天線輻射與接收的基本理論

天線輻射與接收的基本理論第一頁，共八十六頁，2022年，8月28日*本章要了解基本振子（基本電振子，基本磁振子，縫隙、面輻射元）的輻射特性。預(yù)備知識是時(shí)變場的位函數(shù)、達(dá)朗貝爾方程、電磁場與電磁波第八章的電磁輻射理論基礎(chǔ)*定義天線的基本參數(shù)（從對饋線的角度，發(fā)射的角度，接收的角度），了解其物理意義，掌握有關(guān)計(jì)算*經(jīng)典參考讀物：約翰.克勞斯著《天線》上下冊第二頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.1概論通信的目的是傳遞信息,根據(jù)傳遞信息的途徑不同,可將通信系統(tǒng)大致分為兩大類:一類是在相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)中用各種傳輸線來傳遞信息,即所謂的有線通信,如電話、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)等有線通信系統(tǒng);另一類是依靠電磁輻射通過無線電波來傳遞信息,即所謂的無線通信,如電視、廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航、衛(wèi)星等無線通信系統(tǒng)。在如圖6-1所示的無線通信系統(tǒng)中,需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波,或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量,用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。第三頁，共八十六頁，2022年，8月28日1.天線的定義天線的基本功能是輻射和接收無線電波發(fā)射時(shí)，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波；接收時(shí)，把電滋波轉(zhuǎn)換為高頻電流。不同的無線電設(shè)備對天線的要求不同。圖6-1-1無線電設(shè)備的信道方框圖第四頁，共八十六頁，2022年，8月28日通信系統(tǒng)中的天線第五頁，共八十六頁，2022年，8月28日2、天線的作用能量的轉(zhuǎn)換：自由空間的電磁能量與高頻電流能量的相互轉(zhuǎn)換；能量的分配：使空間傳播的電磁波能量在指定的空域內(nèi)輻射傳播；信息源信號變換發(fā)信機(jī)收信機(jī)信號變換受信者

發(fā)射：高頻能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量；向指定空域發(fā)射電磁波；接收：電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻電流形式的能量；收集指定空域內(nèi)的電磁波。能接收電磁能量天線？第六頁，共八十六頁，2022年，8月28日分類的方法種類按用途分通信天線、廣播天線、雷達(dá)天線、導(dǎo)航天線、測向天線等按工作頻段分長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線方向性的強(qiáng)弱全向天線、弱方向性天線和強(qiáng)方向性天線等按極化特性線極化天線、圓極化天線、橢圓極化天線等按工作原理分駐波天線、行波天線；陣列天線按波束控制的方法分固定波束天線、相控天線、智能天線等按基本結(jié)構(gòu)分線天線、面天線、縫隙天線按電尺寸分電小天線：尺寸遠(yuǎn)小于工作波長；電大尺寸天線：大小與工作波長可以比擬天線的分類第七頁，共八十六頁，2022年，8月28日天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰?。這首先要求天線是一個(gè)良好的電磁開放系統(tǒng),其次要求天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配(需要計(jì)算或測試天線的輻射阻抗）。天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上,或?qū)Υ_定方向的來波最大限度的接受,即天線具有方向性（方向函數(shù)）。天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波,即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。對天線的要求第八頁，共八十六頁，2022年，8月28日天線常用的性能指標(biāo)：方向性圖方向性系數(shù)增益輸入阻抗駐波系數(shù)效率影響天線性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素天線電尺寸天線的形狀和結(jié)構(gòu)天線上的電流分布第九頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.2基本振子的輻射預(yù)備知識：時(shí)變場的達(dá)朗貝爾方程，滯后位及其解磁矢位和電標(biāo)位線性、均勻各向同性的無耗媒質(zhì)中，時(shí)諧形式的麥克斯韋方程天線輻射場的求解思路：點(diǎn)源點(diǎn)源的矢磁位轉(zhuǎn)換點(diǎn)源的輻射場計(jì)算連續(xù)分布結(jié)構(gòu)的輻射場突破點(diǎn)源后利用結(jié)果推導(dǎo)新結(jié)構(gòu)的結(jié)果第十頁，共八十六頁，2022年，8月28日電流元：長度遠(yuǎn)小于波長的一段電流，電流均勻分布。天線可看成由電流元組成，天線的輻射可由各電流元的輻射疊加產(chǎn)生。一電流元（基本振子）輻射根據(jù)電磁場理論，電流分布求矢量磁位

