天線基礎(chǔ)知識(shí)1

1、第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.1 電基本振子的輻射 電基本振子（Electric Short Dipole）又稱電流元，它是指一段理想的高頻電流直導(dǎo)線，其長(zhǎng)度l遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，其半徑a遠(yuǎn)小于l，同時(shí)振子沿線的電流I處處等幅同相。用這樣的電流元可以構(gòu)成實(shí)際的更復(fù)雜的天線，因而電基本振子的輻射特性是研究更復(fù)雜天線輻射特性的基礎(chǔ)。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖11 電基本振子的坐標(biāo) yxzlOIrEHEr第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 式中,E為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為V/m； H為磁場(chǎng)強(qiáng)度

2、，單位為A/m； 場(chǎng)強(qiáng)的下標(biāo)r、表示球坐標(biāo)系中矢量的各分量；er,e,e分別為球坐標(biāo)系中沿r、增大方向的單位矢量；rrEE eE eHH e第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.近區(qū)場(chǎng) kr1即（r1即（r/(2)）的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)23111()()krkrkr 因此保留式中的最大項(xiàng)后，電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)表達(dá)式為第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 由上式可見，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的性質(zhì)與近區(qū)場(chǎng)的性質(zhì)完全不同，場(chǎng)強(qiáng)只有兩個(gè)相位相同的分量（E,H）。sin260sin0jkrjkrrrIlHjerIlEjerHHEE 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的坡印廷矢量平均值為

3、2 2222115Resin2avrI lSEHer 有能量沿r方向向外輻射，故遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱為輻射場(chǎng)。該輻射場(chǎng)有如下性質(zhì)：第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) (1) E、H均與距離r成反比，波的傳播速度為 ，E和H中都含有相位因子 e-jkr，說明輻射場(chǎng)的等相位面為r等于常數(shù)的球面，所以稱其為球面波。E、H和Sav相互垂直，且符合右手螺旋定則。 (2)傳播方向上電磁場(chǎng)的分量為零，故稱其為橫電磁波，記為TEM波。 (3)E和H的比值為常數(shù)，稱為媒質(zhì)的波阻抗，記為。對(duì)于自由空間001/c 00120EH第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖12 電基本振子電力線 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)

4、知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖13 電基本振子遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) yxzlOIrEHSav第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) (4)E和H與sin成正比，說明電基本振子的輻射具有方向性，輻射場(chǎng)不是均勻球面波。因此，任何實(shí)際的電磁輻射絕不可能具有完全的球?qū)ΨQ性，這也是所有輻射場(chǎng)的普遍特性。 電偶極子向自由空間輻射的總功率稱為輻射功率Pr，它等于坡印廷矢量在任一包圍電偶極子的球面上的積分，即第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) WlIdlIddsHEdsSPSSavr2223202220)(40sin15Re21第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 因此，輻射功率取決于電偶極子的電長(zhǎng)度，若幾何長(zhǎng)度不變，頻

5、率越高或波長(zhǎng)越短，則輻射功率越大。因?yàn)橐呀?jīng)假定空間媒質(zhì)不消耗功率且在空間內(nèi)無其它場(chǎng)源，所以輻射功率與距離r無關(guān)。 既然輻射出去的能量不再返回波源，為方便起見，將天線輻射的功率看成被一個(gè)等效電阻所吸收的功率，這個(gè)等效電阻就稱為輻射電阻Rr。類似于普通電路，可以得出212rrPI R第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 其中，Rr稱為該天線歸算于電流I的輻射電阻，這里I是電流的振幅值。電基本振子的輻射電阻為2280()rlR第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.1.2 磁基本振子的輻射 磁基本振子（Magnetic Short Dipole）又稱磁流元、磁偶極子。盡管它是虛擬的，迄今為

6、止還不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是它可以與一些實(shí)際波源相對(duì)應(yīng)，例如小環(huán)天線或者已建立起來的電場(chǎng)波源，用此概念可以簡(jiǎn)化計(jì)算，因此討論它是有必要的。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖114 磁基本振子的坐標(biāo) OrImlxyzEH第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 其中，下標(biāo)e,m分別對(duì)應(yīng)電源和磁源，則磁基本振子遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的表達(dá)式為00sin2sin2jkrmjkrmI lEjerI lHjer 比較電基本振子的輻射場(chǎng)與磁基本振子的輻射場(chǎng)，可以得知它們除了輻射場(chǎng)的極化方向相互正交之外，其它特性完全相同。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖15 小電流環(huán)和與

