第八章天線基礎.ppt

1、第八章 天線基礎,8.1 天線導引 定義： Websters字典：用來發(fā)送或接受無線電波的金屬棒或電線。 IEEE：一種用來發(fā)送或接受無線電波的工具。,圖8.1.1 天線,8.1.1 天線的類型 1、線形天線,2、口徑天線 3、微帶天線 4、陣列天線,5、反射器天線 6、透鏡天線,8.1.2 輻射機理 取一導線，很薄，則電流又可以表示成 則電流公式可寫為 假如導線的長度為l,則,這個公式簡單地說明要產(chǎn)生輻射就必須有一個時變的電流或者具有加速度的電荷。我們經(jīng)常談到的電流是在時諧狀態(tài)下的，而電荷往往是討論其瞬間的情況。為了使電荷產(chǎn)生加速度，必須使導線彎曲或者使其成V形，還可將其表面制成非連續(xù)型或使

2、其具有終端。當在時諧條件下振蕩時，電荷就會產(chǎn)生周期性的加速度，或者產(chǎn)生時變電流。時域，可以得到如下結論：,1.假如沒有電荷運動，就不可能產(chǎn)生電流，也不會有輻射。 2.假如電荷在導線內(nèi)作勻速運動： a.如果導線是筆直無限長的，就不會有輻射。 b.如果導線被彎曲或制成V形，使其具有終點或?qū)⑵浣財?，以及將其表面制成非連續(xù)型都將產(chǎn)生輻射。 3.假如電荷在瞬時狀態(tài)下振動，即便導線是筆直的也將產(chǎn)生輻射。,8.2 電偶極子的輻射 在幾何長度遠小于波長的線元上載有等幅同相的電流，這就是電偶極子。關于電偶極子產(chǎn)生的電磁場的分析計算，是線形天線工程計算的基礎。 設線元上的電流隨時間作正弦變化，表示為 如圖8.2.

3、1所示，電偶極子沿z軸放置，中心在坐標原點。元的長度為l、橫截面積為 ，故有 則 用 替換，載流線元在點P產(chǎn)生的矢量位為,電偶極子 考慮到lr，故式（8.2.1）可近似為,它在球坐標系中的三個坐標分量為 點p的磁場強度 電場強度為,8.2.1 電偶極子的近區(qū)場 (1) 的區(qū)域稱為近區(qū)，在此區(qū)域中 且 得,由式（8.2.6）和（8.2.7）計算近區(qū)場的 平均功率流密度矢量 此結果表明電偶極子的近區(qū)場沒有電磁功率向外輸出。應該指出，這是忽略了場表示式中的次要因素所導致的結果，而并非近區(qū)場真的沒有凈功率向外輸出。 (2) 的區(qū)域稱為遠區(qū)，在此區(qū)域中 整理得,8.2.2 電偶極子的遠區(qū)場 Kr1的區(qū)域

4、稱為遠區(qū)。 則有此特點：,8.3 磁偶極子的輻射 磁偶極子又稱磁流元，其實際模型是一個小電流圓環(huán)，它的周長遠小于波長，且環(huán)上載有的時諧電流處處等福同相，表示為,8.3.1 小電流環(huán)及其等效磁矩,磁荷為： 磁極間的假象電荷為 根據(jù)電磁對偶原理，自由空間的磁偶極子與自由空間的電偶極子取如下的對偶關系：,8.4 天線的基本參數(shù) 通常是以發(fā)射天線來定義天線的基本參數(shù)的，這些參數(shù)將描述天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量并按要求輻射出去的能力。 1. 方向性函數(shù)和方向性圖 天線輻射特性與空間坐標之間的函數(shù)關系式稱為天線的方向性函數(shù).根據(jù)方向性函數(shù)繪制的圖形則稱為天線的方向性圖。定義天線的方向性函數(shù)：在離開

