第二章天線的特性參數(shù)

1、第二章第二章 天線的特性參數(shù)天線的特性參數(shù)天線特性參數(shù)天線特性參數(shù)機械特性參數(shù)：形狀，尺寸，材料，可靠性等機械特性參數(shù)：形狀，尺寸，材料，可靠性等電特性參數(shù)電特性參數(shù)一次參數(shù)：方向性圖，輸入阻抗，效率一次參數(shù)：方向性圖，輸入阻抗，效率二次參數(shù)：方向性系數(shù)，增益，波瓣寬度，二次參數(shù)：方向性系數(shù)，增益，波瓣寬度， 前后比，極化特性等前后比，極化特性等第一節(jié)第一節(jié) 天線的輻射功率和輻射電阻天線的輻射功率和輻射電阻1. 輻射功率：輻射功率： 在單位時間內(nèi)通過球面向外輻射的在單位時間內(nèi)通過球面向外輻射的電磁能量的平均值電磁能量的平均值。HES21例：求電偶極子的輻射功率？例：求電偶極子的輻射功率？rdz

2、xyrIsinrdrsinddddrdssin2通過小面積通過小面積ds的功率為的功率為ddrHEdPsin212ddrEdPEHsin222WdEdrddrEP 2002220022sin2sin2將將 代入，得：代入，得：22322lIPE在自由空間，電偶極子的輻射功率為：在自由空間，電偶極子的輻射功率為：2240IlP2. 輻射電阻：輻射電阻： 將輻射功率視為一個電阻所消耗的功率，將輻射功率視為一個電阻所消耗的功率，并使流過電阻的電流等于天線上的電流振幅，并使流過電阻的電流等于天線上的電流振幅，則該電阻就稱為天線的輻射電阻。則該電阻就稱為天線的輻射電阻。根據(jù)定義，根據(jù)定義，RIPm221

3、22mIPR 稱為輻射電阻稱為輻射電阻R例：求電偶極子的輻射電阻例：求電偶極子的輻射電阻？22322lIP電偶極子的輻射功率為：電偶極子的輻射功率為： 232lR在自由空間中，在自由空間中，2280lR第二節(jié)第二節(jié) 天線的方向性天線的方向性 天線的輻射場強與方向有關(guān)的特性，稱天線的輻射場強與方向有關(guān)的特性，稱為天線的方向性。為天線的方向性。以電偶極子為例：以電偶極子為例：0sin2sin60HHEEerIljHerIljErrjkrjkr一、天線的方向性函數(shù)和方向性圖一、天線的方向性函數(shù)和方向性圖1. 用于表示天線方向性特性的函數(shù)：用于表示天線方向性特性的函數(shù)：2. 電偶極子的方向性函數(shù)電偶極

4、子的方向性函數(shù)3. 電偶極子的方向性圖電偶極子的方向性圖),(fjkrerIljEsin60sin)(),(lff 赤道面：與天線軸垂直并經(jīng)過天線中心赤道面：與天線軸垂直并經(jīng)過天線中心 的平面。的平面。 子午面：包含天線軸的平面。子午面：包含天線軸的平面。 90某一常數(shù)1）電偶極子在赤道面內(nèi)的方向性函數(shù)和方向性圖：）電偶極子在赤道面內(nèi)的方向性函數(shù)和方向性圖：lf)( 090270180E2）電偶極子在子午面內(nèi)的方向性函數(shù)和方向性圖：）電偶極子在子午面內(nèi)的方向性函數(shù)和方向性圖：sin)(lf90 0180270E二、天線的歸一化方向性函數(shù)和歸一化方向性圖二、天線的歸一化方向性函數(shù)和歸一化方向性圖

