天線理論與設(shè)計(jì)—第三章

1、 第3章3.1 工作原理與等效電路工作原理與等效電路3.2 接收的天線參數(shù)接收的天線參數(shù)3.4 付里斯傳輸方程與雷達(dá)測距方程付里斯傳輸方程與雷達(dá)測距方程第三章第三章 接收天線接收天線 第3章3.1 工作原理與等效電路工作原理與等效電路 接收天線是接收無線電波的裝置，它能接收天線是接收無線電波的裝置，它能有效地接收某一方向或某些方向的入射波，有效地接收某一方向或某些方向的入射波，并將其轉(zhuǎn)換為高頻電流或?qū)胁ā２⑵滢D(zhuǎn)換為高頻電流或?qū)胁ā?發(fā)射天線輻射的電磁波遠(yuǎn)區(qū)為球面電發(fā)射天線輻射的電磁波遠(yuǎn)區(qū)為球面電磁波，局部為平面波磁波，局部為平面波 第3章Zxy 第3章當(dāng)沿當(dāng)沿y方向傳入，則入射場矢量與電

2、振方向傳入，則入射場矢量與電振子平行，則激起電壓最大；子平行，則激起電壓最大；當(dāng)沿當(dāng)沿z方向入射，則入射場矢量與電振方向入射，則入射場矢量與電振子垂直，則激起電壓為零；子垂直，則激起電壓為零；l dEVocli來波方向?qū)铍妷捍笮〉挠绊憗聿ǚ较驅(qū)铍妷捍笮〉挠绊?第3章等效電路等效電路 第3章 第3章接收天線相當(dāng)于電壓源接收天線相當(dāng)于電壓源 電路分析電路分析 LinocinzzvILinrRIP221輸入功率輸入功率 第3章阻抗共軛匹配阻抗共軛匹配 inininLjxRzz*最大功率輸出給負(fù)載最大功率輸出給負(fù)載 inocRRvP82假設(shè)無損耗假設(shè)無損耗 riocRRvP82riR對應(yīng)于輸入

3、阻抗對應(yīng)于輸入阻抗的輻射電阻的輻射電阻 第3章3.2 接收天線的參數(shù)接收天線的參數(shù)方向圖：方向圖：開路電壓或輸送給負(fù)載的功率開路電壓或輸送給負(fù)載的功率隨等強(qiáng)度隨等強(qiáng)度 方向來波的相對變化方向來波的相對變化 ,ocvf根據(jù)互易定理根據(jù)互易定理 同一副天線的收發(fā)方向圖相同同一副天線的收發(fā)方向圖相同 測試方法？測試方法？ 第3章輸入阻抗輸入阻抗 當(dāng)?shù)刃щ娐冯妷涸炊搪?，即無外來波時(shí)，當(dāng)?shù)刃щ娐冯妷涸炊搪?，即無外來波時(shí)，從輸入口看進(jìn)去的阻抗。從輸入口看進(jìn)去的阻抗。 由于接收和發(fā)射天線阻抗定義相同，由于接收和發(fā)射天線阻抗定義相同，因此同一副天線用于因此同一副天線用于發(fā)射和接收時(shí)輸發(fā)射和接收時(shí)輸入阻抗相同。

4、入阻抗相同。 第3章有效口徑有效口徑最大有效口徑最大有效口徑輸送給負(fù)載的最大功率輸送給負(fù)載的最大功率與入射波功率密度之比（隱含條件等值與入射波功率密度之比（隱含條件等值入射波，所有入射角中使入射波，所有入射角中使 最大的情況最大的情況即最大輻射方向來考察）即最大輻射方向來考察）ocvSRvSPAriocRem82物理意義：接收天線捕獲電磁波的能力物理意義：接收天線捕獲電磁波的能力 最大條件：最大條件：1，感應(yīng)電壓最大；，感應(yīng)電壓最大；2，無耗情，無耗情況。況。 第3章電流元電流元最大有效口徑的計(jì)算最大有效口徑的計(jì)算 假設(shè)電流元與來波電場假設(shè)電流元與來波電場 平行，則感應(yīng)開路電壓平行，則感應(yīng)開路

