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1、天线与微波技术科技重点实验室西安电子科技大学第三章天线(tinxin)基本参数第一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 u1、方向性函数(hnsh)u2、方向图（Radiation Pattern）u3、方向图参数u4、方向系数（Directivity）u5、天线效率u6、增益（Gain）u7、极化（Polarization）u8、有效长度(chngd)u9、输入阻抗（Input Impedance）u10、辐射阻抗（Radiation Resistance）u11、频带宽度（Bandwidth)第二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线方向图的定义：天线方
2、向图的定义： 天天线线辐辐射射方方向向图图或或天天线线方方向向图图定定义义为为“天天线线的的辐辐射射参参量量(cnling)随随空空间间坐坐标标的的变变化化图图形形”，辐辐射射参参量量(cnling)包包括括天天线线辐辐射射的的功功率率通量密度、场强、相位和极化。通量密度、场强、相位和极化。 通通常常天天线线方方向向图图在在远远场场区区确确定定，并并表表示示为为空空间间方方向向坐坐标标的的函函数数方方向向（图图）函函数数，此此时时方方向向图图的的形形状状就就与与距距离离无无关关。一一般般我我们们最最关关心心的是功率方向图和场强方向图。的是功率方向图和场强方向图。辐射(fsh)方向图第三页，共1
3、26页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.1 方向性函数方向性函数(hnsh) 任何天线辐射的电磁波都不是均匀平面波，其辐射场都具有方任何天线辐射的电磁波都不是均匀平面波，其辐射场都具有方向性。所谓的方向性函数向性。所谓的方向性函数(hnsh)，就是在相同距离的条件下天线，就是在相同距离的条件下天线的辐射场的相对值与空间方向的辐射场的相对值与空间方向 的关系，一般用的关系，一般用 来表示。来表示。天线在空间任意方向(fngxing)的电场强度的大小可以表示为：与方向无关与方向无关(wgun)的常数的常数就是场强方向图函数，并且只是的函数第四页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基
4、本参数 方向性函数(hnsh)定义为：以基本电振子为例，其辐射电场(dinchng)强度可以表示成：分量(fnling)表达式对称振子的方向图函数为对称振子的方向图函数为 第五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 为便于比较，通常(tngchng)采用归一化方向性函数 来表示，即：对于(duy)一个理想的点源，其辐射场是无方向性的，在相同距离处，任何方向场强大小均相等，归一化方向性函数。基本电振子(zhnz)的归一化方向性函数为：基本振子第六页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 归一化功率方向图归一化功率方向图功率通量密度功率通量密度 也就是也就是(jish)复
5、坡印廷矢量的幅值复坡印廷矢量的幅值显然可得功率归一化方向图与场强归一化方向图的关系：显然可得功率归一化方向图与场强归一化方向图的关系：第七页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.2 方向图（方向图（Radiation Pattern） 将方向性函数以曲线方式描绘出来，称之为方向图。将方向性函数以曲线方式描绘出来，称之为方向图。它是描述天线它是描述天线(tinxin)辐射场在空间相对分布随方向辐射场在空间相对分布随方向 变变化的图形。通常指归一化方向图。化的图形。通常指归一化方向图。1.方向(fngxing)图分类三维方向(fngxing)图 二维方向图极坐标方向图直角坐标方向
6、图主平面：E面方向图、面方向图、H面方向图面方向图幅度分贝球坐标方向图直角坐标方向图第八页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 2.立体方向图（三维） 变化 和 得到的方向图为立体方向图，它综合描述(mio sh)了天线在各个方向上的辐射情况。 下图是基本电振子的立体方向图。基本(jbn)电振子的3D方向图半波(bnb)对称振子与基本电振子的方向图区别？(a)7元八木天线(b)三维球坐标 场强方向图(c)三维直角坐标 场强方向图第九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.E面、H面方向(fngxing)图E面包含最大辐射方向(fngxing)的电场矢量所在的平面
7、。用E面去截取立体方向(fngxing)图，则得到E面方向(fngxing)图。H面包含最大辐射方向(fngxing)的磁场矢量所在的平面。用H面去截取立体方向(fngxing)图，则得到H面方向(fngxing)图。圆极化天线圆极化天线(tinxin)没没有有E面和面和H面？面？对于基本(jbn)电振子，E面是包含z轴的任一平面，例如XOZ平面，此面上，方向函数为。而H面为XOY平面，此面上，方向函数为。第十页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.3 方方向向(fngxing)图图参数参数 实实际际天天线线或或者者阵阵列列天天线线的的方方向向(fngxing)图图比比较较复
8、复杂杂，通通常常有有多多个个波波瓣瓣，包包括括主主瓣瓣（主主波波束束）、多多个个副副瓣瓣（旁旁瓣瓣）和和后后瓣瓣（尾瓣），如图所示。（尾瓣），如图所示。第十一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 1.半功率波瓣宽度(kund)（Half-powerBeamwidth）半功率波瓣宽度(kund)又称主瓣宽度(kund)或3dB波瓣宽度(kund)，是指主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707倍（最大功率密度下降一半）的两辐射方向之间的夹角，通常用表示。3.副瓣电平(dinpn)（SideLobeLevel）定义：副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般用分贝表示，即：2.零功率波瓣宽度（
9、FirstNullBeamwidth）主瓣最大值两边两个零辐射(fsh)方向之间的夹角，通常用表示。主瓣宽度又称为半功率波束宽度或3dB波束宽度。一般情况下，天线的E面和H面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为20.5E和20.5H 。 第十二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 通常，最靠近主瓣的第一个副瓣是所有副瓣中最大的，为衡量辐射功率集中于主瓣的程度(chngd)，引入第一副瓣电平（FirstSideLobeLevel）的概念，它是第一副瓣最大值与主瓣最大值之比。副瓣电平通常指第一副瓣电平。 副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。因此，天线(tinxin)副瓣电平愈低，
10、表明天线(tinxin)在不需要方向上辐射或接收的能量愈弱，或者说在这些方向上对杂散的来波抑制能力愈强，抗干扰能力就愈强。因此，在天线(tinxin)设计中常有低副瓣设计要求如基站的上旁瓣、雷达天线(tinxin)。 4.前后比主瓣最大值与后瓣最大值之比，用分贝(fnbi)表示。第十三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 不同用途要求天线有不同的方向图。例如，广播电视发射(fsh)天线，移动通讯基站天线等，要求在水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定的方向性以提高天线增益，见下图(a)； 对微波中继通讯、远程雷达、射电天文(tinwn)、卫星接收等用途的天线，要求为笔形波束方
