3.2方向性與方向圖,線天線與天線陣ppt課件

1、1 1、輻射的方向性、輻射的方向性ravrlIZesinS2220)2( 8.4 8.4 輻射的方向性與方向圖輻射的方向性與方向圖由輻射區(qū)的場量由輻射區(qū)的場量rerlIEj024jsinrerlIHj4jsin和功率密度和功率密度 可見，場量正比于可見，場量正比于sinsin, , 功率密度正比于功率密度正比于sin2sin2 , ,在在r r 取定值取定值的等相面上，場量是的等相面上，場量是 坐標(biāo)的函數(shù)，這種場量隨空間方向變化的特坐標(biāo)的函數(shù)，這種場量隨空間方向變化的特征，稱為輻射的方向性。征，稱為輻射的方向性。2 2、方向函數(shù)、方向函數(shù)輻射的方向性用方向函數(shù)表示，即輻射的方向性用方向函數(shù)表示

2、，即,f也稱方向圖因子。為方便畫方向圖，常用歸一化方向函數(shù)：也稱方向圖因子。為方便畫方向圖，常用歸一化方向函數(shù)：maxffF,例如，單元偶極子電場的方向函數(shù)為例如，單元偶極子電場的方向函數(shù)為Fsinsin90sin),(0fsin),(則歸一化方向函數(shù)為則歸一化方向函數(shù)為圖圖8.4.2 8.4.2 立體方向圖立體方向圖sinSinEEFEmax)()()( 輻射的方向性用兩個相互垂直的主平面上的方向圖表示，輻射的方向性用兩個相互垂直的主平面上的方向圖表示，E E 平面平面( (電場電場所在平面所在平面) ) 和和 H H 平面平面( (磁場所在平面磁場所在平面) )。E E 平面與平面與H H

3、 平面的歸一化方向函數(shù)平面的歸一化方向函數(shù)分別為：分別為：圖圖 8.4.1 8.4.1 單元偶極子天線的方向圖單元偶極子天線的方向圖 （a aE E 平面方向圖平面方向圖（ b bH H 平面方向圖平面方向圖1)()()(maxHHFHrerlIHj4jsinrerlIEj024jsin3 3、單元偶極子的方向圖、單元偶極子的方向圖一個實(shí)際天線的方向圖一個實(shí)際天線的方向圖 后瓣后瓣副瓣副瓣主瓣主瓣xz0.7071.0020.52圖圖8.4.3 8.4.3 天線方向圖的波瓣天線方向圖的波瓣說明：主瓣最大輻射方向兩側(cè)的兩個半功率點(diǎn)即功率密度下降為最大值的說明：主瓣最大輻射方向兩側(cè)的兩個半功率點(diǎn)即功

4、率密度下降為最大值的一半，或場強(qiáng)下降為最大值的一半，或場強(qiáng)下降為最大值的 ）的矢徑之間的夾角，稱為主瓣寬度，表）的矢徑之間的夾角，稱為主瓣寬度，表示為示為 ，主瓣寬度愈窄，說明天線輻射的能量愈集中，定向性愈好。方向，主瓣寬度愈窄，說明天線輻射的能量愈集中，定向性愈好。方向圖的副瓣和后瓣是指不需要輻射的區(qū)域，所以應(yīng)盡可能小。圖的副瓣和后瓣是指不需要輻射的區(qū)域，所以應(yīng)盡可能小。21502.圖圖8.4.4 8.4.4 電偶極子方向圖的波瓣電偶極子方向圖的波瓣0.52電偶極子的主瓣寬度為電偶極子的主瓣寬度為 。方向圖無主瓣副瓣之分。方向圖無主瓣副瓣之分. .0908.5 8.5 線天線和天線陣線天線和

5、天線陣8.5.1 8.5.1 對稱振子天線對稱振子天線 直線對稱振子是一種線天線直線對稱振子是一種線天線, ,它是指導(dǎo)線的橫截面尺寸遠(yuǎn)比波長小，它它是指導(dǎo)線的橫截面尺寸遠(yuǎn)比波長小，它的長度的長度 l l 與波長與波長 在同一數(shù)量級在同一數(shù)量級( )( )上上, ,設(shè)振子上的電流為正弦分布設(shè)振子上的電流為正弦分布 i = i ( z, t)i = i ( z, t)。流經(jīng)它的上面的電流。流經(jīng)它的上面的電流 i i 不再等幅同相。不再等幅同相。nl 2圖圖8.5.1 8.5.1 開路傳輸線張開成對稱振子開路傳輸線張開成對稱振子 設(shè)直線振子沿設(shè)直線振子沿 z z 軸放置，振子中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，則軸放

6、置，振子中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，則振子上的電流分布相量表達(dá)式為振子上的電流分布相量表達(dá)式為RRzIEj0e2djZdsin在在z z 處取一元電流段處取一元電流段 ，那，那么么zdI)()(zlIzIsin（1）由于由于 ，可近似取，可近似取 ，差別只在相位因子，差別只在相位因子 中考中考慮，對于振幅，可取慮，對于振幅，可取RjerR lr coszrR)(j0e2djZdcosrsinzrzIE將將1 1和和Z0=120Z0=120代入代入zzlIrEzrdee60jdjjcossinsin則則：rllellrEEj60jdsincoscoscosP2 ld zyzoRr輻射電場的推導(dǎo)輻射電場的推

