第三章 天線的性能參數(shù).ppt

1、第三章 天線的性能參數(shù),呂劍剛 ,本章主要內(nèi)容,場(chǎng)區(qū)劃分 天線參數(shù)計(jì)算 相關(guān)定理 對(duì)稱振子,3.1 場(chǎng)區(qū)的劃分,1. 遠(yuǎn)場(chǎng)近似,R源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的矢徑； 在直角坐標(biāo)系中 在球坐標(biāo)系中,利用 求R的近似表達(dá)式， 采用二項(xiàng)式定理將R展開(kāi),若 ，則隨著 冪次的增大， 級(jí)數(shù)中的項(xiàng)依次減小。,在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),D天線的最大直徑,則,在分母中 令,在相位中 R取級(jí)數(shù)的前兩項(xiàng),2.遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的定義 若 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的起始距離， 則 為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。,的定義： 平行射線近似不再成立的距離 由于忽略級(jí)數(shù)的第三項(xiàng)所引起的 路程偏差為/16或?qū)?yīng)的相位 偏差為/8時(shí)的r值。,第三項(xiàng),取,代入并令其等于/16,則,為了遠(yuǎn)場(chǎng)簡(jiǎn)化，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)取 即,

2、遠(yuǎn)場(chǎng)條件：,遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的特點(diǎn)： 電場(chǎng)與磁場(chǎng)互相垂直，并垂直于傳播方向。 電場(chǎng)與磁場(chǎng)滿足平面波關(guān)系。 天線輻射實(shí)功率。 場(chǎng)的角分布與距離無(wú)關(guān)。,3. 近場(chǎng)區(qū)的定義： 為近場(chǎng)區(qū),若R的近似取前三項(xiàng)，令第四項(xiàng)的最大值為/16 則可得 1） 為輻射近場(chǎng)區(qū) 輻射功率無(wú)功功率 場(chǎng)的方向圖是r的函數(shù) 可能有相當(dāng)大的徑向分量 2） 為感應(yīng)近場(chǎng)區(qū) 無(wú)功功率占優(yōu)勢(shì),遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的近似計(jì)算,3.2 發(fā)射天線的性能參數(shù),發(fā)射天線的作用：一、是將導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換為自由空間波；二、 是定向輻射。 發(fā)射天線的參數(shù)就是根據(jù)這兩種作用規(guī)定。,（1）功率密度和輻射強(qiáng)度,例子：基本電振子的輻射功率和輻射強(qiáng)度,基本電振子遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)：,（2）輻射阻抗

3、和輸入阻抗,（3）天線的效率,各波段天線的效率 長(zhǎng)中波天線：輻射效率低，可能低于10% 原因：天線的長(zhǎng)度和高度與波長(zhǎng)比較小 饋線間的阻抗匹配較差 超短波、微波天線：效率較高，甚至達(dá)100%,(4) 天線的方向性：,方向性函數(shù),例：基本電振子的輻射方向圖,將方向函數(shù)用圖形表示就稱為天線的方向圖。 1) 方向圖分類 a . 立體方向圖 天線的輻射作用分布于整個(gè)空間，因而天線的方向圖是一個(gè)三度空間的分布圖形。,方向圖,優(yōu)點(diǎn)：形象，直觀。 缺點(diǎn)：復(fù)雜，難畫(huà)。,由于立體方向圖復(fù)雜難畫(huà)，一般只繪出兩個(gè)互相垂直的 典型平面的方向圖，用來(lái)聯(lián)想場(chǎng)在空間分布的大致情況。 立體方向圖可用幾個(gè)平面的圖形來(lái)表征。,b.

4、平面方向圖,主平面：兩個(gè)相互垂直的平面 主平面的選取 a) 線天線 子午面（E面）：包含天線導(dǎo)線軸的平面 赤道面（H面）：垂直于天線導(dǎo)線軸的平面,架設(shè)在地面上的天線 水平平面 鉛垂平面 c) 超高頻天線 E面：最大輻射方向和電場(chǎng)所在的平面 H面：最大輻射方向和磁場(chǎng)所在的平面,c.極坐標(biāo)方向圖和直角坐標(biāo)方向圖,d.分貝方向圖：用分貝表示,主瓣：包含最大輻射方向的瓣 副瓣：除主瓣之外的瓣 后瓣：處于主瓣后方的瓣 柵瓣：在不希望的方向上出現(xiàn)的與主瓣相等的瓣,方向圖的構(gòu)成,零功率波瓣寬度（ ） b. 半功率波瓣寬度（ ）,方向圖參數(shù),c.副瓣電平（FSLL）,0主瓣 1副瓣 d.前后比：天線在正前方和