5、天線一定距離處，描述天線輻射場的相對值與空間方向的函數(shù)關系，稱為方向性函數(shù)，表示為 。,為便于比較不同天線的方向特性，通常采用歸一化方向性函數(shù)。定義為 式中的 為指定距離上某方向 的電場強度值， 為同一距離上的最大電場強度值； 為方向性函數(shù)的最大值。 實際應用的天線的方向性圖要比電偶極子的方向性復雜，出現(xiàn)很多波瓣，分別稱為主瓣和副瓣，有時還將主瓣正后方的波瓣稱為后瓣。,圖8.4.1 典型的功率方向圖,通?？紤]以下幾個參數(shù)： （1）主瓣寬度 主瓣軸線兩側的兩個半功率點（即功率密度下降為最大值的一半或場強下降為最大值的 ）的矢徑之間的夾角，稱為主瓣寬度，表示為 （E面）或 （H面）。主瓣寬度愈小，

6、說明天線輻射的能量愈集中，定向性愈好。電偶極子的主瓣寬度為 。 2）副瓣電平 最大副瓣的功率密度S1和主瓣功率密度S0之比的對數(shù)值，稱為副瓣電平表示為 通常要求副瓣電平盡可能低。,（3）前后比 主瓣功率密度S0與后瓣功率密度Sb之比的對數(shù)值，稱為前后比。表示為 通常要求前后比盡可能大。 2方向性系數(shù) 在相等的輻射功率下，受試天線在其最大輻射方向上某點產(chǎn)生的功率密度與一理想的無方向性天線在同一點產(chǎn)生的功率密度的比值，定義為受試天線的方向性系數(shù)。表示為,式中的Pr和Pr0分別為受試天線和理想的無方向性天線的輻射功率。 故,而理想的無方向性天線的輻射功率為 故 則 上式為計算天線方向性系數(shù)的公式。,

7、則,而 即 對于無方向性天線，D=1,得 比較上兩式可看出，受試天線的方向性系數(shù)，表征該天線在其最大輻射方向上比無方向性天線而言將輻射功率增大的倍數(shù)。,例8.4.1 計算電偶極子的方向性系數(shù) 解：電偶極子的歸一化方向性函數(shù)為 故 若用分貝表示，則為D=10lg1.5=1.76dB. 3.效率 天線的效率定義為天線的輻射功率Pr與輸入功率Pin的比值，表示為,式中的PL為天線的總損耗功率，通常包括天線導體中的損耗和介質(zhì)材料中的損耗。 若把天線向外輻射的功率看作是被某個電阻吸收的功率，該電阻稱為輻射電阻Rr。同樣，把總損耗功率也看作電阻上的損耗功率，該電阻稱為損耗電阻。則有 故天線的效率可表示為

8、可見，要提高天線的效率，應盡可能增大輻射電阻和降低損耗電阻。,4增益系數(shù) 在相同的輸入功率下，受試天線在其最大輻射方向上某點產(chǎn)生的功率密度與一理想的無方向性天線在同一點產(chǎn)生的功率密度的比值，定義為該受試天線的增益系數(shù)。表示為 式中的Pin和Pin0分別為受試天線和理想的無方向性天線的輸入功率 . 考慮天線效率的定義可得: 以及,對于無方向性天線， 故G=1,則 例如，為了在空間一點M處產(chǎn)生某特定值的場強，若采用無方向性天線來發(fā)射需輸入10W的功率；但采用增益系數(shù)G=10的天線發(fā)射，則只需輸入1W的功率。 5輸入阻抗 天線的輸入阻抗定義為天線輸入端的電壓與電流的比值，表示為,式中的Rin表示輸入

9、電阻，Xin表示輸入電抗。 天線的輸入端是指天線通過饋線與發(fā)射機（或接收機）相連時，天線與饋線的連接處。天線作為饋線的負載，通常要求達到阻抗匹配。 6.有效長度 天線的有效長度是衡量天線輻射能力的又一個參數(shù)，它的定義是：在保持實際天線最大輻射方向上的場強不變的條件下，假設天線上的電流為均勻分布，電流的大小等于輸入端的電流，此假想天線的長度le即稱為實際天線的有效長度，,7極化 天線的極化特性是天線在其最大輻射方向上電場矢量的取向隨時間變化的規(guī)律。正如在波的極化中已討論過的，極化就是在空間給定上，電場矢量的端點隨時間變化的軌跡。按軌跡形狀分為線極化、圓極化和橢圓極化。,通常，偏離最大輻射方向時，

