天線(xiàn)輻射與接收理論

天線(xiàn)輻射與接收理論第一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第6章天線(xiàn)輻射與接收的基本理論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(lèi):一類(lèi)是在相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)中用各種傳輸線(xiàn)來(lái)傳遞信息,即所謂的有線(xiàn)通信,如電話(huà)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)等有線(xiàn)通信系統(tǒng);另一類(lèi)是依靠電磁輻射通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波來(lái)傳遞信息,即所謂的無(wú)線(xiàn)通信,如電視、廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航、衛(wèi)星等無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。在如圖6-1所示的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中,需要將來(lái)自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線(xiàn)電波,或者將無(wú)線(xiàn)電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量,用來(lái)輻射和接收無(wú)線(xiàn)電波的裝置稱(chēng)為天線(xiàn)。第二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖6–1無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)框圖第三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻電流能量（或?qū)Р芰浚┙?jīng)饋線(xiàn)傳輸?shù)桨l(fā)射天線(xiàn),通過(guò)天線(xiàn)將其轉(zhuǎn)換為某種極化的電磁波能量,并向所需方向輻射出去。到達(dá)接收點(diǎn)后,接收天線(xiàn)將來(lái)自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉(zhuǎn)換為已調(diào)制的高頻電流能量,經(jīng)饋線(xiàn)輸送至接收機(jī)輸入端。天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的重要設(shè)備,它的選擇與設(shè)計(jì)是否合理,對(duì)整個(gè)無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)的性能有很大的影響,若天線(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng),就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。綜上所述,天線(xiàn)應(yīng)有以下功能:①天線(xiàn)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(xiàn)是一個(gè)良好的電磁開(kāi)放系統(tǒng),其次要求天線(xiàn)與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配。第四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二②天線(xiàn)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(lái)波最大限度的接受,即天線(xiàn)具有方向性。③天線(xiàn)應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波,即天線(xiàn)有適當(dāng)?shù)臉O化。④天線(xiàn)應(yīng)有足夠的工作頻帶。

