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1、第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1章章天线基础知识天线基础知识1.1基本振子的辐射基本振子的辐射1.2发射天线的电参数发射天线的电参数1.3互易定理与接收天线的电参数互易定理与接收天线的电参数1.4对称振子对称振子1.5天线阵的方向性天线阵的方向性1.6对称振子阵的阻抗特性对称振子阵的阻抗特性1.7无限大理想导电反射面对天线电性能的影响无限大理想导电反射面对天线电性能的影响第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1章章概概述述任何无线电电子系统的信息传输既包含有电波能量的发射任何无线电电子系统的信息传输既包含有电波能量的发射和接收和接收,也包含有电磁波在空间的传播过程。也包
2、含有电磁波在空间的传播过程。通信系统示意图通信系统示意图 “电波与天线电波与天线”是通信及电子类专业学生的一门重要的技术是通信及电子类专业学生的一门重要的技术基础课，与基础课，与“电路理论电路理论”一样，一样，“电波与天线电波与天线”是从事电气与电是从事电气与电子技术领域工作的科技工作者的必备知识。子技术领域工作的科技工作者的必备知识。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 现代通信系统的构成现代通信系统的构成从原理上来看，都是由三个基本部分从原理上来看，都是由三个基本部分组成的，即发射系统、传输系统和接收系统（如图组成的，即发射系统、传输系统和接收
3、系统（如图所示）。发所示）。发射系统的任务是把声音或图像转变成电信号，并放大到足够的射系统的任务是把声音或图像转变成电信号，并放大到足够的强度，然后按一定的顺序发送出去。强度，然后按一定的顺序发送出去。通信系统示意图通信系统示意图第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 而接收系统是有选择地接收所需的信号，并放大到足够的量值，而接收系统是有选择地接收所需的信号，并放大到足够的量值，再恢复成声音或图像。传输系统可以是有线的，也可通过地球再恢复成声音或图像。传输系统可以是有线的，也可通过地球周界的空间传递，前者叫有线通信，后者称为无线通信。周界的空间传递，前者叫有线通信，后者称为无线通信。信信号号
4、经经发发射射机机调调制制成成高高频频电电流流能能量量，经经馈馈线线送送至至发发射射天天线线发发射射天天线线将将该该能能量量转转换换为为向向空空间间传传播播的的电电磁磁波波并并按按指指定定方方向向经经过过一一定定方方式式的的传传播播之之后后，在在接接收收端端用用接接收收天天线线再再将将信信号号接接收收下来。下来。通信系统示意图通信系统示意图第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 为了能良好地实现上述目的，要求天线为了能良好地实现上述目的，要求天线具有一定的方向特性具有一定的方向特性（定向接收或辐射）；（定向接收或辐射）；较高的转换效率；较高的转换效率；能满足系统正常能满足系统正常工作的频带宽度
5、；工作的频带宽度；满足匹配条件；满足匹配条件；（凡高频源都能产生辐凡高频源都能产生辐射但必须有效辐射才能作为天线，）射但必须有效辐射才能作为天线，）产生有效的辐射或接收即产生有效的辐射或接收即应该是一个开放系统（如平行双线、同轴线是保守系统，对称应该是一个开放系统（如平行双线、同轴线是保守系统，对称振子是开放系统。振子是开放系统。)发射天线的功能（任务、作用）是发射天线的功能（任务、作用）是将发射机输出的高频电流将发射机输出的高频电流能量（或导波能量）转换成电磁波能量辐射到空间去；能量（或导波能量）转换成电磁波能量辐射到空间去；收、发天线具有互易性收、发天线具有互易性接收天线接收天线的功能（任
6、务、作的功能（任务、作用）是用）是将空间传来电波信号将空间传来电波信号转换成高频电流能量或导波转换成高频电流能量或导波能量）送给接收机。能量）送给接收机。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 新新的的研研究究方方向向:无无线线通通信信的的技技术术及及业业务务的的迅迅速速发发展展既既对对天天线线提提出出许许多多新新的的研研究究方方向向，同同时时也也促促使使了了许许多多新新型型天天线线的的诞诞生生。例例如如多多频频多多极极化化的的微微带带天天线线，由由于于其其体体积积小小，剖剖面面低低，适适应应了了微微型型和和集集成成电电路路的的进进展展；电电扫扫描描和和多多波波束束天天线线能能同同时时跟跟踪
