發(fā)射天線電參數(shù)

1、第一章第一章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí)1.2發(fā)射天線的電參數(shù)發(fā)射天線的電參數(shù) 當(dāng)天線的形式及其上的電流（或電磁場(chǎng)）分布確定當(dāng)天線的形式及其上的電流（或電磁場(chǎng)）分布確定之后，天線所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)便唯一地確定了。通常我們之后，天線所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)便唯一地確定了。通常我們可以利用前面所得到的微分線元或面元的輻射可以利用前面所得到的微分線元或面元的輻射場(chǎng)疊加場(chǎng)疊加（積分）來(lái)求出特定天線的輻射場(chǎng)。不同的天線具有不（積分）來(lái)求出特定天線的輻射場(chǎng)。不同的天線具有不同的形式或不同的源分布，因而具有不同的輻射場(chǎng)分布。同的形式或不同的源分布，因而具有不同的輻射場(chǎng)分布。在實(shí)際工程中，如果用不同的在實(shí)際工程中，如果用不同

2、的輻射場(chǎng)來(lái)比較輻射場(chǎng)來(lái)比較不同天線在不同天線在某一方面的特性孰優(yōu)孰劣的話，既不直觀又不方便，因某一方面的特性孰優(yōu)孰劣的話，既不直觀又不方便，因而往往采用我們這里所要介紹的而往往采用我們這里所要介紹的天線指標(biāo)天線指標(biāo)來(lái)說(shuō)明。來(lái)說(shuō)明。天線天線指標(biāo)（天線的電參數(shù)）指標(biāo)（天線的電參數(shù)）就是描述天線某一方面特性的參就是描述天線某一方面特性的參數(shù)，它是定量衡量天線性能的尺度數(shù)，它是定量衡量天線性能的尺度，問(wèn)題的提出：不同天線在某一方面的特性優(yōu)劣不同天線在某一方面的特性優(yōu)劣 天線用于發(fā)射無(wú)線電波（電磁波）時(shí)我們稱之為發(fā)射天天線用于發(fā)射無(wú)線電波（電磁波）時(shí)我們稱之為發(fā)射天線。為了考察其性能，提出電指標(biāo)的概念。

3、大多數(shù)天線電參線。為了考察其性能，提出電指標(biāo)的概念。大多數(shù)天線電參數(shù)是針對(duì)發(fā)射狀態(tài)而言規(guī)定的，以衡量天線把高頻電流能量數(shù)是針對(duì)發(fā)射狀態(tài)而言規(guī)定的，以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)換成空間電磁波能量以及轉(zhuǎn)換成空間電磁波能量以及定向輻射能力，定向輻射能力，而輸入阻抗和輻而輸入阻抗和輻射阻抗則是衡量天線射阻抗則是衡量天線電路方面的參量電路方面的參量 。發(fā)射天線指標(biāo)方向函數(shù)/方向圖/方向圖參數(shù)/方向系數(shù)天線效率/增益天線的極化有效長(zhǎng)度頻帶寬度輸入阻抗與輻射阻抗例1-1 電基本振子的輻射功率，及輻射電阻電基本振子的輻射功率可以通過(guò)求解功率流密度（坡印廷矢量）沿包圍電基本振子的一個(gè)閉合曲面上的積分來(lái)求得，即20

4、002R11ReRe2211Re(120 )22sin(11 19 )sin(11 19 )44sinrSSSRRSSjkRWS ndsEHndsE aHandsEaEndsaEndsIdl eIdla jkbkbRRdsRd d aEE22200022222322200032200sin11sinsinsin2424sin2 *2*323212RRrRSSrRd d aRd d aIdlIdlWkandskRd dRRIdlIdlIdlWkd dkk 輻射電阻Rr是將天線輻射到空間中的總輻射功率等效地視為是將天線輻射到空間中的總輻射功率等效地視為被一個(gè)電阻所吸收，這個(gè)電阻值便是天線的輻射電阻

5、。（輻射被一個(gè)電阻所吸收，這個(gè)電阻值便是天線的輻射電阻。（輻射功率與電流有關(guān)，一般有兩種選擇，一種是取電流的最大值，功率與電流有關(guān)，一般有兩種選擇，一種是取電流的最大值，此時(shí)的輻射電阻稱為歸于波腹電流的輻射電阻，一種是取饋電此時(shí)的輻射電阻稱為歸于波腹電流的輻射電阻，一種是取饋電點(diǎn)處的電流值，稱為歸于輸入電流的輻射電阻）。輻射電阻是點(diǎn)處的電流值，稱為歸于輸入電流的輻射電阻）。輻射電阻是天線輻射能力的表征，當(dāng)不同的天線上有同樣的參考電流值時(shí)，天線輻射能力的表征，當(dāng)不同的天線上有同樣的參考電流值時(shí)，輻射電阻越大，則它所等效輻射電阻越大，則它所等效“吸收吸收”的功率越大，也就是天線的功率越大，也就是天

