A天线解析实用教案

《A天线解析实用教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《A天线解析实用教案（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第1页/共53页第一页，共54页。相控相控阵天阵天线线(tinxin)第2页/共53页第二页，共54页。110m“bigear”radiotelescopeoftheOhioStateUniversity第3页/共53页第三页，共54页。天线天线(tinxin)的的作用：作用：v能量的转换：自由空间的电磁能量与高频电流能量的相互转换；v能量的分配：使空间传播(chunb)的电磁波能量在指定的空域内辐射传播(chunb)；信息源信号变换发信机收信机信号变换受信者 发射：高频(o pn)能量转换成电磁波能量； 向指定空域发射电磁波； 接收：电磁波能量转换成高频(o pn)电流形式的能量 ； 收集指

2、定空域内的电磁波。能接收电磁能量天线？第4页/共53页第四页，共54页。天线天线(tinxin)(tinxin)的的影响：影响： 如设计、选择和作用不合理，则可能(knng)使整个系统工作不正常。 天线(tinxin)的分类： 按用途：通信天线、广播电视天线、雷达天线等按工作波长：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线、光学天线；按天线的结构：线天线、面天线、阵列天线；第5页/共53页第五页，共54页。7.1 7.1 基本基本(jbn)(jbn)元的辐射元的辐射 基本元的类型：电流元，电基本振子，电偶极子磁流元，磁基本振子，磁偶极子面基本元，面元：面元上的场可用等效电流元和等效磁流

3、元来代替，利用(lyng)电基本振子和磁基本振子的结果而得出面元的辐射特性 天线可分为无限多个基本元，其上有电流(dinli)或磁流。每个基本元上的电流(dinli)或磁流的振幅、相位和方向均为相同的。但各个元上的相应参数是不同的。如掌握了每个基本元的辐射特性，则可根据电流(dinli)或磁流的振幅、相位和方向在空间的分布，则可得出各类天线的辐射特性。第6页/共53页第六页，共54页。电基本振子电基本振子(zhn (zhn z)z)的辐射的辐射 电基本振子：一段载有高频电流的细导线（直线(zhxin)电流元），ll,沿线各点的电流的振幅和相位均相同（等幅同相分布）。设该直流元Il沿z轴放置，如

4、图。对于电流元，已知：则矢量位对于球坐标，有第7页/共53页第七页，共54页。则磁场(cchng)为： 可解得： 第8页/共53页第八页，共54页。电场电场(din (din chng)chng)可由可由 电基本振子的场为：第9页/共53页第九页，共54页。第10页/共53页第十页，共54页。近场区：近场区：电偶极子的场区可分为(fnwi)：远场区；近场区；中间场区。当kr1,即r1时，为远场区，辐射场（一般(ybn)r=5l:感应场比辐射场低30分贝）其场分布(fnb)为第12页/共53页第十二页，共54页。远场区分析远场区分析(fnx)4）电偶极子的远区场为一沿径向(jn xin)向外传播

5、的横电磁波。电磁能量离开场源向空间辐射出去，因此称为辐射场。在方位上，场与q 有关，在不同的q方向上，其辐射强度是不同的。当q =90方向时，辐射最强；当q =0方向时，辐射为零。3） 的比值为120p，为波阻抗。由h0表示。故可只讨论一个场分量即可;1）仅有两个场分量，该两场分量与矢径r三者方向相互垂直，且符合右手螺旋法则。场强与r成反比，即随距离的增加而减小。等相位面只与r有关-球面波;2）两者在时间上同相，其平均坡印廷矢量是实数，为有功功率且指向r 的增加方向;第13页/共53页第十三页，共54页。对偶性原理与磁基本对偶性原理与磁基本(jbn)振子振子如描述(miosh)物理现象的方程具

6、有相同的数学形式，则其解也将有相同的数学形式。相对应的量称为对偶量，其方程称为对偶性方程。由麦克斯韦(mikswi)方程组：由电流和电荷所产生的场单由磁流和磁荷产生的场应满足引入磁荷和磁流，则麦克斯韦方程组为对称形式：互换规则是：将原式中的参量进行下列替换第14页/共53页第十四页，共54页。7.27.2天线天线(tinxin)(tinxin)的电参数的电参数 能量转换：输入阻抗、辐射电阻、效率、增益系数能量分配：波瓣宽度(kund)、旁瓣电平、方向性系数辐射功率：单位时间内天线(tinxin)向围绕它的整个球面辐射的总能量称为辐射功率。用PS表示。与输入功率Pin有关。第15页/共53页第十