由于基本電振子的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長和場點(diǎn)第十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日電流元輻射的計(jì)算:

第十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日第十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日(1)近場(感應(yīng)場)區(qū):

①在近區(qū),電場Eθ和Er與靜電場問題中的電偶極子的電場相似,磁場Hφ和恒定電流場問題中的電流元的磁場相似,所以近區(qū)場稱為準(zhǔn)靜態(tài)場;②由于場強(qiáng)與1/r的高次方成正比,所以近區(qū)場隨距離的增大而迅速減小,即離天線較遠(yuǎn)時(shí),可認(rèn)為近區(qū)場近似為零。③電場與磁場相位相差90°,說明玻印廷矢量為虛數(shù),也就是說,電磁能量在場源和場之間來回振蕩,沒有能量向外輻射,所以近區(qū)場又稱為感應(yīng)場。

第十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日(2)遠(yuǎn)場(輻射場)區(qū):第十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日輻射場特點(diǎn)：(1)球面波

相位因子--等相位面球面

(2)TEM波傳播方向上電磁場分量為零

(4)輻射具有方向性(5)輻射功率空間輻射的總功率稱為輻射功率，是任意包圍電流源球面上的積分，即

第十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日輻射場的方向性第十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日二對偶原理與磁流元的輻射1、對偶原理磁流磁荷不存在，引入后可令其為0，不影響方程正確性麥克斯韋方程組對稱形式麥克斯韋方程組引入磁流與磁荷第十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日

電流產(chǎn)生的場的場方程和磁流產(chǎn)生的場的場方程形式相同。只要進(jìn)行變量代換：兩者可以互相得到。因此，電流產(chǎn)生的場分布經(jīng)過變量代換變?yōu)榇帕鳟a(chǎn)生的場分布磁流產(chǎn)生的場分布經(jīng)過變量代換變?yōu)殡娏鳟a(chǎn)生的場分布第十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日2磁流元的輻射磁流元：長度遠(yuǎn)小于波長的一段磁流，磁流均勻分布。由對偶原理，磁流元輻射可由電流元輻射場經(jīng)過變量代換獲得電流元輻射（遠(yuǎn)場）磁流元輻射（遠(yuǎn)場）第二十頁，共八十六頁，2022年，8月28日磁流元輻射特點(diǎn)磁流元輻射（遠(yuǎn)場）第二十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日3.小電流環(huán)的輻射電流小環(huán)的磁矩磁偶極子的磁矩磁偶極子等效為磁流元第二十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日第二十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.3天線的電參數(shù)第二十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日

當(dāng)天線的形式及其上的電流（或電磁場）分布確定之后，天線所產(chǎn)生的輻射場便唯一地確定了。通常我們可以利用前面所得到的微分線元或面元的輻射場疊加（積分）來求出特定天線的輻射場。不同的天線具有不同的形式或不同的源分布，因而具有不同的輻射場分布。在實(shí)際工程中，如果用不同的輻射場來比較不同天線在某一方面的特性優(yōu)劣的話，既不直觀又不方便，因而往往采用我們這里所要介紹的天線指標(biāo)來說明。天線指標(biāo)（天線的電參數(shù)）就是描述天線某一方面特性的參數(shù)，它是定量衡量天線性能的尺度。天線的電參數(shù)是由天線輻射場所確定的。事實(shí)上，對某一天線的討論,就是由天線的具體形式和源分布特點(diǎn)來確定天線的輻射場,并進(jìn)而得出其有關(guān)指標(biāo)。第二十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日發(fā)射天線的電參數(shù)天線指標(biāo)（天線的電參數(shù)）就是描述天線某一方面特性的參數(shù)，它是定量衡量天線性能的尺度。(1)問題的提出：不同天線在某一方面的特性優(yōu)劣(2)發(fā)射天線電參數(shù)：以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)換成空間電磁波能量及定向輻射特性，而輸入阻抗和輻射阻抗則是衡量天線電路特性輻射特性電路特性方向函數(shù)、方向圖、方向圖參數(shù)、方向系數(shù)