以上四點(diǎn)是天線(xiàn)最基本的功能,據(jù)此可定義若干參數(shù)作為設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)天線(xiàn)的依據(jù)。通信的飛速發(fā)展對(duì)天線(xiàn)提出了許多新的要求,天線(xiàn)的功能也不斷有新的突破。除了完成高頻能量的轉(zhuǎn)換外,還要求天線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)傳遞的信息進(jìn)行一定的加工和處理,如信號(hào)處理天線(xiàn)、單脈沖天線(xiàn)、自適應(yīng)天線(xiàn)和智能天線(xiàn)等。特別是自1997年以來(lái),第三代移動(dòng)通信技術(shù)逐漸成為國(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),而智能天線(xiàn)正是實(shí)現(xiàn)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。第五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二天線(xiàn)的種類(lèi)很多，按用途可將天線(xiàn)分為通信天線(xiàn)、廣播電視天線(xiàn)、雷達(dá)天線(xiàn)等;按工作波長(zhǎng),可將天線(xiàn)分為長(zhǎng)波天線(xiàn)、中波天線(xiàn)、短波天線(xiàn)、超短波天線(xiàn)和微波天線(xiàn)等；按輻射元的類(lèi)型可將天線(xiàn)分為兩大類(lèi):線(xiàn)天線(xiàn)和面天線(xiàn)。所謂線(xiàn)天線(xiàn)是由半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的金屬導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成,主要用于長(zhǎng)波、中波和短波波段;面天線(xiàn)是由尺寸大于波長(zhǎng)的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的,主要用于微波波段,超短波波段則兩者兼用。把天線(xiàn)和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)連接起來(lái)的系統(tǒng)稱(chēng)為饋線(xiàn)系統(tǒng)。饋線(xiàn)的形式隨頻率的不同而分為雙導(dǎo)線(xiàn)傳輸線(xiàn)、同軸線(xiàn)傳輸線(xiàn)、波導(dǎo)或微帶線(xiàn)等。由于饋線(xiàn)系統(tǒng)和天線(xiàn)的聯(lián)系十分緊密,有時(shí)把天線(xiàn)和饋線(xiàn)系統(tǒng)看成是一個(gè)部件,統(tǒng)稱(chēng)為天線(xiàn)饋線(xiàn)系統(tǒng),簡(jiǎn)稱(chēng)天饋系統(tǒng)。第六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二研究天線(xiàn)問(wèn)題,實(shí)質(zhì)上是研究天線(xiàn)在空間所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布?？臻g任一點(diǎn)的電磁場(chǎng)都滿(mǎn)足麥克斯韋方程和邊界條件,因此,求解天線(xiàn)問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是求解電磁場(chǎng)方程并滿(mǎn)足邊界條件,但這往往十分繁雜,有時(shí)甚至是十分困難的。在實(shí)際問(wèn)題中,往往將條件理想化,進(jìn)行一些近似處理,從而得到近似結(jié)果,這是天線(xiàn)工程中最常用的方法；在某些情況下,如果需要較精確的解,可借助電磁場(chǎng)理論的數(shù)值計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行。由于本書(shū)是針對(duì)非微波專(zhuān)業(yè)學(xué)生,所以盡可能地繞過(guò)繁雜的推導(dǎo)、計(jì)算,主要介紹天線(xiàn)的基本概念、基本理論及與現(xiàn)代通信緊密相關(guān)的新技術(shù)及其應(yīng)用。第七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.2基本振子的輻射1.電基本振子電基本振子是一段長(zhǎng)度l遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),電流I振幅均勻分布、相位相同的直線(xiàn)電流元,它是線(xiàn)天線(xiàn)的基本組成部分,任意線(xiàn)天線(xiàn)均可看成是由一系列電基本振子構(gòu)成的。下面首先介紹電基本振子的輻射特性。在電磁場(chǎng)理論中,已給出了在球坐標(biāo)原點(diǎn)O沿z軸放置的電基本振子(圖6-2)在周?chē)臻g產(chǎn)生的場(chǎng)為第八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖6–2電基本振子的輻射第九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（1）近場(chǎng)區(qū)在靠近電基本振子的區(qū)域(kr<<1，即r<<λ/2π)，表達(dá)式近似為：(6-2-2)第十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二對(duì)式（6-2-2）進(jìn)行分析可知:①在近區(qū),電場(chǎng)Eθ和Er與靜電場(chǎng)問(wèn)題中的電偶極子的電場(chǎng)相似,磁場(chǎng)Hφ和恒定電流場(chǎng)問(wèn)題中的電流元的磁場(chǎng)相似,所以近區(qū)場(chǎng)稱(chēng)為準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng);②由于場(chǎng)強(qiáng)與1/r的高次方成正比,所以近區(qū)場(chǎng)隨距離的增大而迅速減小,即離天線(xiàn)較遠(yuǎn)時(shí),可認(rèn)為近區(qū)場(chǎng)近似為零。③電場(chǎng)與磁場(chǎng)相位相差90°，說(shuō)明玻印廷矢量為虛數(shù),也就是說(shuō),電磁能量在場(chǎng)源和場(chǎng)之間來(lái)回振蕩,沒(méi)有能量向外輻射,所以近區(qū)場(chǎng)又稱(chēng)為感應(yīng)場(chǎng)。第十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二(2)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)實(shí)際上,收發(fā)兩端之間的距離一般是相當(dāng)遠(yuǎn)的（kr>>1,即r>>λ/2π）,在這種情況下,式（6-2-1）中的1/r2和1/r3項(xiàng)比起1/r項(xiàng)而言,可忽略不計(jì),于是電基本振子的電磁場(chǎng)表示式簡(jiǎn)化為式中,（6-2-3）第十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二將上式代入式（6-2-3）得電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為對(duì)式（6-2-5）進(jìn)行分析可知:第十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二①在遠(yuǎn)區(qū),電基本振子的場(chǎng)只有Eθ和Hφ兩個(gè)分量,它們?cè)诳臻g上相互垂直,在時(shí)間上同相位,所以其玻印廷矢量是實(shí)數(shù),且指向r方向。這說(shuō)明電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是一個(gè)沿著徑向向外傳播的橫電磁波,所以遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱(chēng)輻射場(chǎng);②Eθ/Hφ=η==120π（Ω）是一常數(shù),即等于媒質(zhì)的本征阻抗,因而遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)具有與平面波相同的特性;③輻射場(chǎng)的強(qiáng)度與距離成反比,隨著距離的增大,輻射場(chǎng)減小。這是因?yàn)檩椛鋱?chǎng)是以球面波的形式向外擴(kuò)散的,當(dāng)距離增大時(shí),輻射能量分布到更大的球面面積上;第十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二④在不同的方向上,輻射強(qiáng)度是不相等的。這說(shuō)明電基本振子的輻射是有方向性的。2.磁基本振子的場(chǎng)在討論了電基本振子的輻射情況后,現(xiàn)在再來(lái)討論一下磁基本振子的輻射。我們知道,在穩(wěn)態(tài)電磁場(chǎng)中,靜止的電荷產(chǎn)生電場(chǎng),恒定的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。那么,是否有靜止的磁荷產(chǎn)生磁場(chǎng),恒定的磁流產(chǎn)生電場(chǎng)呢？迄今為止還不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是,如果引入這種假想的磁荷和磁流的概念,將一部分原來(lái)由電荷和電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)用能夠產(chǎn)生同樣電磁場(chǎng)的磁荷和磁流來(lái)取代,即將“電源”換成等效“磁源”,可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算工作。第十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二穩(wěn)態(tài)場(chǎng)有這種特性,時(shí)變場(chǎng)也有這種特性。小電流環(huán)的輻射場(chǎng)與磁偶極子的輻射場(chǎng)相同。磁基本振子是一個(gè)半徑為b的細(xì)線(xiàn)小環(huán),且小環(huán)的周長(zhǎng)滿(mǎn)足條件：2πb<<λ,如圖6-3所示。假設(shè)其上有電流i(t)=Icosωt,由電磁場(chǎng)理論,其磁偶極矩矢量為