6、線產(chǎn)生的輻射功率越大。產(chǎn)生的輻射功率越大。輻射能力越強(qiáng)輻射能力越強(qiáng)發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)rR發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)22rrIRWP輻 射 電 阻 耗 散22222322200032200sin2323212rIdlIdlIdlWkd dkk 發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)rR發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)22rrIRWP輻 射 電 阻 耗 散22222222120803.1.1412rrIdlWdlRI60sinexp( ) 60sin IlEjjk rrIlEr（為場(chǎng)點(diǎn)、坐標(biāo)原點(diǎn)連線與天線軸線的夾角） 電基本振子的輻射場(chǎng)在不同的方向上，輻射場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度不同，在天線的軸線 方向上不發(fā)生輻射，而在垂直于天線的軸線 方向上輻射最強(qiáng)，其它方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度

7、的大小在二者之間，但電基本振子的電場(chǎng)強(qiáng)度與 無(wú)關(guān)，所以具有軸對(duì)稱特性，但，不管怎樣，電基本振子的輻射場(chǎng)具有方向性，在相同距離的條件下，不同的方向上，輻射場(chǎng)不同。事實(shí)上，所有的真實(shí)天線都具有方向性，為了描述天線的方向性，引入以下電參數(shù)：方向函數(shù)/方向圖/方向圖參數(shù)/方向系數(shù)009（1）電基本振子的輻射場(chǎng)1.2.1方向函數(shù)（2）按天線的方向性對(duì)天線的分類：各向同性（isotropic antenna）天線（等方向性天線）定義為“在所有方向上具有相同輻射的假想的無(wú)損耗天線”。顯然，各向同性天線只能存在于假想中，這種天線又稱為“理想點(diǎn)源天線”，因?yàn)榧幢闶亲詈?jiǎn)單的天線也具有某種程度的方向性。雖然是假想的

8、且不可予以物理實(shí)現(xiàn)，各向同性輻射器卻通常被選擇為參考，進(jìn)而來(lái)表示實(shí)際天線的方向特性。方向性天線（directional antenna）通?！熬哂性谀承┓较蛏媳绕渌较蚰芨行У剌椛浠蚪邮针姶挪ǖ奶攸c(diǎn)”。為了描述其方向性，客觀上需要一個(gè)在各個(gè)方向上有相同輻射的天線作參考(所有的真實(shí)天線都是方向性天線）。（3）方向性天線分類：定向天線：在不同的方向上輻射電波的能力不盡相同全方向性天線：在某一個(gè)平面內(nèi)無(wú)方向性，在另一個(gè)平面內(nèi)有方向性1-2-2基本振子的立體方向圖？手機(jī)天線（3）方向函數(shù)：在相同距離的條件下天線輻射場(chǎng)的相對(duì)值與空間方向（ ）的關(guān)系球坐標(biāo)系下 ，( ,(r r一定的情況下球坐標(biāo)系下：E

9、關(guān)于， )的函數(shù)E關(guān)于， )的函數(shù)設(shè)天線輻射(標(biāo)量)場(chǎng)為(, )E r ，則定義天線的方向性函數(shù)為|( , , )|( , )60E rfI r 上式可以理解為選擇理想點(diǎn)源天線在 r 遠(yuǎn)的距離處產(chǎn)生的場(chǎng)為(60I/r) 時(shí)，將天線輻射場(chǎng)與之比較后的結(jié)果。式中，I 為歸算電流，對(duì)于駐波天線通常取波腹電流 Im即實(shí)際天線上電流強(qiáng)度的最大值為歸算電流。電基本振子的方向性函數(shù)：|( , , )|( , )sin60E rlfI r （4）歸一化方向函數(shù)： 為了更好地比較不同天線的輻射場(chǎng)空間分布（即方向性函數(shù)）的不同，有時(shí)還令方向性函數(shù)的最大值為1，這時(shí)，可以得到歸一化的天線方向性函數(shù)表示式FffEE(