5、正后方輻射功率之比。,定義 參考標(biāo)準(zhǔn)：通常取一個(gè)假想的無(wú)方向性天線（點(diǎn)源），即在空間各個(gè)方向上具有均勻輻射的天線作為參考標(biāo)準(zhǔn)。 被研究天線： 參考點(diǎn)源： 則天線在最大輻射方向的方向系數(shù)：,方向系數(shù),天線的方向性系數(shù)也可以定義為：當(dāng)同一接收點(diǎn)（位于被研究天線的最大輻射方向）上輻射功率密度或場(chǎng)強(qiáng)相同時(shí)，參考天線與被研究天線的輻射功率之比，即,對(duì)最大方向場(chǎng)強(qiáng)的影響 1)無(wú)方向性天線的場(chǎng)強(qiáng),方向性系數(shù)的計(jì)算公式,（5）增益系數(shù),（6）有效長(zhǎng)度,（7）極化,（8）工作頻帶寬度,（9）功率容量,輸入到天線上的功率不可能無(wú)限制增大，其主要限制在于天線表面的電場(chǎng)和介質(zhì)材料的性質(zhì)，即由天線周圍的空氣及天線絕緣子

6、的介電強(qiáng)度決定。,3.3 接收天線理論,接收天線接收機(jī)的信號(hào)源 接收機(jī) 接收天線的負(fù)載,1.物理過(guò)程 電波的電場(chǎng)可分為兩個(gè)分量 a.垂直于振子軸所構(gòu)成 的平面的分量 b.在上述平面內(nèi)的分量 又可分解為： 一個(gè)與導(dǎo)體垂直的分量 一個(gè)與導(dǎo)體平行的分量,天線接收無(wú)線電波的物理過(guò)程,3.3.1天線接收無(wú)線電波的物理過(guò)程,為了滿足導(dǎo)體表面的邊界條件導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出 則產(chǎn)生元電動(dòng)勢(shì) 2 接收電流的大小 與方向有關(guān) a)沿線各點(diǎn)的相位是不同的, 此相位與方向有關(guān) b) 與sin成正比 b.與天線的幾何形狀和尺寸密切有關(guān),3. 分析方法的選擇 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法：根據(jù)來(lái)波電場(chǎng)求出接收天線中感 應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，再根據(jù)分布參數(shù)

7、電 路理論求出在負(fù)載中的接收電流。 缺點(diǎn)：比較復(fù)雜 互易原理法：把電路理論中關(guān)于線性無(wú)源四端網(wǎng) 絡(luò)的互易原理推廣應(yīng)用于接收天線。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單,1.3.2 用互易定理分析接收天線 . 互易定理 線性無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò),端口1： ,端口2的中： 端口： ,端口的中： 網(wǎng)絡(luò)理論中的互易原理,互易定理法：將電路理論中的互易定理推廣到場(chǎng) 的情況，并用以分析天線 . 將發(fā)射天線和接收天線系統(tǒng)等效為線性四端網(wǎng)絡(luò),設(shè)：兩個(gè)任意相同或不同的天線1和2, 安放在任意相對(duì)位置。 兩天線之間的距離充分遠(yuǎn) a.兩天線間沒(méi)有其它場(chǎng)源。 b.空間的媒質(zhì)是線性的且各向同性的。 則發(fā)射天線和接收天線系統(tǒng)等效為線性四端網(wǎng)絡(luò).,3.

