天線的基本參數.docx

1、. .1.1 天線的基本參數從左側的傳輸線的角度看，天線是一個阻抗（impedance）為 Z 的 2 終端電路單元（ 2-terminalcircuitelement），其中Z 包含的電阻部分（ resistivecomponent）被稱為輻射電阻（ radiation resistance， Rr）；從右側的自由空間角度來看，天線的特征可以用輻射方向圖（radiationpattern）或者包含場量的方向圖。 Rr 不等于天線材料自己的電阻，而是天線、天線所處的環(huán)境（比如溫度）和天線終端的綜合結果。影響輻射電阻Rr 的還包括天線溫度（ antennatemperature，TA ）。對于無

2、損天線來說，天線溫度TA 和天線材料本身的溫度一點都沒有關系，而是與自由空間的溫度有關。 確切地說，天線溫度與其說是天線的固有屬性，還不如說是一個取決于天線“看到”的區(qū)域的參數。從這個角度看，一個接收天線可以被視作能遙感測溫設備。輻射電阻 Rr 和天線溫度 TA 都是標量。另一方面，輻射方向圖包括場變量或者功率變量（功率變量與場變量的平方成正比） ，這兩個變量都是球體坐標和的函數。z. .1.2 天線的方向性（D ， Directivity）和增益（ G ， Gain ）D=4 / A ，其中A 是總波束圍（或者波束立體角） 。A 由主瓣圍（立體角）M +副瓣圍（立體角） m 。如果是各向同性

3、的（ isotropic ）天線，則 A =4 ，因此 D=1 。各向同性天線具有最低的方向性，所有實際的天線的方向性都大于1。如果一個天線只對上半空間輻射，則其波束圍A =2 ，因此 D=4 /2 =2=3.01dBi 。簡單短偶極子具有波束圍 A =2.67 sr，和定向性 D=1.5 （1.76dBi ）。如果一個天線的主瓣在平面和平面的半功率波束寬度HPBW 都是 20 度，則 D=4 sr/A sr=41000 deg 2 /(20deg)*(20deg)103 20dBi(dBoverisotropic) 。這意味著，當輸入功率相同時，該天線在主瓣方向的輻射功率是各向同性天線的 1

4、03 倍。天線增益 G 既考慮天線的方向性， 又考慮天線的效率。 G=kD 。只要天線不是 100%損耗，那么 G 就小于 D。k 是天線的效率因子（ 0 k 1）。天線效率只和天線的歐姆電阻損耗有關。 在發(fā)射狀態(tài)時， 這些電阻損耗使得收到的能量沒有被發(fā)射出去，而是加熱了天線本身。1.3 天線的分辨率（Resolution ）天線的分辨率被定義為第一零點波束寬度（FNBW，beam width betweenfirst nulls ）的一半。例如，當天線的FNBW 為 2°時，它的分辨率就是1°。這z. .樣的天線了區(qū)分位于Clarke對地靜止軌道上相距1°的兩顆

5、衛(wèi)星的發(fā)射機。當天線的最大波束對準一顆衛(wèi)星時，另一顆衛(wèi)星正好位于第一零點。天線能夠分辨出天空中均勻分布的無線電發(fā)射機或者點輻射源的數目得近似值 N=4 /A 。因此，天線能夠分辨的點源數在數值上等于該天線的方向性D 。1.4 天線的口徑（ Aperture）引入天線口徑這個概念在討論接收天線顯得特別簡便。假設接收天線是浸沒在均勻平面波中的電磁喇叭。設平面波的 Poynting矢量（或者功率密度）為S（瓦 / 平方米）；設喇叭的開口面積是A 平方米。如果喇叭經由其全部開口面積從平面波中提取功率，那么，吸收到的總功率P=S*A （瓦）。這樣，就可以只關注這個電磁喇叭的開口，而它從經過的波中攝取的總