10、天線的極化將隨之改變。 8頻帶寬度 線極化天線又分為水平極化和垂直極化天線。圓極化天線又分為右旋圓極化和左旋圓極化天線。 天線的所有電參數(shù)都與工作頻率有關，當工作頻率偏離設計的中心頻率時，往往要引起電參數(shù)的變化。例如，工作頻率改變時，將會引起方向圖畸變、增益系數(shù)降低、輸入阻抗改變等等。 天線的頻帶寬度的一般定義是：當頻率改變時，天線的電參數(shù)能保持在規(guī)定的技術要求范圍內(nèi)，將對應的頻率變化范圍稱為該天線的頻帶寬度，或簡稱帶寬。,8.5 對稱天線 對稱天線由兩臂長各為l、半徑為a的直導線或金屬管構成，如圖8.5.1所示，它的兩個內(nèi)端點為饋電點。對稱天線是一種應用廣泛的基本線形天線，它既可單獨使用，也

11、可作為天線陣的組成單元。,對稱天線上的電流分布,故對稱天線的輻射場為 可見，對稱天線的歸一化方向性函數(shù)為,圖8.5.3 繪出不同長度的對稱天線的歸一化方向圖（E面）。由于結構的對稱性，方向圖與 無關，即H面方向圖是圓。,8.5.3 半波對稱天線 半波天線是對稱天線中應用最廣的。將 代入式(8.5.4)即得到半波天線的歸一化方向性函數(shù). 方向性圖如圖8.5.3(a)所示，主瓣寬度為 。 半波天線的輻射場可由式(8.5.3)取 得到,半波天線的輻射功率為 故得半波天線的輻射電阻為 半波天線的方向性系數(shù)為,用分貝表示則為 8.6 天線陣 天線陣是將若干個天線按一定規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)。利用這種天線

12、系統(tǒng)可以獲得所期望的輻射特性，諸如更高的增益、需要的方向性圖等。組成天線陣的獨立單元稱為陣元，排列的方式有直線陣、平面陣等.。 天線陣的輻射特性取決于陣元的型式、數(shù)目、排列方式、間距以及各陣元上的電流振幅和相位等。 方向圖相乘原理 最簡單的天線陣是由兩個相距較近、取向一致的陣元組成的二元陣。圖8.6.1表示兩個沿z軸取向、沿x軸排列的對稱天線構成的二元陣，間距為d。設陣元1的激勵電流為I1,陣元2的激勵電流為,式中的m是兩陣元激勵電流的振幅比， 是兩陣元激勵電流的相位差。,觀察點P的合成電場為 取其模 式中,稱為陣因子，它僅與各陣元的排列、激勵電流的振幅和相位有關，而與陣元無關。 稱為元因子，

13、它只與陣元本身的結構和取向有關。 8.6.2 均勻直線陣 均勻直線陣是指天線陣的各陣元結構相同，并以相同的取向和相等的間距排列成直線，各個陣元的激勵電流振幅相等，相位則沿陣的軸線以相同的比例遞增或遞減的天線陣，如圖8.6.2所示。,圖8.6.2 均勻直線陣,N個陣元沿x軸排列，兩相鄰陣元的間距為d，激勵電流相位差為 。圖中的 為電波射線與陣軸線之間的夾角。類似于二元陣的分析，相鄰兩陣元輻射場的相位差為 以陣元1為參考，則陣元2的輻射場的相位差為 ，陣元3的輻射場的相位差為2 ，依此類推，天線陣的輻射場為 (8.6.8),利用等比級數(shù)求和公式，式(8.6.8)可表示為 式中 稱為N元均勻直線陣的