7、五页，共54页。1.1.发射发射(fsh)(fsh)天线天线1.1 1.1 方向图、主瓣宽度方向图、主瓣宽度(kund)(kund)和旁和旁瓣电平瓣电平天线的方向性：距离天线相同距离而在不同方向上各点上的电场强度（功率密度）的相对关系。方向函数： 用数学表达式表示(biosh)天线方向性；归一化方向函数：令空间场强（功率）的最大值等于1，相应的方向性函数为归一化方向函数。 其归一化方向性函数为 如天线的远区场： 式中f(q,j)为方向性函数。第16页/共53页第十六页，共54页。方向图：或天线波瓣图，由图形表示方向函数；一般在两正交的主平面上（即当j =常数，或q =常数）的场强或功率(gng

8、l)的分布；归一化方向图：由图形表示的归一化方向函数；主平面：E面-与电场(din chng)相平行的面 H面-与磁场相平行的面 无方向性天线：理想点源, 它在任意一个(y )方向所产生的电场强度都是一样的。 第17页/共53页第十七页，共54页。主瓣宽度： -3dB(半功率点)波瓣宽度，主波瓣场强在1到0.707之间的角度(jiod)的两倍，又有零功率波瓣宽度。旁瓣电平：付瓣电平，指第一付瓣电平，以分贝数表示 方向(fngxing)图E面H面的方向(fngxing)图中的波瓣具有多瓣性主瓣：辐射的最大方向所在的波瓣；尾瓣：与主瓣方向相反(xingfn)的波瓣；旁瓣、副瓣或栅瓣：其它方向的波瓣

9、。前后比：最大辐射方向的电平与尾瓣电平之比。(dB)第18页/共53页第十八页，共54页。1.2方向方向(fngxing)系数系数方向性系数：在同一距离及相同辐射(fsh)功率的条件下，某天线在最大辐射(fsh)方向上辐射(fsh)的功率密度Pmax与无方向性天线的辐射(fsh)功率密度P0之比称为天线的方向性系数。或D亦可用分贝数表示：第19页/共53页第十九页，共54页。对于无方向性天线，它所产生对于无方向性天线，它所产生(chnshng)(chnshng)的辐射的辐射功率密度为功率密度为故： 则有： 对于已知天线，可求其最大方向的辐射场强： 场点与源点之间的距离(jl)辐射功率天线方向性

10、的强弱决定(judng)于工作波长、天线的形式和尺寸。第20页/共53页第二十页，共54页。对于所讨论的天线，设其归一化方向函数(hnsh)为F(q,j)，则其任意方向的场强与功率密度分别为： 则辐射功率为： 则方向系数： 归一化方向(fngxing)函数由上式可见，天线(tinxin)主瓣越宽，则方向系数小。点源 D =1, 对于电基本振子：D =1.5。 第21页/共53页第二十一页，共54页。1.3输入阻抗输入阻抗(shrzkn)和和辐射电阻辐射电阻为比较不同的天线辐射能力的相对大小，一般(ybn)不采用辐射功率的大小来说明，因为辐射功率与发射机的输入功率有关，故采用辐射电阻参量来描述天

11、线的辐射能力。式中 PS 为该天线的辐射功率辐射(fsh)电阻：是指相对于一定天线电流值的辐射(fsh)功率。它代表天线辐射(fsh)能力的大小。1）辐射电阻：第22页/共53页第二十二页，共54页。2）输入阻抗）输入阻抗(shrzkn)：天线的主要作用是将高频电流能量转化为电磁波能量发射出去，若要从馈线上获取较大的能量，则需要(xyo)使天线的输入阻抗与馈线的波阻抗匹配。若不匹配，则会引起馈线中产生驻波，天线所获取的功率就会很小。G源天线的输入阻抗：输入端点或馈电(kudin)点所呈现的阻抗。第23页/共53页第二十三页，共54页。天线与馈线的阻抗一般不匹配，可接入匹配网络来消除天线的电抗，

