第1章天线基础知识4.ppt

《第1章天线基础知识4.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章天线基础知识4.ppt（60页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、上次课内容回顾,14 对称振子,15 天线阵的方向性,对称振子的辐射场,方向图乘积定理,应用实例,对称振子的输入阻抗,第1章 天线基础知识,本次课主要内容,15 均匀直线阵,16 对称振子阵的阻抗特性,均匀直线阵阵因子,均匀直线阵的应用,17 无限大理想导电反射面对天线 电性能的影响,1.5.2 均匀直线阵,定义：所有单元天线结构相同，并且等间 距、等幅激励而相位沿阵轴线呈依次递增 或递减的直线阵。,构成要素：,1、N个相同振元排列在一条直线上,2、各振元的电流关系为 In=In-1 e j(n=2,3,N),3、相邻元的间距相等(均为d),第1章 天线基础知识,图1513 均匀直线阵坐标图,

2、N个天线元沿y轴排列，且间距相等，电流激励为In=In-1ej(n=2,3, ，N),第1章 天线基础知识,设单元天线 1 为相位参考点，当电波射线与阵轴线成角度时，相邻阵元在此方向上的相位差为,（1513）,N元均匀直线阵的阵因子为,（1514）,第1章 天线基础知识,（1515）,（1516）,归一化方向函数为：,此式是一等比级数求和，其值为：,第1章 天线基础知识,图 1514,均匀直线阵的通用方向图 Fa() ,第1章 天线基础知识,归一化阵因子,特点：,（1）Fa ( )是的周期函数，周期为2；,（2）=2m时，Fa （）取得最大值；,（3）N越大，方向性越强，但副瓣也越多。,第1章

3、 天线基础知识,由于0，所以,-kd +kd + 称为可视区,天线辐射为了保证能量集中，应该避免出现栅瓣。应正确选择d,使栅瓣落入不可见区。,栅瓣：最大值与主瓣相同的波瓣。,第1章 天线基础知识,主瓣、副瓣、零点位置,1阵因子有 1 个最大值（主瓣），发生在 =、2处。,阵因子有N2个极大值（副瓣），发生 在分子为1的条件下。,第1章 天线基础知识,阵因子有N1个零点，发生在分子为零 而分母不为零时。,第1章 天线基础知识,【例题154】设有一个五元均匀直线阵， 间隔距离d=0.35，电流激励相位=/2，绘出均匀直线阵阵因子方向图，同时计算极坐标方向图中的第一副瓣位置和副瓣电平、第一零点位置。

4、,解 相位差,第1章 天线基础知识,可视区：0.2 1.2 （360） （2160）,归一化阵因子为,第1章 天线基础知识,第一副瓣：,m1 =3/5，代入（）,解得,副瓣电平：,第一零点：,解得,第1章 天线基础知识,图1515 阵因子方向图 (a)在可视区内的F(); (b)F()的极坐标方向图,第1章 天线基础知识,当间隔距离加大时，可视区变大，栅瓣出现。栅瓣会造成天线的辐射功率分散，或受到严重干扰。,2.均匀直线阵的应用,1）边射阵（侧射阵）,最大辐射方向：垂直于阵轴线（max=/2）,条 件：=0，=kd cos,第1章 天线基础知识,防止栅瓣出现的条件是可视区的宽度 max=|(=

5、0)(=)|=2kd 有一定的限制。,（1520）,对于边射阵，要求,第1章 天线基础知识,图1516 边射阵方向图,五元阵实例,第1章 天线基础知识,图1517 边射阵阵因子极坐标方向图,结论：阵元数越多，间隔距离越大，边射阵 主瓣越窄，副瓣电平也就越高。,第1章 天线基础知识,（1521）,各阵元的电流相位沿最大辐射方向依次滞后kd。,条件：+kdcos0=0或+kdcos=0，即,2）普通端射阵,最大辐射方向： 沿天线阵的阵轴线（即max=0或）,第1章 天线基础知识,图 1518,普通端射阵实例,第1章 天线基础知识,当 d 给定后，max将随的变化而变化。连续地调整，可以让波束在空间