7、踪多多目目标标，适适应应了了现现代代化化军军事事技技术术的的发发展展；在在通通信信环环境境日日益益复复杂杂的的情情况况下下，具具有有抗抗干干扰扰能能力力的的自自适适应应天天线线能能大大大大地地提提高高接接收收信信号号的的信信噪噪比比；尤尤其其是是实实现现第第三三代代移移动动通通信信的的关关键键技技术术智智能能天天线线，更更是是一一改改传传统统天天线线作作为为能能量量转转换换器器的的主主要要功功能能，能能够够智智能能化化地地进进行行来来波波到到达达角角度度（DOA）估估计计以以及及具具有有预预定定空空域域特特征征的的数数字字波波束束形形成成（DBF）目目前前智智能能天天线线技技术术已已成为移动通
8、信领域的研究热点成为移动通信领域的研究热点天线作为无线电系统中不天线作为无线电系统中不可缺少且非常重要的部件，其可缺少且非常重要的部件，其本身的质量直接影响着无线电本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。系统的整体性能。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 按照工作波长，可将天线分为按照工作波长，可将天线分为超长波天线(3-30KHz)对潜艇通信；长波天线(30-300KHz)导航；中波天线(300KHz-3MHz)广播、导航、海通；短波天线(3-30MHz)广播、军用电台、导航；超短波天线(30-300MHz)广播、军用电台、导航。以及微以及微波天线波天线:雷达：雷达：L波段（波段（1
9、-2GHz）;S波段（波段（2-4GHz）;C波段波段（4-8GHz）;X波段（波段（8-12GHz）雷达、卫星通信雷达、卫星通信:Ku波段（波段（12-18GHz）;K波段（波段（18-27GHz）;Ka波段（波段（27-40GHz）;U波段波段:（40-60GHz）;V波段（波段（60-80GHz）;W波段（波段（80-100GHz）；）；按照天线的特色，可将天线分为圆极化天线、线极化天线、按照天线的特色，可将天线分为圆极化天线、线极化天线、窄频带天线、宽频带天线、非频变天线以及数字波束天线等。窄频带天线、宽频带天线、非频变天线以及数字波束天线等。按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等按
10、方向性分类，可分为全向天线、定向天线等天线的种类天线的种类:无线电通信系统的多样性使得天线的种类也多种多样。无线电通信系统的多样性使得天线的种类也多种多样。按照用途的不同，可将天线分为通信天线、广播和电视天线、按照用途的不同，可将天线分为通信天线、广播和电视天线、雷达天线、导航和测向天线等；雷达天线、导航和测向天线等；第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。等不同情况下使用。线天线线天线:天线的直径远小于其几何长度天线的直径远小于其几何长度.可不考虑天线横截面上的
11、可不考虑天线横截面上的电流分布电流分布按照其结构外形分成两大类：一类是由导线或金属棒构成的按照其结构外形分成两大类：一类是由导线或金属棒构成的线天线，主要用于长波、短波和超短波；另一类是由金属面或线天线，主要用于长波、短波和超短波；另一类是由金属面或介质面构成的面天线，主要用于微波波段介质面构成的面天线，主要用于微波波段;微带天线、共形天线微带天线、共形天线,主要用于微波波段。主要用于微波波段。按增益分类：（值的大小与工作频段有关）高增益天线、中增按增益分类：（值的大小与工作频段有关）高增益天线、中增益天线低增益天线益天线低增益天线.电流分布电流分布:驻波天线、行波天线驻波天线、行波天线功能分
12、类功能分类:发射天线、接收天线或收发共用发射天线、接收天线或收发共用.用途分类用途分类:机载天线、船载天线、车载天线、雷达天线、单脉冲机载天线、船载天线、车载天线、雷达天线、单脉冲天线、侦收天线、干扰天线天线、侦收天线、干扰天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 单极天线单极天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 八木天线八木天线产品名称产品名称:八木天线八木天线HD-1920YAGI10极化:H/V水平波未宽度:50垂直波未宽度:60增益:10.0dBCONNECTOR:N-50KVSWR:1.5第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 对数周期天线对数周期天线产品名称：产品名称
