天線基本特性-1

天線基本特性

電子科技大學(xué)喻志遠(yuǎn)2013.7天線基本特性1.天線的輻射2.天線的增益;3.天線有效面積4.路徑損耗；5.雷達(dá)距離方程和散射截面定義；6.天線功能；7.方向系數(shù)8.方向系數(shù)估計(jì)9.波束效率10.天線輸入阻抗11.天線極化12.矢量有效高度13.天線因子14.天線的互耦合15.天線的噪聲溫度16.通信鏈路和雷達(dá)作用距離17.多徑效應(yīng)18.地面?zhèn)鞑?9多徑衰落波的輻射相關(guān)規(guī)定１.與時(shí)間相關(guān)的相量為ejωt2.向外傳播的波用

e-j(kR-ωt)來表示；３.k為波數(shù)k=2π/λ,λ為波長(zhǎng)，如f為工作頻率，則

λ＝c/f天線的輻射由電流產(chǎn)生輻射波是一非常重要的概念。它是一互易器件：即電流可以產(chǎn)生電磁波的輻射，而電磁波也可以一導(dǎo)體上激勵(lì)起電流。天線設(shè)計(jì)的任務(wù)就是在適當(dāng)?shù)奶炀€結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生預(yù)期的電磁輻射波(方向圖，阻抗帶寬，增益等滿足預(yù)給的要求)只考慮時(shí)諧場(chǎng)：其中R是傳播距離；k是波數(shù)為2π/λ；

zxy觀察點(diǎn)P

R天線位置Arr'波的輻射電磁波以1/R2的速率衰減，并傳輸。輻射強(qiáng)度僅與輻射方向相關(guān)，而與距離無關(guān)！天線的探測(cè)將探針繞天線旋轉(zhuǎn)可測(cè)出天線在不同方向上的輻射，而更一般的是旋轉(zhuǎn)天線而固定探針。（這兩種方法是等效的，為什么？）輻射強(qiáng)度天線的波瓣主瓣與副瓣半功率寬度與零點(diǎn)寬度旁瓣電平偏軸饋電拋物面天線方向圖？天線設(shè)計(jì)中的主要信息１.所有方向上的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)度，即天線的方向圖；２.總的輻射功率；３.天線的輸入阻抗；４.與上述三點(diǎn)相關(guān)的天線的帶寬；５.輻射效率：天線的輻射功率與天線所耗散的功率之比６.對(duì)高功率天線而言，在空氣中的關(guān)鍵位置，最大的電場(chǎng)強(qiáng)度，可能引起空氣的電暈或介質(zhì)的擊穿。坡印廷矢量的坐標(biāo)關(guān)系電場(chǎng)磁場(chǎng)與坡印廷矢量形成右手坐標(biāo)關(guān)系BecausethePoyntingvectoristhevectorproductofthetwofields,itisorthogonaltobothfieldsandthetripletdefinesaright-handedcoordinateatesystem:(E,H,S).Poyntingesaright-handedctTriplet三個(gè)一組的a多個(gè)tesystem:(E,H,S).SExHy無方向天線的方向圖*關(guān)于Ｈ面和Ｅ面方向圖三維波瓣

三維方向圖X-Y平面方向圖dBi和dBd是功率增益的單位，兩者都是相對(duì)值，但參考基準(zhǔn)不一樣。dBi的參考基準(zhǔn)為全方向性天線；dBd的參考基準(zhǔn)為偶極子。一般認(rèn)為dBi和dBd表示同一個(gè)增益，用dBi表示的值比dBd用表示的值要大2.15，（即dBi=dBd+2.15）。Z-Y平面方向圖Φ＝900輻射強(qiáng)度的定義在天線理論中，坡印廷矢量S，也可以認(rèn)為是天線的輻射強(qiáng)度，顯然它與觀察點(diǎn)到天線的距離相關(guān)。為了去掉距離因素，我們常用U來表示輻射強(qiáng)度以O(shè)點(diǎn)為頂點(diǎn)的立體角元就是它在以O(shè)為球心的單位球上的投影面積球坐標(biāo)下，dΩ=sinθdθdφ天線的增益天線的增益用字母G，來表示。它是方位角φ和高低角θ的函數(shù)。天線增益是對(duì)天線向給定方向輻射電磁能的能力的自然力衡量。θhIφBalanis:AntennaTheory,2005,p62(1-2)天線的效率天線的效率是天線輻射出去的電磁功率Pr與天線輸入功率P0之比whereε0=totalefficiency(dimensionless)εr=reflection(mismatch)efficiency=(1?|Γ|2)(dimensionless)εc=conductionefficiency(dimensionless)εd=dielectricefficiency(dimensionless)Γ=voltagereflectioncoefficientattheinputterminalsoftheantennaΓ=(Zin?Z0)/(Zin+Z0)whereZin=antennainputimpedance,Z0=characteristicimpedanceofthetransmissionline]損耗與失配是影響天線效率的兩大因素！坡印廷矢量電磁波的輻射可以用坡印廷矢量來描述。它代表電磁波在觀察點(diǎn)的輻射方向和輻射功率密度Rootmeansquare(RMS：均方根)valuesareusedtoexpressthemagnitudeofthefields.H?is