5、電壓 lEvoc來波功率密度來波功率密度： 22ES 電流元的輻射電阻可寫為：電流元的輻射電阻可寫為： 232 lRri 第3章22222119. 0832328 EllEAem若取電流元的長度若取電流元的長度 線徑線徑 50l300d電流元的實(shí)際縱截面電流元的實(shí)際縱截面 150002A比較得電流元的最大有效口徑是實(shí)際縱比較得電流元的最大有效口徑是實(shí)際縱截面的截面的1785倍倍 第3章建立方向性系數(shù)和最大有效口徑，功率增益建立方向性系數(shù)和最大有效口徑，功率增益與有效口徑的關(guān)系與有效口徑的關(guān)系 電流元電流元 emAD222483423emAD24eemAeAeDG2244eA稱為有效口徑稱為有效

6、口徑 emeeAA 第3章極化失配極化失配 天線與入射波的極化不一定完全匹配，天線與入射波的極化不一定完全匹配，天線與負(fù)載也不一定共軛匹配。天線與負(fù)載也不一定共軛匹配。這兩種失配將減少輸送給負(fù)載的功率，這兩種失配將減少輸送給負(fù)載的功率，使最大有效口徑減少。使最大有效口徑減少。 極化失配因子極化失配因子 2*eepR*Ree是天線和入射波的復(fù)單位矢量。是天線和入射波的復(fù)單位矢量。 和和 第3章用共軛起顛倒參考方向的作用，使天線與用共軛起顛倒參考方向的作用，使天線與入射波的極化分量參考相同的參考軸。入射波的極化分量參考相同的參考軸。 p的可能值在的可能值在01之間之間 假設(shè)輻射方向和入射波方向與X

7、Y面垂直，則yexeRjRRRsincos和yexejsincos 第3章例：發(fā)射天線垂直極化，即產(chǎn)生沿例：發(fā)射天線垂直極化，即產(chǎn)生沿Y 軸的線極軸的線極 化波，如圖所示。接收天線為線極化波，化波，如圖所示。接收天線為線極化波， 求極化失配因子。求極化失配因子。xyR沿y軸的發(fā)射天線xy面內(nèi)的線極化接收天線右旋圓極化接收天線 第3章解：入射波單位復(fù)矢量：ye 接收單位復(fù)矢量：RRRyyxp22sinsincosyxeRRRsincos因而2*eepR 第3章若若 90R1p，則極化匹配，用，則極化匹配，用 y 極化發(fā)射，極化發(fā)射， y 極化接收；極化接收； 若若 0R0p，則極化失配，用，則極

8、化失配，用 y 極化發(fā)射，極化發(fā)射， 極化接收；極化接收； x 第3章例：如接收天線右旋圓極化， 來波為y向線極化，求極化失配因 子。解： 已知右旋圓極化則接收單位復(fù)矢量中的9045RR) (2145sin45cos2y jxyexejRdByy jxp321) (212 第3章 來波是線極化波，用圓極化天線接收來波是線極化波，用圓極化天線接收功率損失一半功率損失一半(3dB)。入射波是左旋圓極化，接收天線用？入射波是左旋圓極化，接收天線用？旋圓極化，則為交叉極化旋圓極化，則為交叉極化 其他的匹配情況列舉其他的匹配情況列舉右 第3章阻抗失配因子阻抗失配因子 2222211111SWRSWRLi

9、nLinVVzzzzq計(jì)入兩種失配后有效口徑為計(jì)入兩種失配后有效口徑為 emepqAA emeRpqSASAP 第3章mBTT,mT10式中：式中：TB為亮度溫度（為亮度溫度（K），）， 為熱輻射率，為熱輻射率， 為實(shí)際（分子）溫度（為實(shí)際（分子）溫度（K）。熱輻射率的）。熱輻射率的值為值為 , 因而亮度溫度可達(dá)到的最因而亮度溫度可達(dá)到的最大值等于實(shí)際溫度。大值等于實(shí)際溫度。天線溫度實(shí)際溫度高于絕對零度實(shí)際溫度高于絕對零度(-273. )的任何物體均輻的任何物體均輻射能量，總輻射能量通常一個(gè)稱為射能量，總輻射能量通常一個(gè)稱為亮度溫度亮度溫度的等效溫度的等效溫度TB 來表示，它定義為來表示，它定

