天線的基本電參數(shù)

1、天線的基本電參數(shù)天線是無線電設(shè)備系統(tǒng)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的裝置，天線性能的好壞直接影響無線電設(shè)備系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。人們用天線的電參數(shù)來衡量天線性能的好壞。例如,描述天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的電參數(shù)有：天線輸入阻抗、天線方向圖、天線增益和天線效率等；描述天線極化特性的電參數(shù)有：軸比和極化隔離度等。本章簡述這些參數(shù)的概念和定義。另外，由天線互易定理可知，按照發(fā)射天線定義的電參數(shù)，同樣適用于接收天線。|1.4.1方向圖1方向圖的定義天線方向圖是表征天線輻射特性（場強振幅、相位、極化）與空間角度關(guān)系的圖形，用來表征天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而言，是表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天

2、線的方向性特性曲線通常用方向圖來表示。方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。2方向圖的表示法完整的方向圖是一個三維的空間圖（見圖141（a）。它是以天線相位中心為球心（坐標(biāo)原點），在半徑r足夠大的球面上，轉(zhuǎn)動天線方位角或俯仰角，逐點測定其輻射特性繪制而成的。三維空間方向圖盡管可以利用已有軟件方便地進行測繪，但在實際工程應(yīng)用中，一般只需測得水平面H和垂直面E方向圖即可（見圖1.4.1（b）。cw”3槪.圖1.4.1三維空間圖圖1.4.2為4種天線的方向圖，分別是（a）常規(guī)拋物面天線；（b）喇叭天線；（c）半波振子天線；（d）鞭狀天線；以幫助大家對不同的方向圖加深了解

3、。3方向圖的測量坐標(biāo)繪制天線的平面方向圖通常米用極坐標(biāo)（見圖1.4.3（a）、（b）和直角坐標(biāo)（見圖1.4.3（c）形式，還可以采用3D（見圖1.4.3（d）方向圖形式。極坐標(biāo)繪出的方向圖形象直觀，但對方向性很強的天線難以精確地表示；直角坐標(biāo)恰與其相反，它雖不直觀，但可以精確地表示強方向性天線的方向圖。方向圖縱坐標(biāo)有相對功率、相對場強和對數(shù)3種形式，常用的是對數(shù)形式。方向圖是用波瓣最大值歸一的相對方向圖。I12y.V1.4.2b)昭唄把紈心半波報(夭繩圖(d)程羽曲典型的天線方向圖3dB敍束覽懼70X/t方位方問圖JdB浪束寬度話xx站諂仰方向圖帕仰方詞國向閨#地栩俯仰方向陽X方壷方向圖G-2

4、01gDQ)+lOlgtrr)*993IMB血斑伽:三-圖1.4.3半波偶極子天線方向圖坐標(biāo)1.4.2副瓣和半功率波束寬度1副瓣（旁瓣）電平天線方向圖通常有許多波瓣，除了最大輻射強度的主瓣之外，其余均稱為副瓣（或旁瓣），與主瓣相反方向的旁瓣稱為背瓣（或后瓣）（參見圖1.4.1(141)（a）。為了定量表示旁瓣的大小，定義了旁瓣電平，它為旁瓣信號強度的最大值與主瓣最大值之比，記為SL,通常用分貝表示式中，P和P分別表示旁瓣和主瓣的最大功率值。mdA2半功率波束寬度波束寬度系指方向圖的主瓣寬度，一般是指半功率波束寬度。定義為：在歸一化功率方向圖的主瓣范圍內(nèi)，功率下降到主瓣最大值的一半（用分貝表示時

5、，也就是功率下降3dB）的兩個方向之間的夾角。如圖1.4.4所示的一個實例，（a）場方向圖（正比與電場E），在3=0方向上歸一化場En（3）=1，由E=0.707電平測得半功率波束寬度（HPBW）=40（b）功率方向圖（正比于電場E2）,在3=0方向上歸一化場Pn（0）=1,由Pn=0.5電平測得HPBW=40。；（c）場波瓣的分貝（dB）圖，在3dB處測得HPBW=40。半功率波束寬度通?？梢圆捎帽?.4.1估算。表1.4.1半功率波束寬度估算天皴形式HPBWFNBW艘勻戰(zhàn)射岡口徑說明：天線增益單位dBi是相對各向同性天線而言的。如果采用半波振子天線作為標(biāo)準(zhǔn)進行比對增益，其單位是dBd,dB

