第6章10通信基本振子

1、第6章 天線輻射與接收的基本理論6.1 概論概論6.2 基本振子的輻射基本振子的輻射6.3 天線的電參數(shù)天線的電參數(shù)6.4 接收天線理論接收天線理論習(xí)習(xí) 題題 第6章 天線輻射與接收的基本理論第6章 天線輻射與接收的基本理論*本章要了解基本振子（基本電振子，基本磁振子，縫隙、面輻射元）的輻射特性。預(yù)備知識(shí)是時(shí)變場(chǎng)的位函數(shù)、達(dá)朗貝爾方程、電磁場(chǎng)與電磁波第八章的電磁輻射理論基礎(chǔ)*定義天線的基本參數(shù)（從對(duì)饋線的角度，發(fā)射的角度，接收的角度），了解其物理意義，掌握有關(guān)計(jì)算*經(jīng)典參考讀物：約翰.克勞斯著天線上下冊(cè)注意：天線的基本源通常提四個(gè)，推導(dǎo)電基本振子的電磁場(chǎng)分布需要利用矢磁位,磁基本振子的電磁場(chǎng)分

2、布采用對(duì)偶原理與點(diǎn)基本振子置換。關(guān)注電基本振子與線天線及陣列第6章 天線輻射與接收的基本理論本課時(shí)的要點(diǎn)：*明確天線的定義，功能*整理達(dá)朗貝爾方程，提出如何利用矢磁位降低輻射場(chǎng)的求解維數(shù)。*給出基本電振子解的矢磁位表達(dá)，整理6-2-1，近場(chǎng)區(qū)6-2-2，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)6-2-3,6-2-5等表達(dá)，說(shuō)明基本振子的輻射特點(diǎn)。*利用對(duì)偶原理，整理磁基本振子的輻射場(chǎng)表達(dá)（6-2-7,6-2-8）等表達(dá)第6章 天線輻射與接收的基本理論6.1 概論概論 通信的目的是傳遞信息, 根據(jù)傳遞信息的途徑不同, 可將通信系統(tǒng)大致分為兩大類(lèi): 一類(lèi)是在相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)中用各種傳輸線來(lái)傳遞信息, 即所謂的有線通信, 如電話、計(jì)算

3、機(jī)局域網(wǎng)等有線通信系統(tǒng); 另一類(lèi)是依靠電磁輻射通過(guò)無(wú)線電波來(lái)傳遞信息, 即所謂的無(wú)線通信, 如電視、 廣播、 雷達(dá)、 導(dǎo)航、衛(wèi)星等無(wú)線通信系統(tǒng)。 在如圖 6 -1 所示的無(wú)線通信系統(tǒng)中, 需要將來(lái)自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線電波, 或者將無(wú)線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量, 用來(lái)輻射和接收無(wú)線電波的裝置稱(chēng)為天線。 第6章 天線輻射與接收的基本理論1. 天線的定義 天線的基本功能是輻射和接收無(wú)線電波 發(fā)射時(shí)，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波； 接收時(shí)，把電滋波轉(zhuǎn)換為高頻電流。 不同的無(wú)線電設(shè)備對(duì)天線的要求不同。 發(fā)射機(jī) 接收機(jī)發(fā)射天線 接收天線 電波 饋線 饋線 圖6-1-1 無(wú)線電設(shè)備的信道方框圖第6章 天線輻射與

4、接收的基本理論圖 6 1 無(wú)線電通信系統(tǒng)框圖第6章 天線輻射與接收的基本理論2、天線的作用（換能器件） v 能量的轉(zhuǎn)換：能量的轉(zhuǎn)換：自由空間的電磁能量與高頻自由空間的電磁能量與高頻電流能量的相互轉(zhuǎn)換；電流能量的相互轉(zhuǎn)換；v 能量的分配：能量的分配：使空間傳播的電磁波能量在使空間傳播的電磁波能量在指定的空域內(nèi)輻射傳播；指定的空域內(nèi)輻射傳播；信信息息源源信號(hào)變換信號(hào)變換發(fā)發(fā)信信機(jī)機(jī)收收信信機(jī)機(jī)信號(hào)變換信號(hào)變換受受信信者者 發(fā)射：高頻能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量；發(fā)射：高頻能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量； 向指定空域發(fā)射電磁波；向指定空域發(fā)射電磁波； 接收：電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻電流形式的能量接收：電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻

5、電流形式的能量 ； 收集指定空域內(nèi)的電磁波。收集指定空域內(nèi)的電磁波。能接收電能接收電磁能量磁能量 天線天線第6章 天線輻射與接收的基本理論 發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻電流能量（或?qū)Р芰浚┙?jīng)饋線傳輸?shù)桨l(fā)射天線, 通過(guò)天線將其轉(zhuǎn)換為某種極化的電磁波能量, 并向所需方向輻射出去。到達(dá)接收點(diǎn)后, 接收天線將來(lái)自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉(zhuǎn)換為已調(diào)制的高頻電流能量, 經(jīng)饋線輸送至接收機(jī)輸入端。天線作為無(wú)線電通信系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的重要設(shè)備, 它的選擇與設(shè)計(jì)是否合理, 對(duì)整個(gè)無(wú)線電通信系統(tǒng)的性能有很大的影響, 若天線設(shè)計(jì)不當(dāng), 就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。 第6章 天線輻射與接收的基本理論

6、 綜上所述, 天線應(yīng)有以下功能: 天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰俊?這首先要求天線是一個(gè)良好的電磁開(kāi)放系統(tǒng), 其次要求天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配(需要計(jì)算或測(cè)試天線的輻射阻抗）。 天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上, 或?qū)Υ_定方向的來(lái)波最大限度的接受, 即天線具有方向性（方向函數(shù)）。 天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波, 即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。 天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。 第6章 天線輻射與接收的基本理論 以上四點(diǎn)是天線最基本的功能, 據(jù)此可定義若干參數(shù)作為設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)天線的依據(jù)。通信的飛速發(fā)展對(duì)天線提出了許多新的要求,天線的功能也不斷有新的突破。除了完成高頻能量的轉(zhuǎn)換外, 還要求天

7、線系統(tǒng)對(duì)傳遞的信息進(jìn)行一定的加工和處理, 如信號(hào)處理天線、單脈沖天線、自適應(yīng)天線和智能天線等。特別是自1997年以來(lái), 第三代移動(dòng)通信技術(shù)逐漸成為國(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn), 而智能天線正是實(shí)現(xiàn)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 指標(biāo)要對(duì)傳輸饋線系統(tǒng)和空間輻射效率，輻射方向兩個(gè)層面去定義第6章 天線輻射與接收的基本理論天線的影響 如設(shè)計(jì)、選擇和作用不合理，則可能使整個(gè)系統(tǒng)如設(shè)計(jì)、選擇和作用不合理，則可能使整個(gè)系統(tǒng)工作不正常。工作不正常。 天線的分類(lèi)： 按用途按用途：通信天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線等：通信天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線等 按工作波長(zhǎng)按工作波長(zhǎng)：長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、：長(zhǎng)

