第3章 天線的特性參數(shù)2

1、第第3 3章章 天線的特性參數(shù)天線的特性參數(shù) -接收天線電參接收天線電參數(shù)數(shù)3.8互易定理與接收天線的電參數(shù)互易定理與接收天線的電參數(shù) 1.1.法拉第電磁感應(yīng)定律：法拉第電磁感應(yīng)定律：時(shí)變磁場中的靜止回路時(shí)變磁場中的靜止回路sE dlttBdS=當(dāng)穿過閉合回路的當(dāng)穿過閉合回路的磁通量磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中產(chǎn)生發(fā)生變化時(shí)，回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢感應(yīng)電動(dòng)勢，導(dǎo)體回路中，導(dǎo)體回路中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與磁通量的感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與磁通量的變化率變化率成正比。成正比。 tBE變化的磁場產(chǎn)生渦旋電場渦旋電場，此電場是非靜電場非靜電場，在此電場中電荷受到的力是非靜電力是非靜電力 并且，變化的磁場會(huì)在導(dǎo)體的每一部

2、分上都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，即使導(dǎo)體不夠成并且，變化的磁場會(huì)在導(dǎo)體的每一部分上都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，即使導(dǎo)體不夠成閉合回路，在導(dǎo)體上同樣產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，構(gòu)成電源閉合回路，在導(dǎo)體上同樣產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，構(gòu)成電源。接收天線。接收天線（線天線就是一（線天線就是一段導(dǎo)體，時(shí)變電磁場中的一段導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，天線變成一個(gè)電源）段導(dǎo)體，時(shí)變電磁場中的一段導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，天線變成一個(gè)電源）：BEt 導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)切割磁力線E dl（天線導(dǎo)體）2.2.天線接收的物理過程天線接收的物理過程接收天線工作的物理過程是，接收天線導(dǎo)體在空間電場的作用下產(chǎn)生接收天線工作的物理過程是，接收天線導(dǎo)體在空間電場的作用下產(chǎn)生感

3、應(yīng)電動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)勢勢，并在導(dǎo)體表面激勵(lì)起感應(yīng)電流，在天線的輸入端產(chǎn)生，并在導(dǎo)體表面激勵(lì)起感應(yīng)電流，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓電壓，在接收機(jī)回路，在接收機(jī)回路中產(chǎn)生中產(chǎn)生電流電流。所以接收天線是一個(gè)把。所以接收天線是一個(gè)把空間電磁波能量空間電磁波能量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成高頻電流能量高頻電流能量的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換裝置，其工作過程就是發(fā)射天線的換裝置，其工作過程就是發(fā)射天線的逆過程，逆過程，如圖所示，接收大線總是位于發(fā)如圖所示，接收大線總是位于發(fā)射天線的射天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場遠(yuǎn)區(qū)輻射場中因此可以認(rèn)為到達(dá)接收天線處的無線電波是中因此可以認(rèn)為到達(dá)接收天線處的無線電波是均勻平面均勻平面波波，設(shè)來波方向與天線軸，設(shè)來波方向與天線軸z

4、 z之間的夾角為之間的夾角為，求接收天線上的感應(yīng)電動(dòng)勢：，求接收天線上的感應(yīng)電動(dòng)勢： E dl（天線導(dǎo)體）發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)場發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)場是非均勻是非均勻TEMTEM球面球面波波，在小范圍內(nèi)看是，在小范圍內(nèi)看是TEMTEM平面波平面波，則，則電場是垂直于波的傳播方向的平面內(nèi)電場是垂直于波的傳播方向的平面內(nèi)的任意矢量，建立如圖所示的的的任意矢量，建立如圖所示的的坐標(biāo)坐標(biāo)系系：電波射線與天線軸構(gòu)成：電波射線與天線軸構(gòu)成入射平面入射平面，入射電場可分為兩個(gè)分量：一個(gè)是與入射電場可分為兩個(gè)分量：一個(gè)是與入射面相垂直的分量入射面相垂直的分量E Ev v，；一個(gè)是與，；一個(gè)是與入射面平行的分量入射面平行的

