电子科大微波技术--天线.

第10章天线电磁波是通信、雷达、遥感、遥控、导航、目标探测与定位、环境监测、资源勘探、灾害预报等的理论和技术基础，是现代能源（电能）的重要组成部分。涉及人类生活的各个方面，经济建设的各个部门，科技发展的各个领域。监测沙尘暴灾害作为信息的载体广泛应用于通信、电视等电磁波作为探测的手段广泛应用于雷达、遥感等电磁波能量广泛应用社会、经济方方面面电磁波的产生:电磁波应用的基础时变电流或加速运动的电荷向空间辐射电磁波为获得各种不同应用要求的电磁波，需要设计不同时变电流的空间分布。这种用于产生或接受特殊要求的电磁波的装置称为——天线。t,rJ磁场力线电场力线电磁波不同时变电流的空间分布将辐射不同分布的电磁波相控阵天线电偶极子天线微带天线缝隙天线面天线卫星天线10.1概述天线：辐射和接收电磁波的装置天线的作用：发射天线：把高频电流能量转化为在预定方向的电磁波接收天线：把空间的电磁波转化为高频电流电压天线的地位：高频电流能量和电磁波的接口无线电波的出口和入口天线的分类：按用途：通信天线、导航天线、雷达天线、广播天线按波段：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线按频宽：窄带天线、宽带天线、超宽带天线按功能：发射天线、接收天线按极化方式：线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线按时用环境：基地站天线、移动台天线按方向性：全向天线、定向天线、强方向性天线、弱方向性天线按结构：线天线、口径天线按工作原理：驻波天线、行波天线、阵列天线、漏波天线对天线的要求：有较强的辐射电磁波能力一定的方向性高的转换效率一定的极化方式一定的带宽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10.2电流元辐射电流元：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电流元辐射等同于电偶极子辐射tqtIdttitqmsinsin)()(电流元辐射的计算jIqm分量和分量，电场有磁场只有rjIqm定磁场相同。磁场与恒定电流元的恒的电偶极子的场相同。电场与tqtqmsin)(。量互相转化，为储能区辐射不占优势，电磁能。坡印亭矢量为近似虚数相位差、，很快衰减。没有电磁相互作用。由电流感应产生。由电荷感应产生，,90,23oHErHrEHE方向辐射波。沿方向。为辐射占优势，辐射方向数。同相，坡印亭矢量为实、电磁互相产生、、。分量，电磁场互相垂直和只有rHErHEHErHEHE/,11对称）面方向性图为圆形（轴字形，面方向性图为），（方向性函数辐射场与方向有关。HEf8sin中间区：介乎远场区与近场区之间，储能与辐射都不占优势。对于天线问题，我们主要关心远场辐射区磁流磁荷不存在，引入后令其为0，不影响方程tHEJtEHJJeme的场方程（电荷电流产生的场)0,0memJtHEtEHJJ的场方程（磁荷磁流产生的场)0,0电流产生的场的场方程经过变量代换变为磁流产生的场的场方程磁流产生的场的场方程经过变量代换变为电流产生的场的场方程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磁流元的辐射场可从电流元的辐射场作变量代换得到电流元辐射磁流元辐射变量代换方向特性与电流元辐射相同sin),(f的磁流元的小电流环等效于、电流为半径为dlISjIIam0dlISjIm0代入磁流元辐射磁流元、电流环辐射与电流元辐射的方向特性相同sin),(f对称振子上电流近似为正弦分布，末端为0。对称振子上电荷近似为余弦分布，末端最大。方向性函数方向性函数：辐射场与方向之间的关系函数。方向性图：用图形表示的方向性函数天线增益通常也以分贝表示，即GGlg10dB目前卫星通讯地面站使用的大型抛物面天线，方向性很强，且效率也很高，其增益通常高达50dB以上。3.对称天线辐射对称天线是一根中心馈电的，长度可与波长相比拟的载流导线，如下图示。LLdzyxIm其电流分布以导线中点为对称，因此被称为对称天线。若导线直径d，电流沿线分布可以近似认为具有正弦驻波特性。因为对称天线两端开路，电流为零，形成电流驻波的波节。电流驻波的波腹位置取决于对称天线的长度。设对称天线的半长为L，在直角坐标系中沿z轴放置，中点位于坐标原点，则电流空间分布函数可以表示为LLdzyxIm|)|(sinmzLkII式中Im为电流驻波的空间最大值或称为波腹电流，常数。π2k既然对称天线的电流分布为正弦驻波，对称天线可以看成是由很多电流振幅不等但相位相同的电流元排成一条直线形成的。这样，利用电流元的远区场公式即可直接计算对称天线的辐射场。已知电流元产生的远区电场强度应为zIdrkrzZIEje2sindjd由于观察距离，可以认为组成对称天线的每个电流元对于观察点P的指向是相同的，即，如左图示。Lrrr//zyxPrdz'z'z'cosr'那么，各个电流元在P点产生的远区电场方向相同，合成电场为各个电流元远区电场的标量和，即rkLLrzZIEje2sindj考虑到，可以近似认为。但是含在相位因子中的不能以r代替r，由于，可以认为rLrr11rr//coszrrzyxPrdz'z'z'cosr'对称天线若周围媒质为理想介质，那么远区辐射电场为krkLkLrIEjmesincos)coscos(60j方向性因子为sincos)coscos()(kLkLf由此可见，对称天线的方向性因子与方位角无关，仅为方位角的函数。