8、波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線、光學(xué)天線；超短波天線、微波天線、光學(xué)天線； 按天線的結(jié)構(gòu)按天線的結(jié)構(gòu)：線天線、面天線、陣列天線；：線天線、面天線、陣列天線；第6章 天線輻射與接收的基本理論 天線的種類(lèi)很多，按用途可將天線分為通信天線、 廣播電視天線、雷達(dá)天線等; 按工作波長(zhǎng), 可將天線分為長(zhǎng)波天線、 中波天線、 短波天線、 超短波天線和微波天線等； 按輻射元的類(lèi)型可將天線分為兩大類(lèi): 線天線和面天線。所謂線天線是由半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的金屬導(dǎo)線構(gòu)成, 主要用于長(zhǎng)波、中波和短波波段; 面天線是由尺寸大于波長(zhǎng)的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的, 主要用于微波波段, 超短波波段則兩者兼用。 把天線和發(fā)

9、射機(jī)或接收機(jī)連接起來(lái)的系統(tǒng)稱(chēng)為饋線系統(tǒng)。 饋線的形式隨頻率的不同而分為雙導(dǎo)線傳輸線、同軸線傳輸線、 波導(dǎo)或微帶線等。由于饋線系統(tǒng)和天線的聯(lián)系十分緊密, 有時(shí)把天線和饋線系統(tǒng)看成是一個(gè)部件, 統(tǒng)稱(chēng)為天線饋線系統(tǒng), 簡(jiǎn)稱(chēng)天饋系統(tǒng)。 第6章 天線輻射與接收的基本理論3. 天線的分類(lèi) 按頻率不同分長(zhǎng)波、中波、短波、超短波和微波天線。 按用途不同分發(fā)射和接收天線。 按場(chǎng)合不同分通訊、廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航天線。 按性能不同分窄帶、寬帶和超寬帶天線，全向和定向天線（低副瓣、超低副瓣和極低副瓣天線），以及移動(dòng)和固定天線。 按結(jié)構(gòu)不同分線天線和面天線。 按發(fā)展階段分傳統(tǒng)天線和現(xiàn)代天線（自適應(yīng)天線、智能天線和軟件天線

10、）。第6章 天線輻射與接收的基本理論預(yù)備知識(shí)：時(shí)變場(chǎng)的達(dá)朗貝爾方程，滯后位及其解 磁矢位和電標(biāo)位 線性、 均勻各向同性的無(wú)耗媒質(zhì)中， 時(shí)諧形式的麥克斯韋方程為第6章 天線輻射與接收的基本理論 由于磁通密度B是無(wú)散場(chǎng)， 可用另一矢量A（磁矢位）的旋度來(lái)表示， 即 B=AVDBtBEtDJH0有源區(qū)域，主要有電流分布產(chǎn)生輻射場(chǎng)第6章 天線輻射與接收的基本理論 tAAtE即 0tAE（7-1-3）代入旋度方程，改寫(xiě)成無(wú)旋的電場(chǎng)，定義電位第6章 天線輻射與接收的基本理論tAEtAE式子表明時(shí)變場(chǎng)的電位和矢磁位是相互約束的，需要導(dǎo)出位函數(shù)與場(chǎng)源的關(guān)系第6章 天線輻射與接收的基本理論tAJA由于 A=(A

11、)-2A)(,tAEDABHtDJH即第6章 天線輻射與接收的基本理論因而有 222tAJtAA令 0tA上式稱(chēng)為洛侖茲條件(Lorentz Condition)。 整理可得JtAA222目的是什么？解耦等號(hào)說(shuō)明矢磁位與電流同方向，當(dāng)電流一維分布時(shí)，矢磁位的求解維數(shù)較少第6章 天線輻射與接收的基本理論Vt222VVVtAED)(ttAVA2代入洛倫斯規(guī)范可得電位的解耦形式第6章 天線輻射與接收的基本理論 線性均勻媒質(zhì)時(shí)變場(chǎng)有源區(qū)域的位函數(shù)為：（7-1-9） JtAA222Vt222達(dá)朗貝爾方程表明：*時(shí)變場(chǎng)的位函數(shù)是空間和時(shí)間的函數(shù)*對(duì)于一維電流分布引起的輻射場(chǎng)，矢磁位也是一維的，先求矢磁位再

12、轉(zhuǎn)換求場(chǎng)量分布，維數(shù)較少，這是達(dá)朗貝爾方程的意義所在第6章 天線輻射與接收的基本理論 問(wèn)題：矢磁位的解是什么具體形式？JA2V2恒定場(chǎng)下泊松方程的解為VdRrrVV)(41)(矢量泊松方程的解為VdRrJrAV)(4)(第6章 天線輻射與接收的基本理論時(shí)變場(chǎng)條件下達(dá)朗貝爾方程的解應(yīng)表現(xiàn)為1( ,)1( , )d41( ,)( , )d4VVr trrvr tVrrJ r trrvA r tVrr式子中為可積分的源點(diǎn)坐標(biāo)為特定的場(chǎng)點(diǎn)坐標(biāo)，/rr減號(hào)有什么含義？第6章 天線輻射與接收的基本理論1( ,)1( , )d41( ,)( , )d4VVr trrvr tVrrJ r trrvA r tV

13、rrAB tAE其解為其解為： yz zxP PrrVrrVd222222tt AAJ在洛倫茲條件下，其方程為在洛倫茲條件下，其方程為滯后位滯后位滯后位滯后位第6章 天線輻射與接收的基本理論 換言之，觀察點(diǎn)處位函數(shù)隨時(shí)間的變化總是滯后于源隨時(shí)間換言之，觀察點(diǎn)處位函數(shù)隨時(shí)間的變化總是滯后于源隨時(shí)間的變化。滯后的時(shí)間是電磁波從源所在位置傳到觀察點(diǎn)所需的時(shí)的變化。滯后的時(shí)間是電磁波從源所在位置傳到觀察點(diǎn)所需的時(shí)間間，故稱(chēng)為故稱(chēng)為滯后位滯后位或或推遲位推遲位。物理意義：物理意義： 時(shí)刻時(shí)刻 t 空間任意一點(diǎn)空間任意一點(diǎn) r 處的位函數(shù)并不取決于該時(shí)刻的電流和處的位函數(shù)并不取決于該時(shí)刻的電流和電荷分布，

14、而是取決于比電荷分布，而是取決于比 t 較早的時(shí)刻較早的時(shí)刻 的電流或的電流或電荷分布。時(shí)間電荷分布。時(shí)間 正好是電磁波以速度正好是電磁波以速度 從源從源點(diǎn)點(diǎn) 傳到場(chǎng)點(diǎn)傳到場(chǎng)點(diǎn) 所需的時(shí)間。所需的時(shí)間。/rrv/ttrrvr1/vr 例如例如：日光是一種電磁波，在某處某時(shí)刻見(jiàn)到的日光并不是：日光是一種電磁波，在某處某時(shí)刻見(jiàn)到的日光并不是該時(shí)刻太陽(yáng)所發(fā)出的，而是在大約該時(shí)刻太陽(yáng)所發(fā)出的，而是在大約8 8分分2020秒前太陽(yáng)發(fā)出的，秒前太陽(yáng)發(fā)出的，8 8分分2020秒內(nèi)光傳播的距離正好是太陽(yáng)到地球的平均距離。秒內(nèi)光傳播的距離正好是太陽(yáng)到地球的平均距離。第6章 天線輻射與接收的基本理論 e1d4ed

