工程中常用的典型天线

第六章 工程中常用的典型天线,微波技术与天线,电子科技大学,电子工程学院,*,*,第六章 工程中常用的典型天线,6.5 引向天线(八木天线),由一个,有源振子,，一个,反射器,和若干个,引向器,组成。,一、结构,优点：结构简单，架设方便且牢固，具有单一辐射特性,缺点：波段范围较窄,二、引向天线工作原理,八木天线本质是一个天线阵，通过对有源振子馈电，其余振子（反射器和引向器）靠与馈电振子之间的,近场耦合,产生感应电流形成激励，感应电流的大小取决于振子的长度及间距。,通过调整各振子的,长度及间距,，可改变各振子之间的,电流分配比,，从而达到控制天线方向性的目的。,三、无源振子的作用,以二元振子为例进行分析,。,m为两振子电流的振幅比；为两振子电流的相位差，二者均取决于振子的长度及其间距。,一般情况下，有源振子的长度为半波振子（,考虑波长缩短效应，有源振子的长度为,）。,不同无源振子，不同阵元间距时的方向图：,有源振子,无源振子,由图可知，当无源振子与有源振子的间距d0.25时：,工程上引向天线结构选择：,2、若无源振子的长度l,2,长于,有源振子的长度l,1,，则二元引向天线的最大辐射方向偏向有源振子所在的方向，此时无源振子具有,反射,有源振子辐射场的作用,反射器,。,1、若无源振子的长度l,2,短于,有源振子的长度l,1,，则二元引向天线的最大辐射方向偏向无源振子所在方向，此时无源振子起,引导,有源振子辐射场的作用,引向器,；,无源振子与有源振子的间距取,d=(0.150.23),；,引向器长度取,2l,2,=(0.420.46),；,引向器长度取,2l,2,=(0.500.55),；,引向器数目一般不超过,12,。,主瓣宽度：,方向系数与增益：,三、引向天线特性参量,L,a,是引向天线的总长度；K,l,是比例常数。,某六元引向天线及其方向图,(,a,)引向天线示意图；(,b,),E,面方向图；(c),H,面方向图；(,d,)三维方向图,6.5 螺旋天线,一、结构,通常有金属接地板（或接地网栅），由同轴线馈电，同轴线的内导体与螺旋线相接，外导体与接地板相连。,螺旋天线的参数：,螺旋直径,d=2R,；,每圈的长度,L,螺距,S,；,螺距角,；,圈数,N,。,二、螺旋天线辐射特性,法向辐射模式,轴向辐射模式,圆锥辐射模式,螺旋天线辐射特性随螺旋尺寸不同而不同：,1）当L较小（L1.3时，天线辐射主向与螺线轴线成斜射角度，称为,圆锥辐射模式,。,三、轴向模螺旋天线,当L=(0.81.3)时，天线上的电流近似呈行波分布，此时天线的辐射场呈圆极化,其最大辐射方向沿轴线方向。,轴向最大辐射条件：,螺旋天线可等效为N个相似元（平面圆环）组成的天线阵。由端射天线阵辐射条件，要使得最大辐射方向沿轴向，要求相邻阵元沿轴向的辐射场总相位差为0，即：,波的空间传播相位常数,行波电流相移常数,故：满足端射条件的阵函数为：,螺旋天线的经验公式：,方向系数：,半功率波瓣宽度：,输入阻抗：,6.8 移动通信天线,移动通信基站天线要求：,有足够的机械强度和稳定性,采用垂直极化,增益应尽可能高,天线与馈线应良好地匹配,目前,陆地移动通信使用的频段为150MHz(VHF)和450MHz、900MHz（UHF）、1800 MHz。,并馈共轴阵列,手持机用天线要求：,小巧和方便,水平面方向图全向，垂直面方向图应为主向沿地表,垂直极化,6.10 微带贴片天线,一、结构,由介质基片、接地板、辐射元组成,辐射元可为矩形、圆和椭圆等形状,优点：尺寸小、重量轻、价格低，便于获得圆极化，易于实现双频段和双极化,缺点：一般工作频带窄,二、工作原理,以矩形微带天线为例分析其辐射原理。,介质基片,接地板,由微带传输线理论：,1,、由于,h,，场沿,h,方向均匀分布；,2,、近似认为场沿宽度,w,方向也没有变化；,3,、场分布仅在长度方向有变化。,当,l/2,时：,在辐射元两端电场近似可视作幅度相等，水平分量相位相同、垂直分量相位相反。,故：微带天线的辐射可以等效为由两个等幅同相缝隙天线所组成的二元阵列。,微带阵列天线,四、微带天线馈电方式,侧馈 底馈,微带天线最大辐射方向：微带天线平面,法线,方向。,6.11 口径面天线,栅格抛物面天线,单脉冲天线,一、基本口径面辐射源惠更斯元的辐射,1、惠更斯元定义,口径面内尺寸远小于波长的一个平面可视作惠更斯元，其上的幅度和相位可视作均匀分布。它是二次辐射源。,2、惠更斯元的辐射特性,设平面口径上一个惠更斯元dS=dxdy,其上切向电场为E,sx,切向磁场为H,sy,。,由等效原理，场分布可等效为相应的面电流和面磁流，故惠更斯元可视作电流元 和磁流元 叠加而成：,由电磁场相关理论，可得等效电流元和磁流元产生的辐射场，进而求得,惠更斯元的远区辐射合成场,为:,两个方向上的辐射方向函数为:,总的辐射方向函数为:,归一化方向函数为:,惠更斯元远区辐射特性：,1、辐射场为,TEM波,（球面波）；,2、为,单向辐射,，辐射方向图绕法线轴,旋转对称,；,3、最大辐射方向为其,正法线,方向；,二、平面矩形口径的辐射(喇叭天线),设平面口径面S位于xoy平面上，,口径面上电场分布为Es,，则其在M处产生的辐射场表达式为：,式中:,在球坐标系下：,考虑到远区条件下，距离r远大于口径尺寸：,将以上近似条件代入远区辐射场表达式，得：,若口径为尺寸为ab的矩形口径，其远区辐射场为,1.