thecomplexconjugateofthemagneticfieldphasor.Themagneticfieldisproportional

totheelectricfieldinthefarfield.Theconstantofproportionisη,theimpedanceoffreespace(η=376.73):天線的增益定義增益是衡量天線向特定方向輻射能量的能力的參量這里假定天線的效率是１，P0是天線輻射功率；Ｓ是天線的電場(chǎng)強(qiáng)度的平方除以自由空間波阻抗。Ｒ是觀察點(diǎn)與天線的距離天線增益計(jì)算例子(p.3)與方向圖相關(guān)的定義(a)Radiationlobesandbeamwidthsofanantennapattern,(b)Linearplotofpowerpattern

anditsassociatedlobesandbeamwidths.(AfterBalanis[7],c1997Wiley)主瓣mainlobe，旁瓣sidelobe，副瓣minorlobe第一零波束寬度firstnullbeamwidth(FNBW),半功率波束寬度Halfpowerbeamwidth(HPBW)近場(chǎng)區(qū)與遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)Inmostcases,theradiationpatternisdeterminedinthefar-fieldregion(Fraunhofer).In

theradiatingnear-fieldregion(Frensnel),theradiationpatternisdifferentduetothesquare

phaseerrorasshowninFigure1.8.D.G.Fang,2010'AntennaTheoryandMicrostripantennas',p.20-21輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)輻射近場(chǎng)區(qū)電抗近場(chǎng)區(qū)天線的有效面積和路徑損耗由1-6式,天線的有效面積為A2是天線2的有效面積，G1是天線1的增益路徑損耗的計(jì)算其中f是工作頻率，以MHz為單位雷達(dá)距離方程RadarRangeEquation

雷達(dá)散射截面RadarCrossSection雷達(dá)的路徑損耗；雙程損耗；單站與雙站雷達(dá)；雷達(dá)散射截面：RCS：即在雷達(dá)發(fā)射波照射下物體的散射面積(m2).它與入射波與反射波的方向相關(guān)。定義為

Ps為等效全向輻射功率（equivalentisotropicradiatedpower(EIRP)）雙站雷達(dá)距離方程單站雷達(dá)距離方程雷達(dá)接收功率正比于1/R4和天線增益G！平板天線的RCS平板有效面積為AR時(shí)的接收功率。(其中下標(biāo)c表示collect收集)平板天線的散射功率為平板天線的雷達(dá)散射截面為天線與有線傳輸?shù)谋容^？例：p7現(xiàn)代光纖傳輸可以做到，每公里的傳輸損耗小于0.3dB成為有線信息傳輸?shù)闹饕侄巍Ｌ炀€方向系數(shù)與平均輻射強(qiáng)度即為輻射功率除以單位球的表面積4π(R=1)輻射強(qiáng)度的分解輻射強(qiáng)度可以分解為主(從)極化和交叉極化輻射強(qiáng)度之和(任意一種極化都可以分解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反，頻率相同，但幅度初相位不相同的圓極化波)C：co-polarization主極化x:cross-polarization交叉極化關(guān)于主極化與交叉極化Analysisofcircularpolarization(CP)utilizestwoindependent,orthogonal,components:right-andleft-handcircular(RHCandLHC).Thedesirablecomponent,havingtheintendedsenceofrotation(right,orleft),iscalledthecopolarizationcomponent.Theundesirablecomponent,withtheoppositepolarization,iscalledthecrosspolarizationcomponent.ThemixofcopolarizationandcrosspolarizationcomponentsdeterminethequalityofCPandcorrelateswiththeaxialratio.1.10輸入阻抗失配損耗與阻抗帶寬當(dāng)天線的阻抗與饋電網(wǎng)絡(luò)失配時(shí)，將產(chǎn)生反射。用電壓反射天線的反射又以電壓駐波比來描述用反射系數(shù)來表示的天線回波損耗為回波損耗=-20lg/ρ/回波損耗又稱為反射損耗，一般以回波損耗小于-10dB,作為天線的阻抗帶寬。(此處應(yīng)為饋電線的特性阻抗)參量比較1。坡印廷矢量與輻射強(qiáng)度兩者相差R22。增益與方向系數(shù)

通常天線的增益是指最大輻射方向上的增益橢圓極化波視為兩個(gè)線極化波的疊加線極化波線極化波圓極化波天線的極化橢圓極化波Thegeneralformofthepolarizedwaveis

ellipticpolarization;inspecialcases,itbecomeslinearpolarizationorcircular

polarization.線極化波Anarbitrarypolarizedelectromagneticwavecanbeexplainedbythesumof

twomutuallyperpendicularlinearlypolarizedwaveswiththesamefrequency

andthesamepropagationcoe±cientbutdifferentamplitudesanddi?erentphaseangles.上面Δ為兩個(gè)電場(chǎng)間的相位差Ψ＝Φ為橢圓主軸與x軸的夾角極化的定義極化是指遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電場(chǎng)的方向隨時(shí)變化的規(guī)律。是對(duì)同一頻率下的波而言的；對(duì)短波而言無極化而言；對(duì)移動(dòng)通信，特別是衛(wèi)星通信要求天線有圓極化特性，以保證通信的可靠性。由于各種原因，實(shí)