11、向图，见下图(b)； 对搜索雷达(lid)、警戒雷达(lid)天线则要求天线方向图为扇形波束。 (a)水平全向方向图(b)笔形波束方向图(c)余割平方波束方向图第十四页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 立体(lt)角单位，立体(lt)弧度球面的面积(min j) 对应的立体角为4sr。在球坐标系中，球面(qimin)的面积元：所对应的立体角元：天线在某方向的辐射强度是该方向单位立体角的辐射功率天线在某方向的辐射强度是该方向单位立体角的辐射功率。 3.4 3.4 方向系数（方向系数（DirectivityDirectivity）辐射强度U(,)定义：给定方向上的辐射强度定义为天
12、线在单位立体角内所辐射的功率。它是一个远场远场参数。 第十五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 半径为r的球面(qimin)面积为S=4r2，其立体角为=4，在给定方向上的辐射强度U(,)表示为 由定义(dngy)：所有立体角上的辐射功率，即为第十六页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 复坡印亭矢量(shling)流出的总功率(gngl)平均辐射强度：理想点源天线(tinxin)的辐射强度与方向角无关。即U0(0 ,0)= U0，它可由所讨论天线(tinxin)在4立体角内辐射功率的平均值来表示，即 天线的辐射功率第十七页，共126页。西安电子科技大学第三章
13、天线基本参数 方向性系数是用来表征天线辐射能量集中程度的一个(y )参数。 在相同辐射功率Pr条件下，某天线(tinxin)在给定方向的辐射强度U(0,0)与理想点源天线(tinxin)在同一方向的辐射强度U0(0,0)之比(平均辐射强度)。即 由式可见，辐射强度与电场强度的平方成正比，因此(ync)上式也可以表述为 (相同Pr) (相同Pr)式中，E(0,0)为天线在指定方向上的电场强度，E0为理想点源天线在同一方向的电场强度。 第十八页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 为波束(bsh)立体角,定义为:波束立体角就是(jish)这样一个立体角，假如单位立体角的功率(辐射强度
14、)等于波束区的最大值,全部功率将会从该立体角中辐射出去。 第十九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 通过把辐射功率指向预期方向，可将该方向的辐射强度比同样功率用于各向同性时增加D倍。方向性完全取决于方向图的形状。方向图系数是空间坐标(zubio)的函数。一般方向系数指最大辐射方向的方向系数。方向性系数方向性系数(xsh)(xsh)第二十页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 可以(ky)得到计算方向系数的公式为：任一方向上的方向系数(xsh)与最大方向系数(xsh)的关系：方向系数(xsh)与波束宽度之间的关系：（条件）无方向性天线的方向系数为多少?主瓣越窄，方
15、主瓣越窄，方向系数越大向系数越大D=1第二十一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 通信通信(tng xn)距离与场强的关系距离与场强的关系天线的方向(fngxing)性为(最大方向(fngxing)的方向(fngxing)性系数) 可得出通信(tng xn)距离与场强的关系所以，任意方向的场强也可求出来例例：发射天线工作频率1GHz，辐射功率为30W，方向系数为2，在距天线1km远处空间电场强度的大小为0.06V/m ；若将天线的辐射功率提高到60W，则电场强度的大小增加 3dB。第二十二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 方向性系数是无量纲的量，工程上一般
16、(ybn)采用分贝表示 (dB) dBm dBi dBd dB dBc区别(qbi)dBm是一个(y )考征功率绝对值的值计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。 例2 对 于40W的 功 率 ， 按dBm单 位 进 行 折 算 后 的 值 应 为 ： 10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。例1 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm第二十三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 dBi和dBd是考征增益的值（功率(gngl)增益），两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天
17、线，dBd的参考基准为偶极子天线，所以两者略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出要大2.15，即dBi=dBd+2.15。例3对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算(shsun)成单位为dBi时，则为18.15dBi.例40dBd=2.15dBi。第二十四页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 dB 是是一一个个表表征征相相对对值值的的值值，当当考考虑虑甲甲的的功功率率相相比比于于乙乙功功率率大大或或小小多少多少(dusho)个个dB时时, 按下面计算公式：按下面计算公式：10lg（甲功率（甲功率/乙功率）乙功率）例6 甲功率比乙功率大一倍，那么
18、10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。 例7 7/8 英寸馈线的100米传输损耗(snho)约为3.9dB。 例8 如果甲的功率为46dBm，乙的功率为40dBm，则可以说，甲比乙大6 dB。第二十五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 dBc，它它也也是是一一个个(y )表表示示功功率率相相对对值值的的单单位位，与与dB的的计计算算方方法法完完全全一一样样。 一一般般来来说说，dBc 是是相相对对于于载载波波（Carrier）功功率率而而言言，在在许许多多情情况况下下，用用来来度度量量与与载载波波功功率率的的相相对对值值，如如
19、用用来来度度量量干干扰扰等等干干扰扰（同同频频干干扰扰、互互调调干干扰扰、交交调调干干扰扰、带带外外）以以及及耦耦合合、杂杂散散等等的的相相对对量量值值。在在采采用用dBc的的地地方方，原原则则上上也也可可以以使使用用dB替替代代。dB只只是是表表示示一一个个(y )比比值值,并并不不是是功功率率增增益的单位。益的单位。第二十六页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 例：求电基本振子的方向系数及半功率例：求电基本振子的方向系数及半功率(gngl)波瓣宽度。波瓣宽度。半功率(gngl)波瓣宽度解：方向(fngxing)函数最大辐射方向上的方向性系数分贝形式为：DdB=10lgD=1
20、.76dB第二十七页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天 线 (tinxin)的 效 率 是 用 来 计 及 损 耗 的 ,表 征 天 线(tinxin)能量转换效能。 天线的损耗 欧姆损耗 反射损耗 导体损耗 介质损耗 3.5 天线天线(tinxin)效率效率表面波损耗(snho)（微带天线） 第二十八页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线(tinxin)辐射功率Pr与输入功率Pin之比称为天线(tinxin)的效率，用表示，即：-损耗(snho)功率-损耗(snho)电阻-辐射电阻-反射系数-天线输入阻抗-传输线的特性阻抗如果考虑到馈线与天线失配引入的
