天線基本原理及技術

1、第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32第二部分第二部分天線理論與技術天線理論與技術第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32第五章第五章 天線基本原理與技術天線基本原理與技術 在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機的導波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機的導波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波（發(fā)射），或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導波能量（接收）電波（發(fā)射），或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導波能量（接收）, , 用來輻用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線射和接收無線電波的裝置

2、稱為天線。天線應具有以下性能：。天線應具有以下性能： 一、天線的功能一、天線的功能信 息 源信 號 變 換發(fā) 射 機接 收 機受 信 者信 號 變 換 盡可能多地將導波能量互相轉(zhuǎn)電磁波能（高效率）盡可能多地將導波能量互相轉(zhuǎn)電磁波能（高效率） 具有適當?shù)姆较蛐跃哂羞m當?shù)姆较蛐?有適當?shù)臉O化有適當?shù)臉O化 有足夠的工作頻帶有足夠的工作頻帶 對傳遞的信息進行一定的加工和處理（未來發(fā)展趨勢）對傳遞的信息進行一定的加工和處理（未來發(fā)展趨勢）第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32二、天線的分類二、天線的分類l按用途按用途：通信天線、：

3、通信天線、 廣播電視天線、雷達天線等廣播電視天線、雷達天線等l按工作波長按工作波長：長波天線、：長波天線、 中波天線、中波天線、 短波天線、短波天線、 超短波天超短波天線和微波天線等線和微波天線等l按輻射元的類型按輻射元的類型：線天線、面天線：線天線、面天線線天線線天線：由半徑遠小于波長的金屬導線構成，主要用于長：由半徑遠小于波長的金屬導線構成，主要用于長 波、中波和短波波段波、中波和短波波段面天線面天線：由尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構成的，主要用：由尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構成的，主要用 于微波波段于微波波段二、天線的分析方法二、天線的分析方法l 天線問題實質(zhì)上是求解電磁場方程并滿足邊界條

4、件天線問題實質(zhì)上是求解電磁場方程并滿足邊界條件l 工程上往往將條件理想化，通過近似處理得到近似結(jié)果工程上往往將條件理想化，通過近似處理得到近似結(jié)果l 利用電磁場理論的數(shù)值計算方法利用電磁場理論的數(shù)值計算方法第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32 電流元也稱電流元也稱電基本振子電基本振子，它是一段，它是一段長度遠小于波長長度遠小于波長, , 電流電流I I振幅均勻分布振幅均勻分布、 相位相同相位相同的的直線直線電流。電流。5.1 電流元的輻射場一、電流元一、電流元 注：電流元線天線的基本組成部分注：電流元線天線的基本組成部

5、分, , 任意線天線均可看成任意線天線均可看成是由一系列電基本振子構成的。是由一系列電基本振子構成的。 二、電流元的輻射場二、電流元的輻射場rjrerjrIdljE)1(cos2230rjerrjrIdljE)1(sin42230rjerjrIdlH)1(sin420E0rH0HPrzyxlOPrzyxlOdl第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32 在在天線遠區(qū)（天線遠區(qū)（rr）rjerIdljEsin420rjerIljHsin400urrr11123則：則：rjrjerIljHerIdljEsin2sin60 說明：

6、說明：1 1）遠區(qū)場電場、磁場相互正交，相位相同：）遠區(qū)場電場、磁場相互正交，相位相同：橫電磁橫電磁 (TEM)(TEM)波波2 2） 電磁波電磁波沿徑向傳播沿徑向傳播raveHES213 3）遠區(qū)場為）遠區(qū)場為球面波球面波4 4）電流元的輻射是）電流元的輻射是有方向性有方向性的的第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32三、電流元輻射方向特性三、電流元輻射方向特性 方向函數(shù)方向函數(shù) ：描述天線輻射場與方位角：描述天線輻射場與方位角 的關系。的關系。),( 電流元的方向函數(shù)：電流元的方向函數(shù)：sin),(F 方向圖：由方向函

7、數(shù)作出的圖形，即為天線方向圖。方向圖：由方向函數(shù)作出的圖形，即為天線方向圖。 依據(jù)方向函數(shù)作出電流元的方向圖為：依據(jù)方向函數(shù)作出電流元的方向圖為：),(F60sinj rIdlEjer第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:325.4 天線的電參數(shù)5.4.1 5.4.1 天線方向性特性參數(shù)天線方向性特性參數(shù)一、方向函數(shù)一、方向函數(shù) 方向函數(shù)：描述天線的輻射強度與空間坐標之間的函數(shù)關系，分方向函數(shù)：描述天線的輻射強度與空間坐標之間的函數(shù)關系，分場強方向函數(shù)場強方向函數(shù)和和功率方向函數(shù)功率方向函數(shù)。 場強方向函數(shù)場強方向函數(shù) ：由