6、扫描，这就是相控阵天线的基本原理。,（1523）,最大辐射方向将由+kdcosmax =0 决定，表示为,（1522）,即,普通端射阵不产生栅瓣的条件为,第1章 天线基础知识,（1525b）,(1525a),最大辐射方向：沿天线阵的阵轴线，可获 最大方向系数,（1524）,为了防止出现栅瓣,条 件：,3）强方向性端射阵（汉森-伍德耶特阵）,第1章 天线基础知识,图1519 强方向性端射阵方向图,强方向性端射阵实例,第1章 天线基础知识,当N很大时，方向系数与N的关系基本上成线性增长关系。,则可以绘出不同均匀直线阵的方向系数变化曲线。,将均匀直线阵的归一化阵因子代入方向系数D的公式,3. 均匀直

7、线阵的方向系数,第1章 天线基础知识,图1520 均匀直线阵方向系数变化曲线 (a)方向系数D间隔距离d；(b)方向系数D阵元数N,强方向端射阵,边射阵,普通端射阵,第1章 天线基础知识,表151 当N很大时均匀直线阵方向图参数,第1章 天线基础知识,阵因子方向图画法（以四元均匀直线阵为例）,设：d=/2,=，N = 4，=+kdcos,可视区：kd+ kd+ 即0 2,1.作出,2.在此曲线下方平行于 轴作一直线（阵轴）；,第1章 天线基础知识,曲线；,3.找出=点，以此点为圆心,以kd 为半径 作圆；,5.利用旋转对称性完成作图。,4.根据 曲线的主瓣 副瓣和零值描点作图。,第1章 天线基

8、础知识,单元天线的阻抗由两部分组成：,自阻抗：不考虑相互耦合影响时本身的阻抗,互阻抗：由相互感应作用而产生的阻抗,天线阵元 相互作用,电磁耦合,电流和阻抗 发生变化,对称振子阵阻抗分析方法：感应电动势法,1.6 对称振子阵的阻抗特性,第1章 天线基础知识,1.6.1 二元阵的阻抗,振子2上的电流I2(z2)会在振子1上z1处线元dz1表面上产生切向电场分量E12，并在dz1上产生感应电动势E12dz1。,振子1上电流I1(z1)必须在线元 dz1处产生-E12，以满足总的切向电 场为零。,振子1上电流I1(z1)也必须在dz1上产生一个反向电动势-E12dz1。,第1章 天线基础知识,互耦振子

9、阵中，振子1和2的总辐射功率应分别写为,（164）,P11和P22分别为振子单独存在时对应Im1 和Im2的自辐射功率。,第1章 天线基础知识,如果仿照网络电路方程，引入分别归算于Im1和Im2的等效电压U1和U2，则振子1和2的总辐射功率可表示为,（167）,第1章 天线基础知识,其中：,Z11、Z22分别为归算于波腹电流Im1、Im2的自阻抗； Z12为归算于Im1、Im2的振子2对振子1的互阻抗； Z21为归算于Im2、Im1的振子1对振子2的互阻抗。,回路方程可写为,（168）,第1章 天线基础知识,（169）,可以由电磁场的基本原理证明互易性：Z12=Z21。,第1章 天线基础知识,

10、当a/l=0.0001时， 半波振子的自阻抗为 73.1+j42.5。,振子1和振子2的辐射阻抗为,（1610）,第1章 天线基础知识,（1611）,选定振子1的波腹电流为归算电流，则,（1612）,如果计算二元振子阵的总辐射阻抗，依据 二元阵总辐射功率等于两振子辐射功率之和， 即,第1章 天线基础知识,（1613）,如果同样以振子1的波腹电流Im1为归算电流来计算二元阵的方向函数，根据式（1223），则二元阵的最大方向系数为,（1614）,于是，以振子1的波腹电流为归算电流的 二元阵的总辐射阻抗可表述为,第1章 天线基础知识,图 164 Im2=Im1ej/2,【例161】 计算如图164所

