第3章 天線的特性參數(shù)2

1、第第3 3章章 天線的特性參數(shù)天線的特性參數(shù) -接收天線電參接收天線電參數(shù)數(shù)3.8互易定理與接收天線的電參數(shù)互易定理與接收天線的電參數(shù) 1.1.法拉第電磁感應定律：法拉第電磁感應定律：時變磁場中的靜止回路時變磁場中的靜止回路sE dlttBdS=當穿過閉合回路的當穿過閉合回路的磁通量磁通量發(fā)生變化時，回路中產(chǎn)生發(fā)生變化時，回路中產(chǎn)生感應電動勢感應電動勢，導體回路中，導體回路中感應電動勢的大小與磁通量的感應電動勢的大小與磁通量的變化率變化率成正比。成正比。 tBE變化的磁場產(chǎn)生渦旋電場渦旋電場，此電場是非靜電場非靜電場，在此電場中電荷受到的力是非靜電力是非靜電力 并且，變化的磁場會在導體的每一部

2、分上都會產(chǎn)生感應電動勢，即使導體不夠成并且，變化的磁場會在導體的每一部分上都會產(chǎn)生感應電動勢，即使導體不夠成閉合回路，在導體上同樣產(chǎn)生感應電動勢，構成電源閉合回路，在導體上同樣產(chǎn)生感應電動勢，構成電源。接收天線。接收天線（線天線就是一（線天線就是一段導體，時變電磁場中的一段導體上會產(chǎn)生感應電動勢，天線變成一個電源）段導體，時變電磁場中的一段導體上會產(chǎn)生感應電動勢，天線變成一個電源）：BEt 導體棒運動切割磁力線E dl（天線導體）2.2.天線接收的物理過程天線接收的物理過程接收天線工作的物理過程是，接收天線導體在空間電場的作用下產(chǎn)生接收天線工作的物理過程是，接收天線導體在空間電場的作用下產(chǎn)生感

3、應電動感應電動勢勢，并在導體表面激勵起感應電流，在天線的輸入端產(chǎn)生，并在導體表面激勵起感應電流，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓電壓，在接收機回路，在接收機回路中產(chǎn)生中產(chǎn)生電流電流。所以接收天線是一個把。所以接收天線是一個把空間電磁波能量空間電磁波能量轉換成轉換成高頻電流能量高頻電流能量的轉的轉換裝置，其工作過程就是發(fā)射天線的換裝置，其工作過程就是發(fā)射天線的逆過程，逆過程，如圖所示，接收大線總是位于發(fā)如圖所示，接收大線總是位于發(fā)射天線的射天線的遠區(qū)輻射場遠區(qū)輻射場中因此可以認為到達接收天線處的無線電波是中因此可以認為到達接收天線處的無線電波是均勻平面均勻平面波波，設來波方向與天線軸，設來波方向與天線軸z

4、 z之間的夾角為之間的夾角為，求接收天線上的感應電動勢：，求接收天線上的感應電動勢： E dl（天線導體）發(fā)射天線的遠區(qū)場發(fā)射天線的遠區(qū)場是非均勻是非均勻TEMTEM球面球面波波，在小范圍內(nèi)看是，在小范圍內(nèi)看是TEMTEM平面波平面波，則，則電場是垂直于波的傳播方向的平面內(nèi)電場是垂直于波的傳播方向的平面內(nèi)的任意矢量，建立如圖所示的的的任意矢量，建立如圖所示的的坐標坐標系系：電波射線與天線軸構成：電波射線與天線軸構成入射平面入射平面，入射電場可分為兩個分量：一個是與入射電場可分為兩個分量：一個是與入射面相垂直的分量入射面相垂直的分量E Ev v，；一個是與，；一個是與入射面平行的分量入射面平行的