10、義為 第3章良好的天然微波能量輻射體是：良好的天然微波能量輻射體是：（a）亮度溫度約）亮度溫度約300K的地面；的地面；（b）亮度溫度約）亮度溫度約5K的天頂?shù)奶祉?（c） 亮度溫度約亮度溫度約100150K的水平方向的天空。的水平方向的天空。 天線截獲各種源的輻射能量，在天線輸出端天線截獲各種源的輻射能量，在天線輸出端表現(xiàn)為表現(xiàn)為天線溫度天線溫度。 可用公式寫為可用公式寫為 200200sin,sin,ddGddGTTBA 第3章 第3章天線輸出端的天線輸出端的天線溫度天線溫度由物體由物體亮度溫度亮度溫度經(jīng)天線經(jīng)天線的的功率增益加權(quán)平均功率增益加權(quán)平均后給出。后給出。 假設(shè)無失配損失而且天線

11、與接收機(jī)之間的假設(shè)無失配損失而且天線與接收機(jī)之間的傳輸線無耗，傳輸線無耗，輸送給接收機(jī)的噪聲功率輸送給接收機(jī)的噪聲功率由由下式給出下式給出fkTPAR式中式中k=1.3810-23(J/K)為波爾茲曼常數(shù)；為波爾茲曼常數(shù)； f為頻帶寬度。為頻帶寬度。 第3章接收微弱信號的無線電設(shè)備廣泛采用低噪聲天線，為此引入品質(zhì)因數(shù) G/TA來衡量天線的信噪比。為降低天線溫度和提高品質(zhì)因數(shù)，天線方向圖的遠(yuǎn)副瓣和背瓣應(yīng)盡量低。 顯然, TA愈高, 天線送至接收機(jī)的噪聲功率愈大, 反之愈小。 TA取決于天線周圍空間的噪聲源的強(qiáng)度和分布, 也與天線的方向性有關(guān)。 第3章付里斯傳輸方程付里斯傳輸方程 3.4 付里斯傳

12、輸方程與雷達(dá)測距方程付里斯傳輸方程與雷達(dá)測距方程 第3章假設(shè)發(fā)射天線的方向性系數(shù)為假設(shè)發(fā)射天線的方向性系數(shù)為Dr，最大有效，最大有效口徑為口徑為Aemr，發(fā)射功率為，發(fā)射功率為Pr。接收天線的方。接收天線的方向性系數(shù)為向性系數(shù)為DR (收發(fā)對準(zhǔn)的方向收發(fā)對準(zhǔn)的方向) ，最大有，最大有效口徑為效口徑為AemR。輸送給負(fù)載的最大功率輸送給負(fù)載的最大功率為為 24 rAPDPemRrrR又又 emAD24 第3章則則 22)4(rDDPPRrrR或或22rAAPPemRemrrR上兩式稱為上兩式稱為付里斯傳輸方程付里斯傳輸方程。它表明接收功。它表明接收功率和發(fā)射功率之間的關(guān)系。若率和發(fā)射功率之間的關(guān)

13、系。若計(jì)入天線的損計(jì)入天線的損耗耗，則可寫為，則可寫為 22)4(rGGPPRrrR 第3章 雷達(dá)測距方程雷達(dá)測距方程 r 第3章 第3章 在雷達(dá)問題中，假設(shè)發(fā)射天線與接收在雷達(dá)問題中，假設(shè)發(fā)射天線與接收天線均對準(zhǔn)目標(biāo)，則天線均對準(zhǔn)目標(biāo)，則入射到目標(biāo)上的功率入射到目標(biāo)上的功率密度密度為為 2224rAPrDPSemrrrri目標(biāo)截獲的功率目標(biāo)截獲的功率與入射功率密度成正比與入射功率密度成正比 iiSP 第3章式中式中 為目標(biāo)的等效面積，稱為為目標(biāo)的等效面積，稱為雷達(dá)截面雷達(dá)截面。若目標(biāo)截獲的功率再各向同性地輻射，則若目標(biāo)截獲的功率再各向同性地輻射，則入射到接收天線的功率密度等于實(shí)際目標(biāo)入射到接收天線的功率密度等于實(shí)際目標(biāo)散射的功率密度散射的功率密度 24 rPSis輸送給接收機(jī)的最大功率為輸送給接收機(jī)的最大功率為 SRemRSAP 第3章聯(lián)合上述四個(gè)方程得出聯(lián)合上述四個(gè)方程得出 24244rAAPrSAPRemremriRemR或或 432)4(rDDPP