21、反射损耗，则天线的总效率应为：第二十九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 发射机一般是经过一段传输线给天线馈电，设传输线无耗且输入端Tin处的输入实功率(gngl)为Pin，若天线与传输线失配，则线上存在反射系数，实际在天线输入端TL处的实功率(gngl)就为PL，如下图所示。 显然有： 天线吸收的功率PL又分为两部分，一部分由于导体和介质的热损耗吸收，记为 ，一部分向空间辐射出去，记为Pr，即 。因此有 返回(fnhu)第三十页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线(tinxin)总效率为 式中， 为反射失配效率； 为天线导体和介质损耗效率；为馈电传输线上
22、的反射系数；Zin为天线(tinxin)输入阻抗；Z0为传输线的特性阻抗；根据(gnj)前图所示的等效电路，有则Im为天线上波腹电流， 为热损耗电阻， 为辐射电阻。第三十一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.6 3.6 增益增益(zngy)(zngy)（GainGain） 在相同输入功率Pin条件(tiojin)下，某天线在给定方向的辐射强度U(0,0)与理想点源天线在同一方向的辐射强度U0(0,0)之比。即 (相同Pin) 注意：上式增益的表达式与方向性系数完全一样，但方向性系数和增益定义的基点(jdin)和条件是不同的。 方向性系数的定义是以辐射功率为基点，并以相同辐
23、射功率为条件，没有考虑天线的能量转换效率。增益的定义是以输入功率为基点，并以相同输入功率为条件。 第三十二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 定义方法2 在某方向(fngxing)产生相同电场强度的条件下, 理想点源的输入功率Pin0与某天线输入功率Pin的比值。即 (相同电场强度)式中用了关系(gun x)：Pin0=Pr0。因为理想点源天线无耗，其输入功率等于辐射功率。第三十三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 此时增益(zngy)表达式可以写成：天线的有效(yuxio)辐射功率可以表示为：得到(ddo)天线增益与方向系数的关系为：第三十四页，共126页
24、。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.7 极化（极化（Polarization） 辐射场的极化是指在空间某一辐射场的极化是指在空间某一固定位置固定位置(wi zhi)上电场矢量上电场矢量端点随时间运动的轨迹。根据端点随时间运动的轨迹。根据轨迹形状不同，可分为线极化、轨迹形状不同，可分为线极化、圆极化和椭圆极化。圆极化和椭圆极化。电磁波的极化是指：在空间某位置上，沿电磁波的传播(chunb)方向看去，其电场矢量在空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。第三十五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 线极化：电场矢量沿着一条线做往复运动。线极化分为水平极化线极化：电场矢量沿着一条线
25、做往复运动。线极化分为水平极化和垂直极化。和垂直极化。圆极化：电场矢量的大小圆极化：电场矢量的大小(dxio)不变，其末端做圆周运动。分不变，其末端做圆周运动。分为左旋圆极化和右旋圆极化。为左旋圆极化和右旋圆极化。椭圆极化：电场矢量大小椭圆极化：电场矢量大小(dxio)随时间变化，其末端运动的轨随时间变化，其末端运动的轨迹是椭圆。分为左旋椭圆极化和右旋椭圆极化。迹是椭圆。分为左旋椭圆极化和右旋椭圆极化。圆极化方向判断：拇指指向电圆极化方向判断：拇指指向电磁波的传播方向，四指指向电磁波的传播方向，四指指向电场的旋转方向，符合右手定则场的旋转方向，符合右手定则称为右旋（椭）圆极化，符合称为右旋（椭
26、）圆极化，符合左手左手(zushu)定则称为左旋定则称为左旋（椭）圆极化。（椭）圆极化。第三十六页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线极化概念(ginin) 天线的极化是以电磁波的极化来确定的。天线的极化定义为：在最大增益方向上，作发射时其辐射电磁波的极化，或作接收时能使天线终端得到最大可用功率(gngl)的方向入射电磁波的极化。最大增益方向就是天线方向图最大值方向，或最大指向方向。 天线的极化在各个(gg)方向并非保持恒定，所以天线的极化在其最大指向方向定义才有意义。 例如，对线极化天线来说，其辐射电场矢量的取向是随方向角的不同而不同的。 对圆极化天线来说，其最大指向方向
27、上可以设计得使其为圆极化，但在其它方向一般为椭圆极化，当远离最大指向方向时甚至可能退化为线极化. 第三十七页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 若以地面为参考(cnko)面，线极化又分为垂直极化和水平极化。在其最大辐射方向上，电磁波的电场矢量垂直于地面时，称为垂直极化；平行于地面时，称为水平极化。相应的天线称之为垂直极化天线和水平极化天线。 前面提到的八木天线(bmtinxin)、角锥喇叭天线和上图(a)的对称振子天线都是典型的线极化天线。上图(b)所示的平面阿基米德螺旋天线以及后面要介绍的等角螺旋天线和轴向模圆柱螺旋天线等则是典型的圆极化天线。第三十八页，共126页。西安电子
28、科技大学第三章 天线基本参数 平面平面(pngmin)电磁波的极化讨论电磁波的极化讨论 天线辐射的电磁波为球面波。但在以天线上某点为圆心、远场距离(jl)r为半径的一个球面上，取天线最大指向方向邻近范围的一小块面积，在此小块面积上的电磁波可近似为平面波。在球坐标系下，天线远区辐射电场一般(ybn)由E和E表示，见下图。不失一般(ybn)性可用Ex和Ey表示。沿正z方向传播的平面波合成电场可写作第三十九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 式中，和为单位矢量，和分别为电场分量Ex和Ey的相位，E0x和E0y则为其振幅。将上式等号两边同乘以时间因子ejt并取其实部，得瞬时合成电场在
29、z=0处的表示为瞬时(shnsh)分量为第四十页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 消去(xioq)式上中含t的项，可得方程(0.30)式中，为两个分量的相位差。下面根据这一方程讨论在位置z=0处合成电场矢量的取向随时间变化的轨迹。线极化线极化 当两个分量的相位差为零或的整数倍时，其合成(hchng)矢量为线极化。即上式方程(fngchng)变成一个线性方程(fngchng)第四十一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 圆极化圆极化 当两个分量(fnling)的幅度相等,且相位差为/2的奇数倍时，其合成矢量为圆极化。即式(0.30)方程变成一个(y)标准圆方程(
30、0.32)说明合成矢量的取向(qxin)随时间变化轨迹为一个圆。第四十二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 椭圆极化当两个分量的相位差为/2的奇数倍，但幅度不等时；或两个分量的相位差不等于/2的倍数(bish)且不论幅度相等与否，其合成矢量为椭圆极化.即此时式(0.30)可化作一个标准椭圆(tuyun)方程(0.33)或和为任意值第四十三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 此时式(0.30)方程是一个一般的椭圆方程，说明合成矢量的取向随时间变化(binhu)轨迹为椭圆。对于椭圆极化，在某个(mu)给定位置上其极化轨迹曲线一般是一个倾斜的椭圆，见下图。极化椭圆
31、的长轴b与短轴a之比称为(chnwi)轴比，记为AR。其表示为第四十四页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (0.34)式中，为椭圆倾角，即椭圆长轴与x轴之间的夹角(jijio)。其表示为(0.35)第四十五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (0.36)当AR1(0dB)时，天线极化为圆极化当AR时，天线极化为线极化在圆极化天线设计中，轴比是衡量天线圆极化程度的一个重要(zhngyo)技术指标。一般要求在方向图主瓣宽度范围内ARdB3dB。椭圆极化可以看成是由两个旋向相反的圆极化波迭加而成，一个圆极化电场(din chng)可以分解成两个振幅相等、相位相差