12、使电阻等于(dngy)馈线的特性阻抗。此时r=1,G=0。天线(tinxin)的输入阻抗决定于天线(tinxin)本身的结构和尺寸，工作频率以及天线(tinxin)的周围物体的影响等。当输入电阻等于辐射电阻时，则天线(tinxin)为理想状态（无损耗）。求输入阻抗的方法：理论计算；实验确定。辐射电阻与损耗电阻之和第24页/共53页第二十四页，共54页。1.4效率效率(xiol)则天线(tinxin)的效率：辐射电阻损耗(snho)电阻天线系统如图。GPGPinPS发生器的输出功率进入到天线的功率Pin天线的辐射功率如果计入传输系统的效率hf，整个天线系统的效率为：若传输线无耗如传输线无耗第25

13、页/共53页第二十五页，共54页。当天线的电尺寸l/l很小（中长波）的天线，RS较小，地面及邻近物体的吸收所造成的损耗电阻较大，因此天线效率(xiol)很低，只有百分之几。而天线电尺寸(chcun)较大时，如微波或超短波的面天线，其辐射电阻较大，辐射能力强，其效率可接近于1。第26页/共53页第二十六页，共54页。1.5增益增益(zngy)发射天线(tinxin)增益系数的定义：在相同输入功率的条件下，天线(tinxin)在最大辐射(某)方向某点产生的功率密度与理想点源（效率100%）同一点产生的功率密度的比值，-此天线(tinxin)的增益。用分贝(fnbi)数表示：第27页/共53页第二十

14、七页，共54页。与方向系数(xsh)的定义的不同点：1）方向系数(xsh)是从辐射功率出发，而增益系数(xsh)则是以输入功率作参考；2）在增益系数(xsh)中点源是理想的，即天线效率等于1。最大方向的增益系数(xsh)。用理想点源作基准，为绝对增益。若以其它天线对比，称为相对增益。实际增益（系统）、有效增益（天线）、方向(fngxing)增益（方向(fngxing)系数）之间的关系：即有第28页/共53页第二十八页，共54页。由最大方向(fngxing)的辐射场强，有： 由对于(duy)理想的无方向性天线，D=1,hA=1,G=1第29页/共53页第二十九页，共54页。1.6极化极化(jhu

15、)发射(fsh)天线的极化是指在在最大辐射方向上辐射电波的极化，其定义为在最大辐射方向上电场矢量端点运动的轨迹。分类：线极化（水平极化或垂直极化）圆极化（左旋圆极化天线(tinxin)或右旋圆极化天线(tinxin)）椭圆极化（双极化-水平极化和垂直极化）应用：线极化，传播接收应为同极化；圆极化，可传播接收任意方向的线极化波；发射接收电场极化可以接收到场第30页/共53页第三十页，共54页。1.7有效有效(yuxio)长长度度则天线(tinxin)的辐射场强为对于线天线，天线的有效长度(chngd)是其上的电流分布与电基本振子相同，其上的电流同相且均匀分布，电流的大小等于实际天线的馈电点电流（

16、或波腹电流）。并在同一距离的远区，实际天线在最大辐射方向的场强等于此天线在该方向产生的场强。第31页/共53页第三十一页，共54页。1.8工作工作(gngzu)频带宽度频带宽度阻抗带宽：能满足天线阻抗要求（或归一化输入电流为0.707时）的频带宽度。如中心频率为f0，归一化输入电流为0.707时为 ，或输入功率为一半时，则称2Df 为3dB带宽，一般用其驻波比表示，如对于某短波天线，驻波比VSWR小于2的带宽为5M10MHz的范围内。方向性带宽(dikun)：当主瓣归一化场强电平降到0.707时的带宽(dikun)。增益(zngy)宽带：倍频程：f2/f1,(如两个倍频程，五个倍频程）相对带宽

17、：2Df /f100%第32页/共53页第三十二页，共54页。1.9功率功率(gngl)容量容量功率容量限制因素： 天线(tinxin)表面的电场； 介质材料的性质（天线(tinxin)周围的空气及天线(tinxin)绝缘子的介质强度）； 场强过大-空气电离-击穿 起始场强：约为30kV/cm 第33页/共53页第三十三页，共54页。2. 2. 接收接收(jishu)(jishu)天天线线 天线的接收原理：天线导体(dot)在外电场的作用下激励产生感应电动势并在天线回路中产生电流。 由互易定理分析可得：同一副天线在用作接收时和用作发射时，其各电参数相同。只是其含义(hny)不同。 第34页/共