15、4jkVjkVVVrrrrrrrrJ rA rrr BAj EA2222kk AAJ時(shí)諧電磁場(chǎng)的位函數(shù)時(shí)諧電磁場(chǎng)的位函數(shù)與靜態(tài)場(chǎng)的差別是多了傳播項(xiàng)rjKeEEtEE02220對(duì)比第6章 天線輻射與接收的基本理論天線輻射場(chǎng)的求解思路：點(diǎn)源點(diǎn)源的矢磁位轉(zhuǎn)換點(diǎn)源的輻射場(chǎng)計(jì)算連續(xù)分布結(jié)構(gòu)的輻射場(chǎng)突破點(diǎn)源后利用結(jié)果推導(dǎo)新結(jié)構(gòu)的結(jié)果第6章 天線輻射與接收的基本理論6.2 基本振子的輻射基本振子的輻射 1. 電基本振子電基本振子 電基本振子是一段長(zhǎng)度l遠(yuǎn)小于波長(zhǎng), 電流I振幅均勻分布、 相位相同的直線電流元, 它是線天線的基本組成部分, 任意線天線均可看成是由一系列電基本振子構(gòu)成的。 下面首先介紹電基本振子

16、的輻射特性。 在電磁場(chǎng)理論中, 已給出了在球坐標(biāo)原點(diǎn)O沿z軸放置的電基本振子(圖6 -2)在周?chē)臻g產(chǎn)生的場(chǎng)為第6章 天線輻射與接收的基本理論 電偶極子是一種基本的輻射單元，是長(zhǎng)度電偶極子是一種基本的輻射單元，是長(zhǎng)度 l 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的直遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的直線電流元，（線電流元，（自由空間自由空間）線上）線上電流是均勻的，且相位相同電流是均勻的，且相位相同。dddzzIVS zI zSJee由于電流元由于電流元e()d4jkrVrVrJA代入代入得電偶極子的矢量位得電偶極子的矢量位8.2 電偶極子的輻射電偶極子的輻射yz zxlP Pre( )d4jkrzCrI zrAeede44jkrjkrzzCI

17、Ilzrreerrrrl|/時(shí)，距離第6章 天線輻射與接收的基本理論點(diǎn)源利用了I均勻，rrrrl|/時(shí)，距離簡(jiǎn)化了積分表達(dá)，合理的坐標(biāo)是采用求坐標(biāo)，此時(shí)需要將點(diǎn)源的矢磁位轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)下的表達(dá)jkrrjkrzerIleeIlererA4)sincos(4)(jkrrrerIlerA4cos)(jkrerIlerA4sin)(每個(gè)分量都有為變量, r第6章 天線輻射與接收的基本理論( )coscose4jkrrrzIlArA eAr( )sinsine4jkrzArA eIlAr 0),(eAtrAzxyrAAA 作為點(diǎn)源，采用作為點(diǎn)源，采用球坐標(biāo)，則有球坐標(biāo)，則有 0;sin;cosAAAAAz

18、zr第6章 天線輻射與接收的基本理論按球坐標(biāo)的關(guān)系求磁場(chǎng)，再由磁場(chǎng)按麥?zhǔn)戏匠探M轉(zhuǎn)化求解電場(chǎng)0sinsin1)(12rAArerreerAHrr第6章 天線輻射與接收的基本理論jkrkrkrjIlkee )(14sin22由此得到電偶極子的電磁場(chǎng)由此得到電偶極子的電磁場(chǎng)：jkrrjkrzerIleeIlererA4)sincos(4)(推導(dǎo)論證此結(jié)果0sincossin4sin112rjkrjkrerrerrerereIlrAH第6章 天線輻射與接收的基本理論 014sin22HHekrkrjIdlkHrjkr 根據(jù)麥克斯韋第一方程 )(1HjE第6章 天線輻射與接收的基本理論Hrrererer

19、jHjErsin00sinsin1123323232cos1sin1ee4()()4()()jkrjkrrk Iljk Iljjeekrkrkrkrkr由此得到電偶極子的電磁場(chǎng)由此得到電偶極子的電磁場(chǎng)：仔細(xì)論證此結(jié)果第6章 天線輻射與接收的基本理論 電偶極子周?chē)目臻g劃分為三電偶極子周?chē)目臻g劃分為三個(gè)區(qū)域：個(gè)區(qū)域： 近場(chǎng)區(qū)近場(chǎng)區(qū) 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū) 過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)1kr1kr近區(qū)場(chǎng)近區(qū)場(chǎng)中間場(chǎng)中間場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6 2 電基本振子的輻射場(chǎng)結(jié)構(gòu)第6章 天線輻射與接收的基本理論式中, ，是媒質(zhì)中波動(dòng)方程所決定的電磁波的波數(shù) k krrkrkrrrkrIlHH

20、HErkrkrIlErkrIlEj2j2230j230ej1sin4000e )jj(sin14e )j(cos24(6-2-1)第6章 天線輻射與接收的基本理論 下面介紹電基本振子的電磁場(chǎng)特性。 (1) 近區(qū)場(chǎng) 在靠近電基本振子的區(qū)域（kr1即r1, 即r/2）, 在這種情況下, 式（6-2-1）中的1/r2和1/r3項(xiàng)比起1/r項(xiàng)而言, 可忽略不計(jì), 于是電基本振子的電磁場(chǎng)表示式簡(jiǎn)化為krrIlkEj02esin 4jkrrkIlHjesin4j(6-2-3)22k2k第6章 天線輻射與接收的基本理論 將上式代入式（6-2-3）得電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為krjkrrIlerIljEjesin6

21、0jsin2krrIlHjesin2j 對(duì)式（6-2-5）進(jìn)行分析可知: (6-2-5)重要的經(jīng)典結(jié)果，推導(dǎo)論證并記住頻率越高，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，輻射越強(qiáng)鉛垂面90度方向上輻射最強(qiáng)，燈下黑現(xiàn)象第6章 天線輻射與接收的基本理論 在遠(yuǎn)區(qū), 電基本振子的場(chǎng)只有 和 兩個(gè)分量, 它們?cè)诳臻g上相互垂直, 在時(shí)間上同相位, 所以其玻印廷矢量 是實(shí)數(shù), 且指向 r 方向。 這說(shuō)明電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是一個(gè)沿著徑向向外傳播的橫電磁波, 所以遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱(chēng)輻射場(chǎng); / = =120（）是一常數(shù), 即等于媒質(zhì)的本征阻抗, 因而遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)具有與平面波相同的特性; 輻射場(chǎng)的強(qiáng)度與距離成反比, 隨著距離的增大, 輻射場(chǎng)減小。 這是因?yàn)檩?/p>