32、线极化电场(din chng).第四十六页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 若波沿若波沿Z方向方向(fngxing)传播传播 第四十七页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 极极化化匹匹配配问问题题：某某种种极极化化方方式式的的天天线线，只只能能接接收收与与其其极极化化方方式式相相同同的的电电磁磁波波，称称谓谓极极化化匹匹配配。如如水水平平线线极极化化天天线线只只能能接接收收水水平平极极化化的的电电磁磁波波，右右旋旋极极化化的的天天线线只只能能接接收收右右旋旋极极化化电电磁磁波波。极极化化失失配配意意味味着着功功率率损损失失(snsh)，例例如如用用线线极极化化
33、天天线线接接收收左左旋旋或或右右旋旋圆圆极极化化波波，用用右右旋旋或或左左旋旋圆圆极极化化天天线线接接收收线线极极化化波波，均均有有3dB的的功率损耗。功率损耗。主主极极化化与与交交叉叉极极化化：在在垂垂直直于于矢矢径径 的的平平面面（等等相相位位面面）上上，可可以以将将电电场场矢矢量量分分解解为为两两个个相相互互正正交交的的极极化化分分量量，与与设设计计初初衷衷一一致致的的称称为为主主极极化化分分量量，相相反反的的称称为为交交叉叉极极化化分分量量。交交叉叉极极化化分分量量与与主主极化分量的比值，称为极化隔离度，通常用极化分量的比值，称为极化隔离度，通常用dB表示。表示。第四十八页，共126页
34、。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 交叉极化交叉极化 由于结构等方面的原因，天线可能辐射或接收不需要的极化(j hu)分量。例如辐射或接收水平极化(j hu)波的天线，也可能辐射或接收不需要的垂直极化(j hu)波。这种不需要辐射或接收的极化(j hu)波称为交叉极化(j hu)。 对线极化(j hu)天线天线来说，交叉极化(j hu)与预定的极化(j hu)方向垂直。水平极化(j hu)-垂直极化(j hu)；垂直极化(j hu)-水平极化(j hu) 对纯圆极化天线来说，交叉极化与预定(ydng)圆极化旋向相反。 对椭圆极化天线来说，交叉极化与预定椭圆极化的轴比相同，长短轴相互正交，旋
35、向相反。所以，交叉极化又称作正交极化。 第四十九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 一个线极化波可以分解成水平极化分量和垂直极化分量；椭圆极化波可以分解成两个幅度不等、旋向相反的圆极化分量。极化隔离度充分(chngfn)大的前提下，同一频率可正交复用，即利用两个相互正交的极化，以实现收发之间的同频隔离。0.4.5.3极化损失(snsh)系数K在无线电通讯中，只有在收、发天线的极化匹配时，才能获得最大的功率传输，否则(fuz)会出现极化损失。所谓收、发天线的极化匹配是指：在最大指向方向对准的情况下，收、发天线的极化一致。极化损失系数用K来表示，是指接收天线的极化与来波极化不完全
36、匹配时，接收功率损失的多少。第五十页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 极化损失系数用K的定义(dngy)为：接收到的功率Pre与入射到接收天线上的功率Pi之比。即线极化天线的极化损失(snsh)系数以典型的对称振子为例，如下图所示。虽然两付天线最大指向对准，但接收天线绕y轴旋转了角度，这就使得收、发天线的极化产生(chnshng)了不一致。下面就线极化天线和圆极化天线在最大指向方向对准时，讨论收、发天线极化不一致产生的极化损失系数。(0.37)第五十一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 设 由 发 射 天 线 来 的 入 射 波 电 场 为 ，为平行于z轴的
37、单位矢量，在最大指向方向的入射功率密度为。并设接收天线的有效面积为Se(后面介绍)，则入射到接收天线上的功率为由于存在极化失配，只有平行于接收天线轴的电场分量才能在接收天线上感应电压而被接收。这个电场分量为，为平行于接收天线轴的单位矢量，即为其极化方向。天线能接收的功率为第五十二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 由极化(jhu)损失系数的定义式(0.37)可得(0.38)可用分贝(fnbi)表示。由此式可以看出(knch)：当=0(极化匹配)时,K=1(0dB),天线将从入射波吸取最大功率；当=45o时，K=1/2(-3dB)，说明吸收功率损失了3dB；当收、发天线正交放置
38、时=90o,K=0(-dB)，则天线不能从入射波中吸收功率。第五十三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 圆极化圆极化(j hu)(j hu)天线的极化天线的极化(j hu)(j hu)损失系数损失系数 圆极化天线的极化损失系数导出过程冗长，这里(zhl)直接给出结果。假设发射天线极化椭圆的轴比为r1=AR1，倾角为1；接收天线极化椭圆的轴比为r2=AR2，倾角为2；两天线极化椭圆长轴之间的夹角为= 1- 2。则极化损失系数为 (0.39)当收发天线的极化椭圆旋向相同(xin tn)时，上式取“+”号，旋向相反时则取“”号。由此式可以看出： 第五十四页，共126页。西安电子科技
39、大学第三章 天线基本参数 当收发天线为相同旋向的圆极化(j hu)时，r1=r2=1， 取正号可得K=1，说明全部来波均被接收，无 极化(j hu)损失； 当收发天线为相反(xingfn)旋向的圆极化时，r1=r2=1， 取负号可得K=0，这说明接收不到来波功率； 当收发(shuf)天线的一方为圆极化r1=1，一方为线极 化r2=时，得K=1/2，说明只能接收来波功率的一半，损失3dB。 第五十五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 由式(0.38)可得到两个线极化(j hu)天线之间的极化(j hu)损失系数；由式(0.39)可得到两个圆极化(j hu)天线或一个为圆极化(j
40、 hu)，一个为线极化(j hu)天线之间的极化(j hu)损失系数。典型情况由下表给出。 收发天线为各种典型极化(j hu)时的极化(j hu)损失系数 发射天线接收天线极化损失系数K垂直极化/水平极化垂直极化/水平极化1垂直极化/水平极化水平极化/垂直极化0垂直或水平极化圆极化1/2左/右旋圆极化左/右旋圆极化1左/右旋圆极化右/左旋圆极化0第五十六页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.8 3.8 有效长度有效长度天天线线的的有有效效长长度度和和有有效效面面积积可可以以用用来来表表征征天天线线辐辐射射或或接接收收(jishu)(jishu)电电磁波的能力。磁波的能力。定
41、定义义：在在保保持持实实际际天天线线最最大大辐辐射射方方向向上上的的场场强强值值不不变变的的条条件件下下，假假设设天天线线上上的的电电流流为为均均匀匀分分布布时时天天线线的的等效长度。等效长度。第五十七页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 如果实际天线长度为，输入电流为，电流分布为，由基本电振子远区场（叠加）可得该天线最大辐射方向上的电场(dinchng)强度为：电流以均匀分布、长度为的天线，在最大辐射方向产生的电场(dinchng)为：令以上二式相等，得到：第五十八页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 可见，以为一边，实际电流与等效均匀电流所包围的面积相等。引