根據(jù)電與磁的對(duì)偶性原理,只要將電基本振子場(chǎng)的表達(dá)式（6-2-1）中的E換為η2H,H換為-E,并將電偶極矩p=Il/(jω)換為磁偶極矩pm,就可以得到沿z軸放置的磁基本振子的場(chǎng):第十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖6–3磁基本振子的輻射第十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二與電基本振子做相同的近似得磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為:第十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二比較電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)Eθ與磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)Eφ,可以發(fā)現(xiàn)它們具有相同的方向函數(shù)|sinθ|,而且在空間相互正交,相位相差90°。所以將電基本振子與磁基本振子組合后,可構(gòu)成一個(gè)橢圓（或圓）極化波天線(xiàn),具體將在第8章中介紹。第二十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.3天線(xiàn)的電參數(shù)1.天線(xiàn)方向圖及其有關(guān)參數(shù)所謂天線(xiàn)方向圖，是指在離天線(xiàn)一定距離處,輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變化的曲線(xiàn)圖,通常采用通過(guò)天線(xiàn)最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂直的平面方向圖來(lái)表示。1)在地面上架設(shè)的線(xiàn)天線(xiàn)一般采用兩個(gè)相互垂直的平面來(lái)表示其方向圖（1）水平面當(dāng)仰角Δ及距離r為常數(shù)時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度隨方位角φ的變化曲線(xiàn),參見(jiàn)圖6-4;第二十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）鉛垂平面當(dāng)φ及r為常數(shù)時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度隨仰角Δ的變化曲線(xiàn),參見(jiàn)圖6-4。2)超高頻天線(xiàn),通常采用與場(chǎng)矢量相平行的兩個(gè)平面來(lái)表示（1）E平面所謂E平面，就是電場(chǎng)矢量所在的平面。對(duì)于沿z軸放置的電基本振子而言,子午平面是E平面。（2）H平面所謂H平面，就是磁場(chǎng)矢量所在的平面。對(duì)于沿z軸放置的電基本振子,赤道平面是H面。第二十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖6-4坐標(biāo)參考圖第二十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二[例6-1］畫(huà)出沿z軸放置的電基本振子的E平面和H平面方向圖。解:①E平面方向圖:在給定r處,Eθ與φ無(wú)關(guān);Eθ的歸一化場(chǎng)強(qiáng)值為|Eθ|=|sinθ|這是電基本振子的E平面方向圖函數(shù),其E平面方向圖如圖6-5（a）所示。②H平面方向圖:第二十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖6-5(a)電基本振子E平面方向圖；(b)電基本振子H平面方向圖；(c)電基本振子立體方向圖第二十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二在給定r處,對(duì)于θ=π/2,Eθ的歸一化場(chǎng)強(qiáng)值為|sinθ|=1,也與φ無(wú)關(guān)。因而H平面方向圖為一個(gè)圓,其圓心位于沿z方向的振子軸上,且半徑為1,如圖6-5（b）所示。實(shí)際天線(xiàn)的方向圖一般要比圖6-5復(fù)雜。典型的H平面方向圖如圖6-6（a）所示,這是在極坐標(biāo)中Eθ的歸一化模值隨φ變化的曲線(xiàn),通常有一個(gè)主要的最大值和若干個(gè)次要的最大值。頭兩個(gè)零值之間的最大輻射區(qū)域是主瓣（或稱(chēng)主波束）,其它次要的最大值區(qū)域都是旁瓣（或稱(chēng)邊瓣、副瓣）。為了分析方便,將圖6-6（a）的極坐標(biāo)圖畫(huà)成直角坐標(biāo)圖,即圖6-6(b)所示。第二十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

