第6章天线辐射与接收理论.ppt

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1、第6章 天线辐射与接收的基本理论6.1 概论概论6.2 基本振子的辐射基本振子的辐射6.3 天线的电参数天线的电参数6.4 接收天线理论接收天线理论第第6章天线辐射与接收的基本理论章天线辐射与接收的基本理论第6章 天线辐射与接收的基本理论第第6章章 天线辐射与接收的基本理论天线辐射与接收的基本理论6.1 概论概论 通信的目的是传递信息通信的目的是传递信息,根据传递信息的途径不同根据传递信息的途径不同,可将通可将通信系统大致分为两大类信系统大致分为两大类:一类是在相互联系的网络中用各种传一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息输线来传递信息,即所谓的有线通信即所谓的有线通信,如电话、计算机

2、局域网等如电话、计算机局域网等有线通信系统有线通信系统;另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息息,即所谓的无线通信即所谓的无线通信,如电视、如电视、广播、广播、雷达、雷达、导航、卫星等导航、卫星等无线通信系统。无线通信系统。第6章 天线辐射与接收的基本理论1.天线的定义天线的定义天线的基本功能是辐射和接收无线电波天线的基本功能是辐射和接收无线电波v发射时，把高频电流转换为电磁波；发射时，把高频电流转换为电磁波；v接收时，把电滋波转换为高频电流。接收时，把电滋波转换为高频电流。不同的无线电设备对天线的要求不同。不同的无线电设备对天线的要求不同。发射机

3、接收机发射天线 接收天线 电波 馈线 馈线 第6章 天线辐射与接收的基本理论 天线应具有如下基本功能：天线应具有如下基本功能：天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统,其次要求天线与其次要求天线与发射机或接收机匹配。发射机或接收机匹配。天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上,或对确定或对确定方向的来波最大限度的接收方向的来波最大限度的接收,即天线具有方向性。即天线具有方向性。天线应能发射或接收规定极化的电磁波天线应能发射或接收规定

4、极化的电磁波,即天线有适当即天线有适当的极化。的极化。天线应有足够的工作频带。天线应有足够的工作频带。第6章 天线辐射与接收的基本理论2.天线的分类天线的分类按频率不同分长波、中波、短波、超短波和微波天线。按频率不同分长波、中波、短波、超短波和微波天线。按用途不同分发射和接收天线。按用途不同分发射和接收天线。按场合不同分通讯、广播、雷达、导航天线。按场合不同分通讯、广播、雷达、导航天线。按性能不同分窄带、宽带和超宽带天线，全向和定向天按性能不同分窄带、宽带和超宽带天线，全向和定向天线（低副瓣、超低副瓣和极低副瓣天线），以及移动和线（低副瓣、超低副瓣和极低副瓣天线），以及移动和固定天线。固定天线

5、。按结构不同分线天线和面天线。按结构不同分线天线和面天线。按发展阶段分传统天线和现代天线（自适应天线、智能按发展阶段分传统天线和现代天线（自适应天线、智能天线和软件天线）。天线和软件天线）。第6章 天线辐射与接收的基本理论 研究天线问题研究天线问题,实质上是研究天线在空间所产生的电磁场实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件,因此因此,求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件,但这往往十分繁杂但这往往十分繁杂,有时甚至是十分困难的。有时甚至

6、是十分困难的。在实际问题中在实际问题中,往往将条件理想化往往将条件理想化,进行一些近似处理进行一些近似处理,从从而得到近似结果而得到近似结果,这是天线工程中最常用的方法；这是天线工程中最常用的方法；在某些情况在某些情况下下,如果需要较精确的解如果需要较精确的解,可借助电磁场理论的数值计算方法可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。来进行。第6章 天线辐射与接收的基本理论6.2 基本振子的辐射基本振子的辐射 1.电基本振子电基本振子 电基本振子是一段长度电基本振子是一段长度l远小于波长远小于波长,线上各点电流等幅同线上各点电流等幅同相相,它是线天线的基本组成部分它是线天线的基本组成部分,任意线天线

7、均可看成是由一系任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。列电基本振子构成的。0j tII e电基本振子的辐射电基本振子的辐射PrzyxlOyxzlOIrEHEr第6章 天线辐射与接收的基本理论jkrerjkrkrjIlE)(sin1422300E0rH0HjkrerjkrIlH)1(sin423202cos()4jkrrIljkEerr 第6章 天线辐射与接收的基本理论（1）近场区）近场区 在靠近电基本振子的区域在靠近电基本振子的区域(kr1，即，即r1,即即r/2）,在这种情况下在这种情况下,1/r2和和1/r3项比起项比起1/r项而言项而言,可忽略可忽略不计不计,于是电基本振子的电磁

8、场表示式简化为于是电基本振子的电磁场表示式简化为jkrerIlkjEsin402jkrerkIljHsin4式中式中,/22,0022cfuk)/(1036190mF)/(10470mHu第6章 天线辐射与接收的基本理论 将上式代入式将上式代入式，得电基本振子的远区场为得电基本振子的远区场为jkrerIljEsin60jkrerIljHsin2远区场只有远区场只有 和和 两个分量。两个分量。远区场为辐射场。远区场为辐射场。远区场场强随远区场场强随 的一次方下降。的一次方下降。辐射场具有方向性。辐射场具有方向性。EHr基本电振子辐射场的方向图基本电振子辐射场的方向图第6章 天线辐射与接收的基本理