5、分量E Eh h。 2.2.天線接收的物理過程天線接收的物理過程dzLZhEzxvyEEsinzhEE只有只有沿天線沿天線軸線方向的電場分量才能在天線導體軸線方向的電場分量才能在天線導體dzdz段段上產(chǎn)個感應電動勢，進而在天線激起上產(chǎn)個感應電動勢，進而在天線激起感應電流。感應電流。dzdz段段看成是一個處于看成是一個處于接收接收狀態(tài)的狀態(tài)的電基本振子電基本振子，則可以看出無論，則可以看出無論電基本振子電基本振子是是用用做發(fā)射天線還是用做接收天線，其方向性是相同的做發(fā)射天線還是用做接收天線，其方向性是相同的。電基本振子電基本振子作為接收天線工作時也具有方向性，即當電磁波以不同的方向入射時，產(chǎn)生不

6、同的感應電動勢，并且電基本振子用做發(fā)射天線和用做接收天線時的方向性相同，都是 。同理：任意天線作為接收天線工作時也具有方向性，當電磁波以不同方向入射時，產(chǎn)生不同感應電動勢，且用于發(fā)射天線和用于接收天線時方向性相同，推論：推論：一根天線用做發(fā)射與接收時具有相同的方向性一根天線用做發(fā)射與接收時具有相同的方向性 sinzhzdE dlE dzaEdzEdz入射波sin只有同天線軸相平行的電場分量才能在只有同天線軸相平行的電場分量才能在天線導體天線導體dzdz段上產(chǎn)生感應電動勢。因為段上產(chǎn)生感應電動勢。因為E Ev v=E=Ey y，而沿，而沿y y方向的方向的dldly y很小。平行的分很小。平行的

7、分量量E Eh h可以分成兩個分量可以分成兩個分量E Ex x和和E Ez z同樣同樣dldlx xdldlz z，因此，因此E Ex x引起的感應電動勢也可引起的感應電動勢也可以忽略，只有以忽略，只有E Ez z分量才會產(chǎn)生感應電動分量才會產(chǎn)生感應電動勢。勢。天線的收發(fā)互易性，天線的收發(fā)互易性，同一天線既可以同一天線既可以做為發(fā)射天線，也可以作為接收天線，做為發(fā)射天線，也可以作為接收天線，同一天線用于接收時的指標與用于發(fā)同一天線用于接收時的指標與用于發(fā)射時的指標相比完全相同，這種性質射時的指標相比完全相同，這種性質叫天線的收發(fā)互易性叫天線的收發(fā)互易性 天線不能接收與其正交的極化分量天線不能接

8、收與其正交的極化分量。例如，線極化天線不能接收例如，線極化天線不能接收來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來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，對橢圓極化來波，其中與接收天線極化旋向相反的圓極化分反的圓極化分量，對橢圓極化來波，其中與接收天線極化旋向相反的圓極化分量不能接收量不能接收當天線以最大接收方向對準來波方向進行接收時，并且天線的極化與來波極化相匹配，（線天線電場方向沿天線軸線方向）TTR1R2R3 E dl天線導體最大接收效果最好：接收效果最好：收發(fā)天線極化匹配與最大方向對準收發(fā)天線極化匹配與最大方向對準(

9、, )reeEl F ；3.3.接收天線的等效電路接收天線的等效電路 Zin eA ZL 接收天線接收天線可以看作是接收機的可以看作是接收機的電源電源，接收機接收機看作接收天線的看作接收天線的負載負載，接收天線作為電源有接收天線作為電源有內(nèi)阻抗內(nèi)阻抗Z Zinin，接收機的負載阻抗為接收機的負載阻抗為Z ZL L， L( , )rinreeIZZeEl F 感應電動勢 （1）同一天線用作發(fā)射和接收時的輸入阻抗）同一天線用作發(fā)射和接收時的輸入阻抗Zin大小相等大小相等 。 發(fā)射：發(fā)射：輸入電壓與輸入電流之比稱為發(fā)射天線的輸入阻抗輸入電壓與輸入電流之比稱為發(fā)射天線的輸入阻抗 接收：接收：接收天線作