22、射場(chǎng)是以球面波的形式向外擴(kuò)散的, 當(dāng)距離增大時(shí), 輻射能量分布到更大的球面面積上; 00/HES21HHEE第6章 天線輻射與接收的基本理論 在不同的方向上, 輻射強(qiáng)度是不相等的。 這說(shuō)明電基本振子的輻射是有方向性的。 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的基本結(jié)論：*波場(chǎng)結(jié)構(gòu)為T(mén)EM橫電磁波，功率流為徑向的實(shí)功率流，說(shuō)明電磁波沿徑向輻射能量*電場(chǎng)、磁場(chǎng)成比例，同相位，場(chǎng)量與距離成反比*場(chǎng)量分布在垂直面上為8字，水平面上為圓，俗稱(chēng)面包圈，說(shuō)明基本電振子具有方向性*頻率越高輻射能力越強(qiáng),線越長(zhǎng)輻射能力也越強(qiáng)。第6章 天線輻射與接收的基本理論z zyEyxE電偶極子的方向圖電偶極子的方向圖z 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的特點(diǎn)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的特點(diǎn)：遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是

23、遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是橫電磁波橫電磁波，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和傳播方向相互垂直，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和傳播方向相互垂直遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電磁場(chǎng)振幅比等于媒質(zhì)的本征阻抗遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電磁場(chǎng)振幅比等于媒質(zhì)的本征阻抗遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是非均勻球面波，電磁場(chǎng)振幅與遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是非均勻球面波，電磁場(chǎng)振幅與1/1/r r 成正比成正比遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)具有方向性，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)具有方向性，按按 sin變化（稱(chēng)為變化（稱(chēng)為面包圈面包圈）第6章 天線輻射與接收的基本理論4. 研究基本電振子的意義 基本電振子也稱(chēng)為電偶極子，任何線天線都可看成由大量首尾相連的電偶極子所組成。 如果已知電偶極子的電磁場(chǎng)，則任何具有確定電流分布的線天線的電磁場(chǎng)即可計(jì)算（積分）。 線天線由基本電振子組成示意圖注意：此橫電磁波

24、是非均勻球面波第6章 天線輻射與接收的基本理論思考題一：基本電振子的電流I可視為電偶極子的交變位移電流，輻射后是否會(huì)產(chǎn)生新的激勵(lì)源？當(dāng)然會(huì)激發(fā)出球面分布的一系列的二次輻射源，稱(chēng)為惠更斯原理，點(diǎn)源輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的點(diǎn)源接受，可視為一系列二次輻射源共同作用，干涉疊加的結(jié)果第6章 天線輻射與接收的基本理論思考題二：自由空間點(diǎn)源輻射到點(diǎn)源接受的電磁波能量傳遞的主要區(qū)域：菲涅爾區(qū)R1R1R對(duì)接受點(diǎn)而言，視為一系列二次輻射源的疊加，存在波程差，疊加的效果即可能增強(qiáng)，也可能削弱參考面上看到第一菲涅爾區(qū)第二菲涅爾區(qū)第6章 天線輻射與接收的基本理論第一菲涅爾區(qū)：以輻射點(diǎn)，接受點(diǎn)為焦點(diǎn)的橢圓區(qū)域，是電磁波輻射同相疊加

25、，輻射能量傳遞的主要區(qū)域。工程意義：第一菲涅爾區(qū)如果被遮擋，通信鏈路將不可靠第6章 天線輻射與接收的基本理論2. 磁基本振子的場(chǎng)磁基本振子的場(chǎng) 在討論了電基本振子的輻射情況后, 現(xiàn)在再來(lái)討論一下磁基本振子的輻射。我們知道, 在穩(wěn)態(tài)電磁場(chǎng)中, 靜止的電荷產(chǎn)生電場(chǎng), 恒定的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。那么, 是否有靜止的磁荷產(chǎn)生磁場(chǎng), 恒定的磁流產(chǎn)生電場(chǎng)呢？迄今為止還不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是, 如果引入這種假想的磁荷和磁流的概念, 將一部分原來(lái)由電荷和電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)用能夠產(chǎn)生同樣電磁場(chǎng)的磁荷和磁流來(lái)取代,即將“電源”換成等效“磁源”, 可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算工作。 第6章 天線輻射與接收的

26、基本理論對(duì)偶性原理與磁基本振子對(duì)偶性原理與磁基本振子 如描述物理現(xiàn)象的方程具有相同的數(shù)學(xué)形式，則其解也將如描述物理現(xiàn)象的方程具有相同的數(shù)學(xué)形式，則其解也將有相同的數(shù)學(xué)形式。相對(duì)應(yīng)的量稱(chēng)為對(duì)偶量，其方程稱(chēng)為有相同的數(shù)學(xué)形式。相對(duì)應(yīng)的量稱(chēng)為對(duì)偶量，其方程稱(chēng)為對(duì)偶性方程。對(duì)偶性方程。 由麥克斯韋方程組：由麥克斯韋方程組： DBtBEtDJH0由電流和電荷由電流和電荷所產(chǎn)生的場(chǎng)所產(chǎn)生的場(chǎng) 0DBtBJEtDHmm單由磁流和磁荷單由磁流和磁荷產(chǎn)生的場(chǎng)應(yīng)滿足產(chǎn)生的場(chǎng)應(yīng)滿足 DBtBJEtDJHmm引入磁荷和磁流，引入磁荷和磁流，則麥克斯韋方程則麥克斯韋方程組為對(duì)稱(chēng)形式：組為對(duì)稱(chēng)形式：互換規(guī)則是：將原式中互

27、換規(guī)則是：將原式中的參量進(jìn)行下列替換的參量進(jìn)行下列替換 1,emAmmemAJJEHJJHE第6章 天線輻射與接收的基本理論)()()(merErErE)()()(merHrHrH 現(xiàn)將電場(chǎng)及磁場(chǎng)分為兩部分：一部分是由現(xiàn)將電場(chǎng)及磁場(chǎng)分為兩部分：一部分是由電荷電荷及及電流電流產(chǎn)生的電產(chǎn)生的電場(chǎng)場(chǎng) 及磁場(chǎng)及磁場(chǎng) ；另一部分是由；另一部分是由磁荷磁荷及及磁流磁流產(chǎn)生的電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng) 及及磁場(chǎng)磁場(chǎng) ，即，即 )(erE)(erH)(mrE)(mrH 由于麥克斯韋方程是由于麥克斯韋方程是線性線性的，那么他們分別滿足的電磁場(chǎng)方程的，那么他們分別滿足的電磁場(chǎng)方程如下：如下： eeeeee0 j jDBHEE

28、JH0 j jmmmmmmmmDBHJEEH比較上述兩組方程，獲得以下對(duì)應(yīng)關(guān)系：比較上述兩組方程，獲得以下對(duì)應(yīng)關(guān)系： memeHEEHmmJJ這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系稱(chēng)為這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系稱(chēng)為對(duì)偶原理對(duì)偶原理或或二重性原理二重性原理。充分解釋重要對(duì)比第6章 天線輻射與接收的基本理論1. 對(duì)偶原理 電荷、電流產(chǎn)生的場(chǎng)與磁荷、磁流產(chǎn)生的場(chǎng)之間具有對(duì)偶關(guān)系。 對(duì)偶量 對(duì)偶原理：利用對(duì)偶關(guān)系寫(xiě)出對(duì)偶量的場(chǎng)分布。11mmJJEHHE第6章 天線輻射與接收的基本理論 由此可見(jiàn)，雖然實(shí)際中并不存在磁荷及磁流，但是類(lèi)似電流環(huán)由此可見(jiàn)，雖然實(shí)際中并不存在磁荷及磁流，但是類(lèi)似電流環(huán)的天線可以看作為磁流元。的天線可以看作為磁流元。