13、：偶极子天线偶极子天线产品型号：HD-1822频率(GHz):1.8-2.2材料:铝VSWR Max.1.5第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 双锥天线双锥天线对数螺旋天数螺旋天线 盘锥天线盘锥天线 对称振子天称振子天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 环天天线对数周期天数周期天线 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 波波纹喇叭天喇叭天线宽带喇叭天喇叭天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 双极化喇叭天线双极化喇叭天线圆极化喇叭天极化喇叭天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 高增益栅状抛物面天线高增益栅状抛物面天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 扩频
14、天线扩频天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 背射天线背射天线产品型号：HD-22RA1200频率(GHz):1.82.6直径（mm）:1200带宽（GHz）:12增益(dB)27.5波未宽度:6.7VSWRMax.1.5旁瓣电平（dB）-18极化方式:V，H，LR，R抛物面天线抛物面天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 DH8910宽带全向天线频率范围：100MHz1300MHz。增益：2dB（典型值电压驻波比：接头形式：N(K)外型R寸：用途：适合于电磁兼容测量和移动通信使用，尤其适合舰船和固定监测站使用第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 DH8911有源杆天线频率范
15、围：0.5MHz100MHz。电压驻波比：接头形式：N(K)外型R寸：用途：可用于接收放大该频段的电磁波信号，性能稳定靠适合于电磁干扰测量和移动通信中使用第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 DH8913宽带收折式天线频率范围：50MHz2300MHz。增益：1.5dB（典型值电压驻波比：接头形式：N(K)外型R寸：收折后展开时用途：可用来接收50MHz2300MHz的无线电信号第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 DH8914宽带对数周期天线频率范围：80MHz2000MHz。增益：5dB6dB（典型值电压驻波比：接头形式：N(K)外型R寸：用途：可用来接收80MHz2300MHz的
16、无线电信号第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 DH8915宽带盘锥式天线频率范围：0.5MHz100MHz。增益：2dB（典型值电压驻波比：接头形式：N(K)外型R寸：用途：可在水平方向上均匀辐射或接收50MHz3000MHz频带内的电磁波信号第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章
17、 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 星载多波束天线第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 单个天线在卫星上的安装方式第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线展开后第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 国外馈源系统的三维结构实物馈源喇叭阵列馈源喇叭阵列极化转换系统极化转换系统幅相控制网络幅相控制网络第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 8防
18、雷保护器防雷保护器主馈线（主馈线（7/8“）5馈线卡馈线卡6走线架走线架4接地装置接地装置3接头密封件接头密封件绝缘密封胶带，绝缘密封胶带，PVC绝缘胶带绝缘胶带1天线调节支架天线调节支架GSM/CDMA板状天线板状天线抱杆（抱杆（50114mm）2室外馈线室外馈线9室内超柔馈线室内超柔馈线7馈线过线窗馈线过线窗基站主设备基站主设备基站天馈系统示意图基站天馈系统示意图第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 电波传播的主要研究领域电波传播的主要研究领域是电磁波与传播媒质的相互作用及其在是电磁波与传播媒质的相互作用及其在有关电子系统工程和环境探测研究中的应用。电波传播研究的基有关电子系统工程和环