42、入等效长度，线天线(tinxin)远区场可表示为：式中和归算于同一电流。3.9输入阻抗（InputImpedance）天线(tinxin)输入端电压与电流之比定义为天线(tinxin)的输入阻抗，用表示。即：由于计算天线(tinxin)上的电流很困难，工程上常采用近似计算或实验测定的方法确定天线(tinxin)的输入阻抗。-输入电阻-输入(shr)电抗第五十九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 连接到发射机或接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机的负载或接收机的源的内部阻抗。因此输入阻抗值的大小可表征天线与发射机或接收机的匹配状况，同时可表示传输线中的导行波与空间电磁波之间能量
43、转换的好坏。故输入阻抗是天线的一个(y )重要电路参数。 工程上对天线系统提出的设计(shj)要求，一般不是规定所要设计(shj)天线的输入阻抗是多少，而是规定在馈线上的电压驻波比的最大允许值。如在x波段1.5，在短波波段3等。但设计(shj)人员知道天线输入阻抗之后，就可设计(shj)馈电传输线，以便使天线与馈线之间达到良好的匹配，以满足设计(shj)要求。 天线是一个开放的辐射系统，其输入阻抗(sh r z kn)不仅与天线型式、尺寸、工作频率有关，而且与其周围物体情况等因素有关。 第六十页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线驻波比是表示天线与馈源（包括(boku)电缆
44、）匹配程度的指标。它的产生是由于入射波能量传输到天线输入端后未被全部辐射出去，产生反射波，迭加而成的。输入(shr)功率10W50同轴电缆(tnzhudinln)反射功率0.5W辐射功率9.5W天线电压驻波比天线电压驻波比(VSWR)第六十一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 由此可算出回波损耗： RL10lg(10/0.5)=13dB 功率(gngl)反射系数： |20.5/100.05 电压反射系数 |0.2238 驻波比定义为 VSWR(1+|)/(1- |)1.57一般要求天线的驻波比小于1.5，驻波比是越小越好，但考虑到天线制造成本 和 批 量 生 产 的 一 致
45、性 在 工 程(gngchng)使用中没有必要追求过小的驻波比。如右表所示，当天线的驻波比分别是1.5和1.35时，由上面的公式可计算出功率反射系数分别是4%和2.2%，则由于反射引起的增益损失分别是0.18dB和0.1dB第六十二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 失配(shpi)损耗的计算：第六十三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 通信系统通信系统(xtng)中中的天线：的天线：当天线被用于它最主要的应用领域通信链路时，应熟悉其在此所起的作用。一个简单的通信链路如下图。具有阻抗ZA并接有终端阻抗ZL的接收天线，可以(ky)建模为图5。入射到接收天线的总
46、功率可通过入射到整个接收天线“面积”(称为有效口径)的入射功率密度的总和求得。一个天线如何把入射功率转化为终端处的可用功率取决于所用天线的类型、指向以及极化。本节将讨论功率计算的基本关系并说明它们在通信链路中的作用第六十四页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 通过考察一个无限小偶极子然后归纳即可建立关系式，理想的、无耗的、长度为 的振子，其最大有效口径可以这样求得：把振子指向平行于入射线极化电场 的方向，以得到(d do)最大相应，由下式求得开路电压接收(jishu)回路的电流接收机得到(d do)平均功率第六十五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 用一个面积
47、(min j)来表示天线的接收能力，即最大有效口径 。接收天线从入射波接收功率，正比于最大有效口：得到(ddo)的功率最大且为:第六十六页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 例：理想(lxing)电基本振子(电流元)，这一结论对于任意这一结论对于任意(rny)天线均成立天线均成立第六十七页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 用一个面积来表示天线(tinxin)的接收能力，即最大有效口径 。接收天线(tinxin)从入射波接收功率，正比于最大有效口：在实践中，天线不是完全无耗的。发射天线端口的可用功率没有全部变成辐射功率。接收(jishu)天线接收(jishu)到
48、的功率降低为无耗天线是的一部分 (辐射效率)。它由定义有效口径来达。而包含(bohn)天线损耗的可用功率此方程直观地表示出：接收天线起的作用是把入射功率流密度转换成给负载的功率。第六十八页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 通信链路通信链路(Friss传输方程传输方程) 现在来完整的描述图中的通信链路中的功率现在来完整的描述图中的通信链路中的功率(gngl)传递。发射天线参数为：传递。发射天线参数为： ；接收天线参数为：；接收天线参数为： 。如果发射天线是各向同性的，在距离处的功率。如果发射天线是各向同性的，在距离处的功率(gngl)密度为密度为: 对于具有方向系数对于具有方向
49、系数 的发射天线，入射到接收天线的的发射天线，入射到接收天线的功率功率(gngl)密度为密度为 则可用接收功率则可用接收功率(gngl)为为第六十九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 计入(jr)天线损耗时： 成立的条件为：收、发射天线最大辐射方向对准；收发天线极化匹配(ppi)；收、发天线与传输线阻抗匹配(ppi)。如上述任一条件不满足，只要校准由极化损耗、阻抗失配或天线未对准引起的损失。 称为功率称为功率(gngl)传输方程传输方程Friss。 第七十页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 1、当收、发天线最大方向没有、当收、发天线最大方向没有(mi yu)
50、对准时对准时分别为发射、接收天线的最大接收方向(fngxing)与水平连线的夹角，则各自的增益方向(fngxing)图为：第七十一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 2、当极化不匹配时、当极化不匹配时 当入射波和接收天线从完全失配当入射波和接收天线从完全失配(sh pi)变为完全匹变为完全匹配时，极化效率（或极化失配配时，极化效率（或极化失配(sh pi)因子）从因子）从0变到变到1。接收功率为：。接收功率为： p为极化失配为极化失配(sh pi)因子：因子： 其中其中 为接收天线极化的单位复矢量，为接收天线极化的单位复矢量， 为入射波极为入射波极化的单位复矢量。化的单位复矢
51、量。第七十二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 假设(jish)以Z方向为参考方向，入射波、接收天线电场矢量位于xy面内，则与均在xy面上。电场(dinchng)与X轴夹角电场(dinchng)与X轴夹角例例：来波是沿Z轴方向传播的线极化波,以+Z轴方向为极化参考方向.(1)接收天线为x方向的线极化波，极化的单位复矢量入射波极化的单位复矢量第七十三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (2) 若来波为左旋(zu xun)圆极化用线极化天线(tinxin)接收圆极化波，极化不匹配使功率损失一半或3dB，同样，用圆极化天线(tinxin)接收线极化波，极化不匹配使
52、功率损失一半或3dB。第七十四页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (3)收、发天线(tinxin)均为同一旋向的圆极化天线(tinxin) （均沿Z轴传播(chunb)，左旋）极化极化(j hu)匹配匹配(4) 右旋发，左旋收：极化失配极化失配第七十五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3、当阻抗(zkng)不匹配时天线的阻抗(zkng)失配因子q可定义为： 在很多情况下，天线阻抗是未知的，可测出电压驻波比作为(zuwi)替代。由于反射系数可由VSWR计算，沿传输线传输的功率部分为：反射反射(fnsh)损耗为损耗为 (dB)第七十六页，共126页。西安电子科