8、應(yīng)用互易原理對(duì)接收天線進(jìn)行分析,1)天線1發(fā)射，天線2接收。,天線1: 電動(dòng)勢(shì) , 輸入電流： 式中： 的內(nèi)阻 天線1的輸入阻抗 天線1在天線2處產(chǎn)生的電場(chǎng)為 天線1的有效長(zhǎng)度 天線1用作發(fā)射天線的方向性函數(shù) 天線1振子軸和矢徑r之間夾角 增加 的方向。 將 代入 得：,在上式兩側(cè)對(duì) 取標(biāo)積，整理后得：,2)天線2發(fā)射，天線1接收。,天線1: 電動(dòng)勢(shì) , 輸入電流： 式中： 的內(nèi)阻 天線1的輸入阻抗 天線1在天線2處產(chǎn)生的電場(chǎng)為 天線2的有效長(zhǎng)度 天線2用作發(fā)射天線的方向性函數(shù) 天線2振子軸和矢徑r之間夾角 增加 的方向。 將 代入 得：,在上式兩側(cè)對(duì) 取標(biāo)積，整理后得：,3）應(yīng)用互易定理 將

9、 和 代入 得： 令： 得：,等式左側(cè)： 作用于天線1的電場(chǎng)強(qiáng)度。 天線1接收時(shí)，天線端子的電流。 接于端子11上的負(fù)載 、 為天線用作發(fā)射天線的參數(shù),I接收電流 Z天線的負(fù)載 天線用于發(fā)射的輸入阻抗 天線用于發(fā)射時(shí)的有效長(zhǎng)度 天線用于發(fā)射時(shí)的歸一化方向性函數(shù),將上式改寫(xiě)為： 接收天線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),C的確定：選電基本振子 設(shè)來(lái)波方向與振子軸成角 作用于振子表面的 切向分量為： 則感應(yīng)電場(chǎng)為： 長(zhǎng)為l的電基本振子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： 對(duì)比可得C=1,因此， 接收天線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 分析： a. 在發(fā)射和接收時(shí)相同 b.方向性函數(shù)在發(fā)射和接收時(shí)相同。 接收天線的方向函數(shù)： 與來(lái)波方向的函數(shù) c.接收天線的

10、有效長(zhǎng)度與該天線用作發(fā)射時(shí)的相同。 接收天線的有效長(zhǎng)度：,1.3.3 接收天線的等效電路和電參數(shù) 1. 接收天線的等效電路 1）等效電路 接收天線 的負(fù)載阻抗,2）最大接收功率 匹配時(shí)，,3）最佳接收功率 分別歸算于輸入電流的輻射電阻 和損耗電阻 若天線是無(wú)耗的 接收天線的最佳接收功率,接收天線的電參數(shù) 1）方向性系數(shù) a.定義：假定從各個(gè)方向傳來(lái)的電波的場(chǎng)強(qiáng)相同，天線在 接收方向上接收時(shí)向匹配負(fù)載輸出的功率 和天線在各個(gè)方向接收向匹配負(fù)載輸出功率的平均值 的比值。,b.計(jì)算式,代入D的定義式,在最大接收方向上的方向系數(shù)為,2）效率 定義：天線向匹配負(fù)載輸出的最大功率和假定天線無(wú)耗時(shí)向匹配負(fù)載

11、輸出的最大功率的比值。,3）增益系數(shù) 定義：假定從各個(gè)方向傳來(lái)的電波的場(chǎng)強(qiáng)相同，天線在最大接收方向上接收時(shí)向匹配負(fù)載輸出的功率和天線在各個(gè)方向接收且天線是理想無(wú)耗時(shí)向匹配負(fù)載輸出功率的平均值的比值。 可證明 和D與該天線作為發(fā)射天線時(shí)的相同， 則G也必然和該天線發(fā)射時(shí)的G相同。,4）有效接收面積有效面積或?qū)嵭娣e a.定義：天線的極化與來(lái)波的極化完全匹配以及其負(fù)載與天線阻抗共軛匹配的條件下，天線在某方向所接收的功率 與入射電磁波功率密度S之比稱為此天線在 方向上的有效面積。,b.表達(dá)式,當(dāng) ，在最大接收方向上 天線的有效面積 一般所指的有效面積，就是當(dāng) ，在最大接收方向上的有效面積。,5）失配

12、因子 設(shè)：為阻抗失配因子 為極化失配因子 則在失配條件下的有效面積： 阻抗失配因子 饋線的特性阻抗 完全匹配時(shí)，=1,b. 極化失配因子 對(duì)于線極化天線 與天線極化相同的場(chǎng)量,極化失配因子 極化匹配 極化失配 極化正交，完全失配。,例如： 線極化天線不能接收到與之相垂直的正交極化分量 圓極化天線不能接收到與之旋向相反的圓極化分量。 線極化天線接收?qǐng)A極化波 圓極化天線接收線極化波,橢圓極化波可分為兩個(gè)旋向相反的圓極化分量， 天線只能接收與其旋向一致的圓極化分量。,6) 接收天線的噪聲溫度 (1) 噪聲功率 電阻R內(nèi)，電子在環(huán)境溫度 的影響下， 作規(guī)則運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生熱噪聲。 噪聲電壓按高斯分布，其均方