5、1. 歸一化方向性函數(shù)：歸一化方向性函數(shù)： 天線輻射場與最大方向上的場強值之比。天線輻射場與最大方向上的場強值之比。,/,/,),(maxmaxffEEF 反映了天線在不同方向的場分布。反映了天線在不同方向的場分布。2. 歸一化方向性圖：歸一化方向性圖： 表示歸一化方向性函數(shù)的空間立體圖形。表示歸一化方向性函數(shù)的空間立體圖形。 通常用兩個互相垂直的平面上（子午面和赤道通常用兩個互相垂直的平面上（子午面和赤道面面/E面和面和H面）的平面圖來表示。面）的平面圖來表示。CDMA天線天線CDMA垂直極化定向天線垂直極化定向天線三、方向性圖的主瓣寬度和旁瓣電平三、方向性圖的主瓣寬度和旁瓣電平1. 主瓣寬

6、度：主瓣寬度： 主瓣電平的最大值降到該值的主瓣電平的最大值降到該值的0.707倍（即倍（即-3dB）時，兩個方向之間的張角寬度。）時，兩個方向之間的張角寬度。 在方向性圖中，一般有兩個或更多個波瓣。在這些波瓣中，在方向性圖中，一般有兩個或更多個波瓣。在這些波瓣中，最大輻射方向所在波瓣稱為最大輻射方向所在波瓣稱為主瓣主瓣，其余波瓣稱為，其余波瓣稱為旁瓣旁瓣。 3dB點點峰值峰值3dB點點5 . 022. 旁瓣電平：相對主瓣最大值的比值。旁瓣電平：相對主瓣最大值的比值。),(maxmaxmaxnnnFEE3. 前后抑制比：前后抑制比： 方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前方向圖中，前后瓣最大值之比稱為

7、前后比，記為后比，記為 F / B 。 前后比越大，天線的前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。后向輻射（或接收）越小。前后比前后比F / B 的計算：的計算：F / B = 10 Lg （前向功率密度）（前向功率密度） /（ 后向功率密度）后向功率密度）第三節(jié)第三節(jié) 天線的方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)1. 定義：定義： 天線輻射功率一定，在任意方向天線輻射功率一定，在任意方向 輻射功率密度與相等的輻射功率均勻輻射時輻射功率密度與相等的輻射功率均勻輻射時的平均功率密度之比。的平均功率密度之比。),(11DSSD),(112. 物理意義：物理意義： 由于天線有方向性，使某方向的輻射功由于天線有

8、方向性，使某方向的輻射功率密度比均勻輻射時增加的倍數(shù)率密度比均勻輻射時增加的倍數(shù)D。實際上，。實際上，D反映了天線集中輻射能量的特性。反映了天線集中輻射能量的特性。3. 方向性系數(shù)的求法：方向性系數(shù)的求法： 1）已知歸一化方向性函數(shù)求）已知歸一化方向性函數(shù)求D先求全向天線先求全向天線(點源點源)均勻輻射時的平均輻射功率密度均勻輻射時的平均輻射功率密度:24 rPSD點源通過球面無窮小單位面積的功率為：點源通過球面無窮小單位面積的功率為：ddrFEddrEdPsin,21sin21222max22 20022max2sin,2ddFErP 20022max20022max2sin,8sin,84

9、ddFZEddFErPSD在任意方向在任意方向),(111122max11211,21,21,FEZEZHES 200211211sin,4,ddFFSSDD 通常方向性系數(shù)指的是天線最大輻射方向上的方通常方向性系數(shù)指的是天線最大輻射方向上的方向性系數(shù)，此時，向性系數(shù)，此時，1),(11F 2002sin,4ddFD 2）已知天線的輻射電阻和最大輻射方向的方向）已知天線的輻射電阻和最大輻射方向的方向性函數(shù)，求性函數(shù)，求D2112114,21,rPSEZSD2112112,rZPESSDD 當(dāng)天線位于自由空間時，當(dāng)天線位于自由空間時， ； 在最大輻射方向上，在最大輻射方向上，,60),(maxm

10、ax11frIEEm1200Z大多數(shù)簡單大多數(shù)簡單常規(guī)天線的常規(guī)天線的最大場強值最大場強值又又RIPm221DdBDfRRIfIDmmlg10,1202160,602max22max2例：求電偶極子的方向性系數(shù)？例：求電偶極子的方向性系數(shù)？2280lR解：解：llff9090maxsin,dBdBDfRD76. 15 . 1lg105 . 180120,1202max第四節(jié)第四節(jié) 天線的增益天線的增益1. 定義：定義： 在任意方向在任意方向 , 輻射功率密度與將相等輻射功率密度與將相等的輸入功率均勻輻射時的平均功率密度之比，的輸入功率均勻輻射時的平均功率密度之比，即天線增益為：即天線增益為：)