29、rIlzyx , EH電流元電流元rIm lzyx , HE磁流元磁流元rISzyx , HE電流環(huán)電流環(huán)第6章 天線輻射與接收的基本理論 基本磁振子的物理模型 （1）用表面的切向磁場(chǎng)表示基本電振子的電流和輻射場(chǎng)。 電流 輻射場(chǎng) l Ht F I E l Et F I H (a) (b) 基本電振子與基本磁振子的對(duì)比a) 基本電振子 b) 基本磁振子LHLJIts0jesin60jEHrLlHEkrt第6章 天線輻射與接收的基本理論 穩(wěn)態(tài)場(chǎng)有這種特性, 時(shí)變場(chǎng)也有這種特性。 小電流環(huán)的輻射場(chǎng)與磁偶極子的輻射場(chǎng)相同。 磁基本振子是一個(gè)半徑為b的細(xì)線小環(huán), 且小環(huán)的周長(zhǎng)滿足條件：2b, 如圖6-3

30、所示。假設(shè)其上有電流i(t)=Icost, 由電磁場(chǎng)理論, 其磁偶極矩矢量為m2mpabIapzz 根據(jù)電與磁的對(duì)偶性原理, 只要將電基本振子場(chǎng)的表達(dá)式（6- 2 -1）中的E換為2H, H換為-E, 并將電偶極矩p=Il/(j)換為磁偶極矩pm, 就可以得到沿z軸放置的磁基本振子的場(chǎng): (6-2-6)(Am2)第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6 3 磁基本振子的輻射第6章 天線輻射與接收的基本理論krrkrkrrrkrIlHHHErkrkrIlErkrIlEj2j2230j230ej1sin4000e )jj(sin14e )j(cos2400000,EHHEHEpppjlqjltqIl

31、rrmeeee第6章 天線輻射與接收的基本理論0HEErkrrrkp Ej2m0e1jsin4jkrmrrrkpHj32e )1j(cos2jkrrrkrkpHj322me1jjsin2j(6-2-7)第6章 天線輻射與接收的基本理論jkrkrerIljrIlEsin2esin60jjkrrIlHjesin2j1,00000EHHEHEpppjlqjltqIlrrmeeee（重要的置換）遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的基本電振子表達(dá)第6章 天線輻射與接收的基本理論jkrejkrerpjjerIljEsin2sin20jkrekrerpjjrIlHsin2esin2j0j1,00000EHHEpppjlqjltqIlm

32、eeee重要的演變即引入電距置換對(duì)應(yīng)內(nèi)容第6章 天線輻射與接收的基本理論jkrekrerpjjrIlHsin2esin2j0jjkrmjkrmkrerperpjjrIlEsin2sin2esin2j00j第6章 天線輻射與接收的基本理論jkrejkrerpjjerIljEsin2sin20jkrmjkrmjkrerperpjjerIljHsin2sin2sin200第6章 天線輻射與接收的基本理論與電基本振子做相同的近似得磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為: krrpEjm0esin2 krmrp Hj0esin21(6-2-8)具體推導(dǎo)見(jiàn)電磁場(chǎng)與電磁波第八章第6章 天線輻射與接收的基本理論磁偶極子的輻射場(chǎng)

33、特點(diǎn)：*電場(chǎng)在 方向，磁場(chǎng)在 方向*電場(chǎng)，磁場(chǎng)仍成比例，反相位，功率流為徑向*輻射方向圖仍具有面包圈的形狀*此處磁矩與回路形狀無(wú)關(guān)，為任意回路的電流與面積的乘積。第6章 天線輻射與接收的基本理論本課時(shí)要點(diǎn)：*結(jié)合基本電振子定義天線的電參數(shù)。了解其物理意義和相互關(guān)系，掌握其計(jì)算。*從接受的角度定義天線接受指標(biāo)和參數(shù)，了解其物理意義，掌握其計(jì)算。*重點(diǎn)論證例6-4的結(jié)果，消化有關(guān)習(xí)題*本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)是具體的天線結(jié)構(gòu)方向函數(shù)的推導(dǎo)、方向系數(shù)推導(dǎo)計(jì)算、輻射阻抗的推導(dǎo)計(jì)算/實(shí)測(cè)，天線效率、增益計(jì)算，有效長(zhǎng)度是計(jì)算，有效接受面積計(jì)算等問(wèn)題等問(wèn)題第6章 天線輻射與接收的基本理論6.3 天線的電參數(shù)天線的電

34、參數(shù) 發(fā)射天線的參數(shù)一側(cè)對(duì)饋線系統(tǒng)，描述其換能的效率能量轉(zhuǎn)換：輸入阻抗、輻射電阻、效率、增益系數(shù)能量轉(zhuǎn)換：輸入阻抗、輻射電阻、效率、增益系數(shù)一側(cè)對(duì)空間，描述其能量的分配關(guān)系能量分配：波瓣寬度、旁瓣電平、方向性系數(shù)能量分配：波瓣寬度、旁瓣電平、方向性系數(shù) 第6章 天線輻射與接收的基本理論對(duì)于（均勻電流分布時(shí)）電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)（問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)）jkrkrjkrerkIljrIlerIljEsin30esin60jsin2jkrrIlHjesin2j第6章 天線輻射與接收的基本理論1、方向性函數(shù)和方向圖（方向函數(shù)來(lái)自推導(dǎo)）、方向性函數(shù)和方向圖（方向函數(shù)來(lái)自推導(dǎo)） max),(),(EEF式中絕對(duì)值|

35、Emax|是|E(，)|的最大值。 天線的方向性：天線的方向性：距離天線距離天線相同距離相同距離而在不同方向上各點(diǎn)上而在不同方向上各點(diǎn)上的電場(chǎng)強(qiáng)度（功率密度）的相對(duì)分布關(guān)系。的電場(chǎng)強(qiáng)度（功率密度）的相對(duì)分布關(guān)系。方向函數(shù)：方向函數(shù)： 用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示天線方向性；用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示天線方向性；歸一化方向函數(shù)歸一化方向函數(shù)：令空間場(chǎng)強(qiáng)（功率）的最大值等于令空間場(chǎng)強(qiáng)（功率）的最大值等于1 1，相，相應(yīng)的方向性函數(shù)為應(yīng)的方向性函數(shù)為歸一化方向函數(shù)歸一化方向函數(shù)。 存在 方向的變化?；?第6章 天線輻射與接收的基本理論sin),(F 電基本振子的方向性函數(shù)為 只有 方向的變化E面圖面圖-與電場(chǎng)相平行的面（