7、其等效的磁矩 (a)小電流環(huán)；(b)磁矩 zsyxOIyzxOpm(a)(b)第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 磁基本振子的實(shí)際模型是小電流環(huán)，它的周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，而且環(huán)上的諧變電流I的振幅和相位處處相同。相應(yīng)的磁矩和環(huán)上電流的關(guān)系為 pm=0IS 式中s為環(huán)面積矢量，方向由環(huán)電流I按右手螺旋定則確定。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 若求小電流環(huán)遠(yuǎn)區(qū)的輻射場(chǎng)，我們可把磁矩看成一個(gè)時(shí)變的磁偶極子，磁極上的磁荷是+qm,-qm，它們之間的距離是l。磁荷之間有假想的磁流Im，以滿足磁流的連續(xù)性，則磁矩又可表示為 pm=qml 式中l(wèi)的方向與環(huán)面積矢量的方向一致。 第第1 1章章 天

8、線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 用復(fù)數(shù)表示的磁流為 0msIjIl小電流環(huán)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)0000sin2sin2jkrjkrsIEersIHer 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 小電流環(huán)是一種實(shí)用天線，稱之為環(huán)型天線。事實(shí)上，對(duì)于一個(gè)很小的環(huán)來說，如果環(huán)的周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于/4，則該天線的輻射場(chǎng)方向性與環(huán)的實(shí)際形狀無關(guān)，即環(huán)可以是矩形、三角形或其它形狀。 磁偶極子的輻射總功率是WsIdsHEdsSPmSavSr224)(160Re21第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 其輻射電阻是 42222320()rrmPsRI 由此可見，同樣電長(zhǎng)度的導(dǎo)線，繞制成磁偶極子，在電流振幅相同的情況下，遠(yuǎn)區(qū)的輻射功率

9、比電偶極子的要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 第第1 1章章 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) 描述天線工作特性的參數(shù)稱為天線電參數(shù)，又稱電指標(biāo)。它們是定量衡量天線性能的尺度。我們有必要了解天線電參數(shù)，以便正確設(shè)計(jì)或選擇天線。大多數(shù)天線電參數(shù)是針對(duì)發(fā)射狀態(tài)規(guī)定的，以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)變成空間電波能量以及定向輻射的能力。下面介紹發(fā)射天線的主要電參數(shù)，并且以電基本振子或磁基本振子為例說明之。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.1 方向函數(shù) 由電基本振子的分析可知，天線輻射出去的電磁波雖然是一球面波，但卻不是均勻球面波，因此，任何一個(gè)天線的輻射場(chǎng)都具有方向性。

10、所謂方向性，就是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（子午角、方位角）的關(guān)系。若天線輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度為E(r,)，把電場(chǎng)強(qiáng)度（絕對(duì)值）寫成 60( , ,( , )IE rfr 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖 121yzrOx第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 式中I為歸算電流，對(duì)于駐波天線，通常取波腹電流Im作為歸算電流；f(,)為場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)。因此，方向函數(shù)可定義為( , , )( , )60 /E rfI r 將電基本振子的輻射場(chǎng)表達(dá)式代入上式，可得電基本振子的方向函數(shù)為( , )( )sinlff 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 為了便于比較不同天

11、線的方向性，常采用歸一化方向函數(shù)，用F(,)表示，即maxmax( , )( , )( , )( , )EfFfE 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 式中，fmax(,)為方向函數(shù)的最大值；Emax為最大輻射方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度;E(,)為同一距離(,)方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度。 歸一化方向函數(shù)F(,)的最大值為1。因此，電基本振子的歸一化方向函數(shù)可寫為 F(,)=|sin| 為了分析和對(duì)比方便，今后我們定義理想點(diǎn)源是無方向性天線，它在各個(gè)方向上、相同距離處產(chǎn)生的輻射場(chǎng)的大小是相等的，因此，它的歸一化方向函數(shù)為 F(,)=1第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.2 方向圖 天線的方向函

12、數(shù)，它與r及I無關(guān)。將方向函數(shù)用曲線描繪出來，稱之為方向圖。方向圖就是與天線等距離處，天線輻射場(chǎng)大小在空間中的相對(duì)分布隨方向變化的圖形。依據(jù)歸一化方向函數(shù)而繪出的為歸一化方向圖。 變化及得出的方向圖是立體方向圖。對(duì)于電基本振子，由于歸一化方向函數(shù)F(,)=|sin|，因此其立體方向圖如圖122所示。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖122 基本振子立體方向圖 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 在實(shí)際中，工程上常常采用兩個(gè)特定正交平面方向圖。在自由空間中，兩個(gè)最重要的平面方向圖是E面和H面方向圖。E面即電場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面；H面即磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻

13、射方向的平面。 方向圖可用極坐標(biāo)繪制，角度表示方向，矢徑表示場(chǎng)強(qiáng)大小。這種圖形直觀性強(qiáng)，但零點(diǎn)或最小值不易分清。方向圖也可用直角坐標(biāo)繪制，橫坐標(biāo)表示方向角，縱坐標(biāo)表示輻射幅值。由于橫坐標(biāo)可按任意標(biāo)尺擴(kuò)展，故圖形清晰。如圖123所示，對(duì)于球坐標(biāo)系中的沿z軸放置的電基本振子而言，E面即為包含z軸的任一平面，例如yOz面， 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 此面的方向函數(shù)FE()=|sin|。而H面即為xOy面，此面的方向函數(shù)FH()=1，如圖124所示，H面的歸一化方向圖為一單位圓。E面和H面方向圖就是立體方向圖沿E面和H面兩個(gè)主平面的剖面圖。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖

14、123 電基本振子E平面方向圖 yzO功率方向圖場(chǎng)強(qiáng)方向圖|sin |第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖124 電基本振子H平面方向圖zxy|sin90 | 1第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 但是要注意的是，盡管球坐標(biāo)系中的磁基本振子方向性和電基本振子一樣，但E面和H面的位置恰好互換。 有時(shí)還需要討論輻射的功率密度（坡印廷矢量模值）與方向之間的關(guān)系，因此引進(jìn)功率方向圖（Power Pattern）(,)。容易得出，它與場(chǎng)強(qiáng)方向圖之間的關(guān)系為 (,)=F2(,) 電基本振子E平面功率方向圖也如圖123所示。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.3 方向圖參數(shù) 實(shí)際

15、天線的方向圖要比電基本振子的復(fù)雜，通常有多個(gè)波瓣，它可細(xì)分為主瓣、副瓣和后瓣，如圖125所示。用來描述方向圖的參數(shù)通常有： (1)零功率點(diǎn)波瓣寬度20E或20H(下標(biāo)E、H表示E、H面，下同）：指主瓣最大值兩邊兩個(gè)零輻射方向之間的夾角。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖125 天線方向圖的一般形狀 主 軸主 瓣后 瓣第 一 副 瓣 00.502020.5第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) (2)半功率點(diǎn)波瓣寬度（HalfPower Beam Width, HPBW）20.5E或20.5H:指主瓣最大值兩邊場(chǎng)強(qiáng)等于最大值的0.707倍（或等于最大功率密度的一半）的兩輻射方向之間的

16、夾角，又叫3分貝波束寬度。如果天線的方向圖只有一個(gè)強(qiáng)的主瓣，其它副瓣均較弱，則它的定向輻射性能的強(qiáng)弱就可以從兩個(gè)主平面內(nèi)的半功率點(diǎn)波瓣寬度來判斷。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) (3)副瓣電平（Side Lobe Lever,SLL）:指副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般以分貝表示，即,max2max2,maxmax10lg20lgavavSESLLdBSE（128） 式中，Sav,max2和Sav,max分別為最大副瓣和主瓣的功率密度最大值；Emax2和Emax分別為最大副瓣和主瓣的場(chǎng)強(qiáng)最大值。副瓣一般指向不需要輻射的區(qū)域，因此要求天線的副瓣電平應(yīng)盡可能地低。 （4）前后比:指主瓣最

17、大值與后瓣最大值之比，通常也用分貝表示。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.4 方向系數(shù) 上述方向圖參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映方向圖中特定方向的輻射強(qiáng)弱程度，未能反映輻射在全空間的分布狀態(tài)，因而不能單獨(dú)體現(xiàn)天線的定向輻射能力。為了更精確地比較不同天線之間的方向性，需要引入一個(gè)能定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)，這就是方向系數(shù)(Directivity)。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 方向系數(shù)的定義是：在同一距離及相同輻射功率的條件下,某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax（或場(chǎng)強(qiáng)|Emax|2的平方）和無方向性天線(點(diǎn)源)的輻射功率

