八、天线基础

第八章天线基础8.1天线导引定义：Websters字典：用来发送或接受无线电波的金属棒或电线。IEEE：一种用来发送或接受无线电波的工具。图8.1.1天线8.1.1天线的类型1、线形天线2、口径天线3、微带天线4、阵列天线5、反射器天线6、透镜天线8.1.2辐射机理•取一导线，很薄，则电流又可以表示成•则电流公式可写为•假如导线的长度为l,则ZlzIqvzzllzdIdvqqadtdtzzllzdIdvllqlqadtdt•这个公式简单地说明要产生辐射就必须有一个时变的电流或者具有加速度的电荷。我们经常谈到的电流是在时谐状态下的，而电荷往往是讨论其瞬间的情况。为了使电荷产生加速度，必须使导线弯曲或者使其成V形，还可将其表面制成非连续型或使其具有终端。当在时谐条件下振荡时，电荷就会产生周期性的加速度，或者产生时变电流。时域，可以得到如下结论：•1.假如没有电荷运动，就不可能产生电流，也不会有辐射。•2.假如电荷在导线内作匀速运动：a.如果导线是笔直无限长的，就不会有辐射。b.如果导线被弯曲或制成V形，使其具有终点或将其截断，以及将其表面制成非连续型都将产生辐射。•3.假如电荷在瞬时状态下振动，即便导线是笔直的也将产生辐射。8.2电偶极子的辐射•在几何长度远小于波长的线元上载有等幅同相的电流，这就是电偶极子。关于电偶极子产生的电磁场的分析计算，是线形天线工程计算的基础。•设线元上的电流随时间作正弦变化，表示为•如图8.2.1所示，电偶极子沿z轴放置，中心在坐标原点。元的长度为l、横截面积为，故有•则用替换，载流线元在点P产生的矢量位为cosRejtitItIed'zzIVlsIlsJeesd'zIzed'VJ0d'4jkrzlIezreAr•电偶极子•考虑到lr，故式（8.2.1）可近似为IPzr图8.2.1电偶极子reee04jkrzIlerAre•它在球坐标系中的三个坐标分量为•点p的磁场强度电场强度为00coscos4sinsin40jkrrzjkrzIlAAerIlAAerA2200sin14rjkrHHkIljHekrkr323032302cos14sin140jkrrjkrIlkjEekrkrIlkjjEekrkrkrE8.2.1电偶极子的近区场(1)的区域称为近区，在此区域中且得1kr23111krkrkr3030cos2sin4rIlEjrIlEjr2sin4IlHr1jkre•由式（8.2.6）和（8.2.7）计算近区场的平均功率流密度矢量•此结果表明电偶极子的近区场没有电磁功率向外输出。应该指出，这是忽略了场表示式中的次要因素所导致的结果，而并非近区场真的没有净功率向外输出。•(2)的区域称为远区，在此区域中•整理得1Re02SEH平均1kr23111krkrkr0sin2sin2jkrjkrIlEjerIlHjer8.2.2电偶极子的远区场Kr》1的区域称为远区。则有此特点：23111krkrkr0sin2sin2jkrjkrIlEjerIlHjer8.3磁偶极子的辐射磁偶极子又称磁流元，其实际模型是一个小电流圆环，它的周长远小于波长，且环上载有的时谐电流处处等福同相，表示为cosRejtitItIe8.3.1小电流环及其等效磁矩磁荷为：•磁极间的假象电荷为•根据电磁对偶原理，自由空间的磁偶极子与自由空间的电偶极子取如下的对偶关系：0000,,,MEMEMMHEEHqqII0Misql0ddddMMsqiItlt8.4天线的基本参数通常是以发射天线来定义天线的基本参数的，这些参数将描述天线把高频电流能量转换成电磁波能量并按要求辐射出去的能力。1.方向性函数和方向性图天线辐射特性与空间坐标之间的函数关系式称为天线的方向性函数.根据方向性函数绘制的图形则称为天线的方向性图。定义天线的方向性函数：在离开天线一定距离处，描述天线辐射场的相对值与空间方向的函数关系，称为方向性函数，表示为。,f•为便于比较不同天线的方向特性，通常采用归一化方向性函数。定义为•式中的为指定距离上某方向的电场强度值，为同一距离上的最大电场强度值；为方向性函数的最大值。•实际应用的天线的方向性图要比电偶极子的方向性复杂，出现很多波瓣，分别称为主瓣和副瓣，有时还将主瓣正后方的波瓣称为后瓣。maxmax,,,,fFfEE,E,maxEmax(,)f1.0半功率点主瓣轴0.50.5副瓣半功率波束宽度(HPBW)图8.4.1典型的功率方向图图8.4.1典型的功率方向图•通常考虑以下几个参数：（1）主瓣宽度主瓣轴线两侧的两个半功率点（即功率密度下降为最大值的一半或场强下降为最大值的）的矢径之间的夹角，称为主瓣宽度，表示为（E面）或（H面）。主瓣宽度愈小，说明天线辐射的能量愈集中，定向性愈好。电偶极子的主瓣宽度为。2）副瓣电平最大副瓣的功率密度S1和主瓣功率密度S0之比的对数值，称为副瓣电平表示为通常要求副瓣电平尽可能低。120.520.520901010lgdBSSLLS（3）前后比主瓣功率密度S0与后瓣功率密度Sb之比的对数值，称为前后比。表示为通常要求前后比尽可能大。2．方向性系数在相等的辐射功率下，受试天线在其最大辐射方向上某点产生的功率密度与一理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度的比值，定义为受试天线的方向性系数。