微波工程導(dǎo)論：第八章 天線

1、第八章 天線8.1 引言自赫茲和馬可尼發(fā)明了天線以來，天線在社會生活中的重要性與日俱增，如今已成不可或缺之勢，天線無處不在。在德國卡爾斯洛的赫茲實驗中進(jìn)行了著名的實驗，電感線圈在偶極子的間隙中產(chǎn)生的火花導(dǎo)致相距數(shù)米遠(yuǎn)的環(huán)隙中也產(chǎn)生了火花。這就是首個無線電鏈路，也是最早的用于無線電的偶極子天線和環(huán)天線。實驗結(jié)果證實了振蕩電偶極子能夠發(fā)射電磁波，并且證明了這種電磁波與光波一樣，能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。所以赫茲實驗證明了麥克斯韋的電磁波理論。 上世紀(jì)八十年代末，出現(xiàn)了帶有半波天線的手持移動電話，后來經(jīng)過技術(shù)進(jìn)步手機(jī)天線變成了內(nèi)置式貼片天線。 天線的型式很多，按用途的不同可分為通信天

2、線、廣播天線、雷達(dá)天線、導(dǎo)航天線、測向天線等；按工作頻段的不同可分為長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等；按頻帶特性可分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線；按方向性可分為全向天線、弱方向性天線、銳方向性天線等；按極化特性可分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線等。從便于分析和研究天線的性能出發(fā)，一般分為兩大類：一類是由半徑遠(yuǎn)小于波長的金屬導(dǎo)線或金屬棒所構(gòu)成的線狀天線，稱為線天線；另一類是由物理尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的面狀天線，稱為面天線。線天線主要用于長波、中波及短波波段，面天線主要用于微波波段，而超短波段則兩者兼用。此外，還有迅速發(fā)展的微帶天線，主要應(yīng)用于微波頻

3、段的微小型化設(shè)備。 天線作為無線電技術(shù)設(shè)備電磁能量的“出口”與“入口”，其性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的整體性能起著非常關(guān)鍵的作用。8 .2天線輻射理論無線電天線可被定義為一種附有導(dǎo)行波與自由空間波互相轉(zhuǎn)換區(qū)域的結(jié)構(gòu)。天線將電子轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾樱蚍粗?不論其具體型式如何，天線都基于由加(或減)速電荷產(chǎn)生輻射的共同機(jī)理。方程可簡述為 ，其中I為時變電流(A/s），L為電流元的長度(m)，Q為電荷(C)，a為速度的時間變化率(m/s2)。輻射的主要方向垂直于加速度，輻射功率正比于 的平方。天線是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換器件或換能器。天線是電路與空間的界面器件。 按電路的觀點，從傳輸線看向天線這一段等效于

4、一個電阻R,，稱為輻射電阻。這是從空間藕合到天線終端的電阻，與天線結(jié)構(gòu)自身的任何電阻無關(guān)。下圖所示的輻射電阻Rr可理解為一種物理上并不存在的“視在”電阻，是將天線耦 合到遠(yuǎn)處空間的“視在，傳輸線的一個量。8.2.1 電流元的輻射場實際使用中的線天線，均可認(rèn)為是由若干電流元和（或）磁流元所構(gòu)成。所謂電流元，是長度 ，并載有高頻電流的一段導(dǎo)體。由電磁場理論，正弦電流元所產(chǎn)生的滯后磁矢位為 于是得到對應(yīng)的磁場為 由麥克斯韋第一方程得到電場矢量有兩個分量，分別為：公式說明，電場和磁場矢量不僅與距離r有關(guān)，而且也是極角 的函數(shù)。電磁場的表達(dá)式包括若干項，每項之間相差一個因子(1/kr)，因此，可以根據(jù)或

5、來簡化表達(dá)式，從而分析這些特殊情況下電磁場的特性。 ： （1）電流元的近區(qū)場在滿足 條件下，如果kr1，即 的區(qū)域，電磁場表達(dá)式中1/kr的高次項起主要作用，而 ，故有第一式與恒定電流元產(chǎn)生磁場形式相同。第二、三式與靜電偶極子所產(chǎn)生的電場矢量公式形式相同。所以，時變偶極子的近區(qū)場稱為準(zhǔn)靜態(tài)場或似穩(wěn)場。另外，電場矢量與磁場矢量之間有的相位差，故坡印廷矢量的平均值等于0，這說明近區(qū)電場和磁場的主要能量只是相互轉(zhuǎn)換，而沒有向外輻射。 （2）電流元的遠(yuǎn)區(qū)場 ，即 的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)。顯然，遠(yuǎn)區(qū)電磁場的表達(dá)式中1/kr的低次項起主要作用，結(jié)果只剩下1/r的一次項?？梢?，遠(yuǎn)區(qū)場與近區(qū)場的性質(zhì)完全不同，遠(yuǎn)區(qū)場只

