第1章天线基础知识2.ppt

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1、第1章 天线基础知识,上次课内容回顾,2.电基本振子的辐射,1.绪论,天线的定义、作用,天线在无线电通信系统中的地位,电基本振子辐射场表达式,电基本振子的辐射特性,本次课主要内容,1、发射天线的电参数,2、互易定理,3、接收天线的电参数,有效接收面积、等效噪声温度,方向函数、方向图、方向图参数、方向系数、 天线效率、增益系数、天线极化、有效长度、 输入阻抗与辐射阻抗、频带宽度,第1章 天线基础知识,1.2 发射天线的电参数,方向特性：方向函数、方向图、 方向图参数、方向系数,辐射特性：天线效率、增益系数、有效长度,极化特性：天线极化,阻抗特性：输入阻抗与辐射阻抗、频带宽度,第1章 天线基础知识

2、,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。用 f (,)表示。,方向特性 1方向函数,天线辐射的电场强为 ，把电场 强度（绝对值）写成,（121）,方向函数,第1章 天线基础知识,因此，方向函数可定义为,（122）,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,（123）,第1章 天线基础知识,第1章 天线基础知识,方向函数是衡量天线的辐射作用在空间相对分布的参数。,物理意义：,描述了天线辐射场强的相对值与空间方向之间的关系。,图122 电基本振子方向图,立体方向图,E面方向图,H面方向图,依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图,与天线等距

3、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。,方向特性 2方向图,第1章 天线基础知识,（124）,最大辐射方向 上的电场强度,方向函数的最大值,理想点源,电基本振子,常采用归一化方向函数，用 表示，即,第1章 天线基础知识,第1章 天线基础知识,天线辐射场强在空间的相对分布。,物理意义：,天线方向图是方向函数的图形表示。,工程上常采用两个特定正交平面,面：电场强度矢量所在并包含最大辐射 方向的平面。,面：磁场强度矢量所在并包含最大辐射 方向的平面。,：表示面方向函数；,：表示面方向函数。,方向图可以用极坐标或直角坐标绘制。,第1章 天线基础知识,图123 电基本振子E平面方向图（

4、极坐标）,第1章 天线基础知识,功率方向图：,图124 电基本振子H平面方向图（极坐标）,第1章 天线基础知识,电基本振子方向图（直角坐标）,E面,H面,0,第1章 天线基础知识,主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。用 20E 或 20H 表示。,(1)零功率点波瓣宽度：,方向特性 3方向图参数,第1章 天线基础知识,(2)半功率点波瓣宽度：,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，又称为3分贝波束宽度。用 20.5E 或 20.5H表示。,第1章 天线基础知识,(3)副瓣电平,副瓣最大值与主瓣最大值之比。 一般以分贝表示：,（12

5、8）,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Emax 分别为最大副瓣和主瓣的场强最大值。,第1章 天线基础知识,图125 天线方向图的一般形状,(4)前后比,主瓣最大值与后瓣最大值之比。 通常也用分贝表示。,第1章 天线基础知识,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| 的平方）与无方向性天线(点源)的辐射功率密度S0 （或场强|E0|的平方）之比。记为D,（129）,式中Pr、Pr0分别为实际天线和无方向性天线 的辐射功率。,方向特性 4方向系数,第1章 天线基础知识,第1章 天线基础

6、知识,方向系数是衡量天线定向辐射能力的重要参数。,物理意义：,描述天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将辐射功率增大的倍数。,（1210）,所以由方向系数的定义得,（1211）,无方向性天线的方向系数为 1。因为无方向性天线在 r处产生的辐射功率密度为,第1章 天线基础知识,（1212）,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,（1213）,因此，在最大辐射方向上,第1章 天线基础知识,（121）,即所需要的辐射功率与方向系数成反比。,（1214）,若要求在同一r 处辐射场相等，则要求

7、,方向系数计算公式：,第1章 天线基础知识,例：求电基本振子的方向系数 和半功率波瓣宽度 ，并用极坐标和直角坐标画出面和面方向图。,令,解：电基本振子方向系数为,第1章 天线基础知识,（）根据电基本振子的方向函数，求出面和 面归一化方向函数。 面： 面：,方向图绘制方法（以电基本振子为例）：,（）根据求出的归一化方向函数，列表计算。,（）根据计算结果，选取需要的坐标系进行绘制。,第1章 天线基础知识,注意： 所取角度间隔可根据需要确定，角度间隔 越小，画出的方向图越精确，但一定要找出发 生零值和最大值的角度。,第1章 天线基础知识,E面方向图（极坐标）,E面方向图（直角坐标）,H面方向图（极坐

8、标）,H面方向图（直角坐标）,x,y,第1章 天线基础知识,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。,如果方向系数是以半波振子天线作为比 较标准得出的，则将dB写成dBd。,第1章 天线基础知识,天线辐射功率Pr与输入功率Pin之比。,（1221）,辐射电阻的一般表达式：,（1222）,方向系数与辐射电阻之间的联系公式：,（1223）,记为A,辐射特性 5天线效率,第1章 天线基础知识,（1224）,Rl 是归算于电流 I 的损耗电阻，这样,（1225）,提高

9、天线效率,增大辐射电阻,减小损耗电阻,损耗功率Pl 与损耗电阻Rl 的关系为,第1章 天线基础知识,第1章 天线基础知识,天线效率是衡量天线能量转换有效程度的重要参数。,物理意义：,天线的辐射功率在天线输入功率中所占的比重。,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|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|的平方）之比，记为G,（1227）,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。,辐射特性 6增益系数,第1章 天线基础知识,（1228）,（1229）,理想无方向性天线本