36、直立天線即鉛垂面圖與電場(chǎng)相平行的面（直立天線即鉛垂面圖 ）H面圖面圖-與磁場(chǎng)相平行的面與磁場(chǎng)相平行的面 （直立天線即水平面圖）（直立天線即水平面圖）具體結(jié)構(gòu)的天線的方向函數(shù)即可推導(dǎo)，也可實(shí)驗(yàn)測(cè)量，是研究天線的一個(gè)突破口。方向函數(shù)與天線的結(jié)構(gòu)有關(guān)，與饋電方式所形成的天線電流分布有關(guān)。（當(dāng)然要屏蔽地面，邊界等反射的影響）第6章 天線輻射與接收的基本理論函數(shù)計(jì)算矢量計(jì)算求解矢磁位分布明確天線的尺寸和電流方向函數(shù)的推導(dǎo)),(jEA1:FHHA方向函數(shù)是定義天線許多其他指標(biāo)的基礎(chǔ)第6章 天線輻射與接收的基本理論（1） E平面 所謂E平面， 就是電場(chǎng)矢量所在的平面。 對(duì)于沿z軸放置的電基本振子而言, 子午

37、平面是E平面。 （2） H平面 所謂H平面， 就是磁場(chǎng)矢量所在的平面。 對(duì)于沿z軸放置的電基本振子, 赤道平面是H面。 第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6- 4 坐標(biāo)參考圖E面圖面圖-與電場(chǎng)相平行的面與電場(chǎng)相平行的面H面圖面圖-與磁場(chǎng)相平行的面與磁場(chǎng)相平行的面 注意仰角與 關(guān)系第6章 天線輻射與接收的基本理論 例例 6 - 1畫(huà)出沿z軸放置的電基本振子的E平面和H平面方向圖。 解: E平面方向圖: 在給定r處, E與 無(wú)關(guān); E的歸一化場(chǎng)強(qiáng)值為 |E|=|sin|這是電基本振子的E平面方向圖函數(shù), 其E平面方向圖如圖 6 - 5（a）所示。 第6章 天線輻射與接收的基本理論圖 6 -5 (

38、a) 電基本振子E平面方向圖 (b) 電基本振子H平面方向圖圖 6 -5 (c) 電基本振子立體方向圖鉛垂面水平面第6章 天線輻射與接收的基本理論 H平面方向圖:（基本振子為圓） 在給定r處, 對(duì)于=/2, 的歸一化場(chǎng)強(qiáng)值為|sin|=1, 也與 無(wú)關(guān)。因而H平面方向圖為一個(gè)圓, 其圓心位于沿z方向的振子軸上, 且半徑為1, 如圖 6 - 5（b）所示。 實(shí)際天線的方向圖一般要比圖 6 -5 復(fù)雜。 典型的H平面方向圖如圖 6 -6（a）所示, 這是在極坐標(biāo)中 的歸一化模值隨變化的曲線, 通常有一個(gè)主要的最大值和若干個(gè)次要的最大值。頭兩個(gè)零值之間的最大輻射區(qū)域是主瓣（或稱(chēng)主波束）, 其它次要的

39、最大值區(qū)域都是旁瓣（或稱(chēng)邊瓣、副瓣）。 為了分析方便, 將圖 6 -6（a）的極坐標(biāo)圖畫(huà)成直角坐標(biāo)圖, 即圖 6 -6(b)所示。EE第6章 天線輻射與接收的基本理論 圖 6 - 6 (a) 極坐標(biāo)表示的H平面方向圖(b) 直角坐標(biāo)H平面方向圖 (c) 直角坐標(biāo)H平面方向圖某種實(shí)際結(jié)構(gòu)（線天線陣）的極坐標(biāo)方向圖多瓣方向圖的幾種表示第6章 天線輻射與接收的基本理論 天線方向圖的參數(shù)定義如下),(),(maxFEE第6章 天線輻射與接收的基本理論主瓣寬度（兩種定義）：主瓣寬度（兩種定義）： -3dB(半功率點(diǎn)半功率點(diǎn))波瓣寬度，主波瓣寬度，主波瓣場(chǎng)強(qiáng)在波瓣場(chǎng)強(qiáng)在1到到0.707之間的角度的兩倍，又

40、有零功之間的角度的兩倍，又有零功率波瓣寬度。率波瓣寬度。旁瓣電平旁瓣電平：付瓣電平，指第一付瓣電平，以分貝數(shù)表示付瓣電平，指第一付瓣電平，以分貝數(shù)表示 1212lg20lg10lg10EEPPFSLL主瓣最大值第一旁瓣最大值旁瓣電平方向圖方向圖E面面H面的方向圖中面的方向圖中的波瓣具有多瓣性的波瓣具有多瓣性主瓣主瓣：輻射的最大方向所在的波瓣；輻射的最大方向所在的波瓣；尾瓣尾瓣：與主瓣方向相反的波瓣；與主瓣方向相反的波瓣；旁瓣、副瓣或柵瓣旁瓣、副瓣或柵瓣：其它方向的波瓣。其它方向的波瓣。前后比前后比：最大輻射方向的電平與尾瓣電平之比。：最大輻射方向的電平與尾瓣電平之比。 (dB)主瓣寬度在E面、

41、H面上都有定義第6章 天線輻射與接收的基本理論 與天的方向圖有關(guān)的參數(shù)（一組指標(biāo)） (1) 主瓣寬度 主瓣寬度是衡量天線的最大輻射區(qū)域的尖銳程度的物理量。 通常它取方向圖主瓣兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的寬度, 在場(chǎng)強(qiáng)方向圖中, 等于最大場(chǎng)強(qiáng)的 兩點(diǎn)之間的寬度, 稱(chēng)為半功率波瓣寬度; 有時(shí)也將頭兩個(gè)零點(diǎn)之間的角寬作為主瓣寬度, 稱(chēng)為零功率波瓣寬度。 2/1工程結(jié)論：主瓣寬度收窄（天線陣的控制），通常旁瓣會(huì)增多第6章 天線輻射與接收的基本理論 (2) 旁瓣電平 旁瓣電平是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平, 一般以分貝表示。方向圖的旁瓣區(qū)是不需要輻射的區(qū)域, 所以其電平應(yīng)盡可能的低, 且天線方向圖一般都有

42、這樣一條規(guī)律: 離主瓣愈遠(yuǎn)的旁瓣的電平愈低。第一旁瓣電平的高低, 在某種意義上反映了天線方向性的好壞。另外, 在天線的實(shí)際應(yīng)用中, 旁瓣的位置也很重要。討論習(xí)題6.5第6章 天線輻射與接收的基本理論 (3) 前后比 前后比是指最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（后向）電平之比, 通常以分貝為單位。 上述方向圖參數(shù)雖能在一定程度上反映天線的定向輻射狀態(tài), 但由于這些參數(shù)未能反映輻射在全空間的總效果, 因此都不能單獨(dú)體現(xiàn)天線集束能量的能力。 例如, 旁瓣電平較低的天線并不表明集束能力強(qiáng), 而旁瓣電平小也并不意味著天線方向性必然好。為了更精確地比較不同天線的方向性, 需要再定義一個(gè)表示天線集束能量

43、的電參數(shù), 這就是方向系數(shù)。 第6章 天線輻射與接收的基本理論方向性系數(shù)方向性系數(shù)：在在同一距離同一距離及相同輻射功率的條件下，某天及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射方向上輻射的功率密度線在最大輻射方向上輻射的功率密度Pmax與無(wú)方向性天線與無(wú)方向性天線的輻射功率密度的輻射功率密度P0之比稱(chēng)為天線的方向性系數(shù)。之比稱(chēng)為天線的方向性系數(shù)。constPconstPconstPEEPPPPDL202max0max0max無(wú)方向性天線的天線最大輻射方向上constEPPD點(diǎn)源0或或D 亦可用分貝數(shù)表示：亦可用分貝數(shù)表示： DdBDlg10)(第6章 天線輻射與接收的基本理論 （4） 方向系數(shù) 方