7、導(dǎo) 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 球面波，當(dāng)球面波，當(dāng) r r 給定時，等相位面為球面；給定時，等相位面為球面；sincoscoscos,llF)()( 有方向性。其有方向性。其E E平面歸一化方向函數(shù)為平面歸一化方向函數(shù)為rellrEj60jsincoscoscos 中不僅與中不僅與 有關(guān)，還與振子天線長度有關(guān)，還與振子天線長度 l l 有關(guān)。不同長度有關(guān)。不同長度的天線有不同的方向性。的天線有不同的方向性。)(,F22l對稱振子全長為對稱振子全長為 ，稱為半波天線，輻射方程為，稱為半波天線，輻射方程為rrIEjesin)cos2cos(60j半波天線輻射功率及輻射電阻為半波天線輻射功率及輻射電阻為)W(7

8、ddsin1201d222020IrEPsav08. 3SS)(1732dar.IPR半波振子天線半波振子天線E E 平面方向圖平面方向圖1/ 4波長半波對稱振子1/ 4波長1/ 2波長半波振子天線的歸一化方向函數(shù)為半波振子天線的歸一化方向函數(shù)為sincoscoscos,llF)()(/222/lsin)cos2cos(),(F 半波振子與電偶極子的方向圖十分接近，在半波振子與電偶極子的方向圖十分接近，在E E 面上都有兩個波瓣，面上都有兩個波瓣，但半波振子的波瓣寬度較小，輻射能量較集中，因此它比電偶極子有更但半波振子的波瓣寬度較小，輻射能量較集中，因此它比電偶極子有更好的方向性。好的方向性。

9、圖圖8.5.3 8.5.3 細(xì)線天線的細(xì)線天線的E E平面方向圖平面方向圖4l2l43l l電場輻射圖電場輻射圖 1，2為了增加輻射能量，用一組或陣列天線來代替單一天線，為了增加輻射能量，用一組或陣列天線來代替單一天線， 以構(gòu)成天線陣。以構(gòu)成天線陣。二元天線陣半波振子天線）二元天線陣半波振子天線） 設(shè)振子設(shè)振子1 1上的電流為上的電流為 ，振子，振子2 2上的電流為上的電流為 。式中。式中m m是兩電流的是兩電流的振幅比，振幅比， 是兩電流的相位差。是兩電流的相位差。 1Ij12emII1j111-esin)cos2cos(60jrrIE2j222-esin)cos2cos(60jrrIE作近

10、似處理作近似處理,cossin12drr)cossin(j1j12-esin)cos2cos(em60j1drrIE那那么么 : : 波程差波程差cossind)me1(-esin)cos2cos(60jjj11211rrIEEEcossind為點(diǎn)為點(diǎn)P P 處處 和和 的相位差的相位差 1E2E其中其中8.5.2 8.5.2 天線陣天線陣二元陣的輻射場二元陣的輻射場zxd12y1r2r)(1,rP)2sin(1,rj11me1sin)cos2cos(60rIE二元天線陣場強(qiáng)的模：二元天線陣場強(qiáng)的模：)(),(6012111FFrIsin)cos2cos(),(1F 元因子為半波振子天線的歸一

11、化方向函數(shù)，只與振子本身的結(jié)構(gòu)元因子為半波振子天線的歸一化方向函數(shù)，只與振子本身的結(jié)構(gòu)和取向有關(guān)。和取向有關(guān)。212j12)cos2mm(1em1)(,F元因子元因子212)cossincos(2mm1d陣因子陣因子 只與各單元振子的排列、激勵電流的振幅和相位有關(guān)，與組成它的只與各單元振子的排列、激勵電流的振幅和相位有關(guān)，與組成它的振子特性無關(guān)。振子特性無關(guān)。二元陣的歸一化方向函數(shù)為二元陣的歸一化方向函數(shù)為 )(),(),(121FFF結(jié)論：二元陣的歸一化方向函數(shù)由單個振子本身的方向函數(shù)與陣因子結(jié)論：二元陣的歸一化方向函數(shù)由單個振子本身的方向函數(shù)與陣因子的乘積構(gòu)成，這一特性稱為方向圖乘積定理，

12、是陣列天線的一個非常的乘積構(gòu)成，這一特性稱為方向圖乘積定理，是陣列天線的一個非常重要的定理。對于重要的定理。對于N N元陣的方向函數(shù)則是由單元振子本身的方向函數(shù)與元陣的方向函數(shù)則是由單元振子本身的方向函數(shù)與N N元陣因子的乘積。但要注意，組成天線陣的各個單元振子必須相同，元陣因子的乘積。但要注意，組成天線陣的各個單元振子必須相同，排列取向也應(yīng)一致，研究天線陣主要是研究陣因子。排列取向也應(yīng)一致，研究天線陣主要是研究陣因子。圖圖 8.5.4 8.5.4 一個簡單的天線陣一個簡單的天線陣, ,畫出了畫出了 r l r l 時的輻射圖。兩個波天線間距為時的輻射圖。兩個波天線間距為 l l / 2 ,/