圖6-6(a)極坐標(biāo)表示的H平面方向圖；(b)直角坐標(biāo)H平面方向圖；(c)直角坐標(biāo)H平面方向圖第二十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二3)天線(xiàn)的方向圖參數(shù)為了方便對(duì)各種天線(xiàn)的方向圖特性進(jìn)行比較,就需要規(guī)定一些特性參數(shù)。這些參數(shù)有:主瓣寬度、旁瓣電平、前后比及方向系數(shù)等。(1)主瓣寬度主瓣寬度是衡量天線(xiàn)的最大輻射區(qū)域的尖銳程度的物理量。通常它取方向圖主瓣兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的寬度,在場(chǎng)強(qiáng)方向圖中,等于最大場(chǎng)強(qiáng)的兩點(diǎn)之間的寬度,稱(chēng)為半功率波瓣寬度;有時(shí)也將頭兩個(gè)零點(diǎn)之間的角寬作為主瓣寬度,稱(chēng)為零功率波瓣寬度。第二十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二(2)旁瓣電平旁瓣電平是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平,一般以分貝表示。方向圖的旁瓣區(qū)是不需要輻射的區(qū)域,所以其電平應(yīng)盡可能的低,且天線(xiàn)方向圖一般都有這樣一條規(guī)律:離主瓣愈遠(yuǎn)的旁瓣的電平愈低。第一旁瓣電平的高低,在某種意義上反映了天線(xiàn)方向性的好壞。另外,在天線(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用中,旁瓣的位置也很重要。(3)前后比前后比是指最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（后向）電平之比,通常以分貝為單位。上述方向圖參數(shù)雖能在一定程度上反映天線(xiàn)的定向輻射狀態(tài),但由于這些參數(shù)未能反映輻射在全空間的總效果,因此都不能單獨(dú)體現(xiàn)天線(xiàn)集束能量的能力。第三十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二例如,旁瓣電平較低的天線(xiàn)并不表明集束能力強(qiáng),而旁瓣電平小也并不意味著天線(xiàn)方向性必然好。為了更精確地比較不同天線(xiàn)的方向性,需要再定義一個(gè)表示天線(xiàn)集束能量的電參數(shù),這就是方向系數(shù)。（4）方向系數(shù)方向系數(shù)定義為:在離天線(xiàn)某一距離處,天線(xiàn)在最大輻射方向上的輻射功率流密度Smax與相同輻射功率的理想無(wú)方向性天線(xiàn)在同一距離處的輻射功率流密度S0之比,記為D,即第三十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二下面由這個(gè)定義出發(fā),導(dǎo)出方向系數(shù)的一般計(jì)算公式。設(shè)實(shí)際天線(xiàn)的輻射功率為PΣ,它在最大輻射方向上r處產(chǎn)生的輻射功率流密度和場(chǎng)強(qiáng)分別為Smax和Emax;又設(shè)有一個(gè)理想的無(wú)方向性天線(xiàn),其輻射功率為PΣ不變,它在相同的距離上產(chǎn)生的輻射功率流密度和場(chǎng)強(qiáng)分別為S0和E0,其表達(dá)式分別為由方向系數(shù)的定義得第三十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