11、,(11GSSG),(1124 rPSAG2. 物理意義：物理意義： 為了在觀察點有相等的輻射功率密度，為了在觀察點有相等的輻射功率密度，方向性天線的輸入功率應(yīng)小于均勻輻射天線方向性天線的輸入功率應(yīng)小于均勻輻射天線輸入功率的輸入功率的G倍。倍。 dBi：表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源；：表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源； dBd：表示以半波對稱振子為比較對象。：表示以半波對稱振子為比較對象。3. 3. 增益的單位：增益的單位：4. 4. 近似計算方法：近似計算方法：1 1）若已知天線在）若已知天線在E E面和面和H H面的方向性圖，則面的方向性圖，則HEG27000在在E E面和面和

12、H H面上，以度為單位的波瓣寬度。面上，以度為單位的波瓣寬度。:,HE2 2）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益：可用下式估算其增益： HEidBG32000lg103 3）對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益：對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益： 025 . 4lg10DdBGi式中，式中， D D 為拋物面直徑；為拋物面直徑； 0 0 為中心工作波長。為中心工作波長。4 4）對于直立全向天線，可用下式近似計算其增益：對于直立全向天線，可用下式近似計算其增益： 02lg10ldBGi式中，式中， l l 為天線長度為

13、天線長度； 0 0 為中心工作波長。為中心工作波長。1. 定義：定義： 天線輻射功率與輸入有功功率的比值，天線輻射功率與輸入有功功率的比值，稱為天線的效率稱為天線的效率 。第五節(jié)第五節(jié) 天線的效率天線的效率RIPRIPPPPmnmnnA222121nnARRRPPPPPRRRRRnn112. 物理意義：物理意義： 表示有百分之幾的高頻電流的輸入有功表示有百分之幾的高頻電流的輸入有功功率轉(zhuǎn)變成了輻射出去的電磁波能量。功率轉(zhuǎn)變成了輻射出去的電磁波能量。結(jié)論：結(jié)論： 越大，越大， 越小，天線的越小，天線的 就越高。在就越高。在工程設(shè)計中，工程設(shè)計中， 往往給定，這時就需要降低往往給定，這時就需要降低

14、 來提高天線的效率。來提高天線的效率。RnRRnR3. 天線方向系數(shù)和天線增益的關(guān)系天線方向系數(shù)和天線增益的關(guān)系：DSSSSGSrPrPSPPDGDAGA111122,44GdBGDGlg10第六節(jié)第六節(jié) 天線的有效長度天線的有效長度1. 定義：定義： 用一等效天線代替被研究天線，此等效用一等效天線代替被研究天線，此等效天線上的電流是以被研究天線的輸入電流振天線上的電流是以被研究天線的輸入電流振幅均勻分布，并在最大輻射方向產(chǎn)生與被研幅均勻分布，并在最大輻射方向產(chǎn)生與被研究天線相等的電場強度。則等效天線的長度究天線相等的電場強度。則等效天線的長度就稱為被研究天線的有效長度。就稱為被研究天線的有效長度。2. 2. 天線有效長度的求法：天線有效長度的求法：1）根據(jù)定義）根據(jù)定義 先求出被研究天線在最大輻射方向上的電場先求出被研究天線在最大輻射方向上的電場振幅值，令其與電流元的最大場強值相等即可。振幅值，令其與電流元的最大場強值相等即可。 2）通過電流矩求有效長度）通過電流矩求有效長度 前提條件：已知被研究天線的電流分布前提條件：已知被研究天線的電流分布 。 ZIllzAellzeAdzIIldzIlI13）利用方向性系數(shù)求解）利用方向性系數(shù)求解 對于電偶極子，對于電偶極子，PrlIPrEDrlIEeAeA22