19、境探测研究中的应用。电波传播研究的基本问题是不同频段的电本问题是不同频段的电波波通通过各种自然环过各种自然环境（包括某些人为环境（包括某些人为环境）媒质的传播效应及其在时、空、频域中的变化规律。电波传境）媒质的传播效应及其在时、空、频域中的变化规律。电波传播在很大程度上也是一门实验性科学，需要在长期大量的实测积播在很大程度上也是一门实验性科学，需要在长期大量的实测积累和应用实践中不断完善和发展，研究应用的领域和问题也将日累和应用实践中不断完善和发展，研究应用的领域和问题也将日益广泛和深入。益广泛和深入。天线的分析方法：天线的分析方法：天线的理论分析是建立在电磁场理论分析的天线的理论分析是建立在
20、电磁场理论分析的基础上的，求解天线问题实质上就是求解满足特定边界条件的基础上的，求解天线问题实质上就是求解满足特定边界条件的麦克斯韦方程的解，其求解过程是非常繁琐和复杂的。针对实麦克斯韦方程的解，其求解过程是非常繁琐和复杂的。针对实际的天线工程中的设计，具体采用的思路是既有严格的概念，际的天线工程中的设计，具体采用的思路是既有严格的概念，也有近似的处理，甚至依靠数值分析软件进行计算机辅助设计。也有近似的处理，甚至依靠数值分析软件进行计算机辅助设计。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 尽管各类天线的结构、特性各有不同，但是分析它们的基尽管各类天线的结构、特性各有不同，但是分析它们的基础却建
21、立在电、磁基本振子的辐射机理上。电、磁基本振子作础却建立在电、磁基本振子的辐射机理上。电、磁基本振子作为最基本的辐射源，它们的基本性质已在为最基本的辐射源，它们的基本性质已在“电磁场电磁场”课程中作课程中作过介绍。为了本书的系统性，此处再给予简要的回顾。过介绍。为了本书的系统性，此处再给予简要的回顾。1.1基本振子的辐射基本振子的辐射1.1.1电基本振子的辐射电基本振子的辐射电基本振子（电基本振子（ElectricShortDipole）又称电流元，它是指一段理想的高频电流又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度直导线，其长度l远小于波长远小于波长，其半径，其半径a远小于远小于l，同
22、时振子沿线的电流，同时振子沿线的电流I 处处等幅处处等幅同相。用这样的电流元可以构成实际的更同相。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。是研究更复杂天线辐射特性的基础。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 线状天线的基本分析方法线状天线的基本分析方法:(a)将线状天线分割成许多个小的线元，其长度将线状天线分割成许多个小的线元，其长度,则每个小线元可看成一个电基本振子则每个小线元可看成一个电基本振子;(b)根据电磁场叠加定律，将每个电基本振子在观察根据电磁场叠加定律，将每个电基本振子在观察点产生的
23、辐射场叠加起来，即得线状天线的辐射场。点产生的辐射场叠加起来，即得线状天线的辐射场。基本元的辐射基本元的辐射:无论是线天线或面天线都可分割为无限多个基本元无论是线天线或面天线都可分割为无限多个基本元,在这些基在这些基本元上载有交变电流本元上载有交变电流(或磁流或磁流)或交变的电流和磁流。在每一个或交变的电流和磁流。在每一个基本元上的电磁流的振幅、相位和方向均假设是相同的。某一基本元上的电磁流的振幅、相位和方向均假设是相同的。某一具体天线则由这些基本元按一定的结构形式拼接而成。当然具体天线则由这些基本元按一定的结构形式拼接而成。当然,各个元上的电磁流的振幅、相位和方向可能是不相同的各个元上的电磁
24、流的振幅、相位和方向可能是不相同的,具体具体的分布形式由天线的几何形状、尺寸以及的分布形式由天线的几何形状、尺寸以及激励条件而定。如果激励条件而定。如果我们掌握了基本元的辐射特性我们掌握了基本元的辐射特性,则可按电磁场的叠加原理则可按电磁场的叠加原理,考虑考虑到各到各个元上电磁流的振幅、相位和方向在空间的分布个元上电磁流的振幅、相位和方向在空间的分布,则可得则可得出各类天线的辐射特性。出各类天线的辐射特性。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 基基本本元元的的类类型型可可以以分分成成三三类类,第第一一类类为为电电流流元元,元元上上载载有有交交变变电电流流,又又称称为为电电基基本本振振子子;
25、第第二二类类为为磁磁流流元元,元元上上载载有有交交变变磁磁流流。正正如如在在“电电磁磁场场理理论论”课课程程中中所所介介绍绍的的,在在某某些些场场合合引引人人磁磁流流的的概概念念将将给给我我们们很很大大方方便便。本本节节将将介介绍绍电电磁磁场场对对偶偶性性原原理理,依依据据此此原原理理,磁磁基基本本振振子子的的辐辐射射场场可可从从电电基基本本振振子子的的辐辐射射场场对对应应地地得得出出;第第三三类类为为面面基基本本元元,简简称称面面元元,依依据据经经典典波波动动光光学学的的惠惠更更斯斯一一菲菲涅涅尔尔原原理理,空空间间任任意意一一点点M处处的的场场,是是包包围围天天线线的的封封闭闭曲曲面面上上