下面來(lái)求天線(xiàn)的輻射功率PΣ。設(shè)天線(xiàn)歸一化方向函數(shù)為F(θ,φ),則它在任意方向的場(chǎng)強(qiáng)與功率流密度分別為將式（6-3-5）代入上式,則功率流密度的表達(dá)式為在半徑為r的球面上對(duì)功率流密度進(jìn)行面積分,就得到輻射功率:第三十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二將上式代入式（6-3-4）即得天線(xiàn)方向系數(shù)的一般表達(dá)式為由公式（6-3-8）可以看出,要使天線(xiàn)的方向系數(shù)大,不僅要求主瓣窄,而且要求全空間的旁瓣電平小。［例6-2］確定沿z軸放置的電基本振子的方向系數(shù)。解:由上面分析知電基本振子的歸一化方向函數(shù)為:第三十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

|F(θ,φ)|=|sinθ|將其代入方向系數(shù)的表達(dá)式得若以分貝表示,則D=10log101.5=1.76dB?？梢?jiàn),電基本振子的方向系數(shù)是很低的。2.天線(xiàn)效率天線(xiàn)效率定義為天線(xiàn)輻射功率與輸入功率之比,記為ηA，即第三十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二式中,Pi為輸入功率；Pl為歐姆損耗。常用天線(xiàn)的輻射電阻RΣ來(lái)度量天線(xiàn)輻射功率的能力。天線(xiàn)的輻射電阻是一個(gè)虛擬的量,定義如下:設(shè)有一電阻RΣ,當(dāng)通過(guò)它的電流等于天線(xiàn)上的最大電流時(shí),其損耗的功率就等于其輻射功率。顯然,輻射電阻的高低是衡量天線(xiàn)輻射能力的一個(gè)重要指標(biāo),即輻射電阻越大,天線(xiàn)的輻射能力越強(qiáng)。由上述定義得輻射電阻與輻射功率的關(guān)系為

即輻射電阻為第三十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二仿照引入輻射電阻的辦法,損耗電阻Rl為

將上述兩式代入式（6-3-9）得天線(xiàn)效率為可見(jiàn),要提高天線(xiàn)效率,應(yīng)盡可能提高RΣ,降低Rl。［例6-3］確定電基本振子的輻射電阻。解:設(shè)不考慮歐姆損耗,則根據(jù)式（6-2-4）知電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為第三十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二將其代入式（6-3-7）得輻射功率為所以輻射電阻為3.增益系數(shù)增益系數(shù)是綜合衡量天線(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù),它

是方向系數(shù)與天線(xiàn)效率的乘積,記為G,即第三十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