8、輻射場電場表達式中與方位有關的表達：由輻射場電場表達式中與方位有關的表達式組成。如電流元場強方向函數(shù)為：式組成。如電流元場強方向函數(shù)為：sin),(F),(F 功率方向函數(shù)功率方向函數(shù) ：由坡印廷矢量表達式，知由坡印廷矢量表達式，知2),(),(FP),(P2Re212ESHES第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32 歸一化方向函數(shù)歸一化方向函數(shù) ：為便于對不同天線方向性進行比較，往：為便于對不同天線方向性進行比較，往往將方向函數(shù)對其最大值進行歸一化，即：往將方向函數(shù)對其最大值進行歸一化，即：),(fmFFf),(),(

9、歸一化方向函數(shù)的最大值等于歸一化方向函數(shù)的最大值等于1 1。 用于描述天線輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變用于描述天線輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的曲線或曲面圖。化的曲線或曲面圖。二、方向圖二、方向圖電流元電流元方向圖方向圖第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32 微波天線方向圖通常由與場矢量相平行的兩個平面表示：微波天線方向圖通常由與場矢量相平行的兩個平面表示：E E平面：平面：通過最大輻射方向，通過最大輻射方向，與電場矢量平行的平面；與電場矢量平行的平面；H H平面：平面：通過通過最大輻射方向，最大輻

10、射方向，與磁場矢量平行的平面；與磁場矢量平行的平面；E平面平面H平面平面 方向圖可由極坐標表示，也可用直角坐標表示：方向圖可由極坐標表示，也可用直角坐標表示：極坐標極坐標直角坐標直角坐標電流元方向圖電流元方向圖第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32三、主瓣寬度三、主瓣寬度 主瓣寬度是衡量天線的主瓣寬度是衡量天線的最大輻射方向的能量集中程度最大輻射方向的能量集中程度的物的物理量。理量。 半功率主瓣寬度半功率主瓣寬度 ：功率方向圖中：功率方向圖中兩個半功率點兩個半功率點之間的角之間的角寬度，或場強方向圖中最大場強的寬度，或場

11、強方向圖中最大場強的 兩點之間的角寬度；兩點之間的角寬度； 零功率波瓣寬度：方向圖由最大值點兩邊零功率波瓣寬度：方向圖由最大值點兩邊第一個零點第一個零點間的角間的角寬。寬。21半功率主瓣寬度半功率主瓣寬度零功率主瓣寬度零功率主瓣寬度5 . 02第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32四、旁瓣電平四、旁瓣電平SLLSLL1 1 離主瓣離主瓣最近最近且電平且電平最高最高的波瓣電平與主瓣電平的比值的波瓣電平與主瓣電平的比值, , 一般以分貝表示。一般以分貝表示。主瓣：其方向為天線輻射主向主瓣：其方向為天線輻射主向第一副瓣第一副瓣

12、maxmax11lg20EESLL 注：副瓣電平反映了天線方向性的好壞注：副瓣電平反映了天線方向性的好壞maxE1maxE第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:325.4.2 5.4.2 天線的極化天線的極化天線的極化與其輻射的電磁波的極化方式相同。天線的極化與其輻射的電磁波的極化方式相同。 天線的極化包括：天線的極化包括：垂直極化垂直極化、水平極化水平極化，圓極化圓極化。 注：實際工程中，不存在理想圓極化天線，一般為橢圓極化天線注：實際工程中，不存在理想圓極化天線，一般為橢圓極化天線 通信系統(tǒng)中，發(fā)射天線和接收天線的極化方

13、式必須要匹配通信系統(tǒng)中，發(fā)射天線和接收天線的極化方式必須要匹配5.4.3 5.4.3 天線效率與輻射電阻天線效率與輻射電阻1PPPPPiA 天線效率天線效率 ：天線天線輻射功率輻射功率與與輸入功率輸入功率之比，即：之比，即：A式中：式中： 為天線輻射功率，為天線輻射功率， 為天線歐姆損耗功率。為天線歐姆損耗功率。1PPSSsdHEsdSPSsdHERe21第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32RIPm221輻射電阻輻射電阻R R： 輻射電阻定義輻射電阻定義: : 某電阻上通過電流等于天線上的最大電流，某電阻上通過電流等于

