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1、实用天线应用基本知识（版权：上海美多：张宇飞） ；版本号：一、 辐射原理与天线的场l 辐射的基本原理：辐射是电磁场中有辐射源产生的一种扰动。辐射是由时变电流源产生的，或由做加速运动的电荷所激发。在无耗媒质中，波动的总功率是恒量与传播距离无关。如果电荷做往复加速(即振荡)，将产生周期性的扰动并持续辐射。天线上的电流分布决定了辐射场的所有特性。设计天线就是要迫使天线导体上的自由电荷按照预定的幅度和相位振荡起来。l 天线上的电流分布纯驻波的正弦分布行波分布驻波分布天线上无反射波既有前行波，又有反射波l 近区场：场点离辐射点的距离r (波长) 时的场称为远区场。 远区场是辐射场。l 基本辐射振子：电基
2、本振子（电流元、电偶极子）- 产生交变磁场；磁基本振子（磁流元、磁偶极子）- 产生交变电场；l 基本射频振子点在空间产生的电磁波波型是球面横电磁波（TEM波）。l 惠更斯-菲涅耳波的叠加与干涉原理波在传播过程中，波阵面上每一点都可以被看作是新的子波源，在其后的任一时刻，由这些子波源产生的球面波的包络就可以决定新的波阵面。子波振幅按相位叠加。平面波波阵面上的子波源产生的波阵面的包络仍是平面（波），球面波波阵面的上的子波源产生的波阵面的包络仍是球面（波）；波的绕射现象也是根据此原理。l 等效原理与惠更斯元的辐射面元（惠更斯元、二次辐射源）；整个口径面产生的辐射场有所有惠更斯元的辐射之和得到。每一个
3、面元的次级辐射可用等效电流元与等效磁流元来代替；口径面产生的辐射场就是由所有等效电流元（等效电基本振子）与等效磁流元（等效磁基本振子）所共同产生的。电流元产生磁场，磁流元产生电场。l 弗利斯传输公式(分贝形式)Pr（dBm）= Pt（dBm）+ Gt（dB）+ Gr（dB）- 20log10R（km）- 20 log10f（MHz）-32.44要想把弗利斯传输公式给出的资用功率（接收天线的最大接收功率）转化为实际接收功率，必须满足最佳接收条件。否则就要计及由极化失配、阻抗失配和主波束未对准而带来的插入损耗。求解天线问题实质上是求解满足特定边界条件的麦克斯韦方程的解。天线的增益是有限的，增益的大
4、小取决于辐射模式的类型，全向的天线具有峰值增益0到2dBi；方向性的天线的增益可以达到6dBi。增益大小影响天线的作用距离。二、天线的作用、本质及特性、输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。l 天线的本质-是一个空间中的（带有放大器）的能量转换器。对发射天线而言，取决于其“辐射电阻”的大小，辐射电阻越大，其辐射本领越强。对接收天线而言，取决于其“感应电阻”的大小，感应电阻越大，其接收到的信号越强。天线的任务是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，
5、或将空间电波信号转换成高频电流能量送给接收机，要求其双向转换效率越高越好。信号经发射机调制成高频电磁能量，以导波形式经馈线送至发射天线。发射天线将该能量转换成向空间辐射的某种极化的电磁波，电波按指定方向经过一定方式传播后达到接收端，一部分规定极化的电波能量经接收天线转变成导波形式的高频电磁能量，经馈线送至接收机。天线主要完成导行波（或高频电流）与空间电磁波能量之间的转换-能量转换器。天线的五大特性：l 方向特性：-方向图（BW0。5 、 FSLL）、方向系数D、增益G。l 阻抗特性：- 输入阻抗 Zin、辐射阻抗Zrm、效率。l 频率特性：- 带宽、上限频率、下限频率。l 极化特性：- 极化、
6、极化隔离度。l 扫描特性：（主要对现代天线）l 八大电参数：用于描述天线能量转换和定向辐射或接收能力的电参数主要有八个，输入阻抗、辐射电阻、效率、辐射方向图、方向性系数、增益、频带宽度、极化系数。l 接收天线与发射天线 -（互易定理）接收天线与发射天线的作用理论上是一个可逆的过程，同一副天线用作发射和用作接收的特性（方向特性、阻抗特性等）是相同的。这种同一天线收发参数相同的性质被称为天线的收发互易性。但是，接收天线特性参数的定义却根本不同于发射天线。发射天线的电参数是以辐射场的大小为衡量目标；而接收天线是以对来波的接收作用的大小为衡量目标。l 天线的常规分类按使用范畴分：（通信、雷达、广播、电
7、视、导航、电子对抗等）按天线特性分：（若按方向特性分，则有（定向、全向、强方向性、弱方向性）天线等）； （若按极化特性分，则有线极化（水平、垂直）、椭园极化、园极化、复合极化等）； （若按频带特性分，则有窄带、宽带、非频变(40:1)、超宽带(100:1)天线等）； （若按馈电方式分，则有（对称、非对称）天线）； （若按天线上电流分布形态分，则有行波天线、驻波天线、组合天线）；按使用波段分：（超长波、长波、中波、短波、超短波、微波）天线等；按结构特点分：由导线及金属棒组成的线天线；由金属面及介质面构成的面天线。按天线外形分：（V形、菱形、环形、螺旋、喇叭、反射面、微带、缝隙）其中：缝隙天线是无