增益、天線的極化、有效長度、頻帶寬度

輸入阻抗、輻射阻抗、天線效率、第二十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日電基本振子的輻射場具有方向性，在相同距離的條件下，不同的方向上，輻射場不同。事實(shí)上，所有的真實(shí)天線都具有方向性，為了描述天線的方向性，引入以下電參數(shù)：方向函數(shù)/方向圖/方向圖參數(shù)/方向系數(shù)（1）電基本振子的輻射場1、方向函數(shù)第二十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日（2）按天線的方向性對天線的分類：各向同性（isotropicantenna）天線（等方向性天線）：在所有方向上具有相同輻射的假想的無損耗天線，天線又稱為“理想點(diǎn)源天線”，它通常作為參考來表示實(shí)際天線的方向特性。方向性天線（directionalantenna）：具有在某些方向上比其他方向能更有效地輻射或接收電磁波的特點(diǎn)。第二十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日（3）方向函數(shù)：在相同距離的條件下天線輻射場的相對值與空間方向的關(guān)系天線輻射場為，則定義天線的方向性函數(shù)為

電基本振子的方向性函數(shù)：第二十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日（4）歸一化方向函數(shù)電場強(qiáng)度最大值，最大輻射方向上的電場強(qiáng)度不同(q,f)方向上電強(qiáng)分布函數(shù)電基本振子的歸一化方向性函數(shù)：理想點(diǎn)源天線的歸一化方向性函數(shù)第三十頁，共八十六頁，2022年，8月28日2、天線方向圖如果將作為空間角度q和f函數(shù)的天線方向性函數(shù)以圖形的形式表示出來，則稱為方向圖或方向性圖。與前面方向性函數(shù)的定義相對應(yīng)，方向圖的類型有（歸一化場強(qiáng)）方向圖及功率方向圖等等。同時(shí)改變q和f可得到空間立體方向圖，這樣的圖雖形象、直觀，但既不容易畫出，也不容易定量地了解輻射場空間分布數(shù)值。為此，我們往往采用通過天線最大輻射方向的兩個(gè)相互垂直的面上的平面方向圖來表示輻射方向性。半波振子理想點(diǎn)源（無耗均勻輻射器）第三十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日相互垂直的兩個(gè)面：子午面則是f為常數(shù)的面（包含z軸的任意平面）赤道面是q=90°的面（即XOY平面）

（1）子午面和赤道面方向圖子午面方向圖（極坐標(biāo)）h/l<<1z2h赤道面方向圖（極坐標(biāo)）第三十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日子午面方向圖（極坐標(biāo)）h/l<<1z2h赤道面方向圖（極坐標(biāo)）第三十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日

針對架設(shè)在地面上的天線，常用平行于地面的水平面和與之垂直的垂直面內(nèi)方向圖來描述天線輻射場分布特性。這時(shí)，需說明天線相對于地面的架設(shè)狀況（如平行于或垂直于地面），才能有效地表示天線的方向性。線天線的E面：包含振子軸線的任意平面線天線的H面:垂直于振子軸線的平面（2）水平面和垂直面方向圖E面：包含最大輻射方向，電場矢量所在的平面（由電場強(qiáng)度方向和最大輻射方向構(gòu)成的平面），H面：包含最大輻射方向，磁場矢量所在的平面稱為（由磁場方向和最大輻射方向構(gòu)成的平面）。（3）E面及H面方向圖第三十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日xyH-planepatternE-planepattern90Oz（4）方向圖的畫法極坐標(biāo)系or直角坐標(biāo)系形象直觀波束多時(shí)，O方向不易區(qū)分極坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系可以按任意尺度擴(kuò)展,圖形清晰