6、有兩個相位相同的分量： 和 。遠(yuǎn)區(qū)場的坡印廷矢量平均值為能流密度平均值不為零，說明遠(yuǎn)區(qū)場形成電磁場能量沿r方向運動，所以電流元的遠(yuǎn)區(qū)場稱為輻射場。 遠(yuǎn)區(qū)場有如下性質(zhì)： (a) 遠(yuǎn)區(qū)電磁場的運動方向為r方向，在r=常數(shù)的球面上各點的電磁場相位都相同，等相位面為球面，這樣的電磁波稱為球面波。同時電場、磁場和平均功率流密度三者方向為右旋系統(tǒng)，且r方向上無電磁場分量，所以又稱為橫電磁波或TEM波。(b) 球面波在真空中的速度 ，也就是等于光波的傳播速度。(c) 由上式看出，電場和磁場的復(fù)振幅比值為一實數(shù) ()稱為自由空間波阻抗，它是一個純電阻。(d) 電場和磁場的平均能量密度相等，且能速度等于相速度。

7、 因此電磁場的平均能量密度為 并且能速度等于相速度，這是電流元在自由空間輻射電磁波的一個基本特性。 （3）中間區(qū) 在近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)間的空間稱為中間區(qū)，其特性介乎二者之間。我們主要感興趣的是遠(yuǎn)場區(qū)，下面對天線輻射場的討論都是指在遠(yuǎn)區(qū)中。（4）電流元的輻射功率與輻射電阻電流元在其周圍產(chǎn)生時變電磁場，由電磁場的復(fù)矢量表達(dá)式可以求得空間任意點上的坡印廷矢量平均值為 上式說明無論在遠(yuǎn)區(qū)或近區(qū)，有功能流密度是由輻射公式中電磁場分量的一階項引起的，高階項對此無貢獻(xiàn)。有功能流密度的方向與 r方向一致，說明電磁場能量脫離電流元的約束向遠(yuǎn)區(qū)運動，成為自由傳播的電磁波。電流元把約束在導(dǎo)體周圍的電磁能量轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂蓚鞑サ碾?/p>

8、磁波，它構(gòu)成一個基本輻射天線。電流元天線輻射的總功率等于包圍它的閉合面上坡印廷矢量平均值的面積分。為計算簡單，我們在半徑為的球面上積分Pa稱為電流元的平均輻射功率。由上式可見，同樣尺寸的電流元，波長越短輻射功率越大。輻射功率可以看作電流元上的電流在一個Ra電阻上的損耗。Ra稱為輻射電阻。輻射電阻是表征天線輻射本領(lǐng)的一個參數(shù)，Ra越大，相同電流下輻射的功率越大。 （5）電流元的方向性函數(shù)與輻射方向圖電流元輻射場的電場強度和磁場強度都與r成反比，同時與sin成正比，但與方位角 無關(guān)。輻射場表達(dá)式中sin因子的存在，說明電流元的輻射具有方向性。習(xí)慣上常把天線任意點電場的振幅與通過該點的球面上電場最大

9、值之比，稱為歸一化方向性函數(shù)，簡稱方向性函數(shù)。為了避免畫三維圖的困難，通常在過最大輻射方向上的兩個正交 平面內(nèi)畫方向圖。一個為電力線所在的平面，稱為E面方向圖，另一個是與前者正交，即磁力線所在的平面，稱為H面方向圖。8.2.2 對偶原理與磁流元的輻射雖然并沒有真實的磁流存在，但引入磁流的概念，可使一些問題的分析變得可能或大為簡化，例如對面天線及微帶天線的分析。 （1）對偶原理麥克斯韋的第一、二方程式為如果在上面第二方程式中引入磁流體密度 ，可使上面兩個式子變成對稱的形式，即如從第一式求出電流源問題的解，則由其對偶性，就可得出相應(yīng)的磁流源問題的解，反之亦然。 8.2.3 單位面元的輻射在分析面狀