9、论6.3 天线的电参数天线的电参数1.天线方向图及其有关参数天线方向图及其有关参数（1）方向性函数）方向性函数v在距天线在距天线 的球面上，天线辐射场强的球面上，天线辐射场强 是坐标是坐标 和的和的函数，称为方向性函数，用函数，称为方向性函数，用 表示。表示。v归一化方向性函数归一化方向性函数（2）方向图）方向图v如果天线在各方向辐射的强度用从原点出发的矢量长如果天线在各方向辐射的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则连接全部矢量端点所形成的包络就是天短来表示，则连接全部矢量端点所形成的包络就是天线的方向性图。一般采用归一化方向图。线的方向性图。一般采用归一化方向图。rE,fmax,ffF第6章

10、 天线辐射与接收的基本理论通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示：通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示：（1）E平面平面 所谓所谓E平面，就是电场矢量构成的平面。对于沿平面，就是电场矢量构成的平面。对于沿z轴放置的轴放置的电基本振子而言电基本振子而言,垂直与垂直与xOy的平面是的平面是E平面。平面。（2）H平面平面 所谓所谓H平面，就是磁场矢量构成的平面。对于沿平面，就是磁场矢量构成的平面。对于沿z轴放置轴放置的电基本振子的电基本振子,平行与平行与xOy的平面是的平面是H平面。平面。第6章 天线辐射与接收的基本理论 例例 6-1画出沿画出沿z轴放置的电基本振子的轴放置的电基本振子的E平面和平

11、面和H平面平面方向图。方向图。解解:E平面方向图平面方向图:在给定在给定r处处,E与与无关无关;E的归一化场强值为的归一化场强值为|E|=|sin|这是电基本振子的这是电基本振子的E平面归一化方向性函数平面归一化方向性函数,其其E平面方平面方向图如下图所示。向图如下图所示。H平面方向图平面方向图:第6章 天线辐射与接收的基本理论(a)电基本振子电基本振子E平面方向图；平面方向图；(b)电基本振子电基本振子H平面方向图；平面方向图；(c)电基本振子立体方向图电基本振子立体方向图第6章 天线辐射与接收的基本理论 实际天线的方向图一般要更复杂。典型的实际天线的方向图一般要更复杂。典型的H平面方向图如

12、平面方向图如下图所示下图所示,这是在极坐标中电场的归一化模值随这是在极坐标中电场的归一化模值随变化的曲线。变化的曲线。练习：已知电场在练习：已知电场在E面归一化场强为面归一化场强为|E|=|(1+2cos)/3|，分别用极坐标和直分别用极坐标和直角坐标的方法画出角坐标的方法画出天线在天线在E平面的方平面的方向图。向图。第6章 天线辐射与接收的基本理论 3)天线的方向图参数天线的方向图参数 为了方便对各种天线的方向图特性进行比较为了方便对各种天线的方向图特性进行比较,就需要规定就需要规定一些特性参数。一些特性参数。这些参数有这些参数有:主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及方向

13、系数等。方向系数等。(1)主瓣宽度主瓣宽度 主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。量。通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度,在场强方在场强方向图中向图中,等于最大场强的等于最大场强的 两点之间的宽度两点之间的宽度,称为半功率波称为半功率波瓣宽度瓣宽度;有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度,称为称为零功率波瓣宽度。零功率波瓣宽度。2/1第6章 天线辐射与接收的基本理论主轴主瓣后瓣第一副瓣00.502020.5Emax0.707Emax第6章 天线辐

14、射与接收的基本理论 (2)旁瓣电平旁瓣电平 旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平,一一般以分贝表示。方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域般以分贝表示。方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域,所以其所以其电平应尽可能的低电平应尽可能的低,且天线方向图一般都有这样一条规律且天线方向图一般都有这样一条规律:离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低,在某种在某种意义上反映了天线方向性的好坏。另外意义上反映了天线方向性的好坏。另外,在天线的实际应用中在天线的实际应用中,旁瓣的位置也很重要。旁瓣的位置也很重要

15、。(3)前后比前后比 前后比是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后前后比是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比向）电平之比,通常以分贝为单位。通常以分贝为单位。上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态态,但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果,因此都不因此都不能单独体现天线集束能量的能力。能单独体现天线集束能量的能力。第6章 天线辐射与接收的基本理论 例如例如,旁瓣电平较低的天线并不表明集束能力强旁瓣电平较低的天线并不表明集束能力强,而旁瓣电而旁瓣电平小也并不意味

16、着天线方向性必然好。为了更精确地比较不同平小也并不意味着天线方向性必然好。为了更精确地比较不同天线的方向性天线的方向性,需要再定义一个表示天线集束能量的电参数需要再定义一个表示天线集束能量的电参数,这这就是方向系数。就是方向系数。（4）方向系数方向系数 方向系数定义为方向系数定义为:在离天线某一距离处在离天线某一距离处,天线在最大辐射天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度方向上的辐射功率流密度Smax与相同辐射功率的理想无方向性与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度天线在同一距离处的辐射功率流密度S0之比之比,记为记为D,即即202max0maxEESSD第6章 天线辐射与接收的基本理论 下面由这个定义出发下面由这个定义出发,导出方向系数的一般计算公式。导出方向系数的一般计算公式。设实际天线的辐射功率为设实际天线的辐射功率为P,它在最大辐射方向上它在最大辐射方向上r处产生处产生的辐射功率流密度和场强分别为的辐射功率流密度和场强分别为Smax和和Emax;又设有一个理想又设有一个理想的无方向性天线的无方向性天线,其辐射功率为其辐射功率为P不变不变,它在相同的距离上产生