26、各各点点电电磁磁扰扰动动所所产产生生的的次次辐辐射射在在M点点的的叠叠加加结结果果。由此由此,对某一面天线而言对某一面天线而言,可以认可以认为是由金属面和开口面为是由金属面和开口面构成的一完整的封闭面构成的一完整的封闭面,金属面外表面上的金属面外表面上的场为零。因此场为零。因此,只要知只要知道开口面上的场的分道开口面上的场的分布情况布情况,就可求出空间任意一点的场。同理就可求出空间任意一点的场。同理,可以将开口面分割成许可以将开口面分割成许多小面元多小面元,知道面知道面元的辐射就可依据整个开口面场的分布情况元的辐射就可依据整个开口面场的分布情况求出此天线的辐射特性。求出此天线的辐射特性。第第1
27、 1章章 天线基础知识天线基础知识 (111)图图111电基本振子的坐标电基本振子的坐标如图如图111所示，在电磁场理论中，已给出了在球坐标系原点所示，在电磁场理论中，已给出了在球坐标系原点O沿沿z轴放置的电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为轴放置的电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 (112)为为自自由由空空间间相相移移常常数数，为为自由空间波长。式中略去自由空间波长。式中略去了时间因子了时间因子ejt。式中式中,E为电场强度，单位为为电场强度，单位为V/m;H为磁场强度，单位为为磁场强度，单位为A/m;场强的下标场强的下标r、表示球坐标
28、系中矢量的各分量；表示球坐标系中矢量的各分量；er,e,e分别分别为球坐标系中沿为球坐标系中沿r、增大方向的单位矢量增大方向的单位矢量;0=10-9/(36)(F/m),为自由空间的介电常数为自由空间的介电常数;0=410-7(H/m),为自由空间导磁率；为自由空间导磁率；第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 因此忽略式（因此忽略式（111）中的）中的1/r项，并且认为项，并且认为e-jkr1，电基本振子的近区场表达式为电基本振子的近区场表达式为1.近区场近区场kr1即（即（r1即（即（r/(2)）的区域称为远区，在此区域内）的区域称为远区，在此区域内(114)由上式可见，远区场的性质与近
29、区场的性质完全不同，场强只有由上式可见，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（两个相位相同的分量（E,H），其电力线分布如图），其电力线分布如图112所示，所示，场矢量如图场矢量如图113所示。所示。（111）第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 图图112电基本振子电力线电基本振子电力线图图113电基本振子远区场电基本振子远区场第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 (115)有能量沿有能量沿r方向向外辐射，故远区场又称为辐射场。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：该辐射场有如下性质：远区场的坡印廷矢量平均值为远区场的坡印廷矢量平均值为(1
30、)只有两个分量只有两个分量E、H均与距离均与距离r成反比成反比（由扩散引起）（由扩散引起），波的传播速度为波的传播速度为，E和和H中都含有相位因子中都含有相位因子e-jkr（球面波函数）（球面波函数），说明辐射场的等相位面为，说明辐射场的等相位面为r等于常数的球面，等于常数的球面，所以称其为球面波。所以称其为球面波。E、H和和Sav相互垂直，且符合右手螺旋定则。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。波。(3)E和和H的比值为常数，称为媒质的波阻抗，记为的比值为常数，称为媒质的波阻抗，记为
31、。对。对于自由空间于自由空间第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 (116)(4)E和和H与与sin成正比，说明电基本振子的辐射具有方向性，成正比，说明电基本振子的辐射具有方向性，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。具有完全的球对称性，这也是所有辐射场的普遍特性。辐射功率：辐射功率：电偶极子向自由空间辐射的总功率称为辐射功率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，它等于坡印廷矢量在任一包围电偶极子的球面上的积分