10、 ,)( ,) ( ,)|( ,)|( ,)|maxmax 式中， 為最大輻射方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度，|( , )|maxE E( , ) 為離開天線同一距離r，不同(,)方向上電場(chǎng)強(qiáng)度分布函數(shù)。電基本振子的歸一化方向性函數(shù)：0maxsin( , )( , )sin ( , )sin90lfFlf 理想點(diǎn)源天線的歸一化方向性函數(shù)( , )1F 1.2.2天線方向圖如果將作為空間角度 和 函數(shù)的天線方向性函數(shù)以圖形的形式表示出來(lái)，則稱為方向圖或方向性圖。與前面方向性函數(shù)的定義相對(duì)應(yīng)，方向圖的類型有（歸一化場(chǎng)強(qiáng)）方向圖及功率方向圖等等。同時(shí)改變 和 可得到空間立體方向圖，這樣的圖雖形象、直觀，但既不容易

11、畫出，也不容易定量地了解輻射場(chǎng)空間分布數(shù)值。為此，我們往往采用通過(guò)天線最大輻射方向的兩個(gè)相互垂直的面上的平面方向圖來(lái)表示輻射方向性。 , F2有時(shí)也采用輻射的功率流密度函數(shù)（坡印廷矢量）隨空間方位的變化來(lái)描述天線輻射的不均勻性，考慮到功率與場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系，由此得到的歸一化功率方向性函數(shù)(, )應(yīng)與前面的場(chǎng)強(qiáng)方向性函數(shù)之間存在關(guān)系（4）功率方向性函數(shù)及歸一化的功率方向性函數(shù)：z子午面方向圖（極坐標(biāo)）h/ 1 一種常用的選擇是采用赤道面和子午面內(nèi)的方向圖來(lái)表示。這種選擇是與分析天線輻射場(chǎng)的所采用的球面坐標(biāo)系相聯(lián)系的。赤道面是 =90的面（即XOY平面），而子午面則是與之垂直的 =常數(shù)的面（包含z軸

12、的任意平面）。顯然如果以這樣兩個(gè)面內(nèi)的方向圖來(lái)說(shuō)明天線的輻射場(chǎng)分布特性，必須先說(shuō)明天線所在的坐標(biāo)系是如何建立的。 2h 針對(duì)架設(shè)在地面上的天線，另一常用的表示方法是用平行于地面的水平面和與之垂直的垂直面內(nèi)方向圖來(lái)描述天線輻射場(chǎng)分布特性。這時(shí)，需說(shuō)明天線相對(duì)于地面的架設(shè)狀況（如平行于或垂直于地面），才能有效地表示天線的方向性。 還有一種常用的表示是使用E面及H面方向圖。我們將包含最大輻射方向，電場(chǎng)矢量所在的平面稱為E面（由電場(chǎng)強(qiáng)度方向和最大輻射方向構(gòu)成的平面），又因輻射場(chǎng)是TEM波，磁場(chǎng)與電場(chǎng)垂直，所以與E面垂直的平面即磁場(chǎng)矢量所在的平面稱為H面。在這兩個(gè)面內(nèi)的輻射場(chǎng)分布的圖形稱為E面及H面方向

13、圖。 線天線E面,H面的判斷面天線E面,H面的判斷方向圖可以在極坐標(biāo)系下畫出，也可以在直角坐標(biāo)系下畫出。前者形象直觀地將天線的方向性表現(xiàn)為一組波束。通常在360范圍內(nèi)波束較少時(shí)（如線天線情形）我們常在極坐標(biāo)系下畫天線的方向圖，而在波束較多時(shí)（如口徑天線情形）我們常在直角坐標(biāo)系下畫天線的方向圖（直角坐標(biāo)系可以按任意尺度擴(kuò)展,圖形清晰）。E-plane pattern90Oz3dB beam widthshort current elementxyomni-directionalH-plane pattern 圖741 (a)元輻射方向性圖 (b)鉛筆形方向性圖 (c)扇形方向性圖 (d)余割平方

14、方向性圖 1.2.3方向圖參數(shù)波瓣（波束）：方向圖的各個(gè)部分，指以相當(dāng)弱的方向?yàn)榻缦迊?lái)劃分方向圖的各個(gè)部分(兩個(gè)極小值點(diǎn)之間 的部分）主瓣：包括最強(qiáng)輻射方向的波瓣 副瓣（旁瓣）：除去主瓣后的所有波瓣，離開主瓣依次為第1，2，3個(gè)副瓣 后瓣：與主瓣方向相反的波束柵瓣：除去主瓣外，在其它方向上出現(xiàn)的與主瓣幅度相等的波瓣一般天線設(shè)計(jì)的要求：天線的應(yīng)用中往往選擇天線的設(shè)計(jì)使其在某一方向上的輻射最強(qiáng)，其它方向輻射較弱，使能量集中在最大輻射方向，而不耗散到其它方向（副瓣）上，造成對(duì)其它系統(tǒng)的干擾，因此，盡量使主瓣變窄，副瓣變?nèi)酰饬窟@兩個(gè)方面的天線術(shù)語(yǔ)：主瓣寬度，副瓣電平波瓣寬度：零功率點(diǎn)波瓣寬度，半功率

