表示。,6,、天线的增益系数（增益,Gain,）,天线增益在不加特别说明时，指天线在最大辐射方向上的增益系数,Gmax,将方向系数公式（,6 -3 -4,）和效率公式（,6 -3 -9,）代入上式得,由上式可得一个实际天线在最大辐射方向上的场强为,理想点源， ，最大辐射方向上的场强为,可见，天线的增益系数为天线与理想点源天线相比在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数,增益举例,如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要,100W,的输入功率，而用增益为,G = 13 dBi= 20,的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需,100 / 20 = 5W .,换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。,半波对称振子的增益为,G = 2.15 dBi ; 4,个半波对称振子 沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为,G = 8.15 dBi ( dBi,这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源,),。,如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是,dBd,。半波对称振子的增益为,G = 0 dBd,（因为是自己跟自己比，比值为,1,，取对数得零值。）垂直四元阵，其增益约为,G = 8.15 2.15 = 6 dBd,。,0dBd = 2.15dBi,2.15,dB,增益实例,BaseStation,Transmitter,(20 watts),Convert to dBm,10Log(20) + 30 = +43 dBm,jumper,Heliax,Cable,jumper,-0.5dB,-0.5dB,-3dB,Antenna Gain,= + 18 dBi,Ant Input,Power = + 39dBm,EiRP = +39 + 18 = +57 dBm,EIRP,（有效辐射功率） 实例,目前基站天线的增益范围从,0dBi,到,20dBi,以上均有应用。,室外基站采用全向天线时增益多为,9-12dBi,，采用定向天线时增益多为,15-20dBi,。,水平波束相对较窄的天线多用于地广人稀的道路的覆盖，增益一般为,20dBi,。,室内覆盖的天线,增益一般为,0-8 dBi,。,天线的极化是天线在最大辐射方向上辐射场的极化，一般是指辐射,电场,的空间取向。,辐射场的极化是指在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹。根据轨迹形状不同，可分为线极化、圆极化和椭圆极化。,线极化：,电场矢量沿着一条线做往复运动。线极化分为水平极化和垂直极化。,圆极化：,电场矢量的大小不变，其末端做圆周运动。分为左旋圆极化和右旋圆极化。,椭圆极化：,电场矢量大小随时间变化，其末端运动的轨迹是椭圆。分为左旋椭圆极化和右旋椭圆极化。,7,、天线极化,（,1,）同频率，极化方向垂直的两列平面波的叠加，总场极化方向 取决于振幅，和相位差,（,2,）椭圆极化或圆极化判断左旋或右旋,波总是向,相位滞后方向传播,，拇指指向波传播的方向，四指由相位,超前,的波，向相位,滞后,的波方向旋转。符合右手规则，为右旋波；否则，左旋波。,左旋极化波,右旋极化波,滞后,超前,天线的极,化方式,(Polarization)-,单极化,极化匹配问题：,某种极化方式的天线，只能接收与其极化方式相同的电磁波，称谓极化匹配。如水平线极化天线只能接收水平极化的电磁波，右旋极化的天线只能接收右旋极化电磁波。极化失配意味着功率损失，例如用线极化天线接收左旋或右旋圆极化波，用右旋或左旋圆极化天线接收线极化波，均有,3dB,的功率损耗。,主极化与交叉极化：,在垂直于矢径的平面（等相位面）上，可以将电场矢量分解为两个相互正交的极化分量，与设计初衷一致的称为主极化分量，相反的称为交叉极化分量。主极化分量与交叉极化分量的比值，称为极化隔离度，通常用,dB,表示。,一个线极化波可以分解成水平极化分量和垂直极化分量；椭圆极化波可以分解成两个幅度不等、旋向相反的圆极化分量。极化隔离度充分大的前提下，同一频率可正交复用，即利用两个相互正交的极化，以实现收发之间的同频隔离。,8,、有效长度（,effective length,）（线天线）,实际考察天线,：,电流分布,不均匀,假想天线,：其上的电流分布为,均匀分布,作比较,：,当观察点离开天线的距离不变时，此假想天线在最大辐射方向上所产生的辐射场强,等于,实际天线在最大辐射方向上的辐射场强。,（同距离，最大辐射方向上的场强值不变的情况下）,归算电流,：,馈电点处的电流值（,输入电流,I,in,），或者,电流最大值,I,max,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,均匀分布,时,天线的,等效长度。