直角坐標(biāo)系波束較少時(shí)（線天線）極坐標(biāo)系波束較多時(shí)（口徑天線）直角坐標(biāo)系第三十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日波瓣（波束）：方向圖的各個(gè)部分，指以相當(dāng)弱的方向?yàn)榻缦迊韯澐址较驁D的各個(gè)部分(兩個(gè)極小值點(diǎn)之間的部分）主瓣：包括最強(qiáng)輻射方向的波瓣副瓣（旁瓣）：除去主瓣后的所有波瓣，離開主瓣依次為第1，2，3…個(gè)副瓣后瓣：與主瓣方向相反的波束柵瓣：除去主瓣外，在其它方向上出現(xiàn)的與主瓣幅度相等的波瓣3、主瓣和副瓣第三十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日第三十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日(a)元輻射方向性圖(b)鉛筆形方向性圖(c)扇形方向性圖(d)余割平方方向性圖第三十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日

下圖以極坐標(biāo)繪出了典型的雷達(dá)天線的方向圖。方向圖的各個(gè)部分，指以相當(dāng)弱的方向?yàn)榻缦迊韯澐址较驁D的各個(gè)部分(兩個(gè)極小值點(diǎn)之間的部分）波瓣（波束）；方向圖中輻射最強(qiáng)的方向稱為主射方向，輻射為零的方向稱為零射方向。具有主射方向的方向葉稱為主瓣，其余稱為副瓣，離開主瓣依次為第1，2，3…個(gè)副瓣。與主瓣方向相反的波束，后瓣。除去主瓣外，在其它方向上出現(xiàn)的與主瓣幅度相等的波瓣，柵瓣第三十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日一般天線設(shè)計(jì)的要求：天線的應(yīng)用中往往選擇天線的設(shè)計(jì)使其在某一方向上的輻射最強(qiáng)，其它方向輻射較弱，使能量集中在最大輻射方向，而不耗散到其它方向（副瓣）上，造成對其它系統(tǒng)的干擾，因此，盡量使主瓣變窄，副瓣變?nèi)?，衡量這兩個(gè)方面的天線術(shù)語：

主瓣寬度副瓣電平

第四十頁，共八十六頁，2022年，8月28日（1）波瓣寬度：零功率點(diǎn)波瓣寬度，半功率點(diǎn)波瓣寬度零功率點(diǎn)波瓣寬度：主瓣最大值兩邊兩個(gè)零輻射方向之間的夾角用2q0表示，用2q0E，2q0H

表示E面或H面的零功率主瓣寬度半功率點(diǎn)波瓣寬度（3分貝波瓣寬度，3dB波瓣寬度）：波瓣寬度越窄，能量越集中見圖6-6第四十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日水平和垂直波瓣在天線的水平面（垂直面）方向圖上，相對于主瓣最大點(diǎn)功率增益下降3dB的兩點(diǎn)之間所張的角度，定義為天線的水平（垂直）波瓣寬度（3dB寬度，可以有其它的定義方式）。天線輻射的大部分能量都集中在波瓣寬度內(nèi)，波瓣寬度的大小反映了天線的輻射集中程度。全向天線的水平波瓣寬度為360，定向天線的水平波瓣寬度有20、30、65、90、105、120、180等，常用65、90；天線的垂直波瓣寬度一般在3～80之間，基站采用較多的是5～18的天線。天線的增益和水平及垂直波瓣寬度密切相關(guān)，一般來說，天線的波瓣寬度越小，其增益越大，在確定這三個(gè)參數(shù)時(shí)，需一起考慮。第四十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日水平和垂直波瓣寬度的選取原則對不同傳播環(huán)境、不同地形地貌，天線的水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度一般可遵循下面的原則選?。核讲ò陮挾葘緮?shù)目較多、覆蓋半徑較小、話務(wù)分布較大的區(qū)域，水平波瓣寬度應(yīng)選得小一點(diǎn)。對覆蓋半徑較大，話務(wù)分布較少的區(qū)域，水平波瓣寬度應(yīng)選得大一些。垂直波瓣寬度對地形平坦，建筑物稀疏，平均高度較低的區(qū)域，垂直波瓣寬度可選得小一點(diǎn)。對地形復(fù)雜、落差大的區(qū)域，垂直波瓣寬度可選得大一些。第四十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日（2）旁瓣電平（SideLobeLeverSLL）：指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平，以分貝表示（3）前后比:后瓣平均功率密度最大值與主瓣平均功率密度最大值之比，以分貝表示第四十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日上述方向圖參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映各個(gè)方向的輻射相對強(qiáng)弱程度。如：方向圖，可以看出哪個(gè)方向大，哪個(gè)方向??；但不能定量的給出某一點(diǎn)的場強(qiáng)到底是多少，因而不能單獨(dú)體現(xiàn)天線的定向輻別能力。為了更精確地比較個(gè)同天線之間的方向性，需要引入一個(gè)能定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)，這就是方向系數(shù)雷達(dá),通信等大部分天線設(shè)備,都是利用主向(或主平面)(最大輻射方向)的輻射來完成任務(wù)的。偏離主向的輻射功率不僅被無謂浪費(fèi),而且還會干擾電波信號。因此,盡可能減少非主向的輻射和增加主向輻射。常采用方向性系數(shù)這個(gè)參量來說明天線在主向輻射功率的集中程度第四十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日4、天線方向性系數(shù)（Directivity）（1）方向性系數(shù)D的表達(dá)式