|)|(sinmzLkIILLdzyxIm电流分布2L=/22L=2L=22L=3/2四种长度的对称天线方向图sincos2πcos)(fsin1)cosπcos()(fsincos23πcos)(fsin1cosπ2cos)(f半波天线全波天线：全波振子：半波振子，2/4/ll辐射功率：天线向外辐射的电磁功率dSPs*Re21HES可取以天线为球心，半径远大于波长的大球面。对于高频电流来说，天线相当于一个负载，天线辐射出去的能量相当于该负载在消耗能量。rRrXII辐射电阻：一个等效电阻，当天线上的电流流过该电阻时所消耗的功率等于天线的辐射功率。srrdSPRI*2Re2121HE22IPRrr如果天线上的电流分布不均匀时，辐射电阻的计算与所取的电流有关。辐射电阻的大小反映天线辐射能力强弱2dl辐射电阻天线电尺寸越大，辐射能力越强2005.0/7325.0/rrRlRl，全波振子：，半波振子：对称振子辐射电阻随长度振荡上升，长度越长，辐射能力越强，当出现反向电流时辐射抵消，辐射电阻下降。10.6发射天线的基本电参数天线的方向性图天线的方向性系数天线的增益天线的效率天线的工作带宽天线的极化特性天线的输入阻抗天线的辐射电阻10.6.1天线的方向性图方向性图：图形表示的方向性函数，表示天线辐射电磁波的能力与方向之间的关系。可以用直角坐标或极坐标表示。可以用线性标度或分贝标度。可以是二维表示或三维表示。用二维表示时需要表明是在哪个平面上的方向性图已知电流元的方向性因子为，其最大值，所以该电流元的归一化方向性因子为sin),(f1mfsin),(F若采用极坐标，以为变量在任何等于常数的平面内，函数的变化轨迹为两个圆，如左上图示。),(FyzyxxyzrEEHH电流元将左上图围绕z轴旋转一周，即构成三维空间方向图。由于与无关，在的平面内，以为变量的函数的轨迹为一个圆，如左下图示。2π主瓣：辐射最大的波瓣副瓣、旁瓣：其余的波瓣（1）主瓣宽度：1.005.02101022点之间的夹角最大辐射值低主瓣宽度：主瓣两边比夹角边零辐射方向之间的零瓣主瓣宽度：主瓣两个半功率点的夹角半功率宽度：主瓣中两dBdB主瓣宽度越小，辐射能量越集中，方向性越强。（2）副瓣电平副瓣为不需要的辐射，副瓣电平越低越好前后比：主瓣最大值与后瓣最大值之比下图以极坐标绘出了典型的雷达天线的方向图。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叶，其余称为副叶。为了定量地描述主叶的宽窄程度，通常定义：场强为主射方向上场强振幅的倍的两个方向之间的夹角称为半功率角，以表示；两个零射方向之间的夹角称为零功率角，以表示。215.020220主射方向主叶后叶副叶零射方向零射方向120.52121xzy10.6.2天线的方向性系数定义：在相同的辐射功率下，有方向性的天线在给定方向上的辐射功率密度与假想的无方向性的“点源”天线的辐射功率密度的比值。定量地表示能量在给定方向集束程度，可以定量反映方向性的强弱。无方向性天线定向天线2),(21),(2*EHES2),(200ES定义：在相同的辐射功率下，有方向性的天线在给定方向上的辐射场强的平方与假想的无方向性的“点源”天线的辐射场强平方比值。0202),(),(rrPPEED无方向性天线定向天线),(2E),(20E由224),(240),(rPDEr224),(240),(rPDEr无方向性天线定向天线0),(EE0E0rPrP方向性系数：在产生相同的辐射场强的条件下，无方向性的“点源”天线所需的辐射功率与定向天线所需的辐射功率之比。方向性系数的计算),(),(maxFEEdBDDDFdB76.1log105.1sin),(或对于电流元辐射，dBDDlllFdB15.264.1242sincos)coscos(),(或对于半波振子10.6.3天线的效率与增益天线的效率等于辐射功率与输入功率的比值（2）天线的增益定义：在相同的输入功率下，有方向性的天线在给定方向上的辐射功率密度与假想的无方向性的“点源”天线的辐射功率密度的比值。无方向性天线定向天线),(2E),(20E定义：在相同的输入功率下，有方向性的天线在给定方向上的辐射场强的平方与假想的无方向性的“点源”天线的辐射场强平方比值。无方向性天线定向天线0),(EE0E0rPinP定义：在产生相同的辐射场强的条件下，无方向性的“点源”天线所需的输入功率与定向天线所需的输入功率之比。天线的增益表示在相同的输入功率条件下，定向天线辐射能流密度比无方向性天线增大的倍数。天线的增益表示在产生相同的场强条件下，定向天线与无方向性天线相比可以节省的输入功率的倍数。天线的增益等于天线的效率乘以方向性系数dBGdBG15.276.176.15.1或半波振子：或电流元：10.6.4天线的输入阻抗天线的输入阻抗：输入端电压与电流的比值计算方法：1、等值传输线法：把对称振子天线等效为非均匀有耗平行双线，天线的输入阻抗等于等值平行双线的输入阻抗。2、感应电动势法3、矩量法：NEC、IE3D、MWO、Ensemble4、有限元法：HFSS5、有限差分法6、FDTD：Fidelity、XFDTD对称振子的输入阻抗等值传输线的结果：天线越细，阻抗越大，带宽越小；天线越粗，阻抗越小，带宽越大单臂长为4分之1波长整数倍附近电抗为0，天线谐振。谐振长度：天线谐振时（电抗为0）天线的长度。半波振子天线的谐振长度略小于半波长原因：1、导线中的波长小于自由空间波长2、天线输入端和末端分布电容效应10.6.5天线的极化特性天线的极化特性：天线在最大辐射方向辐射的电磁波的极化方式。直线极化天线：辐射的电磁波为直线极化。电场矢量平行地面的为水平