,比较条件：,最大辐射方向上的场强值不变,设：实际天线的长度为,h,，天线上的电流分布为,I,（,z,），归算电流为,I,in,，,有效长度,h,ein,场叠加原理,实际电流于等效均匀电流所包围的面积相等,引入等效长度，线天线远区场可表示为：,电场强度、方向性系数,D,与有效长度的关系,9,、,匹配,匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗,50,。,天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。,电压驻波比,VSWR:,微波传输线的阻抗必须与天线的输入阻抗匹配,否则就会有反射波产生，流向信号源,由反射波和入射波合成而产生的称为驻波,驻波信号振幅的最大值与最小值之比称为电压驻波比,VSWR,它是行波系数的倒数，其值在,1,到无穷大之间。驻波比为,1,，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于,1.5,，但实际应用中,VSWR,应小于,1.3,。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。,反射系数：,电磁波遇到障碍物就会产生反射。,如果终端所接负载阻抗与传输线特性阻抗不相等，在线路终端，不仅有入射波，还会有反射波。,从传输功率的观点来看，因阻抗不匹配使信号源送到负载的功率返回去一些，称之为部分反射，,9.5,W,80,ohms,50,ohms,Forwarda,: 10,W,Backward,: 0.5,W,回波损耗,(,Return Loss),回波损耗：,它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在,0dB,到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。,0,表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于,14dB,。,回波损耗,Return Loss： 10log(10/0.5) = 13dB,驻波比,VSWR (Voltage Standing Wave Ratio),10,频带宽度：,天线的所有电参数都和频率有关。任何天线的工作频率都有一定的范围，,在这个范围内，天线的某个或这某些特性指标达到标准。当工作频率偏离中心工作频率,f,0,时，天线的电参数将变差，其变差的容许程度取决于天线设备系统的工作特性要求。,(Bandwidth),频带宽度：,中心频率两侧天线的特性下降到还能接受的最低限度时，两频率的差值,，此时对应的频率范围称为频带宽度。,根据天线设备系统的工作场合不同影响天线频带宽度的主要电参数也不同，所以天线的频带宽度不唯一。对应于不同的特性指标，有不同的频带宽度。,工作带宽,（,BANDWIDTH,）= 896 - 824 = 72MHz,Optimum 1/2 wavelength,for dipole at 860MHz,at,896,MHz,Antenna,Dipole,at,824,MHz,示例：,CDMA 800MHz,系统天线的,工作带宽,CDMA,常用的频段有,450M800M1900M,CDMA 450,: 450-468MHz,CDMA 800,: 824-896MHz,CDMA 1900,: 1850-1990MHz,小结,本节讨论了天线的一些指标，即描述天线性能的有关参数。发射天线的指标可分为这样几类：,1,描述天线辐射电磁波能力的有：辐射功率，辐射电阻，输入阻抗及天线效率等。,2,描述天线辐射电磁波场分布不均匀性的有：方向性函数，方向性图等。,3,描述天线辐射电磁波在最大辐射方向上的集中程度的有：方向性系数，主瓣宽度和副瓣电平，增益，有效长度等。,此外，还有其它一些如频带，极化等。,同一天线用作接收天线时其指标与其用作发射天线时的指标之间具有互易性，即两种情况下的对应指标完全相等。这一性质称为收发天线的互易性，可用互易定理直接导出（互易性只存在于无源天线的情形）。但是接收天线的一些特殊的指标，如天线的吸收面积，天线的噪声温度等。,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,天线接收的物理过程,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，接收大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,，求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,E,v,，；一个是与,入射面平行的分量,E,h,，。,注意,:,接受天线首先要考虑与发射天线的极化匹配问题，对于线天线，当两者的极化存在失配角 时 ，,分解到入射平面的分量,在这个切向分量的作用下,天线元段,dz,上将产生感应电动势,设在入射场的作用下,接收天线上的电流分布为,I,(,z,),并假设电流初相为零,则接收天线从入射场中吸收的功率,由上述分析得整个天线吸收的功率为,根据电磁场的边值理论,天线在接收状态下的电流分布应和发射时相同。 