5、分量E Eh h。 2.2.天線接收的物理過程天線接收的物理過程dzLZhEzxvyEEsinzhEE只有只有沿天線沿天線軸線方向的電場分量才能在天線導(dǎo)體軸線方向的電場分量才能在天線導(dǎo)體dzdz段段上產(chǎn)個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢，進(jìn)而在天線激起上產(chǎn)個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢，進(jìn)而在天線激起感應(yīng)電流。感應(yīng)電流。dzdz段段看成是一個(gè)處于看成是一個(gè)處于接收接收狀態(tài)的狀態(tài)的電基本振子電基本振子，則可以看出無論，則可以看出無論電基本振子電基本振子是是用用做發(fā)射天線還是用做接收天線，其方向性是相同的做發(fā)射天線還是用做接收天線，其方向性是相同的。電基本振子電基本振子作為接收天線工作時(shí)也具有方向性，即當(dāng)電磁波以不同的方向入射時(shí)，產(chǎn)生不

6、同的感應(yīng)電動(dòng)勢，并且電基本振子用做發(fā)射天線和用做接收天線時(shí)的方向性相同，都是 。同理：任意天線作為接收天線工作時(shí)也具有方向性，當(dāng)電磁波以不同方向入射時(shí)，產(chǎn)生不同感應(yīng)電動(dòng)勢，且用于發(fā)射天線和用于接收天線時(shí)方向性相同，推論：推論：一根天線用做發(fā)射與接收時(shí)具有相同的方向性一根天線用做發(fā)射與接收時(shí)具有相同的方向性 sinzhzdE dlE dzaEdzEdz入射波sin只有同天線軸相平行的電場分量才能在只有同天線軸相平行的電場分量才能在天線導(dǎo)體天線導(dǎo)體dzdz段上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。因?yàn)槎紊袭a(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。因?yàn)镋 Ev v=E=Ey y，而沿，而沿y y方向的方向的dldly y很小。平行的分很小。平行的

7、分量量E Eh h可以分成兩個(gè)分量可以分成兩個(gè)分量E Ex x和和E Ez z同樣同樣dldlx xdldlz z，因此，因此E Ex x引起的感應(yīng)電動(dòng)勢也可引起的感應(yīng)電動(dòng)勢也可以忽略，只有以忽略，只有E Ez z分量才會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)分量才會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。勢。天線的收發(fā)互易性，天線的收發(fā)互易性，同一天線既可以同一天線既可以做為發(fā)射天線，也可以作為接收天線，做為發(fā)射天線，也可以作為接收天線，同一天線用于接收時(shí)的指標(biāo)與用于發(fā)同一天線用于接收時(shí)的指標(biāo)與用于發(fā)射時(shí)的指標(biāo)相比完全相同，這種性質(zhì)射時(shí)的指標(biāo)相比完全相同，這種性質(zhì)叫天線的收發(fā)互易性叫天線的收發(fā)互易性 天線不能接收與其正交的極化分量天線不能接

8、收與其正交的極化分量。例如，線極化天線不能接收例如，線極化天線不能接收來波中與其極化方向垂直的線極化波；圓極化天線不能接收來波中與其旋向相來波中與其極化方向垂直的線極化波；圓極化天線不能接收來波中與其旋向相反的圓極化分量，對(duì)橢圓極化來波，其中與接收天線極化旋向相反的圓極化分反的圓極化分量，對(duì)橢圓極化來波，其中與接收天線極化旋向相反的圓極化分量不能接收量不能接收當(dāng)天線以最大接收方向?qū)?zhǔn)來波方向進(jìn)行接收時(shí)，并且天線的極化與來波極化相匹配，（線天線電場方向沿天線軸線方向）TTR1R2R3 E dl天線導(dǎo)體最大接收效果最好：接收效果最好：收發(fā)天線極化匹配與最大方向?qū)?zhǔn)收發(fā)天線極化匹配與最大方向?qū)?zhǔn)(

9、, )reeEl F ；3.3.接收天線的等效電路接收天線的等效電路 Zin eA ZL 接收天線接收天線可以看作是接收機(jī)的可以看作是接收機(jī)的電源電源，接收機(jī)接收機(jī)看作接收天線的看作接收天線的負(fù)載負(fù)載，接收天線作為電源有接收天線作為電源有內(nèi)阻抗內(nèi)阻抗Z Zinin，接收機(jī)的負(fù)載阻抗為接收機(jī)的負(fù)載阻抗為Z ZL L， L( , )rinreeIZZeEl F 感應(yīng)電動(dòng)勢 （1）同一天線用作發(fā)射和接收時(shí)的輸入阻抗）同一天線用作發(fā)射和接收時(shí)的輸入阻抗Zin大小相等大小相等 。 發(fā)射：發(fā)射：輸入電壓與輸入電流之比稱為發(fā)射天線的輸入阻抗輸入電壓與輸入電流之比稱為發(fā)射天線的輸入阻抗 接收：接收：接收天線作