14、天線上的最大電流，若其損耗的功率等于天線的輻射功率若其損耗的功率等于天線的輻射功率 ，則該電阻值即為該天，則該電阻值即為該天線的輻射電阻。線的輻射電阻。P22mIPR天線的輻射電阻表示了天線輻射電磁波的能力，與饋電電流天線的輻射電阻表示了天線輻射電磁波的能力，與饋電電流的大小無關，是天線自身具有的屬性。的大小無關，是天線自身具有的屬性。第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:325.4.4 5.4.4 天線方向系數(shù)與增益天線方向系數(shù)與增益一、一、 方向系數(shù)方向系數(shù)D D 定義：定義：0maxSSD 設天線輻射功率為設天線輻射功

15、率為P Pr r，最大輻射方向電場為，最大輻射方向電場為E Em m, ,則：則：240),(),(21202maxmmmmmmEES204 rPSdrEdsdSPSsin240),(22002 在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度射功率流密度S Smaxmax，與，與相同輻射功率相同輻射功率在理想無方向性天線在同一在理想無方向性天線在同一位置處的輻射功率流密度位置處的輻射功率流密度S S0 0之比：之比： 即即第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32dEdE

16、Dmmmsin),(),(420022dfdDsin),(42002二、二、 增益增益G G方向系數(shù)方向系數(shù)D D未考慮天線效率的影響。未考慮天線效率的影響。 增益定義增益定義: : 在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度上的輻射功率流密度S Smaxmax，與，與相同輸入功率相同輸入功率在理想無方向性在理想無方向性天線在同一位置處的輻射功率流密度天線在同一位置處的輻射功率流密度S S0 0之比。之比。DGA第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32max0ASGS 由

17、上式可得一個天線最大輻射方向上的場強為由上式可得一個天線最大輻射方向上的場強為rPDrGPEiAim6060由方向系數(shù)及增益定義，有：由方向系數(shù)及增益定義，有：imPEr6022AiPP輸入功率輸入功率2222240604mmErEPPr第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32例例 確定沿確定沿z z軸放置的電基本振子的方向系數(shù)。軸放置的電基本振子的方向系數(shù)。 解解: : 電基本振子的歸一化方向函數(shù)為電基本振子的歸一化方向函數(shù)為: : sin),(f代入方向系數(shù)的表達式得代入方向系數(shù)的表達式得5 . 1sinsin4200

18、2 ddD)(76. 15 . 1lg10dBD分貝數(shù)表示為：分貝數(shù)表示為：第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:325.4.5 5.4.5 輸入阻抗輸入阻抗注：輸入阻抗取決于天線本身的結(jié)構與尺寸、工作頻率以及鄰近天注：輸入阻抗取決于天線本身的結(jié)構與尺寸、工作頻率以及鄰近天線周圍物體等的影響。線周圍物體等的影響。 天線有效長度定義：在保持實際天線最大天線有效長度定義：在保持實際天線最大輻射方向上的場強值不變的條件下輻射方向上的場強值不變的條件下, , 假設天線假設天線上電流分布為均勻分布時天線的等效長度。上電流分布為均勻分布

19、時天線的等效長度。5.4.6 5.4.6 有效長度有效長度h2hI0輸入阻抗和輸入電壓輸入阻抗和輸入電壓 和電流和電流 的關系是的關系是inUinIinininininXRIUZ天線的有效長度愈長天線的有效長度愈長, , 輻射能力愈強。輻射能力愈強。第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:325.3 對稱振子天線 由兩根由兩根粗細和長度都相同粗細和長度都相同的直導線構的直導線構成，中間為饋電端。成，中間為饋電端。一、結(jié)構一、結(jié)構zrrImd zzhh二、對稱陣子上的電流分布二、對稱陣子上的電流分布電流分布電流分布-輻射場輻射場

20、I(a)(b)II(c) 工程上近似認為對稱陣子天線視作終工程上近似認為對稱陣子天線視作終端開路傳輸線兩端逐漸張開形成的。端開路傳輸線兩端逐漸張開形成的。第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32 其上電流分布為：其上電流分布為：)(sin)(zlIzIm 4422半波振子半波振子 全波振子全波振子 三、對稱陣子的輻射場三、對稱陣子的輻射場 在距中心點為在距中心點為z z處取電流元段處取電流元段dz, dz, 則它對遠區(qū)場的貢獻為則它對遠區(qū)場的貢獻為1sin)(601rjedzzIrjdEzrrImdzzhh1r1ll1 1

