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1、1天线与电波传播（I）天线与电波传播（I）22. 天线电参数2.1 方向图2.2 辐射功率密度2.3 辐射强度2.4 波束宽度2.5 方向性系数2.6 天线效率2.7 增益2.8 波束效率2.9 带宽2.10 极化2.11 输入阻抗2.12 有效口径天线与电波传播（I）32.1 方向图-radiation pattern天线的方向图：天线辐射特性与空间坐标之间的函数图形。辐射特性：辐射强度（radiation intensity）、场强（field strength）、相位（phase）和极化（polarization）等。最关心的辐射特性：在半径一定的球面上，随着观察者位置的变辐射能量在三维
2、空间的分布。天线与电波传播（I）42.1 方向图场方向图 ：电场大小（或磁场）在一定半径上随方向变化的图形。功率方向图：功率密在一定半径上随方向变化的图形。归一化方向图In linear scaleIn dB天线与电波传播（I）5方向图的波瓣波瓣：天线与电波传播（I）6方向图的波瓣主瓣(major lobe) ：主波束，是包含最大辐射方向的辐射波瓣。副瓣(minor lobe) ：主瓣以外的波瓣。旁瓣(side lobe)：在某个不需要的方向上出现的辐射波瓣，通常指在主波束所在半球内与主瓣毗邻的波瓣。后瓣(back lobe)：在主瓣反方向的半球内的副瓣。半功率波束宽度（HPBW） ：定量描述
3、主波束的宽度，是最大方向两侧半功率点方向之间的夹角。半功率宽度越窄，天线方向性越强。旁瓣电平（side lobe level, SLL) ：旁瓣的最大值与主瓣最大值之比。一般要求低于-20 dB，以减小外来干扰和噪声的影响。天线与电波传播（I）7方向图的波瓣半功率波束宽度天线与电波传播（I）8天线的方向性各向同性辐射器(isotropic radiator) ：在所有方向的辐射都相同的假天线。比如点源。实际上不可能实现，常作为参考来描述实际天线的定向特性。定向天线(directional antenna)：在不同方向辐射或接收电磁波的能力各不相同。全向性方向图(omnidirectional
4、pattern) ：在某一平面（如方位面）无方向性，而在与之垂直的任一平面（如俯仰面）是有方向性的。是定向性方向图的一种特殊类型。定向天线方向 全向天线方向各向同性辐射器天线与电波传播（I）9主面方向图对于线极化天线E面(E-plane)：包含电场量和最大辐射方向的平面。H面(H-plane)：包含磁场量和最大辐射方向的平面。天线与电波传播（I）10场的分区天线周围的空间可分为三区域： 感应近场区、辐射场（菲涅尔）区和远场琅和费）区。感应近场区：感应场占支地位，紧靠着天线周围的域。对于大多数天线而此区域的外半径一般为 R1。天线与电波传播（I）11场的分区辐射近场（菲涅尔）区：感应近场区与远场
5、区之间的区域，这个区域内辐射场起主要作用，而且场的角向分布与距离有关。如果天线的最大尺寸远小于波长，可以没有这种场区。此场区位于半径 R1和 R2之间的区域。场有径向分量。远场(夫琅和费)区：场的角向分布实质上与距离无关的区域。如果天线最大尺寸为 D,一般取距离大于 R2的区域为远场区。在此区域内，场分量实质上是横向分量。天线与电波传播（I）12弧度与立体弧度弧度（radian） ：平面角度的计量单位。顶点在半径为r的圆心上，弧长等于r的圆弧所对的平面角定义为一弧度（rad）。立体弧度（steradian）：立体角的计量单位。顶点在半径为r的球心上，面积等于边长为r的正方形面积的球形表面所对的
6、立体角定义为一立体弧度。天线与电波传播（I）132.2 辐射功率密度-radiation power density瞬时坡印廷矢量（Poynting vector)：通过闭合表面的总功率为：时谐电磁场的复矢量：平均坡印廷矢量：天线辐射的平均功率：天线与电波传播（I）142.2 辐射功率密度例1：天线与电波传播（I）152.3 辐射强度-radiation intensity辐射强度 是天线在单位立体角内所辐射的功率。辐射强度与天线远区电场的关系：总辐射功率：天线与电波传播（I）162.4 波束宽度-beamwidth半功率波束宽度（HPBW） 是在包含波束最大值方向的平面内，辐射强度等于波束最
7、大值一般的两个方向之间的夹角。第一零点波束宽度（FNBW）是方向图第一零点方向之间的夹角。天线与电波传播（I）172.4 波束宽度-beamwidth天线与电波传播（I）182.5 方向性系数-directivity方向性系数是指定方向的辐射强度与各向平均的辐射强度之比。或者说，天线的方向性系数等于其在指定方向的辐射强度与各向同性源的辐射强度之比。天线与电波传播（I）192.5 方向性系数-directivity例2：天线与电波传播（I）202.5 方向性系数-directivity例2：天线与电波传播（I）212.5 方向性系数-directivity方向性系数由场强在全空间的分布情形决定。
8、因此， D可由方向图函数算出。()220044,sin ADFdd =对主瓣较窄，旁瓣可以忽略的天线来说，波束立体角可以由两个相互垂直的主平面半功率波束宽度HPE和HPH的乘积求得，2oo ooEH EH EH4 4 (180 / ) 41253HP HP HP HP HP HPD= =其中，A为天线的波束立体角。AEH=HP HP 即天线与电波传播（I）222.6 天线效率-antenna efficiency天线的总效率 e0是用来计及天线输入端和天线结构内的 损耗的。天线损耗 的因素：1.天线与传输线失配引起的反射；2.I2R损耗（导电损耗和介质损耗）总效率的表达式：天线与电波传播（I）