表示为010lgdBbSFBS002maxmax200PPPPrrrrSEDSE•式中的Pr和Pr0分别为受试天线和理想的无方向性天线的辐射功率。•故20222max0002222max00,1dd21,sindd2,sindd240rssEPsEFrErF平均Ss2max22200240,sinddrPErF•而理想的无方向性天线的辐射功率为•故•则•上式为计算天线方向性系数的公式。222220000044260rEErPSrr200260rPEr则02max2220004,sinddPPrrEDEF而即对于无方向性天线，D=1,得比较上两式可看出，受试天线的方向性系数，表征该天线在其最大辐射方向上比无方向性天线而言将辐射功率增大的倍数。220max0260rPEDEDr0max60rPPrrDPEr00max60rPPrrPEr•例8.4.1计算电偶极子的方向性系数解：电偶极子的归一化方向性函数为故若用分贝表示，则为D=10lg1.5=1.76dB.3.效率天线的效率定义为天线的辐射功率Pr与输入功率Pin的比值，表示为,sinF220041.5sinsinddDrrAinrLPPPPP•式中的PL为天线的总损耗功率，通常包括天线导体中的损耗和介质材料中的损耗。•若把天线向外辐射的功率看作是被某个电阻吸收的功率，该电阻称为辐射电阻Rr。同样，把总损耗功率也看作电阻上的损耗功率，该电阻称为损耗电阻。则有•故天线的效率可表示为•可见，要提高天线的效率，应尽可能增大辐射电阻和降低损耗电阻。2211,22rrLLPIRPIRrrArLrLPRPPRR•4．增益系数在相同的输入功率下，受试天线在其最大辐射方向上某点产生的功率密度与一理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度的比值，定义为该受试天线的增益系数。表示为•式中的Pin和Pin0分别为受试天线和理想的无方向性天线的输入功率.考虑天线效率的定义可得:•以及002maxmax200PPPPininininSEGSEAGDmax60inGPEr•对于无方向性天线，故G=1,则例如，为了在空间一点M处产生某特定值的场强，若采用无方向性天线来发射需输入10W的功率；但采用增益系数G=10的天线发射，则只需输入1W的功率。5．输入阻抗天线的输入阻抗定义为天线输入端的电压与电流的比值，表示为1,1AD0max60inPErinininininUZRjXI式中的Rin表示输入电阻，Xin表示输入电抗。天线的输入端是指天线通过馈线与发射机（或接收机）相连时，天线与馈线的连接处。天线作为馈线的负载，通常要求达到阻抗匹配。6.有效长度天线的有效长度是衡量天线辐射能力的又一个参数，它的定义是：在保持实际天线最大辐射方向上的场强不变的条件下，假设天线上的电流为均匀分布，电流的大小等于输入端的电流，此假想天线的长度le即称为实际天线的有效长度，•7．极化•天线的极化特性是天线在其最大辐射方向上电场矢量的取向随时间变化的规律。正如在波的极化中已讨论过的，极化就是在空间给定上，电场矢量的端点随时间变化的轨迹。按轨迹形状分为线极化、圆极化和椭圆极化。lleIinIinI=IinI=I(z)z(a)实际天线(b)假想天线图8.4.2天线的有效长度通常，偏离最大辐射方向时，天线的极化将随之改变。•8．频带宽度线极化天线又分为水平极化和垂直极化天线。圆极化天线又分为右旋圆极化和左旋圆极化天线。天线的所有电参数都与工作频率有关，当工作频率偏离设计的中心频率时，往往要引起电参数的变化。例如，工作频率改变时，将会引起方向图畸变、增益系数降低、输入阻抗改变等等。天线的频带宽度的一般定义是：当频率改变时，天线的电参数能保持在规定的技术要求范围内，将对应的频率变化范围称为该天线的频带宽度，或简称带宽。8.5对称天线对称天线由两臂长各为l、半径为a的直导线或金属管构成，如图8.5.1所示，它的两个内端点为馈电点。对称天线是一种应用广泛的基本线形天线，它既可单独使用，也可作为天线阵的组成单元。2a图8.5.1对称天线的辐射场计算•对称天线上的电流分布()sin,sin,0sin,0IzIklzzlIklzzlIklzlz22al2bl322cl•故对称天线的辐射场为•可见，对称天线的归一化方向性函数为'cos60dsinsindcoscoscos60sinjkrlljkzlljkrIeEEjklzezrklklIjercoscoscos,sinklklF•图8.5.3绘出不同长度的对称天线的归一化方向图（E面）。由于结构的对称性，方向图与无关，即H面方向图是圆。图8.5.3对称天线的E面方向图z1.00.707z1.00.707z078047()22al()2bl3()22cl8.5.3半波对称天线半波天线是对称天线中应用最广的。将代入式(8.5.4)即得到半波天线的归一化方向性函数.•方向性图如图8.5.3(a)所示，主瓣宽度为。半波天线的辐射场可由式(8.5.3)取得到22lcoscos2,sinF02784lcoscos602sinjkrIEjer•半波天线的辐射功率为•故得半波天线的辐射电阻为•半波天线的方向性系数为2220021dsin212036.54rsPErddIW平均Ss2273.