44、向系數(shù)定義為: 在離天線某一距離處, 天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度Smax與相同輻射功率的理想無(wú)方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度S0之比,記為D, 即202max202max0max2|2|EEEESSD(6-3-1)方向系數(shù)越大，說(shuō)明定向性越強(qiáng)第6章 天線輻射與接收的基本理論 下面由這個(gè)定義出發(fā), 導(dǎo)出方向系數(shù)的一般計(jì)算公式。 設(shè)實(shí)際天線的輻射功率為P, 它在最大輻射方向上r處產(chǎn)生的輻射功率流密度和場(chǎng)強(qiáng)分別為Smax和Emax; 又設(shè)有一個(gè)理想的無(wú)方向性天線, 其輻射功率為P不變, 它在相同的距離上產(chǎn)生的輻射功率流密度和場(chǎng)強(qiáng)分別為S0和E0, 其表達(dá)式分別為2|24042000

45、02020EHESErPS22060rPE由方向系數(shù)的定義得(6-3-2)(6-3-3)PErD602max2(6-3-4) （重要的中間過(guò)程）此處是瞬時(shí)坡印廷矢量第6章 天線輻射與接收的基本理論 下面來(lái)求天線的輻射功率P。 設(shè)天線歸一化方向函數(shù)為F(, ), 則它在任意方向的場(chǎng)強(qiáng)與功率流密度分別為 將式（6 -3 -5）代入上式, 則功率流密度的表達(dá)式為 22max),(240),(FES),(),(maxFEE240),()Re(21| ),(|2EHES(6-3-5)(6-3-6)（重要的中間結(jié)果）第6章 天線輻射與接收的基本理論ddrdrrddSrsinsin2ddsin),(240)

46、,(22002max2 FErdSSPS(6-3-7) 在半徑為r的球面上對(duì)功率流密度進(jìn)行面積分, 就得到輻射功率: PErD602max2代入重要的中間結(jié)果第6章 天線輻射與接收的基本理論 將上式代入式（6 -3 -4）即得天線方向系數(shù)的一般表達(dá)式為 2002sin),(4ddFD 由公式（6 -3 -8）可以看出, 要使天線的方向系數(shù)大, 不僅要求主瓣窄, 而且要求全空間的旁瓣電平小。 (6-3-8)重要的計(jì)算公式具體的天線結(jié)構(gòu)，只要推導(dǎo)出方向函數(shù)，即可以此計(jì)算方向系數(shù)，注意方向系數(shù)的量綱有兩個(gè)：dbi，dbd第6章 天線輻射與接收的基本理論工程上，方向系數(shù)常用分貝來(lái)表示，這需要選擇一個(gè)參

47、考源，常用的參考源是各向同性輻射源（isotropic，其方向系數(shù)為1）和半波偶極子（dipole，其方向系數(shù)為1.64）。若以各向同性源為參考，分貝表示為dBi，即 DDlg10)dBi(（6-3-9） 若以半波偶極子為參考，分貝表示為dBd，即 15. 2lg10)dBd(DD（6-3-10） 通常情況下，如果不特別說(shuō)明，dB指的是dBi。 第6章 天線輻射與接收的基本理論將其代入方向系數(shù)的表達(dá)式得 因此，電基本振子的方向系數(shù)以dBi表示, 則D=10 log1.5 =1.76dBi。若以dBd表示，則為-0.39dBd?？梢?jiàn), 電基本振子的方向系數(shù)是很低的。 例例 6 -2確定沿z軸放置

48、的電基本振子的方向系數(shù)。 解解: 由上面分析知電基本振子的歸一化方向函數(shù)為: |F(, )|=| sin|5 . 1ddsinsin42002 D重要結(jié)論天線主瓣越寬，則方向系數(shù)小。天線主瓣越寬，則方向系數(shù)小。第6章 天線輻射與接收的基本理論5.12322coscos3122cos)1(cos4cossin4ddsinsin40030202022002dddD第6章 天線輻射與接收的基本理論2. 天線效率天線效率 天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比, 記為A， 即1iPPPPPA(6-3-11) 式中, Pi為輸入功率；Pl為歐姆損耗。其中ddsin),(240),(22002max2

49、FErdSSPS第6章 天線輻射與接收的基本理論 常用天線的輻射電阻R來(lái)度量天線輻射功率的能力。天線的輻射電阻是一個(gè)虛擬的量, 定義如下: 設(shè)有一電阻R, 當(dāng)通過(guò)它的電流等于天線上的最大電流時(shí), 其損耗的功率就等于其輻射功率。顯然, 輻射電阻的高低是衡量天線輻射能力的一個(gè)重要指標(biāo), 即輻射電阻越大, 天線的輻射能力越強(qiáng)。 由上述定義得輻射電阻與輻射功率的關(guān)系為RIP2m21即輻射電阻為 2m2IPR(6-3-12)(6-3-13)第6章 天線輻射與接收的基本理論 仿照引入輻射電阻的辦法, 損耗電阻Rl為2m112IPR 將上述兩式代入式（6 -3 -9）得天線效率為RRRRR/1111A 可見(jiàn)

50、, 要提高天線效率, 應(yīng)盡可能提高R, 降低Rl。 (6-3-15)(6-3-14)損耗電阻Rl通常與地面及附近物體的吸收有關(guān)第6章 天線輻射與接收的基本理論krrIlEjesin60j 將其代入式（6 -3 -7）得輻射功率為 RIrIlrP220022221ddsinsin60240 所以輻射電阻為 2280lR例 6 -3確定電基本振子的輻射電阻（均勻電流分布時(shí)) - 解解: 設(shè)不考慮歐姆損耗, 則根據(jù)式（6 -2 -4）知電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為工程基本結(jié)論第6章 天線輻射與接收的基本理論 RIrIlrrIlrP22220022221324)60(240ddsinsin6024022222

51、2)(80213)(602324)60(240lRRIIlrIlr式子表明頻率高，尺寸長(zhǎng)時(shí)輻射電阻大，天線的輻射能力強(qiáng)輻射電阻輻射電阻：是指相對(duì)于一定天線電流值的輻射功率。：是指相對(duì)于一定天線電流值的輻射功率。它代表天線輻射能力的大小。它代表天線輻射能力的大小。第6章 天線輻射與接收的基本理論當(dāng)天線的電尺寸當(dāng)天線的電尺寸l / 很?。ㄖ虚L(zhǎng)波）的天線，很?。ㄖ虚L(zhǎng)波）的天線，R 較小，較小，地面及鄰近物體的吸收所造成的損耗電阻較大，因此地面及鄰近物體的吸收所造成的損耗電阻較大，因此天線效率很低，只有百分之幾。天線效率很低，只有百分之幾。而天線電尺寸較大時(shí)，如微波或超短波的面天線，其而天線電尺寸較大

