《電磁場(chǎng)與電磁波》課件-9.4節(jié)

9.4接收天線理論

接收天線與發(fā)射天線具有互易特性，即同一天線作為發(fā)射與接收時(shí)的電參數(shù)是相同的，因此上面很多特性參數(shù)對(duì)接收天線也適用。本節(jié)主要內(nèi)容天線接收的物理過(guò)程

有效接收面積

弗里斯（Friis）傳輸公式

等效噪聲溫度

接收天線的方向性

天線接收的物理過(guò)程

沿天線導(dǎo)體表面的電場(chǎng)切線分量在天線上激起電流，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(dòng)勢(shì)e=-Ezdz。設(shè)入射電場(chǎng)分為兩個(gè)分量：垂直于射線與天線軸所構(gòu)成平面的分量E1和在上述平面內(nèi)的分量E2。在入射場(chǎng)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，則接收天線吸收的功率為dP=-eI(z)。整個(gè)天線吸收的功率為

天線接收的物理過(guò)程根據(jù)電磁場(chǎng)的邊界條件，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

接收功率為接收天線輸入電動(dòng)勢(shì)為有效長(zhǎng)度的定義，有在最大接收方向上電動(dòng)勢(shì)的最大值為天線接收的物理過(guò)程設(shè)接收天線的歸一化方向函數(shù)為，接收電動(dòng)勢(shì)為如果假設(shè)發(fā)射天線的最大輻射場(chǎng)強(qiáng)為，歸一化方向函數(shù)為，則接收天線的接收電動(dòng)勢(shì)為：當(dāng)兩天線極化正交時(shí)，，天線收不到信號(hào)。

設(shè)入射波電場(chǎng)矢量為Ei=aiEi，接收天線的極化方向?yàn)閍p，定義極化失配因子天線接收的等效電路天線接收的功率實(shí)際可分為三部分：

其中，為接收天線的再輻射功率；為負(fù)載吸收的功率；饋線的反射、極化失配等的損耗功率。在接收狀態(tài)下天線輸入阻抗相當(dāng)于接收電動(dòng)勢(shì)的內(nèi)阻抗。圖中Z0為包括輻射阻抗和損耗電阻Rl0在內(nèi)的接收天線輸入阻抗ZL是負(fù)載阻抗。[例9-5]

設(shè)入射波為右旋圓極化，即，求接收天線分別為左旋圓極化、右旋圓極化和線極化時(shí)的極化失配因子。接收天線對(duì)接收波為左旋圓極化，即若接收天線為右旋圓極化，即解：入射波對(duì)接收天線來(lái)說(shuō)為左旋圓極化波。其極化失配因子為[例9-5]（續(xù)）入射波對(duì)接收天線來(lái)說(shuō)為左旋圓極化波。其極化失配因子為這是理想的極化匹配狀態(tài)如果接收天線為線極化，設(shè)因此，用線極化天線接收?qǐng)A極化波時(shí)，將產(chǎn)生3dB的功率損耗

有效接收面積(activereceivearea)

設(shè)接收天線的方向函數(shù)為，則可見，如果已知天線的方向系數(shù)，就可知道天線的有效接收面積。例如，電基本振子的方向系數(shù)為當(dāng)天線以最大接收方向?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)面積就稱為接收天線的有效接收面積，記為Ae，即有：

用天線的方向系數(shù)表示為

弗里斯（Friis）傳輸公式

發(fā)射天線的總功率饋線接收天線的有效接收面積收、發(fā)兩天線的最大方向?qū)?zhǔn)且極化匹配，接收機(jī)輸送給匹配負(fù)載的最大功率為弗里斯傳輸公式單位面積上的入射功率等效噪聲溫度

其中，為波耳茲曼常數(shù)，而為與天線相連的接收機(jī)的帶寬。設(shè)接收天線等效為一個(gè)溫度為Ta的噪聲電阻R，接收天線向與其匹配的接收機(jī)輸送的噪聲功率Pn就等于該電阻所輸送的最大噪聲功率即噪聲源分布在天線周圍的空間，天線的等效噪聲溫度為

其中，為噪聲源的溫度空間分布函數(shù)。為天線的歸一化方向函數(shù)。Ta取決于天線周圍空間的噪聲源的強(qiáng)度和分布；也與天線的方向性有關(guān)！結(jié)論顯然，等效噪聲溫度Ta愈高，天線送至接收機(jī)的噪聲功率愈大，反之愈小。天線的噪聲溫度還隨頻率和天線在天空中瞄準(zhǔn)方向而變。為了減小通過(guò)天線而送入接收機(jī)的噪聲，天線的最大輻射方向不能對(duì)準(zhǔn)強(qiáng)噪聲源，并應(yīng)盡量降低旁瓣和后瓣電平。接收天線的方向性(directivity)

接收天線的方向性：主瓣寬度盡可能窄，以抑制干