天线原理 第三章 天线基本参数

天线与微波技术国防科技重点实验室西安电子科技大学第三章天线基本参数西安电子科技大学第三章天线基本参数1、方向性函数2、方向图（RadiationPattern）3、方向图参数4、方向系数（Directivity）5、天线效率6、增益（Gain）7、极化（Polarization）8、有效长度9、输入阻抗（InputImpedance）10、辐射阻抗（RadiationResistance）11、频带宽度（Bandwidth)西安电子科技大学第三章天线基本参数天线方向图的定义：天线辐射方向图或天线方向图定义为“天线的辐射参量随空间坐标的变化图形”，辐射参量包括天线辐射的功率通亮密度、场强、相位和极化。通常天线方向图在远场区确定，并表示为空间方向坐标的函数——方向（图）函数，此时方向图的形状就与距离无关。一般我们最关心的是功率方向图和场强方向图。辐射方向图西安电子科技大学第三章天线基本参数§3.1方向性函数任何天线辐射的电磁波都不是均匀平面波，其辐射场都具有方向性。所谓的方向性函数，就是在相同距离的条件下天线的辐射场的相对值与空间方向的关系，一般用来表示。,,f天线在空间任意方向的电场强度的大小可以表示为：(,)(,)E0(,)(,)AfE与方向无关的常数0A就是场强方向图函数，并且只是的函数(,)f,0(,)(,)fAE西安电子科技大学第三章天线基本参数,60sin60,,frIrIlrEsin60,,,lrIrEf方向性函数定义为：以基本电振子为例，其辐射电场强度可以表示成：分量表达式j60cos(cos)cos()jsinrmIllEer对称振子：对称振子的方向图函数为cos(cos)cos()()sinllf西安电子科技大学第三章天线基本参数为便于比较，通常采用归一化方向性函数来表示，即：,Fmaxmax,,,,,ErEffFsin,F1,F对于一个理想的点源，其辐射场是无方向性的，在相同距离处，任何方向场强大小均相等，归一化方向性函数。基本电振子的归一化方向性函数为：基本振子西安电子科技大学第三章天线基本参数归一化功率方向图00(,)(,)(,)mPSS功率通量密度也就是复坡印廷矢量的幅值显然可得功率归一化方向图与场强归一化方向图的关系：2(,)(,)PF),(lg20),(FFdB分贝：),(lg10),(lg10),(2FPPdBdBdBPF),(),(西安电子科技大学第三章天线基本参数§3.2方向图（RadiationPattern）将方向性函数以曲线方式描绘出来，称之为方向图。它是描述天线辐射场在空间相对分布随方向变化的图形。通常指归一化方向图。1.方向图分类三维方向图二维方向图极坐标方向图直角坐标方向图主平面：E面方向图、H面方向图幅度分贝球坐标方向图直角坐标方向图西安电子科技大学第三章天线基本参数2.立体方向图（三维）变化和得到的方向图为立体方向图，它综合描述了天线在各个方向上的辐射情况。下图是基本电振子的立体方向图。基本电振子的3D方向图半波对称振子与基本电振子的方向图区别？(a)7元八木天线(b)三维球坐标场强方向图(c)三维直角坐标场强方向图西安电子科技大学第三章天线基本参数基本电振子的3D方向图(a)7元八木天线(b)三维球坐标场强方向图(c)三维直角坐标场强方向图西安电子科技大学第三章天线基本参数3.E面、H面方向图E面—包含最大辐射方向的电场矢量所在的平面。用E面去截取立体方向图，则得到E面方向图。H面—包含最大辐射方向的磁场矢量所在的平面。用H面去截取立体方向图，则得到H面方向图。0sinEF21HF圆极化天线没有E面和H面？对于基本电振子，E面是包含z轴的任一平面，例如XOZ平面，此面上，方向函数为。而H面为XOY平面，此面上，方向函数为。西安电子科技大学第三章天线基本参数西安电子科技大学第三章天线基本参数§3.3方向图参数实际天线或者阵列天线的方向图比较复杂，通常有多个波瓣，包括主瓣（主波束）、多个副瓣（旁瓣）和后瓣（尾瓣），如图所示。西安电子科技大学第三章天线基本参数1.半功率波瓣宽度（Half-powerBeamwidth）半功率波瓣宽度又称主瓣宽度或3dB波瓣宽度，是指主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707倍（最大功率密度下降一半）的两辐射方向之间的夹角，通常用表示。5.0202smsmEEWWSLLlg20lg103.副瓣电平（SideLobeLevel）定义：副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般用分贝表示，即：2.零功率波瓣宽度（FirstNullBeamwidth）主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角，通常用表示。主瓣宽度又称为半功率波束宽度或3dB波束宽度。一般情况下，天线的E面和H面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为2θ0.5E和2θ0.5H。西安电子科技大学第三章天线基本参数通常，最靠近主瓣的第一个副瓣是所有副瓣中最大的，为衡量辐射功率集中于主瓣的程度，引入第一副瓣电平（FirstSideLobeLevel）的概念，它是第一副瓣最大值与主瓣最大值之比。副瓣电平通常指第一副瓣电平。副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。因此，天线副瓣电平愈低，表明天线在不需要方向上辐射或接收的能量愈弱，或者说在这些方向上对杂散的来波抑制能力愈强，抗干扰能力就愈强。因此，在天线设计中常有低副瓣设计要求如基站的上旁瓣、雷达天线。4.前后比主瓣最大值与后瓣最大值之比，用分贝表示。西安电子科技大学第三章天线基本参数不同用途要求天线有不同的方向图。