第6章復習教材

一、天線的基本理論隨時間變化的電荷或電流激發(fā)出的電磁場，可以脫離場源以電磁波的形式向遠處傳播出去而不再返回場源，我們把這種現(xiàn)象稱為電磁輻射。1.天線的定義

用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。2.天線的基本功能

天線應能將導波能量盡可能多的轉變?yōu)殡姶挪芰?。這首先要求天線是一個良好的“電磁開放系統(tǒng)”，其次要求天線與發(fā)射機匹配或與接收機匹配。天線應使電磁波盡可能集中于所需的方向上，或對所需方向的來波有最大的接受，即天線具有方向性。天線應能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波，即天線有適當?shù)臉O化。天線應有足夠的工作頻帶。3.天線的分類

如果按用途的不同，可將天線分為通信天線、廣播電視天線、雷達天線等；如果按工作波長的不同，可將天線分為長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等。如果按輻射元的類型則天線大致可以分為兩大類：線天線和面天線。4.天線的分析方法

用“場”的分析方法：即麥克斯韋方程加邊界條件。但在實際問題中，往往將條件理想化，進行一些近似處理，從而得到近似結果。

將（A為磁矢位）代入上述第二式得

定義電標位，因而有在線性、均勻各向同性的無耗媒質中，時諧形式的麥克斯韋方程為一旦求得位函數(shù)——磁矢位和電標位，即可求得時變電場和時變磁場。

將和麥克斯韋第一方程，可以得到磁矢位的波動方程利用矢量恒等式得令因而，有洛侖茲條件(Lorentzcondition)位函數(shù)的波動方程又稱為位函數(shù)的非齊次亥姆霍茲方程

(inhomogeneousHelmholtzequation)其中，為無界媒質中的波數(shù)。

類似可以得到電標位的波動方程為

設位函數(shù)由正弦變化的源所產(chǎn)生，上述波動方程變?yōu)槿缦滦问?/p>

二、天線的電參數(shù)

天線的基本功能是把經(jīng)饋線從發(fā)射機輸送過來的高頻導波能量以電磁波形式向周圍定向輻射出去，或將空間的電磁波轉換為高頻導波能量輸送給接收機。天線的電參數(shù)就是能定量表征其能量轉換和定向輻射能力的量。本節(jié)內容主瓣寬度旁瓣電平前后比方向系數(shù)方向圖天線效率極化特性頻帶寬度輸入阻抗1.天線方向圖(directionalpattern)

方向圖：指在離天線一定距離處，輻射場的相對場強即歸一化場強的大小隨方向變化的曲線圖。

一般是三維的立體方向圖。但通常情況下，均采用通過天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面即所謂“主平面”來表示。

在超高頻天線中，通常采用與場矢量相平行的兩個主平面，即

E平面所謂E平面就是電場矢量所在的平面。H平面所謂H平面就是磁場矢量所在的平面。

電基本振子立體方向圖

沿z軸放置的電基本振子的E平面和H平面方向圖。

電基本振子E面方向圖在給定距離處，無關的歸一化場強值電基本振子H面方向圖在給定距離處，對于的歸一化場強值也無關(1)主瓣寬度(mainlobewidth)天線方向圖通常有一個主要最大值和若干個次要最大值。頭兩個零值之間的最大輻射區(qū)域是主瓣，其它次要的最大值區(qū)域都是旁瓣。主瓣寬度：通常它取方向圖主瓣兩個半功率(即-3dB)點之間的寬度，在場強方向圖中，等于最大場強的兩點之間的寬度，稱為半功率波瓣寬度。旁瓣電平(sidelobelevel)：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。前后比(front-to-backratio)：是指最大輻射方向(前向)電平與其相反方向(后向)電平之比，通常以分貝數(shù)表示。討論旁瓣區(qū)是指不需要輻射的區(qū)域，所以其電平應盡可能的低，且實際天線方向圖一般有這樣一個規(guī)律：即離主瓣愈遠的旁瓣的電平愈低。第一旁瓣電平的高低，在某種意義上反映了天線方向性的好壞。上述參數(shù)雖能在一定程度上反映天線的定向輻射的狀態(tài)，但它們都不能獨立地表明天線集束能量的能力。(2)方向系數(shù)

(directionalcoefficient)

設天線的歸一化方向函數(shù)為，則其方向系數(shù)的一般表達式為：

方向系數(shù)