6、功率和口徑（或者開口的面積）成正比。z. .1.5 Friis 傳輸公式口徑的概念有助于解釋著名的Friis 傳輸公式。這個公式給出了在無線通信線路上收到的功率大小。設發(fā)射機T 將功率 PT饋送給有效口徑為A et 的發(fā)射天線。在相距r 處有一個有效口徑為Aer 的接收天線，該接收天線截取了發(fā)射天線發(fā)出來的部分功率，并轉送給接收機R。先暫時假定發(fā)射天線是各向同性的，則在接收天線的位置的功率密度（ Power per unitarea ）是：Sr = Pt /4 r2 （W/ 米 2）若發(fā)射天線有增益G t ，則接收天線的位置的功率密度（Powerperunitarea ）按比例增加到：Sr =

7、 G t Pt /4 r2 （W/M 2）因為接收天線的有效口徑是A er ，所以它截取到的功率是：Pr=Sr*A er = A er G t Pt /4 r2因為發(fā)射天線的增益公式為：2G t =4 A et / 22因此， Pr/Pt= A er A et / r （無量綱，是無線電的波長）這就是著名的 Friis 傳輸公式。z. .1.6 天線的兩重性天線既可以被看成電路設備（circuitdevice），又可以被看成空間設備（ space device）。相應的電路參數和空間參數如下圖所示：1.7 電磁輻射怎么產生的？當電荷靜止不動時，沒有輻射。當電荷沿著直線做勻速運動時，沒有輻射。當

8、電荷做變速運動時（如曲線運動、往返運動時），產生電磁輻射。1.8 功率 P 和功率密度S功率是單位時間的能量E；z. .功率密度是單位面積的功率，即單位時間、單位面積的能量。1.9 脈沖展開的雙線天線Pulsed Opened-out Twin-line Antennas由兩根導線組成，每根導線都類似瑞士登山者使用的長柄木號角。z. .天線的左邊是均勻部分。天線的右邊部分逐漸彎曲，直到導線之間的距離達到甚至超過一個波長， 而彎曲部分產生的輻射最后形成了一個向右的波束。這種天線是一種基本的寬帶天線。z. .1.10天線的近場區(qū)和遠場區(qū)圍繞著天線的場可以分為兩個主要區(qū)域：近場區(qū)（Fresnel區(qū)）

9、和遠場區(qū)（ Fraunhofer區(qū)）。兩者的邊界半徑是R=2L2/ ，其中 L 是天線的最大尺寸。1.11天線形狀和阻抗（impedance）的關系在很多場合，我們能根據天線形狀對其進行定性估算。在圖 a 中，如果雙導線傳輸線的開口足夠大，且滿足（1）d 遠小于；（2）D，則在左側的輸入端呈現為固定的阻抗。在b 中，彎曲的導線被拉直成錐形。而在 c 中，兩個錐形在一條直線上，形成雙錐天線。而在d 中，錐形退化成兩條直線。從a 到 d ，天線的阻抗相對恒定，而帶寬則逐漸減少。A 和 b 是單向性天線，波束指向右邊；c 和 d 是垂直于線或錐軸的平面上的全向天線。z. .E 是兩個導線向相反方向急

10、劇轉彎而形成的螺旋形天線，表現為順時針旋轉的極化特性和最大的垂直于紙面的寬邊輻射。和a 一樣， e 也顯示出寬頻特性。z. .上圖中的天線都是偶極子天線（dipole ），都是平衡的，即它們都通過（平衡的）雙導體傳輸線來饋電。下圖是單極子天線（monopole），通過（非平衡的）同軸傳輸線來饋電。通過讓同軸電纜傳輸線的層導線和外層導線逐漸變細，就得到了一個有很寬帶寬的天線。天線的外形讓人聯(lián)想起火山口。z. .下圖 b 中，火山口變成了雙碟形；而在c 中，則成了兩個呈寬角度的錐形。所有這些天線都是寬頻天線，并且是在與軸垂直的平面上的全向天線。將 c 中的下面錐形增加到 180 度，并減少上面的錐角， 就成了 d 。若上部的錐體進一步變?yōu)榧殬叮?就成了 e 所示的極端形式。 E 這種形式的天線的帶寬相