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1、第7章 天线,71 引言 72 元电辐射体 73 对称振子天线 74 天线特性参量 75 天线阵方向性分析示例 76 行波直导线天线 77 阵方向性分析方法应用示例 78 面状天线 79 一些常用的天线设备 710 电波传播,71 引言,无线电广播,通信,遥测,遥控以及导航等无线电系统都是利用无线电波来传递信号的.而无线电波的发射和接收都通过天线来完成.因此天线设备是无线电系统中重要的组成部分.图711和图712指出了天线设备在两种典型的无线电系统中的地位,其中图711为无线电通信系统的基本方框图.,由发射机产生的高频振荡能量,经过发射天线变为电磁波能量,并向预定方向辐射,通过媒质传播到达接收
2、天线附近.接收天线将接收到的电磁波能量变为高频振荡能量送入接收机,完成无线电波传输的全过程.,图 711,图 712,图712为无线电定位系统的基本方框图.发射天线和接收天线常合用一副天线.利用天线开关的转换作用,分别接入发射机和接收机.当天线与发射机接通时,此天线作发射天线用当天线与接收机接通时,此天线作接收天线用.,可见天线设备是将高频振荡能量和电磁波能量作可逆转换的设备,是一种“换能器”。天线设备在完成能量转换的过程中,带有方向性,即对空间不同方向的辐射或接收效果并不一致,有空间方向响应的问题其次天线设备作为一个单口元件,在输入端面上常体现为一个阻抗元件或等值阻抗元件。与相连接的馈线或电
3、路有阻抗匹配的问题。天线的辐射场分布或接收来波场效应,以及与接收机,发射机最佳的贯通,就是天线工程所最关心的问题。本章侧重讨论天线的辐射场空间分布问题。,72 元电辐射体,所谓元电辐射体是指一段载有高频电流的短导线,导线全长l,导线直径dl,线上的电流振幅是相等的,线上各点的电流相位亦认为是同相的。元电辐射体是线状天线的基本单元,因此讨论元电辐射体具有重要的实际意义。对元电辐射体的分析,我们采用球坐标系。将元电辐射体的中心放在坐标系原点,如图721所示。,设元电辐射体上电流分布为Iejt,则利用矢量位A不难求得空间P点的场强。P点的球坐标是(r,),这里仅写出结果:,(721),图 721,由
4、上式可见,元电辐射体的电场有r和方向两个分量,而磁场只有方向分量。而且电场矢量和磁场矢量相互垂直。在Er,E和H分量中都含有r-1,r-2和r-3三项或其中二项。现根据观察点P离元电辐射体的远近可分为三个区域:近区(kr1),远区(kr1,即/r1,因此式(721)中r-1项起主要作用,而r-2和r-3项均很小,可以忽略不计。故远区的电磁场可近似表示为,由此可见远区场具有下列特点:(1)远区空间内任意一点电场和磁场在空间方向上相互垂直,在时间相位上同相。 (2)远区场纵向分量ErE,而磁场分量只有横向分量H,故远区场近似为TEM波。 (3)远区场的相位随r的增加不断滞后,其等相位面为r等于常数
5、的球面。(4)远区场的电场与磁场的幅度E与H之比0为自由空间的波阻抗。(5)辐射功率与辐射电阻。,天线通过辐射场向外部空间辐射电磁波,其辐射功率即为通过包围此天线的闭合曲面的功率流的总和,即,(723),对于元电辐射体,(724),ar为r方向单位矢量,将式(724)代入式(723)得到,(725),由上式可见辐射功率与天线的结构,电尺寸以及激励电流有关。为了说明辐射体本身的特性,我们引入另一个参量辐射电阻Rr,定义为,(726),式中的I是波源电流的幅值,将式(725)代入上式,得,(727),(6) 方向性图。由式(722)可以看出,元电辐射体的辐射场强值在等r距离的球面空间各个方向上是不