21、、dzdz段線元的輻射場段線元的輻射場第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32 對于遠區(qū)輻射場，場點距離遠大于對于遠區(qū)輻射場，場點距離遠大于天線尺寸，可有如下近似：天線尺寸，可有如下近似：11/,/rrcoscos2221zrrzzrr2 2、對稱振子天線的輻射場、對稱振子天線的輻射場zrrImdzzhh1r1ll 整個天線的遠區(qū)輻射場為：整個天線的遠區(qū)輻射場為：llrjmlldzrezlIjdEE11)(sinsin60llzrjmdzezlIrj)cos()(sinsin60dzzzhreIjlrjm)coscos()

22、(sinsin2600第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32sincos)coscos(60llerIjrjmsincos)coscos(),(llF 則則對稱振子天線的輻射方向圖對稱振子天線的輻射方向圖為：為：結(jié)論：結(jié)論：對稱振子天線的方向函數(shù)與方位角對稱振子天線的方向函數(shù)與方位角 無關，其方向圖是無關，其方向圖是以振子軸線為基準的旋轉(zhuǎn)對稱圖形以振子軸線為基準的旋轉(zhuǎn)對稱圖形對稱振子的臂長會影響到方向圖對稱振子的臂長會影響到方向圖二維二維三維三維 對稱振子天線最常用的為對稱振子天線最常用的為半波振子天線半波振子天線和和全

23、波振子天線全波振子天線。第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32sin)cos2cos(),(),( fF半波振子天線的輻射特性：半波振子天線的輻射特性： 1 1）將）將 代入，得半波振子天線的方向函數(shù)：代入，得半波振子天線的方向函數(shù)：4,2l 2 2）由方向系數(shù)求解公式，得：）由方向系數(shù)求解公式，得：64. 1D3) 3) 方向圖的半功率主瓣寬度等于方程的解方向圖的半功率主瓣寬度等于方程的解: : 21sin)cos2cos()(F7825 . 04 4）半波振子的輻射電阻為）半波振子的輻射電阻為R=73.1 ()第五章

24、 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32sin1)coscos(),(F全波振子天線的輻射特性：全波振子天線的輻射特性： 1 1）將）將 代入，得半波振子天線的方向函數(shù)：代入，得半波振子天線的方向函數(shù)：2,2l 2 2）由方向系數(shù)求解公式，得：）由方向系數(shù)求解公式，得：41. 2D3) 3) 方向圖的半功率主瓣寬度等于方程的解方向圖的半功率主瓣寬度等于方程的解: : 8 .4725 . 04 4）半波振子的輻射電阻為）半波振子的輻射電阻為R=199 ()sin21)coscos(),(f21sin21)coscos(),(f第五

25、章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:325.5 陣列天線 將多個天線組合起來，可增強或減小某方向天線輻射，將多個天線組合起來，可增強或減小某方向天線輻射，從而實現(xiàn)對天線方向圖的控制。從而實現(xiàn)對天線方向圖的控制。電流元電流元半波振子半波振子振子天線振子天線 陣列天線：將多個陣列天線：將多個相同類型天線相同類型天線按一定按一定規(guī)律排列規(guī)律排列、饋電饋電而而形成的天線系統(tǒng)。形成的天線系統(tǒng)。第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32美國（美國（VLAVLA，2727

26、個個2525米口徑天線組成）米口徑天線組成）第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32#11nI#221ijnnIMI e 設兩個半波振子天線如圖排列，設兩個半波振子天線如圖排列，則則1 1# #，2 2# #方向函數(shù)相同，均為方向函數(shù)相同，均為 sin)cos2cos(),(0F一、二元天線陣列一、二元天線陣列兩個天線饋電電流：兩個天線饋電電流： 11101160( , )nj rIEjFer 22202260(

27、, )nj rIEjFer 則兩個陣元在遠區(qū)則兩個陣元在遠區(qū)p p點產(chǎn)生電場分別為：點產(chǎn)生電場分別為： 2r1r12第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:322r1r12場點位于遠區(qū)，可引入如下近似：場點位于遠區(qū)，可引入如下近似：12/rrcos12drr1212注意注意： 為場點與為場點與天線單元軸向天線單元軸向夾角；夾角； 為場點與為場點與天線陣軸向天線陣軸向夾角；夾角；11060( , )nj rIEjFer 2(cos )20160( , )cosnjr dIEjFerd 1cos060( , )ijnj rj dM