6、i與dBd的關(guān)系：G(dBi)=2.15+G(dBd)。半波振子天線的增益為2.15dBi。3波束寬度計算法天線的波束范圍通?？山票硎境蓛蓚€主平面內(nèi)主瓣半功率波束寬度03AZ和Eel之積，即波束范圍彳直AZ&3EL(sr)用D表示天線定向性，波束范圍越小，定向性越高。若一個天線僅對上半空間輻射，其波束范圍QA=2n(sr)。D二4兀/2兀=2(心3*0dBi)若已知某天線的半功率波束寬度，其定向性還可表示為Z)=41253/azel(149)其中，41253、63az、el為球內(nèi)所張的平方度數(shù)，41253=4n(180/n)2；球面積=4nr2,4n表示完整球面所張的立體角，單位為sr；1立

7、體弧度的立體角-3283=(180/n)2；竹AZ和EL分別是方位和俯仰主平面的半功率波束寬度。由于在式(149)中忽略了副瓣，因此可以改用另一種較好的近似式/40000/仇AZ念EL(14.10)如果某天線在兩個主平面內(nèi)半功率波束寬度(HPBW)都是20，其定向性D=40000/400=100或20dBi，這意味著天線沿主方向輻射的功率是相同輸入功率下非定向的各向同性天線的100倍。定向性波束寬度乘積取值40000是一種粗略的近似，對特定的天線通常采用簡化公式計算天線增益：C是常數(shù)項(1500040000)，對于大型天線則必須考慮天線饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗和天線表面公差引起的增益損失，詳見第6章

8、中波束寬度法測量天線增益。|1.4.4輸入阻抗天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應(yīng)的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。阻抗概念對中、低頻天線特別有用，因為中、低頻天線中，易于確定一對輸入點，阻抗是單值的且測量不難。阻抗概念雖在較高頻率上也仍有效，但直接確定和測量阻抗值卻較困難。例如在微波頻率上，天線大都與波導(dǎo)相聯(lián)，波導(dǎo)阻抗具有多值性，因此直接測取天線的阻抗值幾乎不可能，而是采用測量駐波系數(shù)或反射損耗的辦法來計算天線的輸入阻抗。|1.4.5電壓駐

9、波比、反射系數(shù)、回波損耗（血）1電壓駐波比天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，天線就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波，入射波和反射波合成，形成駐波。駐波波幅電壓與波節(jié)電壓之比稱為電壓駐波比（VSWR）：(L4J2)駐波莽數(shù)丫_駐波波腹電爪幅度晟大值人遜_1+廠_駐波波節(jié)電壓幅度愎小值人匸尸根據(jù)電壓駐波比定義，可知S的取值范圍為1SSVP通常按S的大小可分3類：SV3為小駐波比；3S10為大駐波比。2反射系數(shù)波的反射系數(shù)是傳輸線工作的基本物理現(xiàn)象。電壓反射系數(shù)和電流反射系數(shù)的模相等，相位相反。電壓反射系數(shù)定義為距終端

10、Z處的電壓反射波與電壓入射波之比。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)：反射系數(shù)廠二反射波幅度入射波幅度反射系數(shù)模的變化范圍為ori，它是小于1的量綱。當(dāng)傳輸線用特征阻抗進行端接時，所有的能量都傳給負載，沒有能量反射，p=0;當(dāng)傳輸線用開路器或短路器進行端接時，所有的能量都被反射，即p=i。3回波損耗（血）回波損耗（RL）定義為傳輸線某點上的入射功率與反射功率之比。它是以分貝表示的標(biāo)量反射系數(shù)，即入射波到反射波的損耗量，故稱為回波損耗。它與反射系數(shù)的關(guān)系為：20Igjr（1414）回波損耗的取值范圍為：OSRLVpOdB為全反射（開路/短路）妙為無反射,（全吸收）。所以，用回波損耗作為測量量值非

