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1、第第1章章 天线基础知识天线基础知识 1.1电基本振子的辐射电基本振子（ElectricShortDipole）又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l远小于波长，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流I处处等幅同相。用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。图11电基本振子的坐标式中,E为电场强度，单位为V/m；H为磁场强度，单位为A/m；场强的下标r、表示球坐标系中矢量的各分量；er,e,e分别为球坐标系中沿r、增大方向的单位矢量；1.近区场kr1即（r1即（r/(2)）的区域称为远区，在此区域内因此保留式中的最大项后，电基
2、本振子的远区场表达式为由上式可见，远区场的性质与近区场的性质完全不同，场强只有两个相位相同的分量（E,H）。远区场的坡印廷矢量平均值为有能量沿r方向向外辐射，故远区场又称为辐射场。该辐射场有如下性质：(1)E、H均与距离r成反比，波的传播速度为，E和H中都含有相位因子e-jkr，说明辐射场的等相位面为r等于常数的球面，所以称其为球面波。E、H和Sav相互垂直，且符合右手螺旋定则。(2)传播方向上电磁场的分量为零，故称其为横电磁波，记为TEM波。(3)E和H的比值为常数，称为媒质的波阻抗，记为。对于自由空间图12电基本振子电力线图13电基本振子远区场(4)E和H与sin成正比，说明电基本振子的辐
3、射具有方向性，辐射场不是均匀球面波。因此，任何实际的电磁辐射绝不可能具有完全的球对称性，这也是所有辐射场的普遍特性。电偶极子向自由空间辐射的总功率称为辐射功率Pr，它等于坡印廷矢量在任一包围电偶极子的球面上的积分，即因此，辐射功率取决于电偶极子的电长度，若几何长度不变，频率越高或波长越短，则辐射功率越大。因为已经假定空间媒质不消耗功率且在空间内无其它场源，所以辐射功率与距离r无关。既然辐射出去的能量不再返回波源，为方便起见，将天线辐射的功率看成被一个等效电阻所吸收的功率，这个等效电阻就称为辐射电阻Rr。类似于普通电路，可以得出其中，Rr称为该天线归算于电流I的辐射电阻，这里I是电流的振幅值。电
4、基本振子的辐射电阻为1.1.2磁基本振子的辐射磁基本振子（MagneticShortDipole）又称磁流元、磁偶极子。尽管它是虚拟的，迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是它可以与一些实际波源相对应，例如小环天线或者已建立起来的电场波源，用此概念可以简化计算，因此讨论它是有必要的。图114磁基本振子的坐标其中，下标e,m分别对应电源和磁源，则磁基本振子远区辐射场的表达式为比较电基本振子的辐射场与磁基本振子的辐射场，可以得知它们除了辐射场的极化方向相互正交之外，其它特性完全相同。图15小电流环和与其等效的磁矩(a)小电流环；(b)磁矩磁基本振子的实际模型是小电流环，它的周
5、长远小于波长，而且环上的谐变电流I的振幅和相位处处相同。相应的磁矩和环上电流的关系为pm=0IS式中s为环面积矢量，方向由环电流I按右手螺旋定则确定。若求小电流环远区的辐射场，我们可把磁矩看成一个时变的磁偶极子，磁极上的磁荷是+qm,-qm，它们之间的距离是l。磁荷之间有假想的磁流Im，以满足磁流的连续性，则磁矩又可表示为pm=qml式中l的方向与环面积矢量的方向一致。用复数表示的磁流为小电流环的远区场小电流环是一种实用天线，称之为环型天线。事实上，对于一个很小的环来说，如果环的周长远小于/4，则该天线的辐射场方向性与环的实际形状无关，即环可以是矩形、三角形或其它形状。磁偶极子的辐射总功率是其
6、辐射电阻是由此可见，同样电长度的导线，绕制成磁偶极子，在电流振幅相同的情况下，远区的辐射功率比电偶极子的要小几个数量级。1.2 发射天线的电参数发射天线的电参数 描述天线工作特性的参数称为天线电参数，又称电指标。它们是定量衡量天线性能的尺度。我们有必要了解天线电参数，以便正确设计或选择天线。大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及定向辐射的能力。下面介绍发射天线的主要电参数，并且以电基本振子或磁基本振子为例说明之。1.2.1方向函数由电基本振子的分析可知，天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波，但却不是均匀球面波，因此，任何一个天线的辐射场都具有方向性。