18、密度S0（或場(chǎng)強(qiáng)|E0|2的平方）之比，記為D。用公式表示如下：2maxmax200rrorroPPPPESDSE第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 式中Pr、Pr0分別為實(shí)際天線和無方向性天線的輻射功率。無方向性天線本身的方向系數(shù)為1。 因?yàn)闊o方向性天線在r處產(chǎn)生的輻射功率密度為20024240roEPSr所以由方向系數(shù)的定義得 22max60rr EDP第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 因此，在最大輻射方向上 max60rPDEr 上式表明，天線的輻射場(chǎng)與PrD的平方根成正比，所以對(duì)于不同的天線,若它們的輻射功率相等，則在同是最大輻射方向且同一r處的觀察點(diǎn)，輻射場(chǎng)之比為1ma

19、x1max22DEED第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 若要求它們?cè)谕籸處觀察點(diǎn)輻射場(chǎng)相等，則要求 1221rrPDPD即所需要的輻射功率與方向系數(shù)成反比。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 222,maxmax2200( , )( , )( , )4( , )sinavavSEFSEDFd d 方向系數(shù)最終計(jì)算公式為 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 【例121】 求出沿z軸放置的電基本振子的方向系數(shù)。 解 已知電基本振子的歸一化方向函數(shù)為 F(,)=|sin| 將其代入方向系數(shù)的表達(dá)式得 230041.5sinDd d 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 若

20、以分貝表示，則D=10lg1.5=1.76dB?？梢?，電基本振子的方向系數(shù)是很低的。為了強(qiáng)調(diào)方向系數(shù)是以無方向性天線作為比較標(biāo)準(zhǔn)得出的，有時(shí)將dB寫成dBi，以示說明。 當(dāng)副瓣電平較低時(shí)（-20dB以下），可根據(jù)兩個(gè)主平面的波瓣寬度來近似估算方向系數(shù)，即0.50.541000(2)(2)EHD式中波瓣寬度均用度數(shù)表示。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.5 天線效率 一般來說,載有高頻電流的天線導(dǎo)體及其絕緣介質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生損耗，因此輸入天線的實(shí)功率并不能全部地轉(zhuǎn)換成電磁波能量。可以用天線效率(Efficiency)來表示這種能量轉(zhuǎn)換的有效程度。天線效率定義為天線輻射功率Pr與輸入功

21、率Pin之比，記為A，即rAinPP第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 輻射功率與輻射電阻之間的聯(lián)系公式 為 ，依據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度與 方向函數(shù)關(guān)系，則輻射電阻的一般表達(dá)式為212rrPI R220030( , )sinrRfd d 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 類似于輻射功率和輻射電阻之間的關(guān)系，也可將損耗功率Pl與損耗電阻Rl聯(lián)系起來，即Rl是歸算于電流I的損耗電阻，這樣rrArlrlPRPPRRllRIP221第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 一般來講，損耗電阻的計(jì)算是比較困難的，但可由實(shí)驗(yàn)確定?？梢钥闯?，若要提高天線效率,必須盡可能地減小損耗電阻和提高輻射電阻。 通常

22、，超短波和微波天線的效率很高，接近于1。 值得提出的是，這里定義的天線效率并未包含天線與傳輸線失配引起的反射損失，考慮到天線輸入端的電壓反射系數(shù)為，則天線的總效率為 =(1-|2)A 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.6 增益系數(shù) 方向系數(shù)只是衡量天線定向輻射特性的參數(shù)，它只決定于方向圖；天線效率則表示了天線在能量上的轉(zhuǎn)換效能；而增益系數(shù)(Gain)則表示了天線的定向收益程度。增益系數(shù)的定義是：在同一距離及相同輸入功率的條件下,某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax(或場(chǎng)強(qiáng)|Emax|2的平方）和理想無方向性天線(理想點(diǎn)源)的輻射功率密度S0（或場(chǎng)強(qiáng)|E0|2的平方）之比

23、，記為G。用公式表示如下：002maxmax200ininininPPPPESGSE第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 式中Pin、Pin0分別為實(shí)際天線和理想無方向性天線的輸入功率。理想無方向性天線本身的增益系數(shù)為1。 考慮到效率的定義，在有耗情況下，功率密度為無耗時(shí)的A倍，可改寫為00maxmax00ininrrAPPPPASSGSSGD第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 由此可見，增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換效率和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)與天線效率的乘積。在實(shí)際中，天線的最大增益系數(shù)是比方向系數(shù)更為重要的電參量，即使它們密切相關(guān)。 根據(jù)上式，max6060inrP GP