8、突出部的平面天线，微带天线是低剖面的平面型天线。现代天线有：（单脉冲、相控阵、微带、自适应、有源、智能、数字波束）天线等。窄带天线属于谐振天线，其尺寸接近于工作波长的整数倍或半整数倍。其电特性对波长敏感。 宽带天线（fu ：fl）2 ：1行波天线（非谐振天线）驻波天线(谐振天线)天线上电流按行波分布天线上电流按驻波分布输入阻抗近似不变,频带较宽,属宽带天线属窄带天线, 输入阻抗具有明显的谐振特性天线效率或增益较低天线效率或增益较高线天线口径天线（包括面天线）用在无线电频谱的高端，尤其是微波段这类天线所栽的电流是分布在金属面上的金属面的口径尺寸远大于工作波长由一个弱方向性天线（馈源）+面状结构的
9、聚焦系统两部分组成。馈源的作用是将馈线送来的高频电磁能量转换为向空间辐射的电磁波能量。聚焦系统的作用是形成强方向性波束。增益与工作频率成正比，输入阻抗近似为实数l 周围环境对天线性能的影响天线周围的物体，特别是金属物体，对天线性能有很大影响。在天线激发的电磁场的作用下，地面及其周围物体上将产生电流与电荷，该电流与电荷会像初级源一样会向周围空间辐射能量，称二次辐射。二次辐射场对原天线辐射场的影响有两方面：方向图、天线阻抗(辐射特性)。三、天线的基本（电）参数天线的电参数都和工作频率有关，任何天线的工作频率都有一定的范围。1、天线方向性参数 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射
10、出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。l 方向函数 ：是对天线进行理论分析计算的核心。l 方向系数D ：用数字描述天线方向性强弱的参数。表示最大辐射强度与全空间均匀辐射时的平均辐射强度之比。l 天线的方向图（辐射方向图）-工程应用角度的关键辐射方向图表示给定距离下天线的辐射随角度的变化，辐射的强弱由离天线给定距离r处的功率密度S来评价。天线的辐射方向图实际应是三维空间的立体图。如果把天线在各方向辐射出的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则连接全部矢量端点所形成的包络就是天线的方向图。它显示出天线的在不同方向辐射的相对大小，这种方向图称为立体方向图。矢径的方向代表辐射的方向，矢径的长
11、短代表辐射出的强度。方向图包含有许多波瓣，其中包含最大辐射方向的波瓣称为主瓣。其它依次称为第一副瓣，第二副瓣等。 例如，垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图（图1.3.1 a）。 立体方向图虽然立体感强，但绘制困难， 图1.3.1 b 与图1.3.1 c 给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。 注意：天线的方向图有场强方向图、功率方向图之分。一般常用场强方向图。天线的方向图还有三维的立体方向图
12、、二维的平面方向图之分，依据主截面的不同，平面方向图又有E面方向图、H面方向图之分。平面方向图还有直角坐标系、极坐标系之分。坐标系的刻度又有线性与对数化之分。l 天线方向性增强：可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向。平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用-反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。l 天线阵及其方向性天线阵-若干天线单元按一定方式排列而成的天线系统。
13、其目的是为了加强天线的定向辐射能力。排列方式有直线阵、平面阵、立体阵。天线阵的辐射场是各个单元天线辐射场的矢量和。只要调整好各单元天线的辐射场之间的相位差，就可得到所需要的更强的方向性。2、天线的增益 ：（ 单位，dBi ）l 天线的增益系数：增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积。l 增益天线的增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。通常是以天线在最大辐射方向的增益作为这一天线的增益。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增
14、益越高。 可以这样来理解增益的物理含义-为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号。如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20 = 5W 。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。G=101g E2/E02；（同一电场强度）G=101gPino/Pin （同一输入功率）dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源。如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd 。3、天线的波瓣参数l 波瓣宽度（波束宽度、主瓣宽度）波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见图1.3.4 a , 在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。