10、天線時，輻射口面可以看作是由許多面元所組成，因此其輻射場是面元的輻射場沿整個口面積分的結(jié)果。所謂面元(也稱為惠更斯元)就是一個微分面積單元ds，其上面的電磁場為均勻分布。面元的輻射場為在空間任一點的總場為這兩個分量的矢量和，即 ,量值為 可見，總場的大小與 無關(guān)，只與 有關(guān)。面元輻射方向圖如圖8 .3天線電性能指標(biāo)(參量) 8.3.1 互易定理及其在天線上的應(yīng)用在電磁場理論中我們知道羅倫茲互易定理如下式表示左邊是源2的場對源1的反應(yīng)，右邊是源1的場對源2的反應(yīng)。電路形式的互易定理 互易定理的物理意義在于任意一付天線無論作為發(fā)射天線還是作為接收天線都具有相同電性能指標(biāo)或參量，當(dāng)然有些技術(shù)參量對于

11、發(fā)射天線具有明確的物理意義，反之亦然?；ヒ锥ɡ碓谔炀€上的應(yīng)用很廣泛，具體體現(xiàn)在以下三個方面。在天線設(shè)計方面，數(shù)值計算仿真已經(jīng)成為天線優(yōu)化設(shè)計的基本手段，無論作為發(fā)射天線還是接收天線，在天線數(shù)值仿真計算時都將天線作為發(fā)射天線來進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與計算。在天線電性能指標(biāo)測試方面，一部分電性能指標(biāo)的測試將天線作為發(fā)射天線進(jìn)行，比如天線的輸入阻抗（駐波比），而另一部分電性能指標(biāo)的測試則將天線作為接收天線進(jìn)行，比如天線的輻射方向性圖（包含波瓣寬度等），增益參量則無論作為發(fā)射天線還是作為接收天線均可。在天線應(yīng)用方面，任何一付天線既可以作為發(fā)射天線又可以作為接收天線。大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)（如：收發(fā)通信機(jī)、雷達(dá)、測距機(jī)等

12、）收發(fā)公用一付天線，在電磁波發(fā)射時其天線為發(fā)射天線，在電磁波接收時其天線為接收天線；有些應(yīng)用系統(tǒng)則收發(fā)天線分開，比如衛(wèi)星上通信鏈路轉(zhuǎn)發(fā)及電視信號轉(zhuǎn)發(fā)天線等。8.3.2 天線電性能指標(biāo)（1）天線的場區(qū) 圍繞著天線的場可劃分為兩個主要的區(qū)域，接近天線的區(qū)域稱為近場或菲涅耳(Fresnel)區(qū)，離天線較遠(yuǎn)的稱為遠(yuǎn)場或夫瑯和費(Fraunhofer)區(qū)。兩區(qū)的分界可取為半徑其中，L=天線的最大尺度(m)； =波長(m)。 在遠(yuǎn)場區(qū)，測得場分量處在輻射方向的橫截面內(nèi)，所有的功率流都是沿徑向朝外的。在近場區(qū)內(nèi)，電場有顯著的徑向分量，其功率流并不完全是徑向的，場方向性圖通常依賴于距離。(2)方向性圖（波瓣圖

13、） 輻射電阻及其溫度都是簡單的標(biāo)量。另一方面，輻射方向性圖是描述場或功率(正比于場的平方)作為球坐標(biāo) 和 的函數(shù)的三維量。如下圖所示的三維場方向性圖，其波瓣半徑r(自原點到方向性圖邊界點)正比于在該方向 和 上的場強。該方向性圖具有沿z方向的主瓣(最大輻射)以及沿其他方向的副瓣(旁瓣和后瓣)。 按半功率電平點夾角定義的波束寬度，稱為半功率波束寬度 (或-3dB波束寬度)。按主瓣兩側(cè)第一個零點夾角定義的波束寬度，稱為第一零點波束寬度。這兩種波束寬度都是重要的方向性圖參量。將場分量除以其最大值，得到無量綱的歸一化(或相對的)場方向性圖，其中最大值為1。因此，電場的歸一化場方向性圖應(yīng)為半功率電平出現(xiàn)

14、在= 0.707的角度所對應(yīng)的 和 方向上。 雖然天線輻射方向性圖特性的完整表述應(yīng)包含三維矢量場，但為了工程應(yīng)用的目的，僅若干簡單標(biāo)量的值就能提供必要的信息。如：半功率波束寬度HPBW，波束范圍，波束效率，方向性系數(shù)D或增益G，有效口徑等。（3）波束范圍或波束立體角 微分面積 以固定的角和弧寬繞球面圍成的環(huán)形條帶具有面積 ，對 從0到 積分可得球面面積:球面面積= 式中4 表示完整球面所張的立體角，單位為sr。 1立體弧度=1 sr=(完整球面立體角)/(4 ) 平方度4 立體弧度=3282.8064 x 4=完整球面立體角 口 （4）輻射強度 每單位立體角內(nèi)由天線輻射的功率稱為輻射強度，瓦每