15、點(diǎn)波瓣寬度零功率點(diǎn)波瓣寬度：主瓣最大值兩邊兩個(gè)零輻射方向之間的夾角用20來(lái)表示，用 20E，20H 來(lái)表示E 面或 H 面的零功率主瓣寬度半功率點(diǎn)波瓣寬度（3分貝波瓣寬度，3dB波瓣寬度）：功率方向圖上，主瓣最大值兩邊，輻射功率為最大輻射方向上輻射功率一半的兩個(gè)輻射方向之間的夾角場(chǎng)強(qiáng)方向圖上，主瓣最大值兩邊，輻射場(chǎng)強(qiáng)為最大輻射方向上輻射場(chǎng)強(qiáng)0.707倍的兩個(gè)輻射方向之間的夾角用20。5來(lái)表示，用 0。5E，0。5H 來(lái)表示E 面或 H 面的半功率主瓣寬度波瓣寬度越窄,能量越集中90Oz3dB beam widthshort current element副瓣電平（Side Lobe Lever

16、 SLL）：主瓣平均功率密度最大值與副瓣平均功率密度最大值之比,maxmax,maxmax10lg20lg(iaviiiaviSESLLSESLL第 個(gè)副瓣的副瓣電平）前后比:主瓣平均功率密度最大值與后瓣平均功率密度最大值之比,max180max180,maxmax10lg20lgavavSEFBSE1.2.4天線方向性系數(shù)（Directivity）方向性函數(shù)：在相同距離的條件下天線輻射場(chǎng)的相對(duì)值與空間方向的關(guān)系各向同性天線只能存在于假想中，這種天線又稱為“理想點(diǎn)源天線”雷達(dá),通信等大部分天線設(shè)備,都是利用主向(或最大輻射方向)的輻射來(lái)完成任務(wù)的。遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離主向的輻射功率不僅被無(wú)謂浪費(fèi),而且還會(huì)

17、干擾電波信號(hào)。因此,盡可能減少非主向的輻射和增加主向輻射。常采用方向性系數(shù)這個(gè)參量來(lái)說(shuō)明天線在主向輻射功率的集中程度（1)方向性系數(shù)：在同一距離及相同輻射功率下，某天線在最大輻射方向上的功率流密度Smax和無(wú)方向性天線的功率流密度S0的比值。DSSEEmaxmax|0202(Pr=Pr0時(shí)) D的第一表達(dá)式設(shè)：待考察的天線和無(wú)方向性天線輻射功率分別為Pr和Pr0（2)方向性系數(shù)：在同一距離處產(chǎn)生相同的輻射場(chǎng)，某天線在輻射功率和無(wú)方向性天線輻射功率之比。 DPPrr0(|Emax|=|E0| 時(shí)) D的第二表達(dá)式220000220022maxmax20022maxmaxr|1 (1 2 10)4

18、2 12024060| (a)|D= (1-2-11)6060rrrPEESrPErSEDSEErPPE無(wú)方向性天線在 處產(chǎn)生的輻射功率密度為：帶入到 2max2 (1-2-12)60| (b)rrDrPDEr0max0rrEEPaDbP表達(dá)式表達(dá)式電場(chǎng)強(qiáng)度、輻射功率、方向性系數(shù)的關(guān)系DSSEEmaxmax|0202(Pr=Pr0時(shí))DPPrr0(|Emax|=|E0| 時(shí))（3）方向性系數(shù) D的第三表達(dá)式： 22004 , sin sin (DFddddd 立體角）(4)分貝來(lái)表示:方向性系數(shù)還可用分貝來(lái)表示，且有 D(dB)=10lg(D(倍數(shù))（3）方向性系數(shù) D的與輻射電阻的關(guān)系： 2

19、222222222121 222160 ( , )sin2*12030( , )sin (1 222)rrSSrSrSPEREHndsndsIIIIRfrd dIrRfd d 60( , )( , , )IfE rr 22004 (1 2 18), sin DFdd max( , )( , ) (124) ( , )fFf 2max120rfDRmax60 (1-2-12)rPDEr電場(chǎng)強(qiáng)度、輻射功率、方向性系數(shù)的關(guān)系方向性系數(shù) D的與輻射電阻的關(guān)系1.2.5天線的效率（天線的效率（Efficiency）發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)inPrP天線效率A：天線輻射有功功率Pr 與天線輸入的有功功率Pin之比，表示天線能量轉(zhuǎn)化的量度，即rAinPP發(fā)射機(jī)發(fā)射