在離開天線同一距離r0時(shí)，天線在最大輻射方向上的功率密度Smax和總輻射功率相同的全向天線的功率流密度S0的比值方向系數(shù):定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù),說明天線在主向輻射功率的集中程度

(2)分貝來表示:方向性系數(shù)還可用分貝來表示，且有

第四十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日主瓣越窄，方向系數(shù)越大。無方向性天線的方向系數(shù)為1。第四十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日例：確定沿z軸放置的電基本振子的方向系數(shù)問：沿z軸放置的半波偶極子（半波振子）的方向系數(shù)第四十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日（4）方向性系數(shù)D的與輻射電阻的關(guān)系：

第四十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日例：確定電基本振子的輻射電阻第五十頁，共八十六頁，2022年，8月28日5天線的效率（Efficiency）天線效率A：天線輻射有功功率Pr與天線輸入的有功功率Pin之比，表示天線能量轉(zhuǎn)化的量度，即發(fā)射機(jī)提高天線效率：減少損耗電阻，提高輻射電阻

第五十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日輸入功率相同時(shí)，某天線在某一方向上的遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的功率流密度S1與理想點(diǎn)源（無方向性）天線在同一方向同一距離處產(chǎn)生的功率流密度S0的比值，稱為該天線在該方向上的增益系數(shù)，簡稱增益，常用G表示。6、天線的增益系數(shù)（增益Gain）天線增益在不加特別說明時(shí)，指天線在最大輻射方向上的增益系數(shù)Gmax第五十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日將方向系數(shù)公式（6-3-4）和效率公式（6-3-9）代入上式得由上式可得一個(gè)實(shí)際天線在最大輻射方向上的場強(qiáng)為理想點(diǎn)源，，最大輻射方向上的場強(qiáng)為可見，天線的增益系數(shù)為天線與理想點(diǎn)源天線相比在最大輻射方向上將輸入功率放大的倍數(shù)第五十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日增益舉例如果用理想的無方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為G=13dBi=20的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率只需100/20=5W.換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。半波對稱振子的增益為G=2.15dBi;4個(gè)半波對稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣，其增益約為G=8.15dBi(dBi這個(gè)單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源)。

如果以半波對稱振子作比較對象，則增益的單位是dBd。

半波對稱振子的增益為G=0dBd（因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對數(shù)得零值。）

垂直四元陣，其增益約為G=8.15–2.15=6dBd。

0dBd=2.15dBi2.15dB第五十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日增益實(shí)例BaseStationTransmitter(20watts)ConverttodBm10Log(20)+30=+43dBmjumperHeliaxCablejumper-0.5dB-0.5dB-3dBAntennaGain=+18dBiAntInputPower=+39dBmEiRP=+39+18=+57dBm