15、立體弧度 ；或 ，(瓦每平方度)。與坡印廷矢量(幅值)S反比于(自天線的)距離的平方不同，輻射強度U與此距離無關(guān)。（5）波束效率 (總)波束范圍 (或波束立體角)由主瓣范圍(或立體角) 加上副瓣范圍(或立體角) 所構(gòu)成，即主波束范圍與(總)波束范圍之比稱為(主)波束效率 ，即 副瓣范圍與(總)波束范圍之比稱為雜散因子，即 （6）方向性系數(shù)D和增益G方向性系數(shù)D和增益G或許是天線最重要的參量。天線的方向性系數(shù)是在遠(yuǎn)場區(qū)的某一球面上最大輻射功率密度 與其平均值之比，是大于等于1的無量綱比值，寫成 D =于是，方向性系數(shù)又等于球面范圍( sr)與天線的波束范圍 之比.波束范圍愈小，則方向性系數(shù)愈高。

16、若一個天線僅對上半空間輻射，其波束范圍 則其方向性系數(shù)為式中dBi表示相對于各向同性的分貝數(shù)。 天線增益是一個實際(或現(xiàn)實)的參量，該參量因天線或天線罩(如被采用)的歐姆損耗而小于方向性系數(shù)。在發(fā)射狀況下，天線增益還包括向天線饋送功率的損耗。這種損耗并不意味著輻射，而是意味著加熱天線結(jié)構(gòu)。天線饋線的失配也會減小增益。增益與方向性系數(shù)之比是天線效率因子。這種關(guān)系可表示為 G=kD這里，效率因子k( )是無量綱的。通過比較待測天線(AUT)和一個已知其增益的參考天線(如短偶極子)在相同輸入功率下所輻射的最大功率密度，就能測出天線的增益，即Gain=G= （7）方向性系數(shù)與分辨率 天線的分辨率可定義

17、為第一零點波束寬度的一半，即FNBW/2。例如，當(dāng)天線的FNBW=20時，具有10的分辨率。 天線方向性圖兩主平面內(nèi)的FNBW/2之乘積可作為天線波束范圍的測度（通常又稱為瑞利分辨率） 因此，天線能夠分辨出均勻分布于天空的無線電發(fā)射機(jī)或點輻射源的數(shù)目N的近似值為N=4/ 。所以可得概念化的結(jié)論：天線能夠分辨的點源數(shù)在數(shù)值上等于該天線的方向性系數(shù)，即D=N。（8）極化在電磁場理論中，我們知道電磁波的極化定義是電場矢量尾端隨時間變化的軌跡。電磁波的極化有線極化、圓極化（分為左旋圓極化和右旋圓極化）和橢圓極化（分為左旋橢圓極化和右旋橢圓極化）?？臻g傳播的電磁波是由天線上的時變電流產(chǎn)生的，因此天線遠(yuǎn)區(qū)

18、輻射場（電磁波）的極化狀態(tài)決定于天線結(jié)構(gòu)，所以根據(jù)所輻射電磁波的極化形式也可以將天線分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。對于極化橢圓，取任意方向的一般橢圓極化波，可用分別沿x方向和y方向的兩項線極化分量來描述。 EX=E1 sin( t- z) EY=E2 sin( t- z+ )若E1= 0，則波是沿y向線極化的；若E2=0，則波是沿x向線極化的。若=0且E1=E2，則波是在與x軸呈450角的平面內(nèi)線極化的(=450)。若E1 = E2而，則波是圓極化的。當(dāng) 時，波是左旋圓極化的；當(dāng) 時，波是右旋圓極化的。OzEExEyyE1E2AB長軸短軸x如果將波看成是后退的(-Z方向傳播)，電場