32、，即(117)第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 (118)因此，辐射功率取决于电偶极子的电长度，若几何长度不因此，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离r无关。无关。辐射电阻：辐射电阻：既然辐射出去的能量不再返回波源，为方便起见，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，这个等将天线辐射的功率看成被一个等效电阻所吸
33、收的功率，这个等效电阻就称为辐射电阻效电阻就称为辐射电阻Rr。类似于普通电路，可以得出。类似于普通电路，可以得出其中，其中，Rr称为该天线归算于电流称为该天线归算于电流I的辐射电阻，这里的辐射电阻，这里I是电流的振是电流的振幅值。将上式代入式（幅值。将上式代入式（117），得电基本振子的辐射电阻为），得电基本振子的辐射电阻为(119)也可是输入电流，此时称归算于输入电流的辐射电阻也可是输入电流，此时称归算于输入电流的辐射电阻第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 1.1.2磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射磁基本振子（磁基本振子（MagneticShortDipole）又称磁流元、磁）又称磁流
34、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。简化计算，因此讨论它是有必要的。如图如图114所示，设想一段长为所示，设想一段长为l（l）的磁流元）的磁流元Iml置于球坐标系原置于球坐标系原点，根据电磁对偶性原理，只需要进点，根据电磁对偶性原理，只需要进行如下变换：行如下变换：(111
35、0)图图114磁基本振子的坐标磁基本振子的坐标第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 其其中中，下下标标e,m分分别别对对应应电电源源和和磁磁源源，则则磁磁基基本本振振子子远远区辐射场的表达式为区辐射场的表达式为（1111）比比较较电电基基本本振振子子的的辐辐射射场场与与磁磁基基本本振振子子的的辐辐射射场场，可可以以得得知知它它们们除除了了辐辐射射场场的的极极化化方方向向相相互互正正交交之之外外，其其它它特性完全相同。特性完全相同。电基本振子的辐射场：电基本振子的辐射场：第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 磁基本振子的实际模型是小电流环，如图磁基本振子的实际模型是小电流环，如图115所
36、示，它所示，它的周长远小于波长，而且环上的谐变电流的周长远小于波长，而且环上的谐变电流I的振幅和相位处处相的振幅和相位处处相同。相应的磁矩和环上电流的关系为同。相应的磁矩和环上电流的关系为pm=0Is（1112）式中式中s为环面积矢量，方向由环电流为环面积矢量，方向由环电流I按右手螺旋定则确定。按右手螺旋定则确定。图图115小小电电流流环环和和与与其其等等效效的的磁磁矩矩(a)小电流环；小电流环；(b)磁矩磁矩第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 若若求求小小电电流流环环远远区区的的辐辐射射场场，我我们们可可把把磁磁矩矩看看成成一一个个时时变变的的磁磁偶偶极极子子，磁磁极极上上的的磁磁荷荷
37、是是+qm,-qm，它它们们之之间间的的距距离离是是l。磁磁荷荷之之间间有有假假想想的的磁磁流流Im，以以满满足足磁磁流流的的连连续续性性，则则磁磁矩矩又可表示为又可表示为pm=qml (1113)式中式中l 的方向与环面积矢量的方向一致。的方向与环面积矢量的方向一致。比较式（比较式（1112）和（）和（1113），得），得pm=0Is（1112）第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 用复数表示的磁流为用复数表示的磁流为（1114）将式（将式（1114）代入式（）代入式（1111），经化简），经化简可得小电流环的远区场可得小电流环的远区场（1115）ejt第第1 1章章 天线基础知识天线基
38、础知识 小小电电流流环环是是一一种种实实用用天天线线，称称之之为为环环型型天天线线。事事实实上上，对对于于一一个个很很小小的的环环来来说说，如如果果环环的的周周长长远远小小于于/4，则则该该天天线线的的辐辐射射场场方方向向性性与与环环的的实实际际形形状状无无关关，即环可以是矩形、三角形或其它形状。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磁偶极子的辐射总功率是（1116）（1115）第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 其辐射电阻是其辐射电阻是（1117）由此可见，同样电长度的导线，绕制成磁偶极子，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