G=D·ηA由上式可見(jiàn):天線(xiàn)方向系數(shù)和效率愈高,則增益系數(shù)愈高?，F(xiàn)在我們來(lái)研究增益系數(shù)的物理意義。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(xiàn)在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為第三十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二假設(shè)天線(xiàn)為理想的無(wú)方向性天線(xiàn)，即D=1，ηA=1，G=1，則它在空間各方向上的場(chǎng)強(qiáng)為可見(jiàn)，天線(xiàn)的增益系數(shù)描述了天線(xiàn)與理想的無(wú)方向性天線(xiàn)相比在最大輻射方向上將輸入功率放大的倍數(shù)。第四十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.極化特性極化特性是指天線(xiàn)在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。具體地說(shuō),就是在空間某一固定位置上,電場(chǎng)矢量的末端隨時(shí)間變化所描繪的圖形。該圖形如果是直線(xiàn),就稱(chēng)為線(xiàn)極化;如果是圓，就稱(chēng)為圓極化;如果是橢圓，就稱(chēng)為橢圓極化。如此按天線(xiàn)所輻射的電場(chǎng)的極化形式,可將天線(xiàn)分為線(xiàn)極化天線(xiàn)、圓極化天線(xiàn)和橢圓極化天線(xiàn)。線(xiàn)極化又可分為水平極化和垂直極化;圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。當(dāng)圓極化波入射到一個(gè)對(duì)稱(chēng)目標(biāo)上時(shí),反射波是反旋向的。在傳播電視信號(hào)時(shí),利用這一特性可以克服由反射所引起的重影。第四十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二⑴線(xiàn)極化：電場(chǎng)矢量只是大小隨時(shí)間變化而取向不變，其端點(diǎn)的軌跡為一直線(xiàn)時(shí)，稱(chēng)為線(xiàn)極化。對(duì)于線(xiàn)極化波，電場(chǎng)矢量在傳播過(guò)程中總是在一個(gè)確定的平面內(nèi)，這個(gè)平面就是電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向和傳播方向所決定的平面，常稱(chēng)為極化平面。因此線(xiàn)極化又稱(chēng)為平面極化。電場(chǎng)矢量與地面垂直時(shí)為垂直極化，與地面平行時(shí)為水平極化。第四十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二⑵圓極化