7、所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向（子午角、方位角）的关系。若天线辐射的电场强度为E(r,)，把电场强度（绝对值）写成图121式中I为归算电流，对于驻波天线，通常取波腹电流Im作为归算电流；f(,)为场强方向函数。因此，方向函数可定义为将电基本振子的辐射场表达式代入上式，可得电基本振子的方向函数为为了便于比较不同天线的方向性，常采用归一化方向函数，用F(,)表示，即式中，fmax(,)为方向函数的最大值；Emax为最大辐射方向上的电场强度;E(,)为同一距离(,)方向上的电场强度。归一化方向函数F(,)的最大值为1。因此，电基本振子的归一化方向函数可写为 F(,)=
8、|sin|为了分析和对比方便，今后我们定义理想点源是无方向性天线，它在各个方向上、相同距离处产生的辐射场的大小是相等的，因此，它的归一化方向函数为 F(,)=11.2.2方向图天线的方向函数，它与r及I无关。将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图。方向图就是与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图。变化及得出的方向图是立体方向图。对于电基本振子，由于归一化方向函数F(,)=|sin|，因此其立体方向图如图122所示。图122基本振子立体方向图在实际中，工程上常常采用两个特定正交平面方向图。在自由空间中，两个最重要的平面方向图是E
9、面和H面方向图。E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；H面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。方向图可用极坐标绘制，角度表示方向，矢径表示场强大小。这种图形直观性强，但零点或最小值不易分清。方向图也可用直角坐标绘制，横坐标表示方向角，纵坐标表示辐射幅值。由于横坐标可按任意标尺扩展，故图形清晰。如图123所示，对于球坐标系中的沿z轴放置的电基本振子而言，E面即为包含z轴的任一平面，例如yOz面，此面的方向函数FE()=|sin|。而H面即为xOy面，此面的方向函数FH()=1，如图124所示，H面的归一化方向图为一单位圆。E面和H面方向图就是立体方向图沿E面和H面两个主平面的剖
10、面图。图123电基本振子E平面方向图图124电基本振子H平面方向图但是要注意的是，尽管球坐标系中的磁基本振子方向性和电基本振子一样，但E面和H面的位置恰好互换。有时还需要讨论辐射的功率密度（坡印廷矢量模值）与方向之间的关系，因此引进功率方向图（PowerPattern）(,)。容易得出，它与场强方向图之间的关系为(,)=F2(,)电基本振子E平面功率方向图也如图123所示。1.2.3方向图参数实际天线的方向图要比电基本振子的复杂，通常有多个波瓣，它可细分为主瓣、副瓣和后瓣，如图125所示。用来描述方向图的参数通常有：(1)零功率点波瓣宽度20E或20H(下标E、H表示E、H面，下同）：指主瓣最
11、大值两边两个零辐射方向之间的夹角。图125天线方向图的一般形状(2)半功率点波瓣宽度（HalfPowerBeamWidth,HPBW）20.5E或20.5H:指主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707倍（或等于最大功率密度的一半）的两辐射方向之间的夹角，又叫3分贝波束宽度。如果天线的方向图只有一个强的主瓣，其它副瓣均较弱，则它的定向辐射性能的强弱就可以从两个主平面内的半功率点波瓣宽度来判断。(3)副瓣电平（SideLobeLever,SLL）:指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般以分贝表示，即（128）式中，Sav,max2和Sav,max分别为最大副瓣和主瓣的功率密度最大值；Emax2和Ema
12、x分别为最大副瓣和主瓣的场强最大值。副瓣一般指向不需要辐射的区域，因此要求天线的副瓣电平应尽可能地低。（4）前后比:指主瓣最大值与后瓣最大值之比，通常也用分贝表示。1.2.4方向系数上述方向图参数虽能从一定程度上描述方向图的状态，但它们一般仅能反映方向图中特定方向的辐射强弱程度，未能反映辐射在全空间的分布状态，因而不能单独体现天线的定向辐射能力。为了更精确地比较不同天线之间的方向性，需要引入一个能定量地表示天线定向辐射能力的电参数，这就是方向系数(Directivity)。方向系数的定义是：在同一距离及相同辐射功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax（或场强|Emax|2的平