39、功率比电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的要小几个数量级()。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 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描述天线工作特性的参数称为天线电参数(BasicAntennaParameters)，又称电指标。它们是定量衡量天线，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
40、间电波能量以及定向辐射的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。或磁基本振子为例说明之。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 1.2.1方向函数方向函数由由电电基基本本振振子子的的分分析析可可知知，天天线线辐辐射射出出去去的的电电磁磁波波虽虽然然是是一一球球面面波波，但但却却不不是是均均匀匀球球面面波波，因因此此，任任何何一一个个天天线线的的辐辐射射场都具有方向性。场都具有方向性。（121）方向函数：方向函数：若天线辐射的电场若天线辐射的电场强度为强度
41、为E(r,)，把电场强度，把电场强度（绝对值）写成（绝对值）写成所谓方向性，就是在相同所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐射场的相距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向（子午角对值与空间方向（子午角、方、方位角位角）的关系，如图）的关系，如图121所示。所示。图121第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 式式中中I为为归归算算电电流流，对对于于驻驻波波天天线线，通通常常取取波波腹腹电电流流Im作作为为归算电流；归算电流；f(,)为场强方向函数。因此，方向函数可定义为为场强方向函数。因此，方向函数可定义为（122）将电基本振子的辐射场表达式（将电基本振子的辐射场表达式（114）代入上）
42、代入上式，可得电基本振子的方向函数为式，可得电基本振子的方向函数为（123）第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 归归一一化化方方向向函函数数：为为了了便便于于比比较较不不同同天天线线的的方方向向性性，常常采采用用归归一化方向函数，用一化方向函数，用F(,)表示，即表示，即（124）式中，式中，fmax(,)为方向函数的最大值；为方向函数的最大值；Emax为最大辐射方向上的为最大辐射方向上的电场强度电场强度;E(,)为同一距离为同一距离(,)方向上的电场强度。方向上的电场强度。归一化方向函数归一化方向函数F(,)的最大值为的最大值为1。因此，电基本振子的归。因此，电基本振子的归一化方向函数
43、可写为一化方向函数可写为理理想想点点源源：为为了了分分析析和和对对比比方方便便，今今后后我我们们定定义义理理想想点点源源是是无无方方向向性性天天线线，它它在在各各个个方方向向上上、相相同同距距离离处处产产生生的的辐辐射射场场的的大大小小是相等的，因此，它的归一化方向函数为是相等的，因此，它的归一化方向函数为 F(,)=1（126）F(,)=|sin|（125）第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 1.2.2方向图方向图方向图定义：方向图定义：式（式（121）定义了天线的方向函数，它与）定义了天线的方向函数，它与r及及I无关。将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图无关。将方向函数用曲线描绘出
44、来，称之为方向图(FileldPattern)。方向图就是与天线等距离处，天线辐射场。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。向函数而绘出的为归一化方向图。立体方向图：立体方向图：变化变化及及得出得出的方向图是立体方向图。对的方向图是立体方向图。对于电基本振子，由于归一化于电基本振子，由于归一化方向函数方向函数F(,)=|sin|，因此，因此其立体方向图如图其立体方向图如图122所所示示图图122基本振子立体方向图基本振子立体方向图第第1 1章章 天线基础知识天线基