19、矢量表現(xiàn)為按反向旋轉(zhuǎn)。因此，朝外向波電場的順時針旋轉(zhuǎn)與后退波的逆時針旋轉(zhuǎn)等同。（9）有效口徑假設(shè)該接收天線是置于均勻平面電磁波中的矩形電磁喇叭，記平面波的功率密度即坡印廷矢量的幅度為S (W/m2)，喇叭的物理口徑即面積為AP ( m2 )。如果喇叭以其整個物理口徑從來波中攝取所有的功率，則喇叭吸收的總功率為可認(rèn)為電磁喇 叭從來波中攝 取的總功率正 比于某一種口 徑的面積。 但是喇叭對來波的響應(yīng)并非是均勻的口徑場分布，因為側(cè)壁上的電場E必須等于零。為此給出一個小于物理口徑的有效口徑，并定義兩者之比為口徑效率，即對于喇叭和拋物面反射鏡天線而言，口徑效率普遍在50%80%的范圍內(nèi)。而對于在物理口徑

20、邊緣也能維持均勻場的偶極子或貼片大型陣列來說，口徑效率則可以接近100%。然而，要降低旁瓣就必須采用向邊緣錐削的口徑場分布，這必然導(dǎo)致口徑效率的下降。方向性系數(shù)D的三個表達(dá)式 (無量綱) 來自方向性圖的方向性系數(shù) (無量綱) 來自波束范圍的方向性系數(shù) (無量綱) 來自口徑的方向性系數(shù) 電路參量天線阻抗，輻射電阻，天線溫度，物理參量尺寸重量電流分布天線場區(qū)場方向性圖，E()功率方向性圖，P()極化，LP，CP，EP波束范圍，A方向性系數(shù)，D增益，G有效口徑，有效長度，雷達(dá)截面，空間參量（10）有效高度天線有效高度是另一個與口徑有關(guān)的參量。有效高度乘以與之相同極化的入射電場E ( V/m)，就得到

21、感應(yīng)電壓V，即 據(jù)此，有效高度可定義為感應(yīng)電壓與入射電場之比 (m) （11）輸入阻抗、駐波比與頻帶寬度天線的輸入阻抗則是從傳輸線的角度來看，天線時從發(fā)射機(jī)獲得的信號功率經(jīng)過傳輸線傳輸，天線等同于傳輸線的負(fù)載，此負(fù)載阻抗就是天線的輸入阻抗。為了使傳輸線上傳輸?shù)墓β嗜坑商炀€發(fā)射出去，希望天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，傳輸線工作在行波狀態(tài)，無反射功率分量。實際上，天線的輸入阻抗不可能完全等于傳輸線的特性阻抗，一般情況下傳輸線工作在行駐波狀態(tài)，因而傳輸線上存在駐波，此時的駐波比稱為天線的駐波比（VSWR）。天線的輸入阻抗與天線形狀、工作頻率、饋電點結(jié)構(gòu)等參數(shù)有關(guān)，當(dāng)天線形狀與饋電點物理結(jié)構(gòu)完

22、全確定以后，天線輸入阻抗就成為頻率的函數(shù)。天線駐波比大小滿足限制要求的頻率范圍就稱為天線的頻帶寬度（或工作頻率范圍）。 （a）寬的頻帶寬度=D/d (b) 較窄的頻帶寬度 (c) 較窄的頻帶寬度 (d) 最窄的頻帶寬度=1.5 (e) 寬的頻帶寬度= （12）天線的噪聲溫度在超遠(yuǎn)距離極微弱信號的接收中(例如衛(wèi)星通信、射電天文等)，往往用品質(zhì)因數(shù)G/T來衡量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，這里的G是天線的增益，T是接收系統(tǒng)(包括天線)總的等效噪聲溫度。T與天線的性能密切相關(guān)。由于電子的無規(guī)則的熱運動將在電阻兩端產(chǎn)生一個噪聲電壓，其值為 設(shè)與噪聲電阻R相接的網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗只有電阻分量，且其值也為R，則它從噪聲源得

23、到的最大熱噪聲功率為用噪聲溫度來衡量天線接收噪聲的情況，這就是天線噪聲溫度的概念。PA為天線送給匹配負(fù)載的噪聲功率。8.4 弗里斯傳輸公式和雷達(dá)方程（1）弗里斯傳輸公式其中， 接收功率(W)； 發(fā)射功率(W)； 發(fā)射天線的有效口徑(m2)； 接收天線的有效口徑(m2)；r=兩天線間的距離(m)； 波長(m)。（2）雷達(dá)測距方程雷達(dá)方程是描述雷達(dá)系統(tǒng)特性的最基本的數(shù)學(xué)關(guān)系。在雷達(dá)方程的完整形式中，計入了雷達(dá)系統(tǒng)參量、目標(biāo)參量、背景影響（雜波干擾和噪聲）、傳播影響（折射和繞射）、傳播介質(zhì)（吸收和散射）等各種因素對雷達(dá)作用距離的影響。因此，雷達(dá)方程不僅對雷達(dá)系統(tǒng)和雷達(dá)部件的設(shè)計具有重要意義，而且對目