因此假设接收天线的电流分布为,I(z)=Im sink(l-|z|),2.,有效接收面积,(,从能流密度矢量的角度，接受的最大功率可以换算为有效接受面积）,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,P,Lmax,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,A,e,即有,式中,S,av,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,）,方向上匹配时,根据图,6-12,接收天线的等效电路,传送到匹配负载的平均功率（考虑天线本身的损耗）为,（最大方向对准，极化匹配，阻抗匹配,）,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,等效噪声温度了,T,a,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,T,R,（,1,）接收天线复杂的电磁环境,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及地面噪声，它们主要分布在微波及稍低于微波的波段。,（,2,）电路中的噪声问题,有一个,噪声电阻,R,，则电子无规则热运动在电阻两端产生一个热电压,噪声电压,若：,R,两端接一,匹配负载,，则负载电阻,R,L,的最大噪声功率（即,噪声电阻,R,相接的网络的输入阻抗只有电阻分量且其电阻值也等于,R,，则它从噪声源得到的最大热噪声功率为）,：,可见,匹配负载所获得的噪声功率与电阻,R,值无关，而与绝对温度,T,成正比。因此，在,带宽一定,的前提下，可以用,T,直接来衡量电阻产生的噪声的大小,并把它称为,电阻,R,的噪声温度。,噪声源分布在天线周围的空间,天线的等效噪声温度为,式中,T,(, ),为噪声源的空间分布函数；,F,(, ),为天线的归一化方向函数。,显然,T,a,愈高,天线送至接收机的噪声功率愈大,反之愈小。,T,a,取决于天线周围空间的噪声源的强度和分布,也与天线的方向性有关。,4.,接收天线的方向性,从接收的角度讲,要保证正常接收,必须使信号功率与噪声功率的比值达到一定的数值。为此,对接收天线的方向性有以下要求,:,主瓣宽度尽可能窄,以抑制干扰。但如果信号与干扰来自同一方向,即使主瓣很窄,也不能抑制干扰,;,另一方面,当来波方向易于变化时,主瓣太窄则难以保证稳定的接收。,旁瓣电平尽可能低。如果干扰方向恰与旁瓣最大方向相同,则接收噪声功率就会较高,也就是干扰较大,;,对雷达天线而言,如果旁瓣较大,则由主瓣所看到的目标与旁瓣所看到的目标会在显示器上相混淆,造成目标的失落。 因此,在任何情况下,都希望旁瓣电平尽可能的低。, 天线方向图中最好能有一个或多个可控制的零点,以便将零点对准干扰方向,而且当干扰方向变化时,零点方向也随之改变,这也称为零点自动形成技术。,本章小结,（四个基本内容）,1,）了解电基本振子的辐射特点：,近场区为,TM,波，功率流为虚功，无辐射功率（作为感应场仍有一定的应用）,远场区近似为,TEM,波，辐射功率为径向的实功率,非常重要,归一化方向函数为,F,（,）,=|sin,|,辐射电阻为,方向系数为：,2,）整理置换出磁偶极子的辐射场结构,3,）定义了发射天线的电参数，给出了推导计算公式（掌握其应用，工程实践中还需了解指标参数的测试方法）,最重要的是推导出方向函数（注意例,6-4,）,方向系数,：,归一化方向函数,：,方向函数,：,方向函数基础上定义主瓣宽度，旁瓣电平，前后比,波瓣宽度：,零功率点波瓣宽度，半功率点波瓣宽度,副瓣电平：,副瓣平均功率密度最大值与主瓣平均功率密度最大值之比,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,了解辐射功率和辐射电阻的计算,重要的中间结果,辐射电阻与方向系数，有效长度间关系,天线效率,A,：天线辐射有功功率,P,r,与天线输入的,有功功率,P,in,之比，表示天线能量转化的量度，,提高天线效率：减少损耗电阻，提高辐射电阻,天线增益,G,:,即,输入功率,相同时，某天线在某一方向上的远区产生的功率流密度,S,1,与理想点源（无方向性）天线在同一方向同一距离处产生的功率流密度,S,0,的比值，称为该天线在该方向上的增益系数，简称增益，常用,G,表示。,增益系数,G,是综合衡量天线,能量集中程度（方向特性,）和,能量转换效率的参数,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,均匀分布,时,假想天线,的长度为,实际天线的,等效长度。,线天线的,有效长度,是指一个,假想,的天线长度,有效长度,4,）讨论了接收天线的接收原理,最大接收功率的条件：极化匹配，最大接收方向对准最大辐射方向，阻抗匹配等,提出了接收面积的概念,重要结果,等效噪声温度的概念,