13、 2 ,激發(fā)的相位一致。為清楚起見，曲面切成了兩半。沿著激發(fā)的相位一致。為清楚起見，曲面切成了兩半。沿著 y y 軸的方向，兩個波軸的方向，兩個波相加，合成的電場強(qiáng)度是單個天線所產(chǎn)生的兩倍。這點(diǎn)在整個相加，合成的電場強(qiáng)度是單個天線所產(chǎn)生的兩倍。這點(diǎn)在整個yzyz平面上都對，只要平面上都對，只要 r l r l 。沿著。沿著 x x 軸，兩個波相位相反而互相抵消了。在軸，兩個波相位相反而互相抵消了。在xzxz平面的其他方向上，波平面的其他方向上，波并不完全抵消，因?yàn)槁烦滩畋炔⒉煌耆窒?，因?yàn)槁烦滩畋?l/2 l/2 小。每個天線在小。每個天線在 z z 軸上的場都是零，所以天線軸上的場都是零，所

14、以天線陣的場也是零。陣的場也是零。圖圖 8.5.5 8.5.5 兩個波天線兩個波天線, ,用豎粗線表示用豎粗線表示, ,相距相距l(xiāng) /2, l /2, 但是在但是在 x= -d/2x= -d/2的一的一個相位超前個相位超前 p p 弧度。此時兩個波在弧度。此時兩個波在yzyz平面上到處都對消了。在平面上到處都對消了。在x x 軸上軸上的所有點(diǎn)上，兩個波相位一致，得到二倍于單個天線的場強(qiáng)。在的所有點(diǎn)上，兩個波相位一致，得到二倍于單個天線的場強(qiáng)。在z z 軸的軸的方向上還是沒有輻射。方向上還是沒有輻射。微波接力通信微波接力通信圖圖 8.5.7 8.5.7 微波接力示意圖微波接力示意圖2122222

15、122 )()(RhRhRRhRRhdm 226khd 當(dāng) 時,hhh21圖圖 8.5.8 8.5.8 通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星圖圖 8.5.9 8.5.9 同步衛(wèi)星建立全球通信同步衛(wèi)星建立全球通信圖圖 8.5.6 8.5.6 視距與天線高度的關(guān)系視距與天線高度的關(guān)系mk1. 1. 在靜止軌道上放置太陽能電池帆板在靜止軌道上放置太陽能電池帆板, ,產(chǎn)生產(chǎn)生500500萬萬kWkW能量能量; ;2. 2. 通過通過“變電站變電站”微波發(fā)生器，將直流功率變?yōu)槲⒉üβ?；微波發(fā)生器，將直流功率變?yōu)槲⒉üβ剩?. 3. 通過天線陣向地面定向輻射；通過天線陣向地面定向輻射；4. 4. 地面接收站將微波轉(zhuǎn)換為電能；

16、地面接收站將微波轉(zhuǎn)換為電能；5. 5. 提供用戶。提供用戶。圖圖 8.5.10 8.5.10 空間太陽能發(fā)電站和電力傳輸空間太陽能發(fā)電站和電力傳輸k2mk2mk2mk2mk 0790)3003(80)(802222rad.lR 輻射電阻輻射電阻輻射功率輻射功率 W89607903522rad.IR例例8.1 8.1 有一天線長度為有一天線長度為 ，電流有效值為，電流有效值為 ，工作頻率，工作頻率為為 ，求該天線的輻射電阻和輻射功率。，求該天線的輻射電阻和輻射功率。3ml35AI1MHzf解：天線的工作波長解：天線的工作波長 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線長度，所以天線上的電，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線長度，所以天線上的電流

17、可以近似看作是均勻分布的，把該天線視為電偶極子天線對待。流可以近似看作是均勻分布的，把該天線視為電偶極子天線對待。300m解解 將將 和和 代入下式代入下式4d1m 例例8.2 8.2 試?yán)L出兩個平行排列，試?yán)L出兩個平行排列， ， ， 的二元陣的陣因子的二元陣的陣因子圖和方向圖。圖和方向圖。4d1m 2j12em1)(F2cos2)(12F得得j12e11)(F由圖由圖8-98-9化簡，得到陣因子為化簡，得到陣因子為 cos44cos2)(12Fo8-10 8-10 二元陣陣因子圖與方向圖二元陣陣因子圖與方向圖=（a陣因子圖（b b方向圖方向圖0900001802cos2cossin2cossin,d圖圖 8-9 8-9 二元陣因子的化簡二元陣因子的化簡習(xí)題: 垂直放置的單元偶極子作為輻射天線，知 分別求與地面成 角度、離偶極子中心30m和5km處的表達(dá)式。m,MHz105lf,C7103mq40答案： 30m處：V/m)sin.cos