24、標(biāo)特性、隱身與反隱身等研究也具有重要指導(dǎo)意義。在離天線距離R處的輻射功率密度St等于發(fā)射功率除以平均擴(kuò)散的球面積 (W/m2) 如果利用定向性天線代替無方向性天線，則 (W/m2) 雷達(dá)截面（RCS）的物理概念是面積的概念，其物理意義是目標(biāo)以雷達(dá)截面截獲入射功率并且該功率向目標(biāo)四周均勻輻射。因此，目標(biāo)截獲的功率為 (W/m2) 由于該功率各向同性輻射，因此在雷達(dá)接收機(jī)天線處有目標(biāo)散射的功率密度為 (W/m2) 假定接收天線與發(fā)射天線同極化，被雷達(dá)天線接收的功率等于接收天線處的功率密度乘以接收天線的有效口徑，而 天線有效口徑與增益的關(guān)系為 。假定接收天線效率為1，這樣輸入到接收機(jī)的功率為 (W)

25、 當(dāng)接收和發(fā)射公用同一付天線時（稱為單站或單基地雷達(dá)），有 ，于是得到雷達(dá)方程為 (W) 8.5 天線家族在本節(jié)中將介紹24類天線作為后續(xù)章節(jié)詳細(xì)論述的預(yù)覽。如下圖所示，這些天線又可以歸納為六大類：基本類型；環(huán)形、偶極子和縫隙；張開的同軸線、雙線和波導(dǎo)；反射鏡與口徑類型；端射與寬頻帶類型；鑲板式、縫隙和柵格陣列。陣列貼片天線端射環(huán)形偶極子短椿形縫隙口徑介質(zhì)桿螺旋八木宇田對數(shù)周期圓錐螺蜷陣列簾幕形W&JKs折合偶極子雙線V形雙錐形長線行波菱形圓錐形透鏡螺蜷喇叭反射鏡拋物面夾角平板天線罩頻率選擇表面 （1）環(huán)形、偶極子和縫隙天線圖 (a)的水平小環(huán)天線可對應(yīng)圖 (b)所示的鉛垂短偶極子，兩者具有相

26、同的場方向性圖，但它們的E和H需要互換。于是，水平環(huán)屬水平極化，而鉛垂偶極子屬鉛垂極化。兩者的方向性系數(shù)都是。所謂小或短是指尺度不大于。小環(huán)與短偶極子(環(huán)的軸平行于偶極子)具有相同的場方向性圖。而E和H互換，縫隙與偶極子也具有相同的場方向性圖。而E和R互換，方向性系數(shù)都相同。（2）張開的同軸線天線下圖所示的所有天線在水平面內(nèi)都是全向、且沿鉛垂(天頂)方向為零輻射。圖中指出了各種天線的方向性系數(shù)D。各天線形狀從光滑漸變過渡至突變結(jié)構(gòu)導(dǎo)致頻帶變窄。（3）張開的雙導(dǎo)線天線（4）張開的波導(dǎo)天線(口徑類)波導(dǎo)傳輸線在其輸出端口張開既有利于增強定向性，有利于實現(xiàn)匹配。矩形波導(dǎo)在E面張開稱為E面喇叭天線，在

27、H面張開稱為H面喇叭天線，E、H同時張開稱為角錐喇叭天線。圓波導(dǎo)端口張開一般稱為圓喇叭天線。（5）平板反射器天線具有一個或兩個半波偶極子的平板反射器天線和900夾角反射器天線。如下圖所示，半波偶極子由于放置于導(dǎo)電平板反射器前方而使定向性提高(a)，雙半波偶極子陣列放置于導(dǎo)電平板反射器前方可獲得高定向性(b)，將平板反射器折成900夾角反射器能達(dá)到更高的定向性。（6）拋物面和介質(zhì)透鏡天線拋物(鏡)面碟形天線和介質(zhì)透鏡天線如下圖所示。拋物(鏡)面碟形天線能提供高定向性 (正比于其口徑)，但要求一個合適的饋源天線如(a)所示，這與夾角反射器只需要簡單偶極子饋電形成反差。介質(zhì)透鏡天線模擬了光學(xué)器件，也