53、技大学第三章 天线基本参数 因此，总的功率传输因此，总的功率传输(chun sh)方程可写成：方程可写成：极化极化(j hu)失失配因子配因子阻抗失配阻抗失配(sh pi)因子因子第七十七页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.10 辐射阻抗（辐射阻抗（Radiation Resistance） 天线的辐射阻抗天线的辐射阻抗 是一个假想是一个假想(jixing)的等效阻抗，与归算的等效阻抗，与归算电流密切相关，归算电流不同，辐射阻抗的数值也不同。电流密切相关，归算电流不同，辐射阻抗的数值也不同。 如果将输入电流如果将输入电流 作为归算电流，天线辐射场强可表示为：作为归算电流，
54、天线辐射场强可表示为：辐射功率辐射功率 可表示成：可表示成：-辐射电阻-辐射(fsh)电抗第七十八页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 辐射电阻与方向辐射电阻与方向(fngxing)系数之间的关系：系数之间的关系：由坡印廷矢量可得天线辐射功率为：由坡印廷矢量可得天线辐射功率为：于是得到辐射电阻为：于是得到辐射电阻为：辐射电阻与方向辐射电阻与方向(fngxing)系数的关系为：系数的关系为：所以，已知天线辐射电阻可以计算(jsun)方向性系数第七十九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 例：求电基本(jbn)振子的辐射电阻电基本振子(zhnz)只有一个归算电流第八
55、十页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线的性能参数如输入阻抗、方向图、主瓣宽度、副瓣电平、波束指向、极化、增益等一般是随频率的改变而变化的，有些参数随频率的改变而变化较大，而使电气性能下降。因此(ync)，工程上一般都要给出天线的频带宽度，简称天线的带宽，其定义为： 3.11 3.11 频带宽度频带宽度(Bandwidth)(Bandwidth) 天线某个天线某个(mu )(mu )性能参数符合规定标准的频率范围。性能参数符合规定标准的频率范围。 第八十一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 这个频率范围的中点处频率称为中心频率f0，以此(y c)频率范围作
56、为天线的带宽，在此频带宽度内的天线性能参数与中心频率上的值进行比较，均符合规定的标准。 不同系统对天线工作频带(pndi)的要求不同。 不同形式的天线(tinxin)以及天线(tinxin)的不同电气性能参数 对频率的敏感程度不同。 在一些阵列天线中，方向图带宽成了主要因素。 圆极化天线的主要限制因素往往是其极化特性。 可见，对不同系统、不同用途的天线，所提出的带宽标准是不同的。有的带宽标准是阻抗或驻波比带宽，有的带宽标准是方向图带宽，有的是增益带宽，有的是极化带宽等等。 第八十二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 定义：当工作频率变化时，天线的相关电参数变化的程度在所允许的
57、范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度。相对带宽：绝对带宽：或者（倍频关系）根据带宽的不同(btn)，天线可分为窄带天线、宽带天线和超宽带天线。例如(lr)：1710-2170MHz,3-30MHz,3.1-10.6GHz第八十三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 例例1:以电流元的辐射场为例，其场强方向以电流元的辐射场为例，其场强方向(fngxing)图函数为图函数为 ，方向，方向(fngxing)图如下所示。图如下所示。电基本振子(zhnz)的方向图求位于xy面的两个互相垂直交叉电基本在Z轴P电处的辐射(fsh)场方向图，其中：解：其中：第八十四页，共126页。西安电子科
58、技大学第三章 天线基本参数 在xoy面上(minshn)：设第八十五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 -电视发射天线的原理-水平面无方向性。思考(sko)：如果，方向图？第八十六页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 例：(a)在方向上滞后于90相位，为左旋(zuxun)圆极化。在方向上为右旋圆极化。(b)在面上任一方向所以，线极化。第八十七页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 1.3 对称对称(duchn)振子天线振子天线 对称对称(duchn)振子的应用：振子的应用：第八十八页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 对称振子对称
59、振子(zhn z)天天线求解线求解 在中点馈电，两臂对称的直线、曲线和贴片天线等均可叫做对称在中点馈电，两臂对称的直线、曲线和贴片天线等均可叫做对称振子天线，如下图所示。这里主要介绍直线对称振子，并假设其截面振子天线，如下图所示。这里主要介绍直线对称振子，并假设其截面半径远小于工作波长和其长度。对于细线天线来说，只要知道天线上半径远小于工作波长和其长度。对于细线天线来说，只要知道天线上的电流分布的电流分布(fnb)及其长度，就可求得其辐射场，从而可确定天线及其长度，就可求得其辐射场，从而可确定天线的各参数。的各参数。 但是，要严格求解线天线上的但是，要严格求解线天线上的电流分布电流分布(fnb
60、)是一个较复杂的问是一个较复杂的问题。工程上可采用近似方法来确定题。工程上可采用近似方法来确定其电流分布其电流分布(fnb)。 第八十九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 1.3.1 对称振子上的电流对称振子上的电流(dinli)分布分布 对于中点馈电的对称振子天线，其结构对于中点馈电的对称振子天线，其结构(jigu)可看作是一段可看作是一段开路传输线张开而成，如下图所示。开路传输线张开而成，如下图所示。在图在图(c)坐标系下，单臂长为坐标系下，单臂长为l的对称振子的对称振子(zhn z)上的电流分布可近似写作上的电流分布可近似写作 (1.35)第九十页，共126页。西安电子
61、科技大学第三章 天线基本参数 由此电流由此电流(dinli)分布可见：分布可见： 当当z = l 时，天线时，天线(tinxin)两端的电流为零两端的电流为零I(l)=0； 当当z =0，即为输入，即为输入(shr)点电流：点电流：I(0)=Imsin(l)。 如果对称振子的臂长很短如果对称振子的臂长很短(/502l/10)，其上电流分布可近似为，其上电流分布可近似为三角形分布：三角形分布： (1.36)1.3.2 对称振子的远区辐射场和方向图对称振子的远区辐射场和方向图 对称振子天线是最常用的天线形式之一。设对称振子的长度为对称振子天线是最常用的天线形式之一。设对称振子的长度为2l，其上电流
62、为正弦分布。求远区辐射场的分析步骤如下，其上电流为正弦分布。求远区辐射场的分析步骤如下 :当当z =0，且，且2l=/2时，时，l=/2，I(0)=Im即馈电点电流为最大值即馈电点电流为最大值. 此时此时天线上的电流为半波天线上的电流为半波, 称为半波对称振子。称为半波对称振子。 第九十一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (1) 建立建立(jinl)坐标系，如图所示，其上电流分布为坐标系，如图所示，其上电流分布为 (2) 将对称振子分为长度为将对称振子分为长度为dz的许多小段，的许多小段，每个小段可看作每个小段可看作(kn zu)是一个元天线，是一个元天线，距坐标原点距坐标