：在離天線某一距離處，實際天線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方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度S0之比，記為D，即：

結論：要使天線的方向系數(shù)大，不僅要求主瓣窄，而且要求全空間的旁瓣電平小。方向系數(shù)的常用表示法方向系數(shù)常用分貝來表示，這需要選擇一個參考源，常用的參考源是各向同性輻射源和半波偶極子。通常情況下，如果不特別說明，dB指的是dBi。

若以半波偶極子(dipole，其方向系數(shù)為1.64)為參考，分貝表示為dBd，即若以各向同性源(isotropic，其方向系數(shù)為1)為參考，分貝表示為dBi，即仿照引入輻射電阻的辦法，損耗電阻Rl

，天線效率為：其中，Pl為歐姆損耗。2.天線效率(efficiency)

天線效率：天線輻射功率與輸入功率Pin之比，記為實際中，常用天線的輻射電阻來度量天線輻射功率的能力。輻射電阻與輻射功率的關系為

結論：要提高天線效率，應盡可能提高輻射電阻，降低損耗電阻。

3.增益系數(shù)(gaincoefficient)

增益系數(shù)：方向系數(shù)與天線效率的乘積，記為G，即結論

天線的增益系數(shù)描述了一個實際天線與理想的無方向性天線相比，在最大輻射方向上將輸入功率放大的倍數(shù)。這就是說：一個輸入功率為10W的理想的無方向性天線與一個增益為10、輸入功率為1W的天線在最大輻射方向上具有相同的效果。因此，使用高增益天線可以減小輸入功率。一個增益為G的天線在最大輻射方向上的場強為

4.極化和交叉極化電平

(polarizationandcross-polarizationlevel)

極化：在空間某一固定位置上，天線在最大輻射方向上的電場矢量的末端隨時間變化所描繪的圖形，如果是直線，就稱為線極化；如果是圓就稱為圓極化；如果是橢圓就稱為橢圓極化。天線分為：線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線。

架設在地面上的天線:其輻射電場平行于地面—水平極化天線；其輻射電場垂直于地面—垂直極化天線。理想情況下，線極化意味著只有一個方向，但通常是不可能的。對線極化，交叉極化電平?jīng)Q定了極化的純度。例如一個垂直極化天線，交叉極化電平（cross-polarizationlevel）是由于在水平方向有電場分量，一般交叉極化電平是一個測量值，它比同極化電平(co-polarizationlevel)要小。圓極化和橢圓極化都可分為左旋和右旋。右旋極化天線只能輻射和接收右旋極化波。當右旋極化波入射到一個對稱目標上時，反射波是反旋向的。5.頻帶寬度(frequencybandwidth)

天線的電參數(shù)都與頻率有關，也就是說，上述電參數(shù)都是針對某工作頻率設計的。當工作頻率偏離設計頻率時，往往要引起天線各個參數(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。當工作頻率變化時，天線的有關電參數(shù)不超出規(guī)定范圍的頻率范圍稱為頻帶寬度，簡稱為天線的帶寬。

在通信和雷達中，通常是采用線極化天線；但如果通信的一方是劇烈擺動或高速運動著的，為了提高通信的可靠性，發(fā)射和接收都應采用圓極化天線，在人造衛(wèi)星、宇宙飛船和彈道導彈等空間遙測技術中，由于信號通過電離層后會產(chǎn)生法拉第旋轉效應，因此其發(fā)射和接收也采用圓極化天線。6.輸入阻抗與駐波比

(inputimpedanceandstandingwaveratio)

天線輸入阻抗就是在天線的兩個輸入端點向網(wǎng)絡看進去的阻抗值。

天線的輸入阻抗對頻率的變化往往十分敏感，當天線工作頻率偏離設計頻率時，天線與傳輸線的匹配變壞，致使傳輸線上電壓駐波比增大，天線效率降低。通常情況下，可以容許的失配(unmatch)狀態(tài)是駐波比小于1.5。

其電壓駐波比為假設天線的輸入阻抗為Zin，用特性阻抗為Z0的傳輸線將天線連接到信號源上，天線輸入端反射系數(shù)為7.有效長度(effectivelength)有效長度：在保持實際天線最大輻射方向上的場強值不變的條件下，假設天線上電流分布為均勻分布時天線的等效長度。有效長度愈長，表明天線的輻射能力愈強。