45、础知识 方向图分类：方向图分类：方向图可用极坐标绘制，方向图可用极坐标绘制，角度表示方向，矢径表示场强大小。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，纵坐标表示制，横坐标表示方向角，纵坐标表示图图122基本振子立体方向图基本振子立体方向图两个特定正交（主）平面方向图：两个特定正交（主）平面方向图：在实在实际中，工程上常常采用两个特定正交平际中，工程上常常采用两个特定正交平面方向图。在自由空间中，两个最重要面方向图。在自由空间中，两个最重要的平面方向图是的平
46、面方向图是E面和面和H面方向图。面方向图。E面面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；向的平面；H面即磁场强度矢量所在并面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。包含最大辐射方向的平面。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 辐射幅值。由于横坐标可按任意标尺扩展，故图形清晰。辐射幅值。由于横坐标可按任意标尺扩展，故图形清晰。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 FE()=|sin|。而。而H面即为面即为xOy面面（垂直于振子轴）（垂直于振子轴），此面的方向，此面的方向函数函数FH()=1，如图，如图124所示，所示，H面的归一化方向图为一单位圆
47、。面的归一化方向图为一单位圆。E面和面和H面方向图就是立体方向面方向图就是立体方向图沿图沿E面和面和H面两个主平面的剖面两个主平面的剖面图。面图。如图如图123所示，对于球坐标所示，对于球坐标系中的沿系中的沿z轴放置的电基本振子轴放置的电基本振子而言，而言，E面即为包含面即为包含z轴的任一平轴的任一平面，例如面，例如yOz面面（包含振子轴）（包含振子轴），此面的方向函数此面的方向函数图图123电基本振子电基本振子E平面方向图平面方向图图图124电基本振子电基本振子H平面方向图平面方向图为阵子轴与射线之间的夹角为阵子轴与射线之间的夹角第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 但但是是要要注注意意
48、的的是是，尽尽管管球球坐坐标标系系中中的的磁磁基基本本振振子子方方向性和电基本振子一样，但向性和电基本振子一样，但E面和面和H面的位置恰好互换。面的位置恰好互换。功率方向图功率方向图:有时还需要讨论辐射的功率密度（坡印廷矢量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。容易得出，它与场强方向图之间的关系为之间的关系为(,)=F2(,)（127）电基本振子电基本振子E平面功率方向图也如图平面功率方向图也如图123所示。所示。第第1 1章章 天线基础知识天线基
49、础知识 全向天线方向图定向天线方向图第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 实际方向图：实际方向图：第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 天线天线波束波束的下倾的下倾为使波束指向朝向地面为使波束指向朝向地面,需要天线下倾。需要天线下倾。目的：控制覆盖、减少干扰方法：机械下倾、电下倾下倾、电下倾第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 无下倾无下倾电下倾电下倾机械下倾机械下倾第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识 3db不圆度不圆度不圆度不圆度 不圆度不圆度是指全向天线在是指全向天线在360方向上能量是否均匀辐射，一般方向上能量是否均匀辐射，一般要求要求3db以内以内第第1 1章章 天线
50、基础知识天线基础知识 1.2.3方向图参数方向图参数实实际际天天线线的的方方向向图图要要比比电电基基本本振振子子的的复复杂杂，通通常常有有多多个个波波瓣瓣，它它可可细细分分为为主主瓣瓣、副副瓣瓣和和后后瓣瓣，如如图图125所所示示。用用来来描述方向图的参数通常有：描述方向图的参数通常有：(1)零功率点波瓣宽度零功率点波瓣宽度(主瓣宽度主瓣宽度)（BeamWidthbetweenFirstNulls,BWFN)20E或或20H(下标下标E、H表示表示E、H面，下同）：面，下同）：指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。波瓣图波瓣图:大多数情况下大多数情