63、原点z处的元天线的辐射电场可由处的元天线的辐射电场可由式式(1.9)给出，并写作给出，并写作 (3)作远场近似：对相位作远场近似：对相位 对幅度对幅度 第九十二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (4)求总场。总场是这些元天线求总场。总场是这些元天线(tinxin)的辐射场在空间某点的叠的辐射场在空间某点的叠加，用积分表示为加，用积分表示为 (1.37)把正弦电流把正弦电流(dinli)分布代入上式，并分成对两个臂的积分分布代入上式，并分成对两个臂的积分 (1.38)第九十三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (5) 求总场模值及方向求总场模值及方向(fng
64、xing)图函数图函数 模值为模值为(1.39)方向图函数为方向图函数为 (1.40)当当2l1.44时时, 最大辐射最大辐射(fsh)方向为侧向方向为侧向(m=/2), 最大值为最大值为 (1.41)此时此时(c sh)的归一化方向图函数为的归一化方向图函数为 (1.42)半波振子：半波振子： 2l/2，l=/2，fmax=f(m)=1,(1.43)返回返回第九十四页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 全波振子全波振子(zhn z)：2l，l=，fmax=f(m)=2，(1.44)短振子短振子(zhn z)：l1，把余弦函数表示成级数形式，有，把余弦函数表示成级数形式，有 (
65、1.45)(1.46)考虑考虑(kol)到馈电点的电流为到馈电点的电流为Iin=Imsin(l)Iml，得短振子的辐射，得短振子的辐射场为：场为： 第九十五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (1.47) 与元天线的辐射场式与元天线的辐射场式(1.9)比较，两者形式上完全一样。这说明：一个比较，两者形式上完全一样。这说明：一个长度为长度为2l的短振子与一个长度为的短振子与一个长度为dz=l的元天线的元天线(基本基本(jbn)振子振子)等效。因为等效。因为前者电流为三角形分布，后者电流为等幅分布。前者电流为三角形分布，后者电流为等幅分布。 前面给出的方向图函数前面给出的方向图函
66、数F()为对称振子的为对称振子的E面方向图函数；面方向图函数；H面方向图面方向图在垂直于振子轴的平面在垂直于振子轴的平面(pngmin)内为常数，即为一个圆。内为常数，即为一个圆。 由如下方向由如下方向(fngxing)图函数可绘出三维方向图函数可绘出三维方向(fngxing)图图 第九十六页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 半波振子半波振子(zhn z)三维方三维方向图向图 (2l/2)长度为长度为2l5/4的对称振的对称振子子(zhn z)三维方向图三维方向图第九十七页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 由如下由如下(rxi)归一化方向图函数可绘出不同长度
67、对称振子的归一化方向图函数可绘出不同长度对称振子的E面方面方向图向图 第九十八页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 由如下对称振子上的正弦电流由如下对称振子上的正弦电流(dinli)分布表示，可绘出不同长度对分布表示，可绘出不同长度对称振子上的电流称振子上的电流(dinli)分布图分布图 对称振子天线全长大于一个对称振子天线全长大于一个(y )波长时，由于方向图出现花瓣，波长时，由于方向图出现花瓣，其方向性降低。全长等于一个其方向性降低。全长等于一个(y )波长时的方向性最强，但是馈电点波长时的方向性最强，但是馈电点处的电流为零，其输入阻抗为无穷大，难以匹配。因此，实际中一般多
68、处的电流为零，其输入阻抗为无穷大，难以匹配。因此，实际中一般多采用半波振子天线。采用半波振子天线。 第九十九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 对称振子沿对称振子沿y轴放置轴放置(fngzh)情况情况 如下图所示。这种情况如下图所示。这种情况(qngkung)，辐射场将有，辐射场将有E和和E两个分量。两个分量。此时的矢量位为此时的矢量位为 (1.48)在球坐标系中，在球坐标系中，A的表示的表示(biosh)为为 由式由式(1.2)且且 得得第一百页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 采用采用(ciyng)远场近似：对远场近似：对幅度幅度 对相位对相位 及及由远
69、场公式由远场公式 (1.49)天线上电流分布为天线上电流分布为 远区辐射远区辐射(fsh)场为场为 (1.50)第一百零一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (1.51)式中方向式中方向(fngxing)图函数为图函数为 (1.52)若令天线轴与射线若令天线轴与射线(shxin)r的夹角为的夹角为y, 则则 上式可写作上式可写作(xizu) 此式与放在此式与放在z轴上的对称振子的方轴上的对称振子的方向图函数在形式上完全一样。类似地也向图函数在形式上完全一样。类似地也可以得到放置在可以得到放置在x轴上的对称振子的方向轴上的对称振子的方向图函数。图函数。 (1.53)第一百零二页
70、，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 【例【例1.11.1】求半波振子天线】求半波振子天线(tinxin)(tinxin)的主瓣宽度的主瓣宽度20.5 20.5 解：半波振子的方向解：半波振子的方向(fngxing)图函数为图函数为其方向其方向(fngxing)图如图所示。图如图所示。 令令F()=0.707，可得，可得=51最大值方向为：最大值方向为： m=90 0.5 = m- =39得：得：20.5 = 78第一百零三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 根据根据(gnj)不同长度的对称振子的方向图可列出其对应的主瓣宽度，不同长度的对称振子的方向图可列出其对
71、应的主瓣宽度，见下表。见下表。 在在2l1.44内，对称内，对称(duchn)振子长度增加，主瓣宽度则变小。振子长度增加，主瓣宽度则变小。 第一百零四页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 对称振子：对称振子：把把 f()代入式代入式(1.60)得得(1.61)式中，式中， f(m)=fmax，为对称振子，为对称振子(zhn z)方向图函数的最大值。方向图函数的最大值。 方向性系数方向性系数(xsh)D 第一百零五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (1.62)式中，式中，C=0.5772 为欧拉常数，为欧拉常数，Ci(x)和和Si(x)分别为余弦分别为余弦(y
72、xin)积分积分和正弦积分和正弦积分 (1.63) 由式由式(1.61)(1.63)编程计算可编程计算可得到不同得到不同(b tn)长度的对称振长度的对称振子的方向性系数，如图所示。子的方向性系数，如图所示。 返回返回(fnhu)第一百零六页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 【例【例1.2】求半波振子天线的方向性系数】求半波振子天线的方向性系数(xsh)和最大有效面积。和最大有效面积。 解：对半波振子解：对半波振子(2l/2)，其方向，其方向(fngxing)图函数为图函数为由式由式(1.62)，Q可简化为可简化为 第一百零七页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参