13、方）和无方向性天线(点源)的辐射功率密度S0（或场强|E0|2的平方）之比，记为D。用公式表示如下：式中Pr、Pr0分别为实际天线和无方向性天线的辐射功率。无方向性天线本身的方向系数为1。因为无方向性天线在r处产生的辐射功率密度为所以由方向系数的定义得因此，在最大辐射方向上上式表明，天线的辐射场与PrD的平方根成正比，所以对于不同的天线,若它们的辐射功率相等，则在同是最大辐射方向且同一r处的观察点，辐射场之比为若要求它们在同一r处观察点辐射场相等，则要求即所需要的辐射功率与方向系数成反比。方向系数最终计算公式为【例121】求出沿z轴放置的电基本振子的方向系数。解已知电基本振子的归一化方向函数为
14、 F(,)=|sin|将其代入方向系数的表达式得若以分贝表示，则D=10lg1.5=1.76dB。可见，电基本振子的方向系数是很低的。为了强调方向系数是以无方向性天线作为比较标准得出的，有时将dB写成dBi，以示说明。当副瓣电平较低时（-20dB以下），可根据两个主平面的波瓣宽度来近似估算方向系数，即式中波瓣宽度均用度数表示。1.2.5天线效率一般来说,载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会产生损耗，因此输入天线的实功率并不能全部地转换成电磁波能量。可以用天线效率(Efficiency)来表示这种能量转换的有效程度。天线效率定义为天线辐射功率Pr与输入功率Pin之比，记为A，即辐射功率与辐射电
15、阻之间的联系公式为 ，依据电场强度与方向函数关系，则辐射电阻的一般表达式为类似于辐射功率和辐射电阻之间的关系，也可将损耗功率Pl与损耗电阻Rl联系起来，即Rl是归算于电流I的损耗电阻，这样一般来讲，损耗电阻的计算是比较困难的，但可由实验确定。可以看出，若要提高天线效率,必须尽可能地减小损耗电阻和提高辐射电阻。通常，超短波和微波天线的效率很高，接近于1。值得提出的是，这里定义的天线效率并未包含天线与传输线失配引起的反射损失，考虑到天线输入端的电压反射系数为，则天线的总效率为=(1-|2)A1.2.6增益系数方向系数只是衡量天线定向辐射特性的参数，它只决定于方向图；天线效率则表示了天线在能量上的转
16、换效能；而增益系数(Gain)则表示了天线的定向收益程度。增益系数的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax(或场强|Emax|2的平方）和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度S0（或场强|E0|2的平方）之比，记为G。用公式表示如下：式中Pin、Pin0分别为实际天线和理想无方向性天线的输入功率。理想无方向性天线本身的增益系数为1。考虑到效率的定义，在有耗情况下，功率密度为无耗时的A倍，可改写为由此可见，增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积。在实际中，天线的最大增益系数是比方向系数更为重要的电参量
17、，即使它们密切相关。根据上式，增益系数也可以用分贝表示为10lgG。因为一个增益系数为10、输入功率为1W的天线和一个增益系数为2、输入功率为5W的天线在最大辐射方向上具有同样的效果，所以又将PrD或PinG定义为天线的有效辐射功率。使用高增益天线可以在维持输入功率不变的条件下，增大有效辐射功率。由于发射机的输出功率是有限的，因此在通信系统的设计中，对提高天线的增益常常抱有很大的期望。频率越高的天线越容易得到很高的增益。1.2.7天线的极化天线的极化是指该天线在给定方向上远区辐射电场的空间取向。一般而言，特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向。实际上，天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变