EIRP（有效輻射功率）實(shí)例第五十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日目前基站天線的增益范圍從0dBi到20dBi以上均有應(yīng)用。室外基站采用全向天線時(shí)增益多為9-12dBi，采用定向天線時(shí)增益多為15-20dBi。水平波束相對較窄的天線多用于地廣人稀的道路的覆蓋，增益一般為20dBi。室內(nèi)覆蓋的天線,增益一般為0-8dBi。第五十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日天線的極化是天線在最大輻射方向上輻射場的極化，一般是指輻射電場的空間取向。輻射場的極化是指在空間某一固定位置上電場矢量端點(diǎn)隨時(shí)間運(yùn)動的軌跡。根據(jù)軌跡形狀不同，可分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化：電場矢量沿著一條線做往復(fù)運(yùn)動。線極化分為水平極化和垂直極化。圓極化：電場矢量的大小不變，其末端做圓周運(yùn)動。分為左旋圓極化和右旋圓極化。橢圓極化：電場矢量大小隨時(shí)間變化，其末端運(yùn)動的軌跡是橢圓。分為左旋橢圓極化和右旋橢圓極化。7、天線極化第五十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日（1）同頻率，極化方向垂直的兩列平面波的疊加，總場極化方向取決于振幅，和相位差（2）橢圓極化或圓極化判斷左旋或右旋波總是向相位滯后方向傳播，拇指指向波傳播的方向，四指由相位超前的波，向相位滯后的波方向旋轉(zhuǎn)。符合右手規(guī)則，為右旋波；否則，左旋波。左旋極化波右旋極化波滯后超前第五十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日天線的極化方式(Polarization)-單極化第五十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日極化匹配問題：某種極化方式的天線，只能接收與其極化方式相同的電磁波，稱謂極化匹配。如水平線極化天線只能接收水平極化的電磁波，右旋極化的天線只能接收右旋極化電磁波。極化失配意味著功率損失，例如用線極化天線接收左旋或右旋圓極化波，用右旋或左旋圓極化天線接收線極化波，均有3dB的功率損耗。主極化與交叉極化：在垂直于矢徑的平面（等相位面）上，可以將電場矢量分解為兩個(gè)相互正交的極化分量，與設(shè)計(jì)初衷一致的稱為主極化分量，相反的稱為交叉極化分量。主極化分量與交叉極化分量的比值，稱為極化隔離度，通常用dB表示。一個(gè)線極化波可以分解成水平極化分量和垂直極化分量；橢圓極化波可以分解成兩個(gè)幅度不等、旋向相反的圓極化分量。極化隔離度充分大的前提下，同一頻率可正交復(fù)用，即利用兩個(gè)相互正交的極化，以實(shí)現(xiàn)收發(fā)之間的同頻隔離。第六十頁，共八十六頁，2022年，8月28日8、有效長度（effectivelength）（線天線）實(shí)際考察天線：電流分布不均勻假想天線：其上的電流分布為均勻分布

作比較：當(dāng)觀察點(diǎn)離開天線的距離不變時(shí)，此假想天線在最大輻射方向上所產(chǎn)生的輻射場強(qiáng)等于實(shí)際天線在最大輻射方向上的輻射場強(qiáng)。（同距離，最大輻射方向上的場強(qiáng)值不變的情況下）歸算電流：饋電點(diǎn)處的電流值（輸入電流Iin），或者電流最大值Imax在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場強(qiáng)值不變的條件下，假設(shè)天線上的電流分布為均勻分布時(shí)天線的等效長度。第六十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日比較條件：最大輻射方向上的場強(qiáng)值不變設(shè)：實(shí)際天線的長度為h，天線上的電流分布為I（z），歸算電流為Iin，有效長度hein場疊加原理實(shí)際電流于等效均勻電流所包圍的面積相等引入等效長度，線天線遠(yuǎn)區(qū)場可表示為：第六十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日電場強(qiáng)度、方向性系數(shù)D與有效長度的關(guān)系第六十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日9、匹配

匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用那一個(gè)純出于習(xí)慣。在我們?nèi)粘＞S護(hù)中，用的較多的是駐波比和回波損耗。一般移動通信天線的輸入阻抗50Ω。

天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時(shí)饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。第六十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日電壓駐波比VSWR:微波傳輸線的阻抗必須與天線的輸入阻抗匹配否則就會有反射波產(chǎn)生，流向信號源由反射波和入射波合成而產(chǎn)生的稱為－駐波駐波信號振幅的最大值與最小值之比稱為－電壓駐波比VSWR

它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實(shí)際應(yīng)用中VSWR應(yīng)小于1.3。過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站的服務(wù)性能。

反射系數(shù)：電磁波遇到障礙物就會產(chǎn)生反射。如果終端所接負(fù)載阻抗與傳輸線特性阻抗不相等，在線路終端，不僅有入射波，還會有反射波。從傳輸功率的觀點(diǎn)來看，因阻抗不匹配使信號源送到負(fù)載的功率返回去一些，稱之為部分反射，第六十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日9.5W80

ohms50ohmsForwarda:10WBackward:0.5W回波損耗(ReturnLoss)回波損耗：它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0dB到無窮大之間，回波損耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB?；夭〒p耗ReturnLoss：10log(10/0.5)=13dB駐波比VSWR(VoltageStandingWaveRatio)第六十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日10頻帶寬度：天線的所有電參數(shù)都和頻率有關(guān)。任何天線的工作頻率都有一定的范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，天線的某個(gè)或這某些特性指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)工作頻率偏離中心工作頻率f0時(shí)，天線的電參數(shù)將變差，其變差的容許程度取決于天線設(shè)備系統(tǒng)的工作特性要求。(Bandwidth)頻帶寬度：中心頻率兩側(cè)天線的特性下降到還能接受的最低限度時(shí)，兩頻率的差值，此時(shí)對應(yīng)的頻率范圍稱為頻帶寬度。根據(jù)天線設(shè)備系統(tǒng)的工作場合不同．影響天線頻帶寬度的主要電參數(shù)也不同，所以天線的頻帶寬度不唯一。對應(yīng)于不同的特性指標(biāo)，有不同的頻帶寬度。第六十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日工作帶寬（BANDWIDTH）=896-824=72MHzOptimum1/2wavelengthfordipoleat860MHzat896MHzAntennaDipoleat824MHz示例：CDMA800MHz

系統(tǒng)天線的工作帶寬CDMA常用的頻段有450M\800M\1900MCDMA450Ｍ:450-468MHzCDMA800Ｍ:824-896MHzCDMA1900Ｍ:1850-1990MHz第六十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日小結(jié)

本節(jié)討論了天線的一些指標(biāo)，即描述天線性能的有關(guān)參數(shù)。發(fā)射天線的指標(biāo)可分為這樣幾類：

1．描述天線輻射電磁波能力的有：輻射功率，輻射電阻，輸入阻抗及天線效率等。2．描述天線輻射電磁波場分布不均勻性的有：方向性函數(shù)，方向性圖等。3．描述天線輻射電磁波在最大輻射方向上的集中程度的有：方向性系數(shù)，主瓣寬度和副瓣電平，增益，有效長度等。此外，還有其它一些如頻帶，極化等。同一天線用作接收天線時(shí)其指標(biāo)與其用作發(fā)射天線時(shí)的指標(biāo)之間具有互易性，即兩種情況下的對應(yīng)指標(biāo)完全相等。這一性質(zhì)稱為收發(fā)天線的互易性，可用互易定理直接導(dǎo)出（互易性只存在于無源天線的情形）。但是接收天線的一些特殊的指標(biāo)，如天線的吸收面積，天線的噪聲溫度等。第六十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.4接收天線理論天線的接收原理：天線導(dǎo)體在外電場的作用下激勵產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并在天線回路中產(chǎn)生電流。遠(yuǎn)場區(qū)可視為均勻平面波天線的收發(fā)互易性，同一天線既可以做為發(fā)射天線，也可以作為接收天線，同一天線用于接收時(shí)的指標(biāo)與用于發(fā)射時(shí)的指標(biāo)相比完全相同，這種性質(zhì)叫天線的收發(fā)互易性。