6、相同的,它的方向性r函数为 F(,)=sin (728),图 722,方向性函数的坐标图形称为方向性图,它形象描写辐射体向空间不同方向上的辐射能力。由于方向性函数是坐标和的函数,因此三维坐标系统中的方向性图为立体图。图722(a),(b)和(c)分别表示元电辐射体在=0平面(E面),=90平面(H面)内极坐标的方向图和立体方向性图。,73 对称振子天线,对称振子的结构如图731所示,它由两段同样粗细和相等长度的直导线构成,在中间两个端点之间进行馈电,且以中间馈电点为中心而左右对称的。由于它结构简单,所以被广泛用于无线电通信,雷达等各种无线电设备中,也可作为电视接收机最简单的天线设备。它既可作为
7、最简单的天线使用,也可作为复杂天线阵的单元或面天线的馈源。,图 731,一, 对称振子的辐射场工程上计算对称振子的辐射场的近似方法是:把对称振子看成是终端开路的传输线两臂向外张开的结果,并假设其上的电流分布仍和张开前一样,然后将振子分成许多小段,每一小段上的电流在某个瞬间可认为各处相同,即把每个小段看作一个元电辐射体,于是空间任一点的场强是许多元电辐射体在该点产生场强的叠加。对称振子上的电流分布可表示为,(731),式中I(z)为天线上z位置的电流Im为波腹点的天线电流k=2/为电流波在天线上的相位常数是振子上电流波的波长l为对称振子一臂的长度。 在对称振子天线上以中心位置为对称的z位置处,一
8、对元电辐射体dz1与dz2的辐射场分别为,(732),(733),图 732,式中为由对称振子轴线方向转向观察点的方位角r1和r2分别为dz1和dz2元电辐射体到观察点的距离。由于观察点P(r,)在远区,可认为r1线,r2线和r线相互平行,因此认为dE1和dE2的方向近乎相同,且距离r1及r2和r有如下关系:,于是这对元电辐射体在远区的合成场强为dE=dE1+dE2,若取dz1=dz2=dz,则,对称振子天线的辐射场为许多元电辐射体对的 辐射场的叠加,即,(734),(735),(736),图733(a),(b),(c)和(d)分别表示l/=0。25,0。5,0。75和1的对称振子在E平面的方
9、向性图,它们在H平面内的方向性图为圆,而且对称振子的两臂相互对称,因此其方向性图亦对称于垂直于天线轴的对称面。,图 733,二, 对称振子的辐射电阻和输入阻抗(一)对称振子的辐射电阻Rr对比元电辐射体可以引出对称振子的阻抗概念。问题是以天线上哪一点的电流为参考。在工程上,一般把二倍的天线辐射功率对电流波腹处的电流强度振幅值平方(Im2)之比值,称为辐射电阻Rr。 对称振子天线的辐射电阻可仿照元电辐射体求辐射电阻的方法求得,即,(737),将式(735)代入式(737)并积分计算,求得辐射电阻,具体过程从略。图734给出了对称振子辐射电阻Rr和l/的关系曲线。,图 734,(二) 对称振子的输入
10、阻抗计算线状天线的输入阻抗的方法,工程上常采用“等效传输线”法。线状的对称振子天线的结构可以看成是终端开路的均匀双线传输线张开的结果。由于传输线的张开,使其特性相应发生变化,一方面沿线的特性阻抗值不均匀,崐另一方面由于辐射增加使传输线损耗增加,因此在应用传输线理论来计算天线的输入阻抗时,必须对传输参量加以修正,使它成为比较接近天线实际情况的等效传输线,再应用传输线计算输入阻抗的公式计算对称振子的输入阻抗。具体方法不作介绍,这里仅给出结果。,图735给出了对称振子的输入阻抗Zin与l/的关系曲线。其中图(a)为输入电阻Rinl/关系曲线图(b)为输入电抗Xinl/关系曲线。由图可以得到如下结论:
11、 (1)对称振子的输入阻抗是振子特性阻抗Z0的函数,天线导线的直径愈粗,特性阻抗Z0愈低,则天线的输入阻抗愈小,且输入阻抗随l/的变化愈缓慢。因此容易实现宽频带阻抗匹配,实际上常采用降低天线特性阻抗的办法来加宽天线的工作频带。,(2) 对称振子天线的特性阻抗Z0愈低,则天线的谐振长度愈短。所谓对称振子的谐振长度是指输入阻抗为纯电阻的天线长度。因为馈电设备的特性阻抗是个纯电阻,故要求对称振子的输入阻抗也为纯电阻,然后应用阻抗变换器使两者匹配。,图 735,74 天线特性参量,一,天线效率天线是把电磁振荡能量转换成电磁波能量的“换能器”。输入天线的功率并非全部能以电磁波形式辐射出去,有一部分能量在
12、转换过程会产生损耗。所谓天线效率是指辐射功率Pr与天线输入功率Pin之比值,记为A,即,(741),式中PL为损耗功率。如果引入辐射电阻Rr和损耗电阻RL,则式(741)可写为,(742),二,方向性函数和归一化方向性函数对于线状天线,方向性函数为,(743),式中分母部分是线状导线天线随距离及天线体上某参考点电流强度变化的基本形式,它与方向性无关。用方向性函数来描绘方向性图,讨论方向性时,可以判定不同尺度的天线具有不同的辐射能力,但不容易看出随方向变化时,方向性图的尖锐程度,常常引出归一化方向性函数,即将最大辐射方向场强规定为“1”,来比较其它方向场强相对值的方法,数学表示式为,式中max,
13、max代表最大辐射方向的坐标角。图741为某些类型的方向性图形。立体的方向性图形是比较复杂的,常取通过主向的剖面方向性图形来讨论天线方向性特性,如图742所示,并引用下述波瓣参量。,(744),图741 (a)元辐射方向性图 (b)铅笔形方向性图 (c)扇形方向性图 (d)余割平方方向性图,主向角max最大辐射的方向角 主瓣宽度20。5主向两侧平均功率流密度为主向一半,或辐射场强为主向0。707倍的方向所决定的夹角。 主瓣张角20主向两侧主瓣零辐射方向间的夹角。 旁瓣电平Ls主向辐射场强与旁瓣中最大辐射场强之比,通常用分贝数表示。,(745),图 742,三,方向性系数和增益雷达,通信等大部分
14、天线设备,都是利用主向(或主平面)的辐射来完成任务的。远远偏离主向的辐射功率不仅被无谓浪费,而且还会干扰电波信号。因此,尽可能减少非主向的辐射和增加主向辐射。常采用方向性系数这个参量来说明天线在主向辐射功率的集中程度。所谓方向性系数D是指天线在主向的平均功率流密度Psmax和天线辐射出去的功率被均匀分配到空间各个方向上的平均功率流密度Ps的比值,即,式中Pr为天线的辐射功率r为观察点离天线的距离。天线工程上还常常关心输入到天线的有功功率Pin被利用的程度。为此引出增益系数的概念,所谓增益系数G,就是天线在主向的平均功率流密度Psmax和天线输入的有功功率被直接均匀分配到空间各个方向时的平均功率
15、流密度Ps的比值,即,(746),(747),此值表明相对于空间各方向均匀分配的情况,主向的平均功率流密度得益了多少倍。,(748),(749),(7410),(7411),方向性系数和增益常用分贝数表示,即,(7412),(7413),四, 接收天线特性参量,有效长度天线的重要特性,即天线的方向性在天线作接收时与发射时,都是一样的,接收天线在来波的作用下,在天线输入端纽上将产生感应电动势,接收天线的方向性函数也就是感应电动势的大小随来波的方向而变化的空间方向响应。可由实验测定这一方向响应和天线作为发射时的空间方向响应是一致的。为了讨论接收天线感应电动势的大小常引用有效长度的概念,对于线状天线发射状态工作时,有效长度的数学表达式为,(7414),式中E(max,max)表示在发射天线主向上r距离处r电场强度,I0为天线输入端电流。 式(7414)所定义的有效长度的物理意义,可由对照元电辐射体主向的电 场强度看出。实际上是以天线输入端电流不变为起始规定,把原来不均匀的电流分布,转化为均匀的电流分布。用改变天线长度的办法,来补偿电流分布的变化,使天线在主向的电场强度值和元电辐射体公式算出的电场强度值相一致(见图743)。,