有效長度是把天線在最大輻射方向上的場強和電流聯(lián)系起來的一個參數(shù)。歸于波腹電流Im通常，將歸于輸入電流I01.無線電波在自由空間的傳播將收、發(fā)天線置于自由空間中，假設發(fā)射天線的增益為Gt、輸入功率為Pin

，接收天線的增益系數(shù)為Gr

，并假設饋線與天線良好匹配，且兩天線的最大輻射方向相對、極化最佳匹配，則在距離發(fā)射天線r處的接收天線所接收的功率為三、電波傳播的基本概念自由空間的基本傳輸損耗(freespacepathloss)：輸入功率與接收功率之比將上式取對數(shù)得結論若不考慮天線的因素，則自由空間的傳輸損耗，是球面波在傳播的過程中，隨著距離的增大能量自然擴散而引起的，它反映了球面波的擴散損耗。該損耗與電磁波的工作頻率也成正比，頻率愈高傳輸損耗愈大。

[例7-1]某衛(wèi)星通信，發(fā)射天線的增益為22dB，接收天線的增益為18dB，收發(fā)距離為14500km，載波中心頻率為5.904GHz，求

自由空間的基本傳輸損耗為多少？若發(fā)射機發(fā)射功率為25W，輸入到接收機的功率為多少？

解：自由空間的基本傳輸損耗為接收機輸入功率為前三項為自由空間損耗Lbf

，A為實際信道的損耗，不同的傳播方式、傳播媒質，信道的傳輸損耗是不同的。

2.傳輸媒質對電波傳播的影響

在傳播距離、工作頻率、發(fā)射天線、輸入功率和接收天線都相同的情況下，設接收點的實際場強為E、功率為，而自由空間的場強為E0、功率為Pr，信道衰減因子A為

(1)信道損耗(channelloss)(2)衰落現(xiàn)象衰落(fading)：一般是指信號電平隨時間的隨機起伏。大致可分為：吸收型衰落和干涉型衰落。

吸收型衰落：主要是由于傳輸媒質電參數(shù)的變化，使得信號在媒質中的衰減發(fā)生相應的變化而引起。這種機理引起的信號電平的變化較慢，稱為慢衰落，它通常指信號電平的中值（五分鐘中值、小時中值、月中值等）在較長時間間隔內的起伏變化。

干涉型衰落，主要由隨機多徑干涉現(xiàn)象引起的。在某些傳輸方式中，由于收、發(fā)兩點間存在若干條傳播路徑，典型的如天波傳播、移動通信信道等；且在這些傳播方式中，傳輸路徑具有隨機性，因此使到達接收點的各路徑信號的時延隨機變化，致使合成信號幅度和相位都發(fā)生隨機起伏。這種起伏的周期很短，信號電平變化很快，故稱為快衰落。(3)傳輸失真(distortion)無線電波通過媒質除產(chǎn)生傳輸損耗外，還會產(chǎn)生失真。包括振幅失真和相位失真。產(chǎn)生失真的原因有：媒質的色散效應和隨機多徑傳輸效應。

色散效應：不同頻率的無線電波在媒質中的傳播速度有差別而引起的信號失真。一般情況下，信號帶寬不能超過，稱之為容許帶寬，即最大時延為(4)電波傳播方向的變化在研究實際傳輸媒質對電波傳播的影響問題時，電波傳播方向的變化也是重要內容之一。電波傳播方向改變邊緣繞射表面波爬行粗糙地面的散射四、天線

線天線8.1對稱振子天線8.2陣列天線8.3直立天線與水平振子天線8.4引向天線與電視天線8.5移動通信基站天線8.6螺旋天線8.7行波天線8.8寬帶天線8.9縫隙天線8.10微帶天線8.11智能天線

8.1對稱振子天線

對稱振子(dipole)天線是由兩根粗細和長度都相同的導線構成，中間為兩個饋電端如圖所示。這是一種得到廣泛應用且結構簡單的基本線天線。~~對稱振子電流分布按正弦駐波分布細振子天線可看成是開路傳輸線逐漸張開而成8.2陣列天線

由若干輻射單元按某種方式排列所構成的系統(tǒng)稱為天線陣(antennaarrays)。構成天線陣的輻射單元稱為天線元或陣元。將形狀與尺寸相同、且以相同姿態(tài)排列的各陣元稱為相似元。

對稱振子天線元~~~~~8.11智能天線

1、智能天線(intelligent