73、数 第一百零八页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 且且f(m)=fmax=1，由式，由式(1.61)即即 D2 f 2(m)/Q 得方向性系数得方向性系数(xsh)为为 由式由式(1.64)即即 Se=(2/4)D 得最大有效得最大有效(yuxio)口径面积为口径面积为 (1.65b)或或 D=2.15 dB(1.65a)第一百零九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 5、辐射电阻、辐射电阻Rr 可由公式可由公式(gngsh)：Rr=2Pr /I2m 来计算。辐射功率来计算。辐射功率Pr的计算的计算过程为过程为:辐射场辐射场E , H= E/0坡印亭矢量坡印亭
74、矢量W 辐射功率辐射功率Pr 对称振子的辐射电场为对称振子的辐射电场为 辐射功率为辐射功率为第一百一十页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 对半波对半波(bn b)振子：振子：Q=1.2175，Rr=601.217573.1 。(1.66)辐射电阻为辐射电阻为(1.67)第一百一十一页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 由式由式(1.62)和式和式(1.67)可得对称振子辐射可得对称振子辐射电阻随长度电阻随长度(chngd)的变化，如上图所示。的变化，如上图所示。 第一百一十二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 平衡馈电平衡馈电(对称对称(du
75、chn)振子天线振子天线)当把天线连接到传输线时，重要的是有效地利用来自发射场合的发射机和接收场合的天线的可用功率。有两个要考虑的基本(jbn)因素是：天线与传输线之间的阻抗匹配、天线上电流分布的激励。传输线也有平衡与非平衡之分，平行线传输线天生是固有平衡的，因为如果入射波发送到传输线上，它将在对称天线上激发平衡电流。然而同轴传输线是非平衡的，当波抵达对称天线时，外导体的外壁上可能有电流流回，从而使传输线上的电流不平衡。为了抑制外表面电流，采用巴伦(Balun)。第一百一十三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 2、同、同轴传输线馈电(ku din) 当频率较高时，如在短波与超
76、短波波段，由于辐射损耗等原因(yunyn)，就不适宜采用双线传输线作馈线，而应采用同轴线馈电。 对于对称振子来说，用双线传输线馈电，使得对称振子两个臂上的电流是对称分布的，即是平衡的，可直接接上，最多考虑一下匹配问题。但是，用同轴电缆直接给对称振子馈电(同轴线内外导体(dot)分别接上对称振子的两个臂)，则将使振子两个臂的电流分布不对称，即为不平衡，如下图所示。 电流分布不平衡的结果将使天线的方向图发生畸变，并影响其输入阻抗。这种情况是我们不希望的，应当设法避免。第一百一十四页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 采用同轴线向对称振子馈电时要保持两臂电流平衡的方法是采取平衡变换换
77、措施(cush)。我们首先讨论一下同轴线直接向对称振子馈电将使天线上电流分布不对称的问题。 见上图(a), 假如馈电能达到平衡，则同轴线内外导体上电流应等幅反相, I2=I1。 然而, 当接上对称振子后，有部分电流I3将从外导体外侧流回, 致使天线两臂上对称点的电流不等. 回流(hu li)电流的大小主要由外导体与地之间的接地阻抗Zg决定，见上图(b)等效电路。 第一百一十五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 如果(rgu)采用一种装置能使Zg很大，则可大大减少I3，从而使馈电达到平衡。这种用来阻塞和抑制同轴线外导体外表面电流的装置叫平衡变换器，或称作对称变换器。 由上分析可
78、见(kjin)，为了使对称振子两个臂上的电流分布对称(即平衡)，用同轴线与对称振子连接时应采用平衡变换器。这里介绍几种常用的平衡变换器。 第一百一十六页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (1) 套筒式平衡(pnghng)变换器 是在硬同轴线外做一个长为/4的金属套筒，如下图所示。套筒的一端短路，形成短路传输线，见等效电路。由2-3端口看去的输入阻抗为Zg=，于是I30，阻止了同轴线外导体内壁的电流外溢(wi y)，起到了平衡馈电的作用。 由于套筒的长度为/4， 与频率有关, 因此这种平衡变换器是窄频带的。 第一百一十七页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (2
79、) 短路(dunl)式平衡变换器 下图所示,取一段与馈电同轴线外导体直径(zhjng)相同，长度为/4的金属棒,一端接在馈电同轴线外导体上形成短路，一端与馈电同轴线内导体连接并与振子的一个臂相连，同轴线的外导体接振子的另一臂。 由ab端向短路端看去是一段/4短路传输线，此时Zg=，I30。当工作频率(pnl)偏离中心频率(pnl)时，金属棒及同轴线外导体将有电流流过，但因为是对称分流(见等效电路)，振子臂上电流分布仍保持平衡，故方向图频带宽，但其阻抗带宽较窄。 第一百一十八页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (3) U形管平衡(pnghng)变换器 以上两种变换器均适合于硬同
80、轴线。用软同轴线电缆时则广泛应用如下图所示的U形管平衡(pnghng)变换器。这种变换器同时起到平衡(pnghng)变换和阻抗变换两种作用。 平衡(pnghng)作用 U形管的内导体分别连接对称振子的两个臂，其长度为g/2，(g=/r为同轴线内的波长)。由传输线理论可知，在传输线上相距g/2的两点间的电压或电流是等幅反相的，即Ua=Ub，Ia=Ib 。这就使对称振子两臂的电流达到了平衡。 第一百一十九页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 阻抗变换(binhun)作用 设天线输入阻抗为Zab，输入电压(diny)Uab=2U，则天线输入电流为I=2U/Zab，a点和b点的对地阻抗
81、为： Zbg经过半波长的U形管变换到a点处的阻抗仍为Zab/2，并和Zag并联(bnglin), 构成了同轴线的负载阻抗ZL。 例如，折合半波振子, Zab=300，则ZL=75。可选特性阻抗为75的同轴线加U形管馈电。 第一百二十页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (4) 开槽线平衡(pnghng)变换器 开槽线平衡变换器的结果如图所示。它是在同轴线上开对称的纵向缝隙，长度为四分之一工作波长。对称振子一臂与上半部分外导体相连，同轴线内心与下半部分外导体相连接上对称振子的另一臂。其作用主要是:1)电流(dinli)平衡2)阻抗变化第一百二十一页，共126页。西安电子科技大学第
82、三章 天线基本参数 简化结构(jigu)可以表示为如下形式。说明：等效电路中Z01为槽线同轴线部分(bfen)的特性阻抗的2倍；Z02为开槽线的特性阻抗。ZA为天线的输入阻抗Z01Z02Z01第一百二十二页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 等效电路的A参数(cnsh)矩阵如下：输入阻抗(shrzkn)为：则驻波比为：第一百二十三页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (5) 同轴渐变(jinbin)平衡变换器 同轴线渐变锥削式巴伦从固有的非平衡同轴线开始，随着往平衡端的移动，外导体(dot)切开一个槽，使内导体(dot)渐渐显露出来。外导体(dot)减小到与内导体(dot)相同的尺寸点，即实现了非平衡到平衡的变换。也可以制作成微带形式。第一百二十四页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 除以上四种平衡变换器之外，还有开槽式平衡变换器和同轴渐变(jinbin)对称变换器。 现在广泛应用于相控阵的贴片对称振子天线如下图所示。其平衡变换器称作“巴仑”(Balun)是“平衡与非平衡”英文词组的缩写。这种天线的巴仑为对称振子背面(bimin)的耦合微带结构，其带宽较宽。 第一百二十五页，共126页。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 第一百二十六页，共126页。