24、DErr第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 增益系數(shù)也可以用分貝表示為10lgG。因?yàn)橐粋€(gè)增益系數(shù)為10、輸入功率為1W的天線和一個(gè)增益系數(shù)為2、輸入功率為5W的天線在最大輻射方向上具有同樣的效果，所以又將PrD或PinG定義為天線的有效輻射功率。使用高增益天線可以在維持輸入功率不變的條件下，增大有效輻射功率。由于發(fā)射機(jī)的輸出功率是有限的，因此在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)提高天線的增益常常抱有很大的期望。頻率越高的天線越容易得到很高的增益。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.7 天線的極化 天線的極化是指該天線在給定方向上遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)的空間取向。一般而言，特指為該天線在最大輻射方

25、向上的電場(chǎng)的空間取向。實(shí)際上，天線的極化隨著偏離最大輻射方向而改變，天線不同輻射方向可以有不同的極化。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 所謂輻射場(chǎng)的極化，即在空間某一固定位置上電場(chǎng)矢量端點(diǎn)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的軌跡，按其軌跡的形狀可分為線極化、圓極化和橢圓極化，其中圓極化還可以根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向分為右旋圓極化和左旋圓極化。就圓極化而言，一般規(guī)定：若手的拇指朝向波的傳播方向，四指彎向電場(chǎng)矢量的旋轉(zhuǎn)方向，這時(shí)若電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)方向與傳播方向符合右手螺旋，則為右旋圓極化，若符合左手螺旋，則為左旋圓極化。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 天線不能接收與其正交的極化分量。例如，線極化天線不能接收來

26、波中與其極化方向垂直的線極化波；圓極化天線不能接收來波中與其旋向相反的圓極化分量，對(duì)橢圓極化來波，其中與接收天線的極化旋向相反的圓極化分量不能被接收。極化失配意味著功率損失。為衡量這種損失，特定義極化失配因子p，其值在01之間。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.8 有效長(zhǎng)度 一般而言，天線上的電流分布是不均勻的，也就是說天線上各部位的輻射能力不一樣。為了衡量天線的實(shí)際輻射能力，常采用有效長(zhǎng)度(Effective Length)。它的定義是：在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)值不變的條件下，假設(shè)天線上的電流分布為均勻分布時(shí)天線的等效長(zhǎng)度。通常將歸算于輸入電流Iin的有效長(zhǎng)度記為l

27、ein，把歸算于波腹電流Im的有效長(zhǎng)度記為lem。 第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 圖 129 lleinIinIin實(shí)際電流分布電流均勻分布I(z)z第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 1.2.9 輸入阻抗與輻射阻抗 ; 天線通過傳輸線與發(fā)射機(jī)相連，天線作為傳輸線的負(fù)載，與傳輸線之間存在阻抗匹配問題。天線與傳輸線的連接處稱為天線的輸入端，天線輸入端呈現(xiàn)的阻抗值定義為天線的輸入阻抗(Input Resistance)，即天線的輸入阻抗Zin為天線的輸入端電壓與電流之比：inininininUZRjXI第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 其中，Rin、Xin分別為輸入電阻和

28、輸入電抗，它們分別對(duì)應(yīng)有功功率和無功功率。 有功功率以損耗和輻射兩種方式耗散掉，而無功功率則駐存在近區(qū)中。天線的輸入阻抗決定于天線的結(jié)構(gòu)、工作頻率以及周圍環(huán)境的影響。輸入阻抗的計(jì)算是比較困難的，因?yàn)樗枰獪?zhǔn)確地知道天線上的激勵(lì)電流。除了少數(shù)天線外，大多數(shù)天線的輸入阻抗在工程中采用近似計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)定。第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 事實(shí)上，在計(jì)算天線的輻射功率時(shí)，如果將計(jì)算輻射功率的封閉曲面設(shè)置在天線的近區(qū)內(nèi)，用天線的近區(qū)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，則所求出的輻射功率Pr同樣將含有有功功率及無功功率。如果引入歸算電流（輸入電流Iin或波腹電流Im），則輻射功率與歸算電流之間的關(guān)系為220002211()2211()22rinrinrrmmrmmrmrmPIZIRjXIZIRjX第第1 1章章 天線基礎(chǔ)知識(shí)天線基礎(chǔ)知識(shí) 式中Zr0、Zrm分別為歸于輸入電流和波腹電流的輻射阻抗(Radiation Resistance)。Rr0、Rrm、Xr0、Xrm也為相應(yīng)的輻射