口径场Es沿y轴线极化且均匀分布,不考虑口径场相位分布的影响，即假设口径场相位相等。,令口径场为：，则,对上式积分，即可获得口径场的远区辐射场。工程上常采用数值积分方法（如高斯积分法）求解。,其E面归一化方向函数为（）,其H面归一化方向函数为（）,讨论：,1）口径面天线可视作由无线多惠更斯面元组成的二维面阵；,阵因子,惠更斯元方向函数,2）最大辐射方向沿口径面法向（）；,3）半功率主瓣宽度：,4）E面和H面最邻近主瓣的第一个峰值均为0.214,所以第一旁瓣电平为,5）方向系数,根据方向系数的定义，有,2、口径场沿y轴线极化且振幅沿x轴余弦分布,不考虑口径场相位分布的影响，即假设口径场相位相等。,令口径场为：，将其代入口径场远区辐射场表达式，积分可得求得方向函数：,讨论：,2）主瓣宽度和旁瓣电平：,E平面第一旁瓣电平为,H平面第一旁瓣电平为,1）相对于均匀分布口径场，余弦分布口径场H面方向图改变，则其方向函数也改变口径场分布决定远区辐射场；,3)方向系数：,式中,为口径利用系数。口径场余弦分布时，=0.81；,口径场均匀分布时，=1。,4）对比口径场均匀分布情形，口径场余弦分布时主瓣展宽，方向系数下降（增益降低），同时副瓣电平也下降。,3.口径场不同相时对辐射的影响,1)直线律相移,平面电磁波倾斜投射于平面口径时,在口径上形成直线律相移。,若口径面上最大偏移为 ,振幅为均匀分布,则口径场表达式为,代入矩形口径远区辐射场表达式，可求得H面方向函数为,从上式可得：直线律相移时，最大辐射方向为 ，相当于将口径面偏转 角，等效口径尺寸下降，口径利用系数减小,2)平方律相移,球面波或柱面波垂直投射于平面口径时,在口径平面上形成平方律相移。,设在矩形口径上沿x轴有平方律相位偏移,且相位最大偏移为,m,振幅为均匀分布,则口径场表达式为,通过分析可得：平方律相移不会改变最大辐射方向，但将展宽主瓣，同时抬高副瓣，口径利用系数减小。,三、旋转抛物面天线,栅格抛物面天线,单脉冲天线,切割抛物面天线,后馈式抛物面天线,1、结构,组成：旋转抛物面 馈源(位于焦点),2、抛物面天线的工作原理,准线,抛物线：到定点和定线距离相等的点构成的曲线。,位于焦点的馈源辐射的电磁波，经旋转抛物面天线反射后到达抛物面口径面，所经过的波程相等。,抛物面天线,将发散的球面波反射形成单向辐射的平面波，形成电磁能量会聚,强方向性。,3、抛物面天线的辐射特性,可以求得：旋转抛物面E面和H面方向函数均为,式中：,为馈源方向函数；,说明：,旋转抛物面天线主瓣宽度一般可用下式估算：,4、抛物面天线的最佳照射,影响抛物面性能的因素：,口径利用系数,馈源辐射截获效率,（1）口径利用系数,旋转抛物面天线方向系数：,在反射面确定时，馈源方向图越宽，其在口径面上形成口径场分布越均匀，口径利用因子越大。,（2）口径截获系数,馈源辐射的功率,部分被反射面截获,其余的功率都溢失在自由空间。,设馈源辐射的功率为P,投射到反射面上的功率为P,则截获系数为,在反射面确定时，馈源方向图越宽，泄漏的功率越大，口径截获系数越小。,（3）方向系数D,:方向系数因素,由于口径利用因数 和口径截获因数 是两个,相互矛盾,的因素，因此,对于一定的馈源方向函数,必对应着一个最佳张角 ,使得 最大,即,方向系数最大,。,反射面张角等于最佳张角时，馈源对抛物面的照射称为最佳照射。,一般最佳照射时g0.83,且抛物面口径边缘处的场强比中心处低11 dB,。,4、抛物面天线对馈源的基本要求,馈源方向图与抛物面张角配合,使天线方向系数最大，同时使能量漏失尽可能小；,具有确定的相位中心，以保证抛物面口径场相位相同；,尺寸应尽可能地小,以减少对口径的遮挡；,应具有一定的带宽。,四、双反射面天线,1、结构,组成：,主反射器,(旋转抛物面)、,副反射器,(双曲面)和,辐射器(馈源),三部分组成。,2、工作原理,主反射器,副反射器,辐射器,主反射面焦点与福反射面一个焦点重合，馈源置于福反射面另一焦点位置。,双曲面特性：,1、双曲面上任意点P与焦点F1连线PF1与过改点与另一焦点F2连线的反向延长线PF2的夹角，被过该点的法线平分。,2、双曲线上任一点P到两焦点的距离差等于常数。,双反射面天线特点：,优点：等效焦距长；,缺点：结构复杂，副反射面遮挡较大。,特性1：从馈源发射的电磁波经副反射面反射后，所有射线反向延长线汇聚于P2，即可,等效为馈源位于F2点的抛物面天线,；,特性2：,从馈源辐射的电磁波经副反射面、主反射面反射，到达口径面时经过的波程相等,平面波,。,第六章 工程中常用的典型天线,