10、為電源的內(nèi)阻抗定義為接收天線的輸入阻抗接收天線作為電源的內(nèi)阻抗定義為接收天線的輸入阻抗，負(fù)載向電，負(fù)載向電 源望過去的輸入阻抗源望過去的輸入阻抗 4.4.天線的收發(fā)互易性天線的收發(fā)互易性 L( , )rreineIeEl FZZ ；感應(yīng)電動(dòng)勢（2）同一天線用作發(fā)射和接收時(shí)同一天線用作發(fā)射和接收時(shí)方向性函數(shù)方向性函數(shù)F( , , ) 相同相同接收天線上的感應(yīng)電動(dòng)勢和該天線工作于發(fā)射狀態(tài)時(shí)的方向性函數(shù)接收天線上的感應(yīng)電動(dòng)勢和該天線工作于發(fā)射狀態(tài)時(shí)的方向性函數(shù)F( , , )成正比成正比 接收天線的方向性函數(shù)接收天線的方向性函數(shù)是其感應(yīng)電動(dòng)勢和來波入射方向之間的關(guān)系是其感應(yīng)電動(dòng)勢和來波入射方向之間的

11、關(guān)系 （3）同一天線用作發(fā)射和接收時(shí)同一天線用作發(fā)射和接收時(shí)有效長度有效長度le相同。相同。 接收天線有效長度接收天線有效長度： 接收天線的感應(yīng)電動(dòng)勢與最大接收方向上來波的切向電場分接收天線的感應(yīng)電動(dòng)勢與最大接收方向上來波的切向電場分量之比。量之比。接收天線指標(biāo)（電參數(shù)） 對(duì)接收天線，我們除使用前面提及的對(duì)接收天線，我們除使用前面提及的輸入輸入阻抗、方向性函數(shù)和有效長度阻抗、方向性函數(shù)和有效長度等指標(biāo)外，還有等指標(biāo)外，還有效率、方向性系數(shù)、增益、效率、方向性系數(shù)、增益、有效面積（吸收面有效面積（吸收面積或捕獲面積）、噪聲溫度積或捕獲面積）、噪聲溫度等參數(shù)。等參數(shù)。 3.9 3.9 有效的接收面

12、積有效的接收面積（吸收面積或捕獲面積）（吸收面積或捕獲面積）ZineZL（1）阻抗匹配：）阻抗匹配：RLinR如圖所示直流電阻電路直流電阻電路，要使電源向負(fù)載輸出的功率最大，必須滿足條件條件：RinRL（電源內(nèi)阻負(fù)載電阻電源內(nèi)阻負(fù)載電阻）此條件稱為負(fù)載電阻與電源的匹配條件負(fù)載電阻與電源的匹配條件如圖所示交流電路交流電路，要使電源向負(fù)載輸出的功率最大，必須滿足條件條件：ZinZ*L or Rin=RL，Xin=XL （電源內(nèi)阻抗負(fù)載阻抗的共軛電源內(nèi)阻抗負(fù)載阻抗的共軛）此條件稱為負(fù)載阻抗與電源的匹配條件負(fù)載阻抗與電源的匹配條件222max242inininPI RRRR輸出功率：222max222

13、82ininininI RReePRR輸出功率：考察圖示接收天線系統(tǒng)等效電路?？疾靾D示接收天線系統(tǒng)等效電路。收發(fā)天線極化匹配與最大方向?qū)?zhǔn)收發(fā)天線極化匹配與最大方向?qū)?zhǔn)Z ZL L是接收天線負(fù)載阻抗，通常就是是接收天線負(fù)載阻抗，通常就是接收機(jī)或接收饋線的阻抗接收機(jī)或接收饋線的阻抗，且有，且有Z=ZZ=ZL L=R=RL L+ jX+ jXL L。當(dāng)天線的輸入阻抗與負(fù)載阻抗。當(dāng)天線的輸入阻抗與負(fù)載阻抗共軛匹配共軛匹配（即（即R Rinin=R=RL L，X Xinin= = X XL L ）時(shí)，天線向接收機(jī)的輸出功率最大，這時(shí)）時(shí)，天線向接收機(jī)的輸出功率最大，這時(shí)222max22282Ainin