10、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，式 （1227） 可改写为,第1章 天线基础知识,（1230）,增益系数也可以用分贝表示为,（dB）10lgG,可见，天线增益系数是方向系数与天线 效率的乘积。,可将式（1-2-12）改写为：,第1章 天线基础知识,第1章 天线基础知识,增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的重要参数。,物理意义：,表征天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。,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，把归算于输入电流Iin的有效长度记为le

11、in 把归算于波腹电流Im的有效长度记为lem,辐射特性 7有效长度,第1章 天线基础知识,（1231）,图 129,设实际长度为 l 的某天线 的电流分布为I(z)，考虑到各 电基本振子辐射场的叠加，此 时该天线在最大辐射方向产生 的电场为,第1章 天线基础知识,（1232）,令上两式相等，得,（1233）,（1231）,若以该天线的输入端电流Iin为归算电流，则电流以Iin为均匀分布、长度为lein时天线在最大辐射方向产生的电场为,第1章 天线基础知识,由上式可看出，以高度为一边，则实际电流与 等效均匀电流所包围的面积相等。在一般情况下， 归算于输入电流Iin的有效长度与归算于波腹电流Im

12、 的有效长度不相等。,引入有效长度以后，可写出线天线辐射场强的 一般表达式为,式中le与F(,)均用同一电流I归算。,（1234）,第1章 天线基础知识,（1235）,在天线的设计过程中，有一些专门的措施可以加大天线的等效长度，用来提高天线的辐射能力。,将式（1223）与上式结合起来，可得出方向系数与辐射电阻、有效长度之间的关系式:,第1章 天线基础知识,天线在最大辐射方向上辐射电场矢量端点运动的轨迹。,极化特性 8天线极化,天线极化,天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变，因 此，天线在不同辐射方向可以有不同的极化。,第1章 天线基础知识,椭圆极化,圆极化,右旋圆极化,左旋圆极化,线极化,水平

13、极化：电场矢量与地面平行,垂直极化：电场矢量与地面垂直,三种极化类型,右旋椭圆极化,左旋椭圆极化,第1章 天线基础知识,右旋,左旋,拇指朝向波的传播方向，四指弯向电场矢量的旋转方向，符合左手螺旋的为左旋圆极化，符合右手螺旋的为右旋圆极化。,圆（椭圆）极化判别方法,第1章 天线基础知识,天线不能接收与其正交的极化分量。,接收天线与来波,极化失配因子 p = 0 1,极化不一致 极化失配,极化一致 极化匹配,极化失配意味着功率损失，为衡量这种损失，引入,第1章 天线基础知识,收发天线在不同极化方式时的极化失配因子,第1章 天线基础知识,（1236）,输入电阻,输入电抗,输入阻抗的计算是比较困难的，

14、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。,天线输入端电压与电流之比。,阻抗特性 9输入阻抗与辐射阻抗,1.2.9 输入阻抗Zin,第1章 天线基础知识,辐射功率与归算电流之间的关系为,（1237）,式中Zr0、Zrm分别为归于输入电流和波腹电流的辐射阻抗。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,辐射阻抗,第1章 天线基础知识,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，简称带宽。,若天线的最高工作频率为fmax ，最低工作频率 为fmin ， 天线中心工作频率为f0 ，

15、则,相对带宽：,绝对带宽：,阻抗特性 10频带宽度,第1章 天线基础知识,如果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。,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；,第1章 天线基础知识,1.3 互易定理与接收天线的电参数,结论：同一天线，用做发射和接收时，其性能保持不变。,互易定理：,任意类型的天线用作接收天线时，它的 极化、方向性、有效长度和阻抗特性等均与 它用作发射天线时的相同。,第1章 天线基础知识,天线导体在空间电场的作用下产生感应 电动势，并在导体表面激励起感应电流，在 天线的输入端产生电压，在接收机回

16、路中产 生电流。,接收天线工作的物理过程：,结论：接收天线其工作过程就是发射天线的 逆过程。,第1章 天线基础知识,图132 接收天线的等效电路,第1章 天线基础知识,1.3.2 有效接收面积,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,（131）,第1章 天线基础知识,电台信号及各种电气设备工作时的工业辐射,大气雷电放电以及来自宇宙空间的各种辐射,天线除了能够接收无线电波之外，还能 够接收来自空间各种物体的噪声信号。,天线接收的噪声功率的大小可以用天线 的等效噪声温度T

17、A来表示。,1.3.3 等效噪声温度,外部噪声包含：,第1章 天线基础知识,（137）,Kb=1.3810-23(J/K)，为波耳兹曼常数； f为与天线相连的接收机带宽(Hz)。,若将接收天线视为一个温度为TA 的电阻，则它输送给匹配的接收机的最大噪声功率Pn(W)与天线的等效噪声温度TA(K)的关系为,第1章 天线基础知识,T(,)为噪声源的空间分布函数； F(,)为天线的归一化方向函数。,噪声源分布在接收天线周围的全空间，它是考虑了以接收天线的方向函数为加权的噪声分布之和，写为,第1章 天线基础知识,第1章 天线基础知识,等效噪声温度是衡量天线接收噪声功率大小的参数，并不是天线的物理温度。,物理意义：,表示天线向接收机输送噪声功率的大小。,本次课内容小结,1、发射天线的电参数,2、互易定理,3、接收天线的电参数,有效接收面积、等效噪声温度,方向函数、方向图、方向图参数、方向系数、 天线效率、增益系数、天线极化、有效长度、 输入阻抗与辐射阻抗、频带宽度,第1章 天线基础知识,思考题,1天线的方向图参数是如何定义的？,2方向系数和增益系数有何异同？,第1章 天线基础知识,