當(dāng)電場(chǎng)振幅為常量而電場(chǎng)矢量以角速度ω圍繞傳播方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，稱(chēng)為圓極化。在圓極化的情況下，如果在垂直于傳播方向的某一固定平面上觀(guān)察電磁波的電場(chǎng)矢量，則其端點(diǎn)隨著時(shí)間變化在該平面上畫(huà)出的軌跡是一個(gè)圓。如果在某一時(shí)刻沿傳播方向把各處的電場(chǎng)矢量畫(huà)出來(lái)，則電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的軌跡為螺旋線(xiàn)。矢量端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)方向與傳播方向成右手螺旋關(guān)系的叫右旋圓極化波，成左手螺旋關(guān)系的叫左旋圓極化波。第四十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二⑶橢圓極化在一個(gè)周期內(nèi)，電場(chǎng)矢量的大小和方向都在變化，在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的軌跡為一橢圓，則稱(chēng)為橢圓極化波。橢圓極化波可以看作是兩個(gè)頻率相同，但振幅不等、相位不同的互相垂直的線(xiàn)極化波的合成。第四十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二一般來(lái)說(shuō),圓極化天線(xiàn)難以輻射純圓極化波,其實(shí)際輻射的是橢圓極化波,這對(duì)利用天線(xiàn)的極化特性實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)間的電磁隔離是不利的,所以對(duì)圓極化通常又引入橢圓度參數(shù)。在通信和雷達(dá)中,通常是采用線(xiàn)極化天線(xiàn);但如果通信的一方是劇烈擺動(dòng)或高速運(yùn)動(dòng)著的,為了提高通信的可靠性,發(fā)射和接收都應(yīng)采用圓極化天線(xiàn);如果雷達(dá)是為了干擾和偵察對(duì)方目標(biāo),也要使用圓極化天線(xiàn)。另外,在人造衛(wèi)星、宇宙飛船和彈道導(dǎo)彈等空間遙測(cè)技術(shù)中,由于信號(hào)通過(guò)電離層后會(huì)產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng),因此其發(fā)射和接收也采用圓極化天線(xiàn)。第四十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.頻帶寬度天線(xiàn)的電參數(shù)都與頻率有關(guān),也就是說(shuō),上述電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻率設(shè)計(jì)的。當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí),往往要引起天線(xiàn)參數(shù)的變化,例如主瓣寬度增大、旁瓣電平增高、增益系數(shù)降低、輸入阻抗和極化特性變壞等。實(shí)際上,天線(xiàn)也并非工作在點(diǎn)頻,而是有一定的頻率范圍。當(dāng)工作頻率變化時(shí),天線(xiàn)的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱(chēng)為頻帶寬度,簡(jiǎn)稱(chēng)為天線(xiàn)的帶寬。6.輸入阻抗要使天線(xiàn)效率高,就必須使天線(xiàn)與饋線(xiàn)良好匹配,也就是要使天線(xiàn)的輸入阻抗等于傳輸線(xiàn)的特性阻抗,這樣才能使天線(xiàn)獲得最大功率。第四十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二天線(xiàn)的輸入阻抗對(duì)頻率的變化往往十分敏感,當(dāng)天線(xiàn)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí),天線(xiàn)與傳輸線(xiàn)的匹配變壞,致使傳輸線(xiàn)上電壓駐波比增大,天線(xiàn)效率降低。因此在實(shí)際應(yīng)用中,還引入電壓駐波比參數(shù),并且駐波比不能大于某一規(guī)定值。7.有效長(zhǎng)度有效長(zhǎng)度是衡量天線(xiàn)輻射能力的又一個(gè)重要指標(biāo)。天線(xiàn)的有效長(zhǎng)度定義如下:在保持實(shí)際天線(xiàn)最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)值不變的條件下,假設(shè)天線(xiàn)上電流分布為均勻分布時(shí)天線(xiàn)的等效長(zhǎng)度。它是把天線(xiàn)在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)和電流聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)參數(shù),通常將歸于輸入電流I0的有效長(zhǎng)度記為hein,把歸于波腹電流Im的有效長(zhǎng)度記為hem。顯然,有效長(zhǎng)度愈長(zhǎng),表明天線(xiàn)的輻射能力愈強(qiáng)。第四十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二分析：長(zhǎng)度為l，電流分布I(z)為不均勻的實(shí)際天線(xiàn)，其最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為：

對(duì)于等效天線(xiàn)，其電流均勻分布，其最大輻射方向的場(chǎng)強(qiáng)為：

令兩式相等，可得：第四十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二6.4接收天線(xiàn)理論1.天線(xiàn)接收的物理過(guò)程及收發(fā)互易性圖6-9所示為一接收天線(xiàn)，它處于外來(lái)無(wú)線(xiàn)電波Ei的場(chǎng)中,發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)相距甚遠(yuǎn),因此,到達(dá)接收天線(xiàn)上各點(diǎn)的波是均勻平面波。設(shè)入射電場(chǎng)可分為兩個(gè)分量:一個(gè)是垂直于射線(xiàn)與天線(xiàn)軸所構(gòu)成平面的分量E1,另一個(gè)是在上述平面內(nèi)的分量E2。只有沿天線(xiàn)導(dǎo)體表面的電場(chǎng)切線(xiàn)分量Ez=E2sinθ才能在天線(xiàn)上激起電流,在這個(gè)切向分量的作用下,天線(xiàn)元段dz上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε=-Ezdz。第五十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖6–9天線(xiàn)接收原理第五十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二設(shè)在入射場(chǎng)的作用下,接收天線(xiàn)上的電流分布為I(z),并假設(shè)電流初相為零,則接收天線(xiàn)從入射場(chǎng)中吸收的功率由上述分析得整個(gè)天線(xiàn)吸收的功率為式中,因子ejkzcosθ是入射場(chǎng)到達(dá)天線(xiàn)上各元段的波程差。

