微波仿真论坛_辐射和天线

CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)1CH.4輻射和天線吳鳳技術學院電子工程系黃仁芬編寫CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)2本章內容概論短雙極天線輻射特性半波雙極天線任意長度的雙極天線一個接收天線的有效面積Friis傳輸公式大孔徑天線的輻射矩型孔徑有著均勻孔徑分佈天線陣列N個陣列有著均勻相位分佈陣列的電子掃描CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)3概論(Overview)CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)4互易性(Reciprocity)天線輻射場型(antennaradiationpattern)或天線場型(antennapattern):天線輻射功率的相對分佈函數。等向性(isotropic)天線：天線輻射在各方向都相等。天線是個互易性(reciprocity)裝置，它所發射的輻射場型，也可以接收同樣的場型。並非所有天線都是互易裝置，固態天線若跟半導體或磁性物質在一起就不是互易裝置了。CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)5天線的種類CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)6天線偏振(antennapolarization)天線阻抗(antennaimpedance)輻射源(radiationsource)遠場範圍(far-fieldregion)CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)7CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)89-1短雙極(ShortDipole)~1短的天線長度與波長比較起來非常短，在天線上流動的電流大小可以被當成是均勻分佈。短雙極天線(shortdipole)又叫做Hertziandipole，它的長度l遠小於波長λ。CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)9短雙極(ShortDipole)~2]Re[cos)(00tjeItItiCH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)10短雙極(ShortDipole)~3找位於Q點的電場和磁場，可由向量位(vectorpotential)A來求。A的位置函數是，它與電場和磁場之間的關係是A~00~~~~jHEAHCH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)11短雙極(ShortDipole)~4定義為μ0是自由空間的磁化率(themagneticpermeabilityoffreespace)=4π×10-7(henry/m)k是波數(wavenumber)=2π/λ是電流密度(currentdensity)，s是雙極線的截面積(crosssectionalarea)。A~''~4)(~''0dvReJRAvjkRzsIJˆ~0CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)12短雙極(ShortDipole)~5dv’=sdz積分範圍由=-l/2到+l/2CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)13短雙極(ShortDipole)~6CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)14短雙極(ShortDipole)~7將代入其中ˆsinˆcosˆRzˆˆˆ4)ˆsinˆ(cos~00AARARelIRARjkR0~sin4~cos4~0000ARelIARelIAjkRjkRRCH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)15短雙極(ShortDipole)~8從得到00~~~~jHEAHsin])()(1[4~cos])()(1[42~sin])(1[4~3202032020220kRjkRkRjelkIEkRjkRelkIEkRkRjelkIHjkRjkRRjkRCH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)16短雙極的遠場近似值(FarFieldApproximation)因Ｒλ，所以kR＝2πR/λ1，於是遠場只需要用32)(1)(11kRkRkR0000~sin4~sin4~ERelkjIHRelkjIEjkRjkRCH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)17CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)18短雙極的功率密度(PowerDensity)~1功率密度就是波映亭向量(Poyntingvector)的時間平均值。對於短雙極來說，HESav~~Re21RSRRlIkRRSSavˆsinˆsin32ˆ),(2022222020CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)19短雙極的功率密度(PowerDensity)~2將功率密度的最大值定為Smax，於是定義歸一化輻射場(normalizedradiationintensity)F(θ,φ)。對於HertzianDipolemax),,(),(SRSF2222022220200maxsin)(),(1532FFlRIRlIkSSCH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)20CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)219-2天線輻射特性~1(AntennaRadiationCharacteristics)一個接收天線有著相同的指向性天線場型(directionalantennapattern)，如同它操作在傳送模態時的場型。右圖的小面積dA它輻射的功率為面積dA對應的立體角(solidangle)定義為ddRdASdAdARSdASdPavavradsinˆ2ddRdAdsin2CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)229-2天線輻射特性~2(AntennaRadiationCharacteristics)所以一個球面的立體角是，半球面的立體角是2。因dA=R2d，所以4422RR4max2200max220022),(sin),,(sin),,(),,(dFSRddRFSRddRSRPdRSRdPradrad總輻射功率CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)23天線場型(AntennaPattern)上升平面(Elevationplane)也叫做平面。幅角平面(Azimuthplane)，=90o的平面。主平面(Principleplane)，指上升平面+幅角平面。F(dB)=10logFCH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)24主瓣(mainlobe)與旁瓣(sidelobe)CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)25場型立體角(patternsolidangle)場型立體角定義如下：對於一個等方向性天線來說，4),(dFp4,1),(pFCH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)26束寬(beamwidth)半功率束寬(half-powerbeamwidth)12CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)27天線指向性(AntennaDirectivity)指向性D定義為對於等方向天線D也可表示成pavdFFFD4),(4114max1,4isopDavradSSPSRDmaxmax24CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)28yzDxzp44CH.9RadiationandAntennas(editedbyhjf)29例9-1決定下圖的(a)最大輻射方向(b)場型立體角(c)指向性(d)在y-z平面上的半功率束寬,2cos),(F