10、為電源的內(nèi)阻抗定義為接收天線的輸入阻抗接收天線作為電源的內(nèi)阻抗定義為接收天線的輸入阻抗，負載向電，負載向電 源望過去的輸入阻抗源望過去的輸入阻抗 4.4.天線的收發(fā)互易性天線的收發(fā)互易性 L( , )rreineIeEl FZZ ；感應電動勢（2）同一天線用作發(fā)射和接收時同一天線用作發(fā)射和接收時方向性函數(shù)方向性函數(shù)F( , , ) 相同相同接收天線上的感應電動勢和該天線工作于發(fā)射狀態(tài)時的方向性函數(shù)接收天線上的感應電動勢和該天線工作于發(fā)射狀態(tài)時的方向性函數(shù)F( , , )成正比成正比 接收天線的方向性函數(shù)接收天線的方向性函數(shù)是其感應電動勢和來波入射方向之間的關系是其感應電動勢和來波入射方向之間的

11、關系 （3）同一天線用作發(fā)射和接收時同一天線用作發(fā)射和接收時有效長度有效長度le相同。相同。 接收天線有效長度接收天線有效長度： 接收天線的感應電動勢與最大接收方向上來波的切向電場分接收天線的感應電動勢與最大接收方向上來波的切向電場分量之比。量之比。接收天線指標（電參數(shù)） 對接收天線，我們除使用前面提及的對接收天線，我們除使用前面提及的輸入輸入阻抗、方向性函數(shù)和有效長度阻抗、方向性函數(shù)和有效長度等指標外，還有等指標外，還有效率、方向性系數(shù)、增益、效率、方向性系數(shù)、增益、有效面積（吸收面有效面積（吸收面積或捕獲面積）、噪聲溫度積或捕獲面積）、噪聲溫度等參數(shù)。等參數(shù)。 3.9 3.9 有效的接收面

12、積有效的接收面積（吸收面積或捕獲面積）（吸收面積或捕獲面積）ZineZL（1）阻抗匹配：）阻抗匹配：RLinR如圖所示直流電阻電路直流電阻電路，要使電源向負載輸出的功率最大，必須滿足條件條件：RinRL（電源內(nèi)阻負載電阻電源內(nèi)阻負載電阻）此條件稱為負載電阻與電源的匹配條件負載電阻與電源的匹配條件如圖所示交流電路交流電路，要使電源向負載輸出的功率最大，必須滿足條件條件：ZinZ*L or Rin=RL，Xin=XL （電源內(nèi)阻抗負載阻抗的共軛電源內(nèi)阻抗負載阻抗的共軛）此條件稱為負載阻抗與電源的匹配條件負載阻抗與電源的匹配條件222max242inininPI RRRR輸出功率：222max222

13、82ininininI RReePRR輸出功率：考察圖示接收天線系統(tǒng)等效電路?？疾靾D示接收天線系統(tǒng)等效電路。收發(fā)天線極化匹配與最大方向對準收發(fā)天線極化匹配與最大方向對準Z ZL L是接收天線負載阻抗，通常就是是接收天線負載阻抗，通常就是接收機或接收饋線的阻抗接收機或接收饋線的阻抗，且有，且有Z=ZZ=ZL L=R=RL L+ jX+ jXL L。當天線的輸入阻抗與負載阻抗。當天線的輸入阻抗與負載阻抗共軛匹配共軛匹配（即（即R Rinin=R=RL L，X Xinin= = X XL L ）時，天線向接收機的輸出功率最大，這時）時，天線向接收機的輸出功率最大，這時222max22282Ainin