11、常方便、直觀。例如，RL=30dB，則OdBm入射波將產(chǎn)生一個-30dBm的反射波。例如，在圖1.4.5中，由于天線阻抗為750，饋線的阻抗為50Q,回波損耗為10lg（10/0.4）=14dB。傳輸線5QQ圖145回波損耗的例子4電壓駐波比、反射系數(shù)、回波損耗的關(guān)系從前面介紹不難看出，電壓駐波比、反射系數(shù)、回波損耗三者的關(guān)系可以轉(zhuǎn)換，所以，只要測量出一個參數(shù)就可以計算出另一個參數(shù)。如測量出回波損耗可計算出電壓駐波比VSWR：-RL1+10莎VSWR=KL(L4.I5)1-1020皿臥.22例如：RL=20dB,電壓駐波比與反射系數(shù)的關(guān)系為:EiZZ(yS一1(1.4.16)反射系數(shù)、回波損耗

12、、電壓駐波比、傳輸功率及失配損耗列表見表142。通過該表可以方便地在它們之間進行轉(zhuǎn)換。如在用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量和校準(zhǔn)時，終端（測試端口）不管是開路或是短路，均為全反射，回波損耗RL=0dB作為參考（基準(zhǔn)）線。顯然，這是很方便的，然而，我們在說天線技術(shù)指標(biāo)時習(xí)慣采用電壓駐波比這一術(shù)語，這樣可快速、方便地通過表142查定。表1.4.2反射系數(shù)、回波損耗、電壓駐波比、傳輸功率及失配損耗列表反射系數(shù)回波損耗（dBI電壓駐逋比專輸功率失配損耗ZlF司0切嚴）1.000.00100%0.900.92190031%-7.20.60L9490064%-4.440.703。5.6749%-2.920.604.444

13、.0036%-1.940.506.023.0025%-1.250407.962.33T瞬-0.97030!0l461.869%-0.410.2013.9ft1.504%-0.1770.1020,001.221%-0.044009卻加20O.RI%-0.0352L94IJ70.M%-0.02S0.0723.01.150.+9%-0.0210.0624.441,130.3(5%-0.01600526.021.10,25%-0.0J10.0427.96l.Ofi0J6%-a.（）c）70.0330.461.060.09%-0.0040.0233.98L040.04%-0.002Q011020.01%

14、-0.0004ow1Wa0|146天線的有效長度和有效面積1有效長度發(fā)射天線的有效長度定義為，在天線最大輻射方向產(chǎn)生相同場強的條件下，用一均勻電流分布代替該天線（以該天線輸入端電流為參考），則均勻電流分布天線的長度為該天線的有效長度。接收天線的有效長度定義為天線輸出到接收機輸入端的電壓與所接收的電場強度之比值，它在數(shù)值上與該天線作發(fā)射時的有效長度相等。對稱線天線的有效長度可用式（1417）計算厶=-lg（1417）712式中，k=2n久為自由空間波數(shù)，l是對稱天線一臂的長度。2有效面積發(fā)射天線的有效面積定義為在保持該天線輻射場強不變的條件下，設(shè)天線孔徑場為均勻分布時的孔徑等效面積。接收天線的有

15、效面積則定義為接收天線所截獲的電磁波總功率與電磁波通量密度之比值。這就是說，假想接收點處有一個垂直于來波方向的口面，該口面將電磁波能量全部接收，并轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮仗炀€的輸出功率送給接收機，此口面的大小就是該天線的有效面積。孔徑天線的有效面積一般都小于天線的幾何孔徑面積，它們的比值稱為孔徑利用系數(shù)或孔徑效率，即(1418)式中，A為孔徑天線的孔徑面積。1.4.7天線效率天線效率一般定義為天線的輻射功率與輸入功率之比，即Rn二二AP.+Px相應(yīng)的電阻關(guān)系表示為Pr(1.4.19)R由于天線效率是輻射功率與輸入功率之比，很自然地就把方向性系數(shù)和增益聯(lián)系起來，其關(guān)系為(1A20)G=(1421)對高增益孔徑

16、天線而言，天線總效率nA與天線增益之間的關(guān)系為1422)式（1422）中，天線總效率nA應(yīng)是多個因子的乘積，即。二刃12巾(1423)n是式（1.4.19）所述的天線效率，ni是式（1418）所述的孔徑效率，n1n2n3包括了其他影響天線增益的因子，如照射漏失、孔徑遮擋、表面公差、去極化損失等。式（1423）中,|148天線極化1極化的基本概念無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。天線極化是描述天線輻射電磁波場矢量空間指向的參數(shù)，是指在與傳播方向垂直的平面內(nèi)，場矢量變化一周期矢端描出的軌線。由于電場與磁場有恒定的關(guān)系，一般都以電場矢量的空間指向作為

