天线辐射与接收理论

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 天线辐射与接收的基本理论,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,第6章 天线辐射与接收的基本理论,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。,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。,天线应具有如下基本功能：, 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。, 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收, 即天线具有方向性。 , 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。 ,2.,天线的分类,按频率不同分长波、中波、短波、超短波和微波天线。,按用途不同分发射和接收天线。,按场合不同分通讯、广播、雷达、导航天线。,按性能不同分窄带、宽带和超宽带天线，全向和定向天线（低副瓣、超低副瓣和极低副瓣天线），以及移动和固定天线。,按结构不同分线天线和面天线。,按发展阶段分传统天线和现代天线（自适应天线、智能天线和软件天线）。,研究天线问题,实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件,因此,求解天线问题实质上是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； 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。 ,6.2,基本振子的辐射,1.,电基本振子,电基本振子是一段长度,l,远小于波长,线上各点电流等幅同相,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。,电基本振子的辐射,（1）近场区,在靠近电基本振子的区域(,kr,1，即,r,1,即,r,/2,）,在这种情况下, 1/,r,2,和,1/,r,3,项比起,1/,r,项而言,可忽略不计,于是电基本振子的电磁场表示式简化为,式中,将上式代入式,，,得电基本振子的远区场为,远区场只有 和 两个分量。,远区场为辐射场。,远区场场强随 的一次方下降。,辐射场具有方向性。,基本电振子辐射场的方向图,6.3,天线的电参数,1. 天线方向图及其有关参数,（,1,）方向性函数,在距天线 的球面上，天线辐射场强 是坐标 和的函数，称为方向性函数，用 表示。,归一化方向性函数,（,2,）方向图,如果天线在各方向辐射的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则连接全部矢量端点所形成的包络就是天线的方向性图。一般采用归一化方向图。,通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示：,（1） E平面,所谓E平面，就是电场矢量构成的平面。对于沿z轴放置的电基本振子而言, 垂直与,xOy,的平面是E平面。 ,（2） H平面,所谓H平面，就是磁场矢量构成的平面。对于沿z轴放置的电基本振子, 平行与,xOy,的平面是H平面。, 例 6 - 1画出沿z轴放置的电基本振子的E平面和H平面方向图。,解: E平面方向图: ,在给定,r,处,E,与,无关;,E,的归一化场强值为, |,E,|=|sin,|,这是电基本振子的E平面归一化方向性函数, 其E平面方向图如下图所示。 , H平面方向图: ,电基本振子,E,平面方向图；,(b),电基本振子,H,平面方向图；,(c),电基本振子立体方向图,实际天线的方向图一般要更复杂。典型的H平面方向图如下图所示, 这是在极坐标中电场的归一化模值随,变化的曲线。,练习：已知电场在,E,面归一化场强为,|,E,|,=|(1+2cos,)/3|,，分别用极坐标和直角坐标的方法画出天线在,E,平面的方向图。,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、前后比及方向系数等。 ,(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。 ,E,max,0.707E,max,(2),旁瓣电平,旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平,一般以分贝表示。方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域,所以其电平应尽可能的低,且天线方向图一般都有这样一条规律,:,离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低,在某种意义上反映了天线方向性的好坏。另外,在天线的实际应用中,旁瓣的位置也很重要。,(3),前后比,前后比是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比,通常以分贝为单位。 ,上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态,但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果,因此都不能单独体现天线集束能量的能力。,例如,旁瓣电平较低的天线并不表明集束能力强,而旁瓣电平小也并不意味着天线方向性必然好。为了更精确地比较不同天线的方向性,需要再定义一个表示天线集束能量的电参数,这就是方向系数。 ,（,4,） 方向系数,方向系数定义为,:,在离天线某一距离处,天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度,S,max,与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度,S,0,之比,记为,D,即,下面由这个定义出发,导出方向系数的一般计算公式。 ,设实际天线的辐射功率为,P,它在最大辐射方向上,r,处产生的辐射功率流密度和场强分别为,S,max,和,E,max,;,又设有一个理想的无方向性天线,其辐射功率为,P,不变,它在相同的距离上产生的辐射功率流密度和场强分别为,S,0,和,E,0,其表达式分别为,由方向系数的定义得,下面求天线辐射功率,P,。天线归一化方向函数为,F,(,),则它在任意方向的场强与功率流密度分别为,则功率流密度的表达式为,在半径为,r,的球面上对功率流密度进行面积分,就得到辐射功率,:,得天线方向系数的一般表达式为,因此，,要使天线的方向系数大,不仅要求主瓣窄,而且要求全空间的旁瓣电平小。 ,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,:,|,F,(,)|=|sin,|, 将其代入方向系数的表达式得,若以分贝表示,则,D,=10 log,10,1.5=1.76dB,。可见,电基本振子的方向系数是很低的。 ,2.,天线效率,天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比,记为,A,， 即,式中,P,i,为输入功率；,P,L,为欧姆损耗。,常用天线的辐射电阻,R,来度量天线辐射功率的能力。天线的辐射电阻是一个虚拟的量,定义如下,:,设有一电阻,R,当通过它的电流等于天线上的最大电流时,其损耗的功率就等于其辐射功率。显然,辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标,即辐射电阻越大,天线的辐射能力越强。 ,由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为,即辐射电阻为,仿照引入辐射电阻的办法,损耗电阻,R,L,为,得天线效率为,可见,要提高天线效率,应尽可能提高,R,降低,R,L,。 ,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,A,由上式可见: 天线方向系数和效率愈高, 则增益系数愈高。 现在我们来研究增益系数的物理意义。 ,将方向系数公式和效率公式代入上式得,由上式可得一个实际天线在最大辐射方向上的场强为,假设天线为理想的无方向性天线，即,D,=1,A,=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。,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。,如此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：,电场矢量只是大小随时间变化而取向不变，其端点的轨迹为一直线时，称为线极化。,对于线极化波，电场矢量在传播过程中总是在一个确定的平面内，这个平面就是电场矢量的振动方向和传播方向所决定的平面，常称为极化平面。因此线极化又称为平面极化。 ,电场矢量与地面垂直时为,垂直极化,，与地面平行时为,水平极化,。,圆极化,当电场振幅为常量而电场矢量以角速度,围绕传播方向旋转时，称为圆极化。,在圆极化的情况下，如果在垂直于传播方向的某一固定平面上观察电磁波的电场矢量，则其端点随着时间变化在该平面上画出的轨迹是一个圆。,如果在某一时刻沿传播方向把各处的电场矢量画出来，则电场矢量端点的轨迹为螺旋线。,矢量端点旋转方向与传播方向成右手螺旋关系的叫,右旋圆极化波,，成左手螺旋关系的叫,左旋圆极化波,。,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。,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。 ,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,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,。,6.4,接收天线理论,1. 天线收发互易性,接收天线的方向性和该天线用作发射天线时的方向性完全相同，称为天线方向性的互易原理。,可见,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,A,e,=0.12,2,。如果考虑天线的效率,则有效接收面积为,3,.,接收天线的方向性,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。,因此,如何选择主瓣宽度,应根据具体情况而定。,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。,