18、，天线不同辐射方向可以有不同的极化。所谓辐射场的极化，即在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹，按其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化，其中圆极化还可以根据其旋转方向分为右旋圆极化和左旋圆极化。就圆极化而言，一般规定：若手的拇指朝向波的传播方向，四指弯向电场矢量的旋转方向，这时若电场矢量端点的旋转方向与传播方向符合右手螺旋，则为右旋圆极化，若符合左手螺旋，则为左旋圆极化。天线不能接收与其正交的极化分量。例如，线极化天线不能接收来波中与其极化方向垂直的线极化波；圆极化天线不能接收来波中与其旋向相反的圆极化分量，对椭圆极化来波，其中与接收天线的极化旋向相反的圆极化分量不能被接收。极
19、化失配意味着功率损失。为衡量这种损失，特定义极化失配因子p，其值在01之间。1.2.8有效长度一般而言，天线上的电流分布是不均匀的，也就是说天线上各部位的辐射能力不一样。为了衡量天线的实际辐射能力，常采用有效长度(EffectiveLength)。它的定义是：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下，假设天线上的电流分布为均匀分布时天线的等效长度。通常将归算于输入电流Iin的有效长度记为lein，把归算于波腹电流Im的有效长度记为lem。图1291.2.9输入阻抗与辐射阻抗;天线通过传输线与发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻抗匹配问题。天线与传输线的连接处称为天线的输
20、入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗(InputResistance)，即天线的输入阻抗Zin为天线的输入端电压与电流之比：其中，Rin、Xin分别为输入电阻和输入电抗，它们分别对应有功功率和无功功率。有功功率以损耗和辐射两种方式耗散掉，而无功功率则驻存在近区中。天线的输入阻抗决定于天线的结构、工作频率以及周围环境的影响。输入阻抗的计算是比较困难的，因为它需要准确地知道天线上的激励电流。除了少数天线外，大多数天线的输入阻抗在工程中采用近似计算或实验测定。事实上，在计算天线的辐射功率时，如果将计算辐射功率的封闭曲面设置在天线的近区内，用天线的近区场进行计算，则所求出的辐射功率Pr同样
21、将含有有功功率及无功功率。如果引入归算电流（输入电流Iin或波腹电流Im），则辐射功率与归算电流之间的关系为式中Zr0、Zrm分别为归于输入电流和波腹电流的辐射阻抗(RadiationResistance)。Rr0、Rrm、Xr0、Xrm也为相应的辐射电阻和辐射电抗。因此，辐射阻抗是一个假想的等效阻抗，其数值与归算电流有关。归算电流不同，辐射阻抗的数值也不同。Zr与Zin之间有一定的关系，因为输入实功率为辐射实功率和损耗功率之和，当所有的功率均用输入端电流为归算电流时，Rin=Rr0+Rl0，其中Rl0为归算于输入端电流的损耗电阻。1.2.10频带宽度天线的所有电参数都和工作频率有关。任何天线
22、的工作频率都有一定的范围，当工作频率偏离中心工作频率f0时，天线的电参数将变差，其变差的容许程度取决于天线设备系统的工作特性要求。当工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度(Bandwidth)。根据天线设备系统的工作场合不同，影响天线频带宽度的主要电参数也不同。根据频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。若天线的最高工作频率为fmax，最低工作频率为fmin，对于窄频带天线，常用相对带宽，即(fmax-fmin)/f0100%来表示其频带宽度。而对于超宽频带天线，常用绝对带宽，即fmax/fmin来表示其频带宽度。
23、通常，相对带宽只有百分之几的为窄频带天线，例如引向天线；相对带宽达百分之几十的为宽频带天线，例如螺旋天线；绝对带宽可达到几个倍频程的称为超宽频带天线，例如对数周期天线。1.3.2有效接收面积;有效接收面积(EffectiveAperture)是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。接收天线的有效接收面积的定义为：当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时，并且天线的极化与来波极化相匹配，接收天线送到匹配负载的平均功率PLmax与来波的功率密度Sav之比，记为Ae。即由于PLmax=AeSav，因此接收天线在最佳状态下所接收到的功率可以看成是被具有面积为Ae的口面所截获的垂直入射波功率密度的总和。在极化匹配的条件下，如果来波的场强振幅为Ei，则接收天线的有效接收面积为