11、示的齐平行二元半波振子阵的方向系数(a/l=0.0001)。,第1章 天线基础知识,解 此二元阵属于等幅二元阵，该阵在平行于阵轴线的左端方向，振子 2相对于振子 1的总相位差为0。因此，该方向为最大辐射方向，fmax(1)=2。,第1章 天线基础知识,以振子 1的波腹电流为归算电流，该二元阵的总 辐射阻抗为,若考虑到Z11=Z22，Z12=Z21,则化简为,因此,代入，,第1章 天线基础知识,并将,第1章 天线基础知识,该二元阵在平行于阵轴线左端的方向系数，也就是最大方向系数为,镜像法：用镜像电流代替理想导电平面上的感应 电流，使真实电流和镜像电流的合成场 满足边界条件。,天线电场,地面或金属

12、导体 （感应电流）,二次辐射场,空间总场天线辐射场二次辐射场,理想导电平面边界条件：切向电场处处为零。,1.7 无限大理想导电反射面对天线电性能的影响,第1章 天线基础知识,图171 电流元的镜像,负镜像,正镜像,负镜像,倾斜 电流元,垂直 电流元,水平 电流元,第1章 天线基础知识,图172 线天线的镜像 (a)驻波单导线； (b)对称振子,水平线天线的镜像一定为负镜像；垂直对称线天线的镜像为正镜像。垂直架设的驻波单导线，其镜像的正负视单导线的长度 l 而定。,第1章 天线基础知识,1.7.2 无限大理想导电反射面对天线电性能的影响,影响,方向性,阻抗特性,用等幅同相或等幅反向二元阵来处理。

13、,第1章 天线基础知识,分析方法：,阻抗发生变化,最大辐射仰角改变,(171),图173 理想导电平面上天线的坐标图,如图所示的坐标系统，以实际天线的电流 I 为参考电流，当天线的架高为H 时，镜像天线相对于实际天线之间的波程差为 -2kHsin， 于是由实际天线与镜像天线构成的二元阵的阵因子为,正镜像时：Fa()=cos(kHsin) 负镜像时：Fa()=sin(kHsin),第1章 天线基础知识,图174 镜像时的阵因子随天线架高的变化 (a)正镜像；(b)负镜像,（a）,（b）,第1章 天线基础知识,图174 镜像时的阵因子随天线架高的变化 (a)正镜像；(b)负镜像,第1章 天线基础知

14、识,图174 镜像时的阵因子随天线架高的变化 (a)正镜像；(b)负镜像,天线架得越高，阵因子的波瓣个数越多。沿导电平面方向，正镜像始终是最大辐射，负镜像始终是零辐射；负镜像阵因子的零辐射方向和正镜像阵因子的最大辐射方向互换位置，反之亦然。,第1章 天线基础知识,（172）,可见，H越大，m越小。,负镜像情况下，最靠近导电平面的第一 最大辐射方向对应的波束仰角m1所满足的 条件为,第1章 天线基础知识,理想导电平面对天线辐射阻抗的影响类似于一般二元阵，可以直接写为,正镜像：Zr =Z11Z12 负镜像：Zr =Z11Z12,Z12是实际天线与镜像天线之间的距离所对应的互阻抗。,（173）,第1

15、章 天线基础知识,图175 H平面坐标图,第1章 天线基础知识,【例171】 计算架设在理想导电平面上的水平 二元半波振子阵的H平面方向图、辐射阻抗以及方 向系数。Im2=Im1e-j/2，二元阵的间隔距离d=/4， 天线阵的架高H=/2。,第1章 天线基础知识,解 此题可用镜像法分析，如 图所示，该二元阵的镜像为负 镜像。取H平面为纸面，以Im1 为参考电流，则H平面的方向 函数为,图176 H平面方向图,图176绘出了对应的H平面方向图， 图177绘出了该天线阵的立体方向图。,第1章 天线基础知识,图177 立体方向图,第1章 天线基础知识,以Im1为参考电流的阵的总辐射阻抗为,第1章 天线基础知识,从方向图可知， 天线阵的最大辐射方向位于H平面上=30处，因此以 Im1 为参考电流的方向函数的最大值为fmax(1)=3.9704，因此该天线阵的方向系数为,第1章 天线基础知识,本次课内容小结,15 均匀直线阵,16 对称振子阵的阻抗特性,均匀直线阵阵因子,均匀直线阵的应用,17 无限大理想导电反射面对天线 电性能的影响,第1章 天线基础知识,思考题,1均匀直线阵有哪几种类型？,2无限大理想导电反射面对天线电性能 有哪些影响？,第1章 天线基础知识,