28、要求一個合適的饋源天線。這兩種天線的方向性系數(shù)都正比于其口徑，都需要借助射線理論或光學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計。圖中循射線路徑標(biāo)注了箭頭，饋源輻射的都是球面波。拋物面通過反射、而透鏡通過折射將球面波轉(zhuǎn)變成平面波。（7）端射天線軸向模螺旋天線介質(zhì)桿天線、八木-宇田天線和軸向模螺旋天線都是端射式行波天線，各自的方向性系數(shù)D都正比于其長度L，其中螺旋天線因工作于增強定向性的模式而具有高定向性。（8）圓錐螺旋和對數(shù)周期寬頻帶天線（9）貼片天線、貼片陣列和柵格陣列 (a) 貼片天線 “貼片”原是一種低輪廓、低增益、窄頻帶的天線，能夠滿足裝載于飛機(jī)和各種車輛的空氣動力學(xué)要求。8.9 極寬頻帶天線平面等角螺旋天線8.1

29、1喇叭天線8.12 旋轉(zhuǎn)拋物面天線8.15 天線測量要確定天線的實際性能，例如增益、方向圖、極化、頻帶寬度和效率等，精確的測量是必不可少的。天線在不同的應(yīng)用場合各有其嚴(yán)格的指標(biāo)要求。例如，點對點無線通信線路按照已授權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足確定的增益、旁瓣電平和交叉極化等要求。 在許多情況下，天線的性能能夠非常準(zhǔn)確地得自理論計算。但這對于復(fù)雜的天線是不可能的，要做太多的理想化和簡化。通常，很難對天線的使用環(huán)境建模，諸如接近于人頭部或裝置于飛機(jī)上的天線。即使能算出理想天線的性能，現(xiàn)實世界中的天線仍需要通過測量來檢驗。由于加工容差和制造誤差，其性能并不如所預(yù)期的那么好。只有測量結(jié)果才能為解決爭議給出有價值的信

30、息。本節(jié)將討論天線的實驗測量方法和技術(shù)，包括基本概念、典型的測量誤差源、測量場地和所需的儀器設(shè)備、不同天線參量的測量方法以及其他測量專題，如電大天線與電小天線、有效增益和比吸收率等。8.15.1 基本概念大多數(shù)普通天線的測量是測定其遠(yuǎn)場的輻射特性，如定向波瓣圖、增益或相位波瓣圖等。 下圖給出了測量輻射特性的典型配置?；静襟E是將一架發(fā)射的或接收的源天線放在相對于待測天線(AUT)等距離的不同位置上，借以采集大量波瓣圖取樣值。（1）天線測量中的互易性 前面已指出，待測天線既可用做接收天線，也可用做發(fā)射天線，這當(dāng)然是出于5.4節(jié)所述的互易性原理。從天線測量的觀點來看，該原理可導(dǎo)出兩條重要推理： 發(fā)

31、射與接收狀態(tài)的波瓣圖是相同的。 兩種傳播途徑的功率流是相同的。于是很顯然，待測天線的所有輻射參量既可按發(fā)射模式，也可按接收模式測量。這在待測天線按信號流向既用于接收又用于發(fā)射的大型設(shè)備的情況下尤其有用。 然而，在實際的天線測量中要謹(jǐn)慎地應(yīng)用互易性原理。該原理的有效性須滿足若干重要條件： (a) 調(diào)換天線時，兩者的端接電動勢都有相同的頻率。 (b) 媒質(zhì)是線性的、無源的和各向同性的。 (c) 對于匹配的阻抗，功率流才是相等的。（2）近場和遠(yuǎn)場人們幾乎總是對遠(yuǎn)場的輻射特性感興趣，通常也總是測量遠(yuǎn)場。遠(yuǎn)場測量的優(yōu)點在于：按任何距離測量的場波瓣圖都是有效的，只需要對場強按進(jìn)行簡單的變換。若要得到功率波

32、瓣圖，只需簡單地進(jìn)行功率(幅度)測量。測量結(jié)果對于天線相位中心的位置變化不太敏感，因而旋轉(zhuǎn)待測天線并不會導(dǎo)致明顯的測量誤差。待測天線和源天線之間的藕合和多次反射并不重要。8.15.2 天線測量的典型誤差源任何被測的量都有其誤差的極限。于是，天線增益值的完整表示可以是，說明有半個分貝的不確定度。當(dāng)測量的不確定度減少到可接受電平時，該臨界的誤差源也就被認(rèn)可了。 測量遠(yuǎn)場波瓣圖時的理想測量場應(yīng)該是一種純(均勻相位與幅度)的平面波。然而，實際的場總不可避免地偏離平面波：天線之間距離不足造成波程相位差和幅度錐削，來自周圍的反射造成相位與幅度的起伏。前者會顯著影響主波束，而后者會擾亂旁瓣測量的準(zhǔn)確性。這些