14、陣因子。而,故N元均勻直線陣的歸一化陣因子為 可見，均勻直線陣的歸一化陣因子 是 的周期函數(shù)，周期為 。在 的區(qū)間內(nèi)，陣因子方向圖將出現(xiàn)主瓣和多個副瓣。 8.7 其他類型天線的簡要分析 8.7.1 縫隙天線 在波導管或空腔諧振器的導體壁上適當位置切開一條或數(shù)條縫隙以輻射（或接收）電磁波，這就是縫隙天線。,譬如，在高速飛行器上，為減小空腔阻力，就可在金屬外殼上切開縫隙作為天線,8.7.2 微帶天線 微帶天線是由粘貼在帶有金屬接地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片構成的。貼片導體通常取規(guī)則形狀，例如矩形、正方形、圓形、橢圓形等，這樣便于分析和預期其性能。 微帶天線具有很多優(yōu)點，諸如重量輕、體積小；剖面薄的平

15、面結構，可以做成共形天線，用于飛行器上不會擾動其空氣動力學性能；天線的散射截面??；饋線和匹配網(wǎng)絡可以和天線同時制作。因此，微帶天線在100MHz至50GHz的頻段上獲得廣泛的應用。微帶天線也存在頻帶窄、增益低等缺點。,采用如圖8.7.5所示的矩形微帶天線來說明其輻射機理 應用傳輸線模分析法進行分析時，將貼片輻射元、介質(zhì)基片和接地板看成是一段長度為l的微帶傳輸線 .,8.7.3 反射面天線 與線形天線不同，面形天線所載的電流是分布在構成天線的金屬導體表面上，且天線的口徑尺寸遠大于波長。本節(jié)討論的反射面天線通常由饋源和反射面構成。分析這類天線的輻射場的嚴格解方法是求解滿足麥克斯韋方程組和邊界條件的

16、解，這是一個十分復雜的過程。通常采用以下兩種近似方法： 感應電流法先求出在饋源照射下反射面上的感應電流分布，然后計算此電流分布在外部空間產(chǎn)生的輻射場。 口徑場法先作一個包圍天線的封閉面，由給定的饋源求出此封閉面上的場分布（稱為解內(nèi)場問題）；然后根據(jù)惠更斯原理，利用該封閉面上的場分布求出外部空間的輻射場（稱為解外場問題）。,2平面口徑的輻射 實際應用中的面天線，其口徑面多為平面，例如喇叭天線，拋物面天線等，所以有必要討論平面口徑的輻射。,如圖8.7.12所示，平面口徑面位于xoy平面上，口徑面積為s。遠區(qū)觀察點為 ，面元 至觀察點的距離為 。將面元 在E面和H面的輻射場沿整個口徑面積分，即得到平

17、面口徑面的遠區(qū)輻射場。由式(8.7.10)和(8.7.11)得 對于遠區(qū)的觀察點P，可以認為 與 近似平行，故得 因此，平面口徑面的遠區(qū)輻射場一般表示式為,設口徑面上的電場沿y軸方向且均勻分布（即 ）， 在E面（即yoz平面）上， ，則得 在H面（即xoz平面）上， ，則得,1) 矩形口徑面 如圖8.7.13所示，矩形口徑面的尺寸為 。設口徑面上的電場沿y軸方向且均勻分布（即 ），,則由式(8.7.16)得 同樣，由式(8.7.17)得,從式(8.7.18) 和(8.7.19)可得到均勻矩形口徑面輻射場的歸一化方向性函數(shù)分別為 式中,圖8.7.14表示 隨 變化的曲線，可見最大輻射方向在 處（即在 處）?？梢宰C明，當 和 都較大是，均勻矩形口徑面輻射場能量集中在 角較小的圓錐形,8.8 垂直電偶極子在半空間上的場,圖8.8.1表示垂直電偶極子放置在距無限大理想導體平面上方h處。圖中的實際源發(fā)出的電磁能量是按無界空間的方向特性輻射出去的。在觀察點P1,有直