天线的辐射和接收基本理论

《天线的辐射和接收基本理论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天线的辐射和接收基本理论（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、天线的辐射和接收基本理论 1 1概论1 2基本振子的辐射 1 3天线的电参数 1 4接收天线理论 第1章天线的基本理论 1 1概论 通信的目的是传递信息 根据传递信息的途径不同 可将通信系统大致分为两大类 一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息 即所谓的有线通信 如电话 计算机局域网等有线通信系统 另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息 即所谓的无线通信 如电视 广播 雷达 导航 卫星等无线通信系统 在如图1 1所示的无线通信系统中 需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波 或者将无线电波转换为导波能量 用来辐射和接收无线电波的装置称为天线 图1 1无线电通信系统框图 发射机所产生

2、的已调制的高频电流能量 或导波能量 经馈线传输到发射天线 通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量 并向所需方向辐射出去 到达接收点后 接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量 经馈线输送至接收机输入端 天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备 它的选择与设计是否合理 对整个无线电通信系统的性能有很大的影响 若天线设计不当 就可能导致整个系统不能正常工作 综上所述 天线应有以下功能 天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量 这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统 其次要求天线与发射机或接收机匹配 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上 或对确定方向的

3、来波最大限度的接受 即天线具有方向性 天线应能发射或接收规定极化的电磁波 即天线有适当的极化 天线应有足够的工作频带 以上四点是天线最基本的功能 据此可定义若干参数作为设计和评价天线的依据 通信的飞速发展对天线提出了许多新的要求 天线的功能也不断有新的突破 除了完成高频能量的转换外 还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理 如信号处理天线 单脉冲天线 自适应天线和智能天线等 特别是自1997年以来 第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点 而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技术之一 天线的种类很多 按用途可将天线分为通信天线 广播电视天线 雷达天线等 按工作波长 可

4、将天线分为长波天线 中波天线 短波天线 超短波天线和微波天线等 按辐射元的类型可将天线分为两大类 线天线和面天线 所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成 主要用于长波 中波和短波波段 面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的 主要用于微波波段 超短波波段则两者兼用 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统 馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线 同轴线传输线 波导或微带线等 由于馈线系统和天线的联系十分紧密 有时把天线和馈线系统看成是一个部件 统称为天线馈线系统 简称天馈系统 研究天线问题 实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布 空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件

5、 因此 求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件 但这往往十分繁杂 有时甚至是十分困难的 在实际问题中 往往将条件理想化 进行一些近似处理 从而得到近似结果 这是天线工程中最常用的方法 在某些情况下 如果需要较精确的解 可借助电磁场理论的数值计算方法来进行 由于本书是针对非微波专业学生 所以尽可能地绕过繁杂的推导 计算 主要介绍天线的基本概念 基本理论及与现代通信紧密相关的新技术及其应用 1 2基本振子的辐射 1 电基本振子 电基本振子是一段长度l远小于波长 l 电流I振幅均匀分布 相位相同的直线电流元 它是线天线的基本组成部分 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的 下面首先介

6、绍电基本振子的辐射特性 在电磁场理论中 已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电基本振子 图1 2 在周围空间产生的场为 图1 2电基本振子的辐 下面首先介绍电基本振子的辐射特性 在电磁场理论中 已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电基本振子 图1 2 在周围空间产生的场为 对式 1 2 2 进行分析可知 在近区 电场E 和Er与静电场问题中的电偶极子的电场相似 磁场H 和恒定电流场问题中的电流元的磁场相似 所以近区场称为准静态场 由于场强与1 r的高次方成正比 所以近区场随距离的增大而迅速减小 即离天线较远时 可认为近区场近似为零 电场与磁场相位相差90 说明玻印廷矢量为虚数 也就是说 电磁能量在

7、场源和场之间来回振荡 没有能量向外辐射 所以近区场又称为感应场 2 远区场 实际上 收发两端之间的距离一般是相当远的 kr 1 即r 2 在这种情况下 式 1 2 1 中的1 r2和1 r3项比起1 r项而言 可忽略不计 于是电基本振子的电磁场表示式简化为 式中 将上式代入式 1 2 3 得电基本振子的远区场为 对式 1 2 5 进行分析可知 在远区 电基本振子的场只有E 和H 两个分量 它们在空间上相互垂直 在时间上同相位 所以其玻印廷矢量是实数 且指向r方向 这说明电基本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波 所以远区场又称辐射场 E H 120 是一常数 即等于媒质的本征阻抗 因而

8、远区场具有与平面波相同的特性 辐射场的强度与距离成反比 随着距离的增大 辐射场减小 这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的 当距离增大时 辐射能量分布到更大的球面面积上 在不同的方向上 辐射强度是不相等的 这说明电基本振子的辐射是有方向性的 2 磁基本振子的场 在讨论了电基本振子的辐射情况后 现在再来讨论一下磁基本振子的辐射 我们知道 在稳态电磁场中 静止的电荷产生电场 恒定的电流产生磁场 那么 是否有静止的磁荷产生磁场 恒定的磁流产生电场呢 迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在 但是 如果引入这种假想的磁荷和磁流的概念 将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够产生同样电

9、磁场的磁荷和磁流来取代 即将 电源 换成等效 磁源 可以大大简化计算工作 稳态场有这种特性 时变场也有这种特性 小电流环的辐射场与磁偶极子的辐射场相同 磁基本振子是一个半径为b的细线小环 且小环的周长满足条件 2 b 如图1 3所示 假设其上有电流i t Icos t 由电磁场理论 其磁偶极矩矢量为 根据电与磁的对偶性原理 只要将电基本振子场的表达式 1 2 1 中的E换为 2H H换为E 并将电偶极矩p Il j 换为磁偶极矩pm 就可以得到沿z轴放置的磁基本振子的场 图1 3磁基本振子的辐射 与电基本振子做相同的近似得磁基本振子的远区场为 比较电基本振子的远区场E 与磁基本振子的远区场E