14、AAininI RReePRRZineAZL和和發(fā)射發(fā)射情形下一樣，天線處于接收狀態(tài)時(shí)其輸入電阻可分為情形下一樣，天線處于接收狀態(tài)時(shí)其輸入電阻可分為輻射輻射電阻和損耗電阻電阻和損耗電阻兩部分，即兩部分，即R Rinin=R=Rr r+R+Rl l，max( , )1.3.4AereeEl FeEl ，1.3.3 2222max 88 8rAi eierlARinrElElePRR(1 225)rrrAininrlPRRPRRR3.9 3.9 有效接收面積有效接收面積（吸收面積或捕獲面積）（吸收面積或捕獲面積）接收天線接收天線的接收功率可以看作是通過某一面積的接收功率可以看作是通過某一面積AeA

15、e上的功率，該面積稱為接上的功率，該面積稱為接收天線的有效接收面積收天線的有效接收面積 接收天線的有效接收面積接收天線的有效接收面積的定義為：當(dāng)天線以最大最大接收方方向?qū)?zhǔn)向?qū)?zhǔn)來波方向進(jìn)行接收時(shí)，并且天線的極化與來波極化相極化相匹配匹配，接收天線送到匹配負(fù)載匹配負(fù)載的平均功率最大P PLmaxLmax與來波的功率密度 S Savav之比，接收天線的吸收面積接收天線的吸收面積是一個(gè)假想假想的面積，單位時(shí)間內(nèi)，在接收天線所在位置處流過這一面積Ae的電磁能量等于天線送到接收機(jī)輸入端的能量。有效接收面積有效接收面積的計(jì)算式的計(jì)算式當(dāng)天線所在位置處切向電場振幅為E Ei iE E時(shí)，考慮到天線本身的損

16、耗，天線送入接收機(jī)輸入端的最大總功率為（最大方向?qū)?zhǔn)，極化匹配，阻抗匹配（最大方向?qū)?zhǔn)，極化匹配，阻抗匹配）天線吸收面積可定義 2222max 88 8rAi eierlARinrElElePRR 2222max2 2 120 308 1 3 58 2 120ieAeelreAAavrrElllPRASRRE 例如，理想電基本振子和小電流環(huán)方向系數(shù)都為例如，理想電基本振子和小電流環(huán)方向系數(shù)都為D=1.5，它們的有效，它們的有效接收面積同為接收面積同為Ae=0.122。如果小電流環(huán)的半徑為。如果小電流環(huán)的半徑為0.1，則小電流，則小電流環(huán)所圍的面積為環(huán)所圍的面積為0.03142，而其有效接收面積

17、大于實(shí)際占有面積。，而其有效接收面積大于實(shí)際占有面積。230erelRA有效接收面積與有效高度：有效接收面積與有效高度：有效接收面積與波束范圍：有效接收面積與波束范圍：2AeA假設(shè)天線效率為假設(shè)天線效率為1，則有：，則有：習(xí)題：1 某微波天線的增益為某微波天線的增益為900，其最大有效接收面積是，其最大有效接收面積是多少？多少？2 某天線效率為某天線效率為1，在其互相正交的主平面內(nèi)半功率波束寬，在其互相正交的主平面內(nèi)半功率波束寬度分別為度分別為300350，其最大有效接收面積是多少？，其最大有效接收面積是多少？作業(yè)：作業(yè)：1、簡述天線接收無線電波的物理過程。、簡述天線接收無線電波的物理過程。2

18、、某天線的增益系數(shù)為、某天線的增益系數(shù)為20dB，工作波，工作波長長1m，試求其有效接收面積，試求其有效接收面積Ae。 電特性參數(shù)電特性參數(shù)一次參數(shù)：效率，方向性圖，輻射一次參數(shù)：效率，方向性圖，輻射電阻電阻二次參數(shù)：方向性系數(shù)，增益，二次參數(shù)：方向性系數(shù)，增益，波瓣寬度，前后比，極化特性等波瓣寬度，前后比，極化特性等有效接收面積有效接收面積電參數(shù)公式和關(guān)系匯總：電參數(shù)公式和關(guān)系匯總： 一次參數(shù)一次參數(shù)HES2122mrrIPR lrrARRR,/,),(maxffF),(),(2FFP輻射功率：坡印亭矢量輻射功率：坡印亭矢量（功率密度）（功率密度）輻射電阻輻射電阻天線效率天線效率方向性函方向性函數(shù)數(shù)二次參數(shù) 2002sin,4ddFD0maxSSD DGA主瓣寬度：主瓣寬度：主瓣上電場強(qiáng)度降到最大值的主瓣上電場強(qiáng)度降到最大值的0.707倍（即