接受天線多了有效接受面積，等效噪聲溫度等的指標(biāo)只有沿天線表面的電場切線分量才能激勵起天線的表面電流第七十頁，共八十六頁，2022年，8月28日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(dǎo)體在空間電場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并在導(dǎo)體表面激勵起感應(yīng)電流，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓，在接收機(jī)回路中產(chǎn)生電流。所以接收天線是一個(gè)把空間電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻電流能量的轉(zhuǎn)換裝置，其工作過程就是發(fā)射天線的逆過程，如圖所示，接收大線總是位于發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場中．因此可以認(rèn)為到達(dá)接收天線處的無線電波是均勻平面波，設(shè)來波方向與天線軸z之間的夾角為θ，求接收天線上的感應(yīng)電動勢：

發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)場可看成TEM平面波，則電場是垂直于波的傳播方向的平面內(nèi)的任意矢量，建立如圖所示的的坐標(biāo)系：電波射線與天線軸構(gòu)成入射平面，入射電場可分為兩個(gè)分量：一個(gè)是與入射面相垂直的分量Ev，；一個(gè)是與入射面平行的分量Eh，。

第七十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日注意:接受天線首先要考慮與發(fā)射天線的極化匹配問題，對于線天線，當(dāng)兩者的極化存在失配角時(shí)，分解到入射平面的分量在這個(gè)切向分量的作用下,天線元段dz上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢第七十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日

設(shè)在入射場的作用下,接收天線上的電流分布為I(z),并假設(shè)電流初相為零,則接收天線從入射場中吸收的功率由上述分析得整個(gè)天線吸收的功率為根據(jù)電磁場的邊值理論,天線在接收狀態(tài)下的電流分布應(yīng)和發(fā)射時(shí)相同。因此假設(shè)接收天線的電流分布為I(z)=Imsink(l-|z|)第七十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日

2.有效接收面積(從能流密度矢量的角度，接受的最大功率可以換算為有效接受面積）

有效接收面積是衡量一個(gè)天線接收無線電波能力的重要指標(biāo)。它的定義為:當(dāng)天線以最大接收方向?qū)?zhǔn)來波方向進(jìn)行接收時(shí),接收天線傳送到匹配負(fù)載的平均功率為PLmax,并假定此功率是由一塊與來波方向相垂直的面積所截獲,則這個(gè)面積就稱為接收天線的有效接收面積,記為Ae,即有

式中,Sav為入射到天線上電磁波的時(shí)間平均功率流密度，其值為（6-4-9）（6-4-10）方向上匹配時(shí)第七十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日

根據(jù)圖6-12接收天線的等效電路,傳送到匹配負(fù)載的平均功率（考慮天線本身的損耗）為（最大方向?qū)?zhǔn)，極化匹配，阻抗匹配）第七十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日等效噪聲溫度天線除了能夠接收無線電波之外，還能夠接收來自空間各種物體的噪聲信號。外部噪聲通過天線進(jìn)人接收機(jī)，因此，又稱天線噪聲。天線接收的噪聲功率的大小可以用天線的等效噪聲溫度了Ta來表示是接收天線的特殊參數(shù)。宇宙氣體星體輻射太陽輻射高壓線放電式光電視臺大氣噪聲閃電熱噪聲點(diǎn)火噪聲放大器噪聲地面熱噪聲TR（1）接收天線復(fù)雜的電磁環(huán)境外部噪聲包含有各種成分，例如：地面上有其它電臺信號以及各種電氣設(shè)備工作時(shí)的工業(yè)輻射,它們主要分布在長、中、短波波段；宇宙輻射（太陽系，銀河系，河外星系）輻射的電磁波，空間中有大氣雷電放電以及地面噪聲，它們主要分布在微波及稍低于微波的波段。第七十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日（2）電路中的噪聲問題有一個(gè)噪聲電阻R，則電子無規(guī)則熱運(yùn)動在電阻兩端產(chǎn)生一個(gè)熱電壓