18、53页第三十四页，共54页。有效有效(yuxio)接收面积（有效接收面积（有效(yuxio)面积或实效面积）面积或实效面积）天线的极化与来波的极化完全匹配以及其负载与天线阻抗共轭匹配条件下，天线在某方向所接收(jishu)的功率Pre(q,j)与入射电磁波功率密度p之比称为天线在方向(q,j)上的有效面积，当天线效率等于1，在最大接收(jishu)方向上，称为天线的有效接收(jishu)面积。第35页/共53页第三十五页，共54页。3. 3. 电基本振子电基本振子(zhn z(zhn z) )的电参数的电参数 方向性函数： 其E面（j = 0）面方向性函数： H面（q = 90）方向性函数为：

19、其波瓣宽度： 无副瓣。 由场 第36页/共53页第三十六页，共54页。基本振子的方向基本振子的方向(fngxing)系数系数电基本振子的方向(fngxing)系数：D=1则其有效(yuxio)面积为3电基本振子辐射电阻第37页/共53页第三十七页，共54页。7.3电波电波(dinb)传播传播直射：在无界均匀线性媒质中，电波(din b)以直线方式传播。 菲涅尔区dd 与传输(chun sh)波长成正比。光为直线传播。 当电波传播的过程中有障碍物时，电波将产生反射、折射、绕射、和散射。多径1. 无线电波的传播机制：第38页/共53页第三十八页，共54页。反射：当障碍物表面平滑、且远大于传播电波的

20、波长(bchng)时，电波会产生反射；散射：当障碍物表面粗糙或障碍物远小于波长(bchng)时，则会产生散射；折射(zhsh)：当障碍物表面平滑、且当障碍物为非导体时，则会产生折射(zhsh)；绕射：当障碍物可与波长相比时，则会产生绕射；第39页/共53页第三十九页，共54页。2.无线电波无线电波(wxindinb)的空间传播方式：的空间传播方式：主要传播特点：传输损耗小，作用距离远；受电离层扰动影响(yngxing)小，传播情况稳定；有较强的穿透海水及土壤的能力；但大气噪声电平高，工作频带窄。地波(db)：电磁波沿地球表面传播；第40页/共53页第四十页，共54页。对流层电波传播对流层电波传

21、播(chunb)：电波在低空大气：电波在低空大气对流层中的传播对流层中的传播(chunb)a) 视距传播（距离1050km，110GHz）， 主要特点：传播区域限于视线距离以内；频率越高受地形(dxng)、地物的影响越大；微波衰落严重；大气吸收及雨衰减严重（1GHz）b)散射传播: 利用对流层中介质的不均匀性对电波的散射作用实现超视距传播(200MHz5GHz，300800km)；特点: 传输损耗大，但单跳距离大；适用于无法(wf)建立微波中继站的区域，如海岛之间。第41页/共53页第四十一页，共54页。电离层电波电离层电波(dinb)传播：传播：b)电离层散射传播（3050MHz，10002

22、000km）；利用电离层中电子(dinz)浓度的不均匀性对电波的散射作用完成远距离通信。a)电离层反射传播, 天波: 主要用于中波、短波的远距离的广播、通信，岸船间航海(hnghi)移动移动通信，飞机地面间航空移动通信。其特点：传播损耗小（远），衰落现象严重，短波传播受电离层扰动大；c)流星电离余迹反（散）射传播。第42页/共53页第四十二页，共54页。卫星(wixng)通信:地与宇宙飞船、人造地球卫星(wixng)及星体等之间的通信。（f=3GHz10GHz）外大气层及行星际空间电波(dinb)传播第43页/共53页第四十三页，共54页。地地-电离层波导电离层波导(bdo)传传播播:低频、甚