13、值為： 波爾茲曼常數(shù) B帶寬（Hz）； 環(huán)境溫度（K）。,上式可表示為噪聲電壓 與無(wú)噪聲的電阻R 的串聯(lián)，其等效電路為： 圖1-4-5 電阻噪聲及其等效電路,在電阻R上得到的最大噪聲功率為： 額定噪聲功率。 噪聲源的絕對(duì)溫度 表示單位帶寬的額定噪聲溫度 因此，噪聲電平可用絕對(duì)溫度來(lái)表示。,天線的噪聲 a.內(nèi)部噪聲 設(shè)接收天線周圍的媒質(zhì)是均勻的，在 時(shí)，輸入電阻為 的天線上的熱噪聲電壓為： b.外部噪聲 外部噪聲源：銀河輻射，地球大氣層和地表面的輻射，天電干擾以及各種人為干擾。 用 表示相應(yīng)的等效噪聲溫度 則：,由天線送到饋線輸入端匹配負(fù)載的最大噪聲功率： 可以交換地應(yīng)用 或 來(lái)衡量天線的噪聲。

14、 取決于天線的接收特性的外部噪聲溫度。,外部噪聲源的強(qiáng)度可用亮度溫度 表示。,設(shè)用 表示在 方向上所有外部噪聲總和的亮度溫度 天線的噪聲溫度為：,饋線噪聲 設(shè)饋線系統(tǒng)的傳輸效率為 環(huán)境溫度為 則它的熱噪聲功率為 在饋線中損耗的功率為 ,為傳輸線的衰減常數(shù) 在接收機(jī)輸入端產(chǎn)生的噪聲功率為,可得： 對(duì)應(yīng)于饋線損耗的噪聲溫度。 (4)接收機(jī)輸入端整個(gè)天饋系統(tǒng)的噪聲溫度 若 則 整個(gè)天饋系統(tǒng)的增益： 若 則,(5）品質(zhì)因素 接收到的信號(hào)功率為,品質(zhì)因素 在接收機(jī)輸入端天饋系統(tǒng) 的增益和噪聲溫度之比。 若要 則,采取的措施： a.降低饋線系統(tǒng)的損耗 b.降低環(huán)境溫度 c. 的大小與天線的特性和天線架設(shè)時(shí)

15、的指向等均有關(guān)系。,3.4 自由空間的對(duì)稱振子 對(duì)稱振子對(duì)稱天線， 雙極天線， 偶極天線。,3.4.1 對(duì)稱振子的電流分布 1. 求解方法 1).對(duì)稱振子的電流分布可用數(shù)值法 解積分方程求得。 如矩量法（MOM） 2). 工程近似方法，即傳輸線近似。,用傳輸線法近似求解天線上的電流分布,假設(shè)對(duì)稱振子上的電流分布和開(kāi)路傳輸線的電流分布相似，亦按正弦分布形式。,即 式中： 振子上電流波腹點(diǎn)的電流振幅值。 振子上電流的相移常數(shù)。如不計(jì)入 輻射引起的衰減 l 振子一臂的長(zhǎng)度 上式也可寫(xiě)為：,3.用傳輸線近似法確定電流分布的誤差。 1）傳輸線與天線的區(qū)別 a. 傳輸線上沿線分布參數(shù)是均勻的 天線上對(duì)應(yīng)小

16、單元之間分布參數(shù)是不均勻的,b. 傳輸線不是輻射系統(tǒng)而天線是輻射系統(tǒng)。 所引起的誤差 a.電流分布,b. 對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的計(jì)算：能滿足要求 c. 研究天線的阻抗： 必須對(duì)正弦近似進(jìn)行修正,3.4.2 對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)與方向性 輻射場(chǎng) 電基本振子輻射場(chǎng)： 對(duì)稱振子上線元dz在遠(yuǎn)區(qū)的輻射場(chǎng)： r觀察點(diǎn)至單元電流 的距離。 射線至天線軸的夾角。,在遠(yuǎn)區(qū)，近似認(rèn)為 是平行的 在分母中， 在相位中,代入積分式： 對(duì)稱振子輻射場(chǎng)表示式,對(duì)稱振子的方向特性 1）方向性函數(shù) 歸一化方向性函數(shù)：,半波對(duì)稱振子 半波對(duì)稱振子的方向圖,全波對(duì)稱振子,2）方向圖 赤道面（H面） 方向圖是一個(gè)圓 子午面（E面） 方向圖隨l