14、AAininI RReePRRZineAZL和和發(fā)射發(fā)射情形下一樣，天線處于接收狀態(tài)時其輸入電阻可分為情形下一樣，天線處于接收狀態(tài)時其輸入電阻可分為輻射輻射電阻和損耗電阻電阻和損耗電阻兩部分，即兩部分，即R Rinin=R=Rr r+R+Rl l，max( , )1.3.4AereeEl FeEl ，1.3.3 2222max 88 8rAi eierlARinrElElePRR(1225)rrrAininrlPRRPRRR3.9 3.9 有效接收面積有效接收面積（吸收面積或捕獲面積）（吸收面積或捕獲面積）接收天線接收天線的接收功率可以看作是通過某一面積的接收功率可以看作是通過某一面積AeAe

15、上的功率，該面積稱為接上的功率，該面積稱為接收天線的有效接收面積收天線的有效接收面積 接收天線的有效接收面積接收天線的有效接收面積的定義為：當天線以最大最大接收方方向對準向對準來波方向進行接收時，并且天線的極化與來波極化相極化相匹配匹配，接收天線送到匹配負載匹配負載的平均功率最大P PLmaxLmax與來波的功率密度 S Savav之比，接收天線的吸收面積接收天線的吸收面積是一個假想假想的面積，單位時間內(nèi)，在接收天線所在位置處流過這一面積Ae的電磁能量等于天線送到接收機輸入端的能量。有效接收面積有效接收面積的計算式的計算式當天線所在位置處切向電場振幅為E Ei iE E時，考慮到天線本身的損耗

16、，天線送入接收機輸入端的最大總功率為（最大方向對準，極化匹配，阻抗匹配（最大方向對準，極化匹配，阻抗匹配）天線吸收面積可定義 2222max 88 8rAi eierlARinrElElePRR 2222max2 2 120 308 1 3 58 2 120ieAeelreAAavrrElllPRASRRE 例如，理想電基本振子和小電流環(huán)方向系數(shù)都為例如，理想電基本振子和小電流環(huán)方向系數(shù)都為D=1.5，它們的有效，它們的有效接收面積同為接收面積同為Ae=0.122。如果小電流環(huán)的半徑為。如果小電流環(huán)的半徑為0.1，則小電流，則小電流環(huán)所圍的面積為環(huán)所圍的面積為0.03142，而其有效接收面積大

17、于實際占有面積。，而其有效接收面積大于實際占有面積。230erelRA有效接收面積與有效高度：有效接收面積與有效高度：有效接收面積與波束范圍：有效接收面積與波束范圍：2AeA假設天線效率為假設天線效率為1，則有：，則有：習題：1 某微波天線的增益為某微波天線的增益為900，其最大有效接收面積是，其最大有效接收面積是多少？多少？2 某天線效率為某天線效率為1，在其互相正交的主平面內(nèi)半功率波束寬，在其互相正交的主平面內(nèi)半功率波束寬度分別為度分別為300350，其最大有效接收面積是多少？，其最大有效接收面積是多少？作業(yè)：作業(yè)：1、簡述天線接收無線電波的物理過程。、簡述天線接收無線電波的物理過程。2、

18、某天線的增益系數(shù)為、某天線的增益系數(shù)為20dB，工作波，工作波長長1m，試求其有效接收面積，試求其有效接收面積Ae。 電特性參數(shù)電特性參數(shù)一次參數(shù)：效率，方向性圖，輻射一次參數(shù)：效率，方向性圖，輻射電阻電阻二次參數(shù)：方向性系數(shù)，增益，二次參數(shù)：方向性系數(shù)，增益，波瓣寬度，前后比，極化特性等波瓣寬度，前后比，極化特性等有效接收面積有效接收面積電參數(shù)公式和關系匯總：電參數(shù)公式和關系匯總： 一次參數(shù)一次參數(shù)HES2122mrrIPR lrrARRR,/,),(maxffF),(),(2FFP輻射功率：坡印亭矢量輻射功率：坡印亭矢量（功率密度）（功率密度）輻射電阻輻射電阻天線效率天線效率方向性函方向性函數(shù)數(shù)二次參數(shù) 2002sin,4ddFD0maxSSD DGA主瓣寬度：主瓣寬度：主瓣上電場強度降到最大值的主瓣上電場強度降到最大值的0.707倍（即