根據(jù)電磁場(chǎng)的邊值理論,天線(xiàn)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(xiàn)的電流分布為

I(z)=Imsink(l-|z|)

則根據(jù)式（6-4-1）得接收功率為第五十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

因此接收天線(xiàn)輸入電動(dòng)勢(shì)為

根據(jù)上節(jié)有效長(zhǎng)度的定義,有

將式（6-4-5）代入式（6-4-4）得接收天線(xiàn)的表達(dá)式為第五十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

ξ=E2heinF(θ)=EicosψheinF(θ)式中,ψ是入射場(chǎng)Ei與θ的夾角;θ是方向角θ的單位矢量；hein是接收天線(xiàn)歸于輸入電流的有效長(zhǎng)度。F(θ)是接收天線(xiàn)的歸一化方向函數(shù),它等于天線(xiàn)用作發(fā)射時(shí)的方向函數(shù)?？梢?jiàn),接收電動(dòng)勢(shì)E和天線(xiàn)發(fā)射狀態(tài)下的有效長(zhǎng)度成正比,且具有與發(fā)射天線(xiàn)相同的方向性。如果假設(shè)發(fā)射天線(xiàn)的歸一化方向函數(shù)為F(θi),最大入射場(chǎng)強(qiáng)為|Ei|max,則接收天線(xiàn)的接收電動(dòng)勢(shì)為

E=|Ei|max·F(θi)cosψ·heinF(θi)第五十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(dāng)兩天線(xiàn)極化正交時(shí),ψ=90°,E=0,天線(xiàn)收不到信號(hào)。

上述分析清楚地介紹了接收的物理過(guò)程并得出了方向性收發(fā)互易的結(jié)論。天線(xiàn)接收的功率可分為三部分，即P=PΣ+PL+Pl(6-4-8)其中,PΣ為接收天線(xiàn)的再輻射功率;PL為負(fù)載吸收的功率;Pl為導(dǎo)線(xiàn)和媒質(zhì)的損耗功率。接收天線(xiàn)的等效電路如圖6-10所示。圖中Z0為包括輻射阻抗ZΣ0和損耗電阻Rl0在內(nèi)的接收天線(xiàn)輸入阻抗,ZL是負(fù)載阻抗?？梢?jiàn)在接收狀態(tài)下,天線(xiàn)輸入阻抗相當(dāng)于接收電動(dòng)勢(shì)E的內(nèi)阻抗。第五十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖6–10天線(xiàn)的等效電路第五十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.有效接收面積有效接收面積是衡量一個(gè)天線(xiàn)接收無(wú)線(xiàn)電波能力的重要指標(biāo)。它的定義為:當(dāng)天線(xiàn)以最大接收方向?qū)?zhǔn)來(lái)波方向進(jìn)行接收時(shí),接收天線(xiàn)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(lái)波方向相垂直的面積所截獲,則這個(gè)面積就稱(chēng)為接收天線(xiàn)的有效接收面積,記為Ae,即有式中,Sav為入射到天線(xiàn)上電磁波的時(shí)間平均功率流密度，其值為第五十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二根據(jù)圖6-10接收天線(xiàn)的等效電路,傳送到匹配負(fù)載的平均功率（忽略天線(xiàn)本身的損耗）為當(dāng)天線(xiàn)以最大方向?qū)?zhǔn)來(lái)波方向時(shí),接收電動(dòng)勢(shì)為將上述各式代入式（6-4-9）有

所以有第五十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二可見(jiàn),如果已知天線(xiàn)的方向系數(shù),就可知道天線(xiàn)的有效接收面積。