17、/變化,不同臂長(zhǎng)時(shí)對(duì)稱振子E面的方向圖,分析： （1） l/1, 相當(dāng)于電流元的方向圖。,（2） l/0.5, 隨l/的增加，方向圖變尖銳 只有主瓣，且總是垂直于天線軸。,（3）l/0.5, 天線上出現(xiàn)反向電流， 方向圖中出現(xiàn)副瓣 隨l/的增加，原來(lái)的副瓣逐漸變成主瓣，而原來(lái)的主瓣逐漸變成副瓣。,（4）l/=1， 原來(lái)的主瓣 變成同樣大小的 四個(gè)波瓣,（5） l/繼續(xù)增加 其主瓣變得更窄，副瓣數(shù)目相應(yīng)地增多。,形成天線不同方向性的主要因素： 基本元的方向性； 天線上電流的振幅和相位分布； 各基元到遠(yuǎn)區(qū)觀察點(diǎn)的射線間的行程差。,3.4.3對(duì)稱振子的輻射功率、輻射阻抗和方向性系數(shù) 輻射功率和輻射電

18、阻 1）輻射功率：,2）輻射電阻 （1）歸于波腹電流的輻射電阻：,由圖查出 半波對(duì)稱振子： 全波對(duì)稱振子：,（2）歸算于天線輸入端電流的輻射阻抗 得： 在輸入端z=0，由對(duì)稱振子的電流分布公式得： 則,對(duì)于全波振子 則 這是由于電流正弦分布近似所造成的誤差引起的。,2. 輻射阻抗 將積分的封閉面縮小到與天線的表面重合。 由于理想導(dǎo)體表面的切向電場(chǎng)為零，因此， 必須應(yīng)用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法計(jì)算,設(shè)對(duì)稱振子的電流 集中于振子的軸線上， 在振子導(dǎo)體表面產(chǎn)生的切向電場(chǎng)為 ， 為了滿足導(dǎo)體表面的邊界條件 外加電動(dòng)勢(shì) 產(chǎn)生的切向場(chǎng)為： 且 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： 為維持此電動(dòng)勢(shì)或者電流流過(guò)外電動(dòng)勢(shì)所消耗的功率為,設(shè)振子電

19、流為正弦分布，則歸于波腹電流的輻射阻抗為,圖1-5-6 對(duì)稱振子的輻射阻抗,分析： 1） 與振子導(dǎo)線半徑a的關(guān)系不大，與用玻印亭矢量法計(jì)算的結(jié)果一致。 2） 隨導(dǎo)線半徑a的增大而減小。 可通過(guò)增加振子半徑的方法來(lái)提高天線的頻帶。 3）l/很小時(shí)， 低， 高，天線的Q值高，輻射能力低。 4） l/=0.25時(shí)，,3.方向性函數(shù) 將 代入得：,又由 得： 代入D得：,l/0.72時(shí)，最大方向?yàn)?當(dāng)l/=0.625時(shí)，D為最大值。,4.1.4對(duì)稱振子的輸入阻抗 對(duì)于無(wú)耗線 但當(dāng)振子輸入端位于電流波節(jié)點(diǎn)時(shí)，由前面計(jì)算所求得的輸入阻抗為無(wú)窮大。 1.用等效傳輸線法計(jì)算對(duì)稱振子的輸入阻抗 1）將對(duì)稱振子等效為有損耗的開(kāi)路傳輸線,（1）傳輸線與對(duì)稱振子的區(qū)別 傳輸線上沿線分布參數(shù)是均勻的 其特性阻抗為： 式中 為兩導(dǎo)線間的距離。 a 為導(dǎo)線半徑,天線上對(duì)應(yīng)小單元之間分布參數(shù)是不均勻的,b. 傳輸線不是輻射系統(tǒng)而