33、測試場的不完善性在視覺上難以從天線誤差中辨認(rèn)，務(wù)需致力于減小它們。 天線測量的其他誤差源還有：與電抗性近場的藕合、對準(zhǔn)誤差、干擾信號、大氣層的影響、電纜的泄漏與輻射以及儀器誤差等。（1）有限測試距離所致的相位誤差和幅度錐削設(shè)待測的是平面天線，接收的來波沿其主波束的軸向。若測試距離太小，由待測天線之不同部位所接收的場不能同相，因而具有平方律相位差(見圖5.15-5)。若待測天線恰位于源天線遠(yuǎn)場區(qū)的邊界處，則其口徑邊緣與中心的場存在22.50的相位差。若測試距離加倍，則相位差減半。（2）反射直射波受從周圍物體反射波的干涉，在測試區(qū)域內(nèi)形成場的變化(幅度與相位的起伏)，由于該波程差異作為位置的函數(shù)而

34、迅速變化，使起伏的長度屬于波長的數(shù)量級。如，比直射波的場低20 dB的反射波(直射波功率的1%)可引起-0.92+0.83 dB( -21%+19%)的功率誤差，具體取決于兩種波之間的差異；相位測量的誤差范圍為5.70。但若反射波的場比直射波低40 dB，則測出的幅度與相位分別僅有0.09 dB與0.60的誤差。8.15.3 測量場地人們一般都希望了解天線的遠(yuǎn)場特性，因為大多數(shù)天線都工作在遠(yuǎn)場模式。在基本的遠(yuǎn)場測試中，待測天線距離源天線至少有。小天線能在吸波室內(nèi)測量，但遠(yuǎn)場測量往往需要有物理尺度很大的室外場地。 （1）架高場地 （2）地面反射的場地對于甚高頻(VHF)以下的頻率，源天線的尺寸限

35、制了它的定向性，使地面的反射難以避免，只能利用存在地面反射的測量場地。（3）吸波室與吸波材料 吸波室的墻壁、天花和地板，整體被吸波材料所覆蓋，用來模擬無反射的自由空間，允許在可控的實驗室環(huán)境中進(jìn)行全天候的測量。吸波室的測試空間與干擾信號的隔離遠(yuǎn)比室外場地好，還可以采用屏蔽而進(jìn)一步改善。屏蔽室也適用于電磁兼容性(EMC )的測量。（4）緊縮的天線測量場地緊縮的天線測量場地(CATR)借助于反射鏡、透鏡、喇叭、陣列或全息術(shù)所產(chǎn)生的平整波前來仿真無限長度的場地。大多數(shù)緊縮場天線由一架或多架反射鏡組成，測試場通常被裝置在吸波室內(nèi)，但特別大的緊縮場天線被置于室外，甚至某些射電望遠(yuǎn)鏡也被用做緊縮場天線。（

36、5）近場場地若已知在閉合表面上由其內(nèi)部某天線所產(chǎn)生的輻射場，就能計算在該表面外空間任何點處的場，于是從近場的測量入手就能計算遠(yuǎn)場波瓣圖。這是近場測量的基礎(chǔ)。 幸好，并不需要沿上述球面連續(xù)地測量場值。根據(jù)取樣定理：有限個取樣值足以完整描述連續(xù)的場。如果圍繞待測天線表面的某確定部分(例如高增益反射鏡天線背后)的場可允許忽略，則測量表面也不需要是閉合的。 近場測量比慣用的遠(yuǎn)場測量有許多優(yōu)點：近場場地非常緊湊，使所需遠(yuǎn)場距離很長的待測天線得以在室內(nèi)小空間中測量。由于測得的場是對輻射的完整描述，根據(jù)這些數(shù)據(jù)能計算得出多種天線參量。 （6）場地的檢測對測量場地質(zhì)量的評價最好是用測試區(qū)內(nèi)所測量的場的均勻性，評價的結(jié)論既可用于誤差估計，又是改進(jìn)場地的依據(jù)。 測量場地的品質(zhì)并不能只用單個數(shù)值來描述。自由空間的電壓