17、天線輻射電磁波的極化方向（見圖146）。電場矢量在空間的取向固定不變的電磁波為線極化。有時以地面為參數(shù)，電場矢量方向與地面平行的為水平極化，與地面垂直的為垂直極化。電場矢量與傳播方向構(gòu)成的平面為極化平面。垂直極化波的極化平面與地面垂直；水平極化波的極化平面則垂直于入射線、反射線和入射點地面的法線構(gòu)成的入射平面。如果電磁波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，即場矢量的矢端軌線是圓，并在旋轉(zhuǎn)過程中，電場的幅度（即大?。┍３植蛔儯覀兙徒兴鼮閳A極化波。圓極化可分為右旋圓極化和左旋圓極化。向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫作右旋圓極化波，反時針方向旋轉(zhuǎn)的叫作左旋圓極化波。如果場矢量的矢端軌線是橢圓就叫作橢圓

18、極化波。不論圓極化波或橢圓極化波都可由兩個相互正交的線極化波合成。當(dāng)兩正交線極化波振幅相等，相位差為90時，則合成圓極化波；當(dāng)振幅不等或者相位差不是90。時則合成橢圓極化波。圓極化和線極化都是橢圓極化的特例，描述橢圓極化波的參數(shù)有3個：（1）軸比指極化橢圓長軸與短軸的比；（2）傾角指極化橢圓長軸與水平坐標(biāo)之間的夾角；（3）旋向指左旋或者右旋。(14.r圖1.4.6天線極化示意圖2極化參數(shù)極化效率當(dāng)接收天線的極化方向與入射波的極化方向不一致時，由于極化失配，從而引起極化損失。極化效率的定義：天線實際接收的功率與在同方向、同強度且極化匹配條件下的接收功率之比。例如，當(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波或

19、用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生3dB的極化損失，即只能接收到來波的一半能量。軸比軸比定義：橢圓比，極化平面波的長軸和短軸之比。天線的電壓軸比用公式表示為：(1A24)用分貝表示的軸比為:1425)眾所周知，圓極化和線極化是橢圓極化的兩種特殊情況，即當(dāng)r=1時，為圓極化；當(dāng)r=w時，為線極化；當(dāng)1V|r|Vw時，為橢圓極化。（3）交叉極化隔離度天線可能會在非預(yù)定的極化上輻射（或接收）不需要的極化分量能量，例如輻射（或接收）水平極化波的天線，也可能輻射（或接收）不需要的垂直極化波，這種不需要的輻射極化波稱為交叉極化。對線極化天線來說，交叉極化與預(yù)定的極化方向垂直；對圓極化波來說，交叉極化

20、與預(yù)定極化的旋向相反；對橢圓極化波來說，交叉極化與預(yù)定極化的軸比相同、長軸正交、旋向相反。所以，交叉極化又稱為正交極化。交叉極化隔離度（XPD）,其定義：天線反極化時的接收功率與同極化接收功率之比。對于橢圓極化天線，極化隔離度XPD與r有如下關(guān)系：XPD(dB)=201g尸+(dB)例：r=1.06,XPD（dB）=20lg（1.06+1）/（1.06-1）=30.71（dB）分貝表示的軸比：AR=20lg丨門=201g1.06=0.506（dB）|149天線帶寬帶寬定義：“就某個參數(shù)而言，天線的性能符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍?！睙o論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，通常工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬，如式（1427）所示：對定義有兩種不同的理解：一種是指天線增益下降3dB時的頻帶寬度；另一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體地說，就是當(dāng)天線的輸入駐波比VSWR1.5時，天線的工作帶寬。當(dāng)天線的工作波長不是最佳時，天線性能要下降，在天線工作頻帶內(nèi)，天線性能下降不多，仍然是可以接受的。對于帶寬天線，帶寬一般用可允許工作的上下限頻率之比表示，例如，10:1的帶寬表示上限頻率是下限頻率的10倍。對于窄帶天線，