例如，广播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定的方向性以提高天线增益，见下图(a)；对微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图，见下图(b)；对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束。(a)水平全向方向图(b)笔形波束方向图(c)余割平方波束方向图西安电子科技大学第三章天线基本参数基站板状天线基本技术指标：频率范围824-960MHz频带宽度70MHz增益14~17dBi极化垂直端口阻抗50Ohm电压驻波比≤1.4前后比25dB下倾角（可调）3~8°半功率波束宽度水平面60°~120°垂直面16°~8垂直面上旁瓣抑制-12dB西安电子科技大学第三章天线基本参数立体角——单位，立体弧度球面的面积对应的立体角为4πsr。在球坐标系中，球面的面积元：ddrdssin2所对应的立体角元：2sindsdddr天线在某方向的辐射强度是该方向单位立体角的辐射功率。(,)(,)(,)rrdPSdsUdd§3.4方向系数（Directivity）24r■辐射强度U(θ,φ)定义：给定方向上的辐射强度定义为天线在单位立体角内所辐射的功率。它是一个远场参数。西安电子科技大学第三章天线基本参数半径为r的球面面积为S=4πr2，其立体角为Ω=4π，在给定方向上的辐射强度U(θ,φ)表示为22*1ˆ(,)(,)()2rUSrrEHr由定义：所有立体角上的辐射功率，即为(,)rPUddds球面面元对于立体角元2sindsdddr2(,)(,)rUSr222,(,)(,)(,)mmmESUFESU西安电子科技大学第三章天线基本参数*1()2SrEH复坡印亭矢量*1ˆ2fssPSddssEHn流出的总功率平均辐射强度：理想点源天线的辐射强度与方向角无关。即U0(θ0,φ0)=U0，它可由所讨论天线在4π立体角内辐射功率的平均值来表示，即av4rPU*1ˆReRe2rssPSddssEHn天线的辐射功率西安电子科技大学第三章天线基本参数方向性系数是用来表征天线辐射能量集中程度的一个参数。在相同辐射功率Pr条件下，某天线在给定方向的辐射强度U(θ0,φ0)与理想点源天线在同一方向的辐射强度U0(θ0,φ0)之比(平均辐射强度)。即由式可见，辐射强度与电场强度的平方成正比，因此上式也可以表述为0000av00(,)(,)(,)UDU(相同Pr)2200000(,)(,)/DEE(相同Pr)式中，E(θ0,φ0)为天线在指定方向上的电场强度，E0为理想点源天线在同一方向的电场强度。西安电子科技大学第三章天线基本参数为波束立体角,定义为:222(,)4(,)(,)(,)11(,)(,)44AFFUDUdFd4ravPUA2(,)AFd波束立体角就是这样一个立体角，假如单位立体角的功率(辐射强度)等于波束区的最大值,全部功率将会从该立体角中辐射出去。222,(,)(,)(,)mmmESUFESUd),(UPrd/),(/),(44/),(),(mmrUUUUPUD西安电子科技大学第三章天线基本参数通过把辐射功率指向预期方向，可将该方向的辐射强度比同样功率用于各向同性时增加D倍。方向性完全取决于方向图的形状。方向图系数是空间坐标的函数。一般方向系数指最大辐射方向的方向系数。ddFFD20022sin),(),(4),(方向性系数西安电子科技大学第三章天线基本参数可以得到计算方向系数的公式为：2002sin,4ddFDdBFSLL20HED5.0502241000。2max,,DDF任一方向上的方向系数与最大方向系数的关系：方向系数与波束宽度之间的关系：（条件）无方向性天线的方向系数为多少?主瓣越窄，方向系数越大D=1西安电子科技大学第三章天线基本参数通信距离与场强的关系天线的方向性为(最大方向的方向性系数)2/4mrSDPr2||1202mmES其中，自由空间中，可得出通信距离与场强的关系60rmPDEr所以，任意方向的场强也可求出来),(),(FEEm例：发射天线工作频率1GHz，辐射功率为30W，方向系数为2，在距天线1km远处空间电场强度的大小为0.06V/m；若将天线的辐射功率提高到60W，则电场强度的大小增加3dB。西安电子科技大学第三章天线基本参数方向性系数是无量纲的量，工程上一般采用分贝表示10lgdBDD(dB)•dBm•dBi•dBd•dB•dBc区别dBm是一个考征功率绝对值的值计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。[例2]对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为：10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。[例1]如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm西安电子科技大学第三章天线基本参数dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子天线，所以两者略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出要大2.15，即dBi=dBd+2.15。[例3]对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi.[例4]0dBd=2.15dBi。西安电子科技大学第三章天线基本参数dB是一个表征相对值的值，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时,按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）[例6]甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功