9、232.7 增益-gain天线的 增益与方向性系数有密切关系，但增益是既考虑了 定向能力又计及了效率 的参数。而方向性系数只是衡量天线定向特性的参数，由天线的方向图决定。天线在指定方向的增益 定义为4乘以该方向的辐射强度与天线所得到的功率之比。天线与电波传播（I）242.7 增益-gain天线的辐射功率与输入功率的关系：增益公式可写为即增益最大值天线与电波传播（I）252.8 波束效率-beam efficiency对于主瓣在z轴（ = 0）方向的天线， 波束效率 定义为如果把第一零值或最小值出现的角度选为 1，则波束效率表示主瓣内的功率与总功率之比。式中 1是要求出的其中功率占总功率的百分数
10、的锥的半角。上式也可写为天线与电波传播（I）262.9 带宽-bandwidth天线的 带宽：天线某个性能参数符合规定标准的频率范围。在中心频率两侧的一段频率范围内，天线的特性与中心频率上的值比较，均在容许的范围以内。绝对带宽：fH fL相对带宽： fH： fL，？%窄带、宽带、超宽带、双频带、多频带天线与电波传播（I）272.10 极化-polarization天线的 极化：在指定方向上，天线受到激发时其辐射波的极化，或者，自天线终端得到最大可用功率的方向入射时入射波的极化。辐射波的 极化 ：描述辐射电磁波的电场矢量的方向和相对幅度的时变特性。是在空间固定位置上，沿着传播方向观察时观察到的电
11、场矢量的末端随时间而变化所描绘出的轨迹。天线与电波传播（I）282.10 极化-polarization 极化可分为线极化、圆极化和椭圆极化。 如果在空间一点上，作为时间函数的电场矢量的指向始终在一条直线上，该场是线极化的。 一般情况下，电场轨迹是一个椭圆，该场是椭圆极化的。 线极化和圆极化是椭圆极化的特殊情况，当椭圆变成一条直线或一个圆时就分别得到线极化或圆极化。 电场轨迹圆有顺时针（CW）方向和逆时针（CCW）方向之分。顺时针旋转的电场矢量称为右旋极化，而逆时针方向旋转的称为左旋极化。天线与电波传播（I）292.10 极化-polarization线极化（linear polarizati
12、on）天线与电波传播（I）302.10 极化-polarization圆极化（circular polarization）椭圆极化（elliptical polarization）天线与电波传播（I）312.10 极化-polarization轴比（axial ratio, AR）对于椭圆极化，在给定位置上随时间变化的轨迹曲线一般是倾斜的椭圆。椭圆的长轴与短轴之比称为 轴比 （AR）。天线与电波传播（I）322.10 极化-polarization倾角（tilt angle）天线与电波传播（I）332.10 极化-polarization天线与电波传播（I）34极化损耗因子-polarizat
13、ion loss factor天线与电波传播（I）35极化损耗因子-polarization loss factor天线与电波传播（I）36极化损耗因子-polarization loss factor天线与电波传播（I）37极化损耗因子-polarization loss factor例3：天线与电波传播（I）38极化损耗因子-polarization loss factor例3：天线与电波传播（I）392.11 输入阻抗-input impedanceThe input impedance ZAof a transmitting antenna is the ratio of the vo
14、ltage to current at the terminals of the antenna.ZA= RA+ jXARA= input resistanceXA = input reactanceRA= Rr+ RLIf we know the input impedance of a transmitting antenna, the antenna can be viewed as an equivalent circuit.Rr= radiation resistanceRL = loss resistance天线与电波传播（I）402.11 输入阻抗-input impedance
15、whereZg= Rg+ jXgZg= internal impedance of the excitation sourceRg= internal resistance of the excitation sourceXg= internal reactance of the excitation source天线与电波传播（I）412.11 输入阻抗-input impedanceThe knowledge of ZAis required when connecting an antenna to its driving circuit.Power loss as heat in the antenna:The radiation resistance Rrcan be calculated from the power radiated Pradas:If ,A gZ Z= antenna is matched.If ,A gZ Zantenna is not matched and a matching circuit is required.2rad12=grPIR2loss12=gLPIR天线与电波传播（I）422.11 输