52、時(shí)，如微波或超短波的面天線，其輻射電阻較大，輻射能力強(qiáng)，其效率可接近于輻射電阻較大，輻射能力強(qiáng)，其效率可接近于1。上述結(jié)果表明：第6章 天線輻射與接收的基本理論jkr-)e,(60jFrIlE 將其代入式（6 -3 -7）得輻射功率為 則輻射電阻表示為 如果電基本振子電流有一定分布時(shí)，存在一定的輻射方向 RIFrIlrP220022221ddsin),(60240ddsin),(30200222 FlR重要的中間結(jié)果第6章 天線輻射與接收的基本理論 G=DA由上式可見(jiàn): 天線方向系數(shù)和效率愈高, 則增益系數(shù)愈高。 現(xiàn)在我們來(lái)研究增益系數(shù)的物理意義。 將方向系數(shù)公式（6 -3 -4）和效率公式（

53、6 -3 -11）代入上式得i2max260PErG (6-3-16)(6-3-17) 3. 增益系數(shù)增益系數(shù)（天線只是換能器件，并不是放大器）（天線只是換能器件，并不是放大器） 增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù), 它是方向系數(shù)與天線效率的乘積, 記為G, 即第6章 天線輻射與接收的基本理論P(yáng)ErD602max21iPPPPPAi2max260PErDGArPDrGPEiAimax6060重要的中間結(jié)果最大場(chǎng)強(qiáng)與距離成反比，與輸入功率與增益的乘積成正比第6章 天線輻射與接收的基本理論rPEimax60(6-3-19)可見(jiàn), 天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無(wú)方向性天線相比在最大輻

54、射方向上將輸入功率放大的倍數(shù)。（天線增益系數(shù)的物理意義） A 假設(shè)天線為理想的無(wú)方向性天線, 即D=1, =1, G=1, 則它在空間各方向上的場(chǎng)強(qiáng)為 由上式可得一個(gè)實(shí)際天線在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為rPDrGPEiAimax6060(6-3-18)第6章 天線輻射與接收的基本理論發(fā)射天線增益系數(shù)的另一種定義發(fā)射天線增益系數(shù)的另一種定義：在相同輸入功率的條件在相同輸入功率的條件下，天線在最大輻射下，天線在最大輻射(某某)方向某點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度與理想點(diǎn)方向某點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度與理想點(diǎn)源（效率源（效率100%）同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度的比值，）同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度的比值，-此天線此天線的增益。的增益。 輸

55、入功率相同的輻射功率密度該天線在無(wú)損耗時(shí)平均射方向的功率密度有損耗時(shí)天線在最大輻G相同相同無(wú)耗ininppEEppG202max0max用分貝數(shù)表示：用分貝數(shù)表示： GdBGlg10)(顯然，天線的增益單位也有dbi,dbd等量綱第6章 天線輻射與接收的基本理論4. 4. 極化和交叉極化電平極化和交叉極化電平(Polarization and Cross(Polarization and Crosspolarization Level)polarization Level)極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。具體地說(shuō),就是在空間某一固定位置上,電場(chǎng)矢量的末端隨時(shí)間變

56、化所描繪的圖形,如果是直線, 就稱(chēng)為線極化(Linearly Polarized);如果是圓就稱(chēng)為圓極化(Circularly Polarized);如果是橢圓就稱(chēng)為橢圓極化(Elliptically Polarized)。如此按天線所輻射的電場(chǎng)的極化形式可將天線分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。線極化又可分為水平極化(Horizontal Polarized)和垂直極化(Vertical Polarized); 圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。當(dāng)圓極化波入射到一個(gè)對(duì)稱(chēng)目標(biāo)上時(shí), 反射波是反旋向的,在電視信號(hào)的傳播中, 利用這一性質(zhì)可以克服由反射所引起的重影。 第6章 天線輻射與接

57、收的基本理論接受天線與發(fā)射天線的極化方式一致，接受效率最高圓極化的發(fā)射天線，由于反射波的旋向相反，不會(huì)被發(fā)射天線收接受，故有消除重影，抗干擾的作用。注意線極化、圓極化、橢圓極化波之間的一些相互關(guān)系第6章 天線輻射與接收的基本理論理想情況下,線極化意味著只有一個(gè)方向, 但實(shí)際場(chǎng)合通常是不可能的。對(duì)線極化,因此引入交叉極化電平來(lái)表征線極化的純度。例如一個(gè)垂直極化天線, 交叉極化電平(Crosspolarization Level)是由于在水平方向有電場(chǎng)分量, 一般交 叉 極 化 電 平 是 一 個(gè) 測(cè) 量 值 , 它 比 同 極 化 電 平 ( C o polarization Level)要小。

58、對(duì)于圓極化天線, 難以輻射純圓極化波, 其實(shí)際輻射的是橢圓極化波, 這對(duì)利用天線的極化特性實(shí)現(xiàn)天線間的電磁隔離是不利的, 因此引入橢圓度參數(shù)來(lái)表征圓極化純度。 第6章 天線輻射與接收的基本理論在通信和雷達(dá)中, 通常是采用線極化天線, 但如果通信的一方是劇烈擺動(dòng)或高速運(yùn)動(dòng)著的, 為了提高通信的可靠性, 發(fā)射和接收都應(yīng)采用圓極化天線, 典型的例子是車(chē)載GPS常用的圓極化天線； 如果雷達(dá)是為了干擾和偵察對(duì)方目標(biāo), 也要使用圓極化天線。另外, 在人造衛(wèi)星、宇宙飛船和彈道導(dǎo)彈等空間遙測(cè)技術(shù)中,由于信號(hào)通過(guò)電離層后會(huì)產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng), 因此其發(fā)射和接收也采用圓極化天線。 第6章 天線輻射與接收的基本理論

59、5. . 頻帶寬度頻帶寬度(Frequency Band Width)(Frequency Band Width) 天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān), 也就是說(shuō), 上述電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻率設(shè)計(jì)的。當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí), 往往要引起天線各個(gè)參數(shù)的變化,例如主瓣寬度增大、旁瓣電平增高、增益系數(shù)降低、輸入阻抗和極化特性變壞等。實(shí)際上, 天線也并非工作在點(diǎn)頻, 而是有一定的頻率范圍。當(dāng)工作頻率變化時(shí), 天線的有關(guān)電參數(shù)不超出規(guī)定范圍的頻率范圍稱(chēng)為頻帶寬度, 簡(jiǎn)稱(chēng)為天線的帶寬。 第6章 天線輻射與接收的基本理論6. 6. 輸入阻抗與駐波比輸入阻抗與駐波比(Input Impedance and Sta

60、nding (Input Impedance and Standing Wave Ratio)Wave Ratio)要使天線輻射效率高, 就必須使天線與饋線良好地匹配, 也就是天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗,才能使天線獲得最大功率, 如圖67 所示。設(shè)天線輸入端的反射系數(shù)為(或散射參數(shù)為S11), 則天線的電壓駐波比為 VSWR11（6-3-20）第6章 天線輻射與接收的基本理論回波損耗為 10log20log10rinrPPL(6-3-21) 輸入阻抗為 ZZUZin11)1 (1)1 (00(6-3-22) 當(dāng)反射系數(shù)=0時(shí),VSWR=1, 此時(shí)Zin=Z0, 天線與饋線匹配, 這意味