23、低频远距离传播、标准频率和时间信号的传播;特点：传播损耗小，受电离层扰动小，传播相位稳定，有良好(lingho)的可预测性，但大气噪声电平离，工作频带窄。第44页/共53页第四十四页，共54页。3.自由空间的电波自由空间的电波(dinb)传播传播设有一天线置于自由空间，在最大辐射(fsh)方向上、距离为r的接收点处产生的场强为：t 代表发射天线(tinxin)，Pt为发射天线(tinxin)的输入功率，Gt为发射天线(tinxin)的增益，r为天线(tinxin)间的距离。接收天线(tinxin)的接收功率为： 式中S为坡印廷矢量（W/m2）, Ae为接收天线的有效面积(m2)，Gr为接收天线

24、的增益。第45页/共53页第四十五页，共54页。自由空间的基本自由空间的基本(jbn)传输损传输损耗耗Lbf：自由空间内发射(fsh)天线的发射(fsh)功率Pt与接收天线的输出功率Pr之比。用dB表示(biosh)：第46页/共53页第四十六页，共54页。自由空间的传输自由空间的传输(chunsh)损耗：损耗：电磁波的衰减可由自由空间传输损耗Ldf表示。自由空间传输损耗Ldf是用在自由空间内两个理想点源天线(tinxin)（G=1）之间的传输损耗来定义。 用dB表示(biosh)：自由空间的传输损耗Ldf：自由空间内理想点源天线的发射功率Pt与Gr=1的接收天线的输出功率Pr之比。亦即不包含

25、天线时的自由空间路径损耗：第47页/共53页第四十七页，共54页。4.传输媒质对电波传输媒质对电波(dinb)传播的传播的影响影响则传输(chunsh)损耗为：信道损耗：电波(dinb)在实际的媒质中传播是有能量损耗的。原因：大气对电波的吸收、散射，障碍物对的绕射设接收点的实际场强E、功率Pr ,相对应自由空间的场强E0,功率Pr,则信道的衰减因子A为:若不考虑天线的影响,即Gt=Gr=1(0dB),则实际的传输损耗为第48页/共53页第四十八页，共54页。衰落衰落(shuilu)现象现象衰落:指信号电平随时间的随机(suj)起伏。变化较快的称为快衰落，较慢的称为慢衰落。干涉型衰落主要是由随机

26、多径干涉现象引起的-快衰落吸收型衰落主要是由于传输媒质(mizh)对电波的吸收所致-慢衰落由起因：传输失真电波通过媒质时可产生损耗，还可产生失真振幅失真、相位失真产生失真的原因：媒质的色散效应随机多径传输效应第49页/共53页第四十九页，共54页。5.多径传输多径传输(chunsh)菲涅尔区多径不同(btn)路径场的叠加信号(xnho)的衰落同相叠加信号增强反相叠加信号减弱第50页/共53页第五十页，共54页。双线模型合成功率可表示双线模型合成功率可表示(biosh)(biosh)为为( (信号信号反相叠加反相叠加) )： 由上式可以看出当距离很大时，接收功率随距离成4次方衰减（40dB/10

27、倍程）,比自由空间中损耗要快得多。在通信中表现(bioxin)为快衰落。双线模型的路径损耗表示为：t 代表发射(fsh)天线，r代表接收天线， ht为发射(fsh)天线的架高，hr为接收天线的架高，Pt为发射(fsh)天线的输入功率，Gt为发射(fsh)天线的增益， Pr为接收天线的输入功率，Gr为接收天线的增益，d为发射(fsh)和接收天线的距离。hthrd第51页/共53页第五十一页，共54页。克服克服(kf)多径多径空间分集；频率(pnl)分集；极化分集；路由分集；第52页/共53页第五十二页，共54页。感谢您的观赏(gunshng)！第53页/共53页第五十三页，共54页。内容(nirng)总结第1页/共53页。阻抗带宽：能满足天线阻抗要求（或归一化输入电流为0.707时）的频带宽度。方向性带宽：当主瓣归一化场强电平降到0.707时的带宽。场强过大-空气电离-击穿。由互易定理分析可得：同一副天线在用作接收时和用作发射时，其各电参数相同。散射：当障碍物表面粗糙或障碍物远小于波长(bchng)时，则会产生散射。绕射：当障碍物可与波长(bchng)相比时，则会产生绕射。特点: 传输损耗大，但单跳距离大。感谢您的观赏第五十四页，共54页。