10、可以发现它们具有相同的方向函数 sin 而且在空间相互正交 相位相差90 所以将电基本振子与磁基本振子组合后 可构成一个椭圆 或圆 极化波天线 具体将在第2章中介绍 1 3发射天线的电参数 1 天线方向图及其有关参数 所谓天线方向图是指在离天线一定距离处 辐射场的相对场强 归一化模值 随方向变化的曲线图 通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示 1 在地面上架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示其方向图 1 水平面 当仰角 及距离r为常数时 电场强度随方位角 的变化曲线 参见图1 4 2 铅垂平面 当 及r为常数时 电场强度随仰角 的变化曲线 参见图1 4 2 超高

11、频天线 通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示 1 E平面 所谓E平面 就是电场矢量所在的平面 对于沿z轴放置的电基本振子而言 子午平面是E平面 2 H平面 所谓H平面 就是磁场矢量所在的平面 对于沿Z轴放置的电基本振子 赤道平面是H面 图1 4坐标参考图 例1 1 画出沿z轴放置的电基本振子的E平面和H平面方向图 解 E平面方向图 在给定r处 E 与 无关 E 的归一化场强值为 E sin 这是电基本振子的E平面方向图函数 其E平面方向图如图1 5 a 所示 H平面方向图 图1 5 a 电基本振子E平面方向图 b 电基本振子H平面方向图 c 电基本振子立体方向图 在给定r处 对于 2 E 的

12、归一化场强值为 sin 1 也与 无关 因而H平面方向图为一个圆 其圆心位于沿z方向的振子轴上 且半径为1 如图1 5 b 所示 实际天线的方向图一般要比图1 5复杂 典型的H平面方向图如图1 6 a 所示 这是在极坐标中E 的归一化模值随 变化的曲线 通常有一个主要的最大值和若干个次要的最大值 头两个零值之间的最大辐射区域是主瓣 或称主波束 其它次要的最大值区域都是旁瓣 或称边瓣 副瓣 为了分析方便 将图1 6 a 的极坐标图画成直角坐标图 即图1 6 b 所示 图1 6 a 极坐标表示的H平面方向图 b 直角坐标H平面方向图 c 直角坐标H平面方向图 3 天线的方向图参数 为了方便对各种天

13、线的方向图特性进行比较 就需要规定一些特性参数 这些参数有 主瓣宽度 旁瓣电平 前后比及方向系数等 1 主瓣宽度 主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量 通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度 在场强方向图中 等于最大场强的两点之间的宽度 称为半功率波瓣宽度 有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度 称为零功率波瓣宽度 2 旁瓣电平 旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平 一般以分贝表示 方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域 所以其电平应尽可能的低 且天线方向图一般都有这样一条规律 离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低 第一旁瓣电平的高低 在某种意义上反映了天线方向性的好坏 另外 在天

14、线的实际应用中 旁瓣的位置也很重要 3 前后比 前后比是指最大辐射方向 前向 电平与其相反方向 后向 电平之比 通常以分贝为单位 上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态 但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果 因此都不能单独体现天线集束能量的能力 例如 旁瓣电平较低的天线并不表明集束能力强 而旁瓣电平小也并不意味着天线方向性必然好 为了更精确地比较不同天线的方向性 需要再定义一个表示天线集束能量的电参数 这就是方向系数 4 方向系数 方向系数定义为 在离天线某一距离处 天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S0

15、之比 记为D 即 下面由这个定义出发 导出方向系数的一般计算公式 设实际天线的辐射功率为P 它在最大辐射方向上r处产生的辐射功率流密度和场强分别为Smax和Emax 又设有一个理想的无方向性天线 其辐射功率为P 不变 它在相同的距离上产生的辐射功率流密度和场强分别为S0和E0 其表达式分别为 由方向系数的定义得 下面来求天线的辐射功率P 设天线归一化方向函数为F 则它在任意方向的场强与功率流密度分别为 将式 1 3 5 代入上式 则功率流密度的表达式为 在半径为r的球面上对功率流密度进行面积分 就得到辐射功率 将上式代入式 1 3 4 即得天线方向系数的一般表达式为 由公式 1 3 8 可以看

16、出 要使天线的方向系数大 不仅要求主瓣窄 而且要求全空间的旁瓣电平小 例1 2 确定沿z轴放置的电基本振子的方向系数 解 由上面分析知电基本振子的归一化方向函数为 F sin 将其代入方向系数的表达式得 若以分贝表示 则D 10log101 5 1 76dB 可见 电基本振子的方向系数是很低的 2 天线效率 天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比 记为 A 即 式中 Pi为输入功率 Pl 为欧姆损耗 常用天线的辐射电阻R 来度量天线辐射功率的能力 天线的辐射电阻是一个虚拟的量 定义如下 设有一电阻R 当通过它的电流等于天线上的最大电流时 其损耗的功率就等于其辐射功率 显然 辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标 即辐射电阻越大 天线的辐射能力越强 由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为 即辐射电阻为 仿照引入辐射电阻的办法 损耗电阻Rl为 将上述两式代入式 1 3 9 得天线效率为 可见 要提高天线效率 应尽可能提高R 降低Rl 例1 3 确定电基本振子的辐射电阻 解 设不考虑欧姆损耗 则根据式 1 2 4 知电基本振子的远区场为 将其代入式 6 3 7 得辐射功率为 所以辐