28、 IejFeer cos1ijj dM E ee第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32則則p點總的疊加場為：點總的疊加場為：12EEE(cos )11ijdEMe第一陣元輻射場第一陣元輻射場與陣列組成有關的因子與陣列組成有關的因子cosdi令令兩單元天線在兩單元天線在p點輻射場的總相位差點輻射場的總相位差其中其中i是由饋電電流相位差所引起是由饋電電流相位差所引起cosd是由波程差所引起的相位差是由波程差所引起的相位差則：則：1jMesin21cos12cosMjarctgMMMe( )jFe第五章 天線基本原理與技術微波

29、技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32則則p點總的疊加場為：點總的疊加場為：1060( , ) ( )njj rIEjFFe er 兩個天線合成波的方向圖為：兩個天線合成波的方向圖為：0( , )( , ) ( )FFF 陣元方向圖陣元方向圖陣列因子陣列因子 方向函數(shù)乘積定理：相似元所構成的天線陣列的方方向函數(shù)乘積定理：相似元所構成的天線陣列的方向性函數(shù)等于各陣元單獨存在時的方向性函數(shù)（稱之向性函數(shù)等于各陣元單獨存在時的方向性函數(shù)（稱之為為元因子元因子）和陣方向函數(shù)（稱之為）和陣方向函數(shù)（稱之為陣因子陣因子）的乘積。）的乘積。 第五章 天線基本原理與

30、技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:321 1、陣因子、陣因子 只與只與天線陣結(jié)構參數(shù)天線陣結(jié)構參數(shù)（陣元間距（陣元間距d d、陣元間、陣元間饋電電流幅值比饋電電流幅值比M M、饋電相位差、饋電相位差 ）有關。）有關。關于陣因子的討論：關于陣因子的討論：( )Fi2 2、當天線陣等幅饋電時（、當天線陣等幅饋電時（M=1M=1），則：），則：( )1 12cos2 cos2F 3 3、通過調(diào)整天線陣的、通過調(diào)整天線陣的排列排列及及饋電方式饋電方式，可實現(xiàn)對天線陣最，可實現(xiàn)對天線陣最終方向圖的控制。終方向圖的控制。4 4、在陣元間距固定，且陣元等幅

31、饋電時，通過改變饋電相、在陣元間距固定，且陣元等幅饋電時，通過改變饋電相差差 即可改變天線陣方向圖即可改變天線陣方向圖相控陣天線工作原理相控陣天線工作原理。i第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32第五章第五章 天線理論基礎天線理論基礎陣元間距及饋電方式對陣因子的影響分析：陣元間距及饋電方式對陣因子的影響分析：若陣元等幅饋電：若陣元等幅饋電：1 1、 時：時：,02d d IjIe12cos( )cos2dfcoscos2 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800最大

32、輻射方向在陣側(cè)向最大輻射方向在陣側(cè)向側(cè)射陣側(cè)射陣2 2、 時：時：,2dcos( )cos2dfcoscos()22 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800最大輻射方向在陣軸向最大輻射方向在陣軸向端射陣端射陣第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:323 3、 時：時：,42d cos( )cos2df(cos1)cos4 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800單向端射陣單向端射陣。4 4、 時：時：,42dco

33、s( )cos2df(cos1)cos4 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800單向端射陣單向端射陣。第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32天線方向圖乘積原理的應用：天線方向圖乘積原理的應用： 天線陣的最終方向圖由陣元方向圖和陣因子方向圖直接天線陣的最終方向圖由陣元方向圖和陣因子方向圖直接相乘獲得：相乘獲得： （1 1）陣元或陣因子零點方向為方向圖零點；）陣元或陣因子零點方向為方向圖零點； （2 2）陣元和陣因子共同最大方向為方向圖最大方向；）陣元和陣因子共同最大

34、方向為方向圖最大方向； （3 3）零點間存在波瓣（旁瓣）。）零點間存在波瓣（旁瓣）。第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32解：解：dMi, 0, 1已知已知單元天線為半波振子單元天線為半波振子0cos(cos )2( , )sinf 則此二元陣列天線的方向函數(shù)則此二元陣列天線的方向函數(shù)0( , )( , ) ( )fff coscos( cos )2fcos2cos did例例5-4：等幅同相二元半波振子陣，陣元中心距：等幅同相二元半波振子陣，陣元中心距 ，求作陣列天線在如圖所示坐標系中求作陣列天線在如圖所示坐標系中yo

35、z，xoz及及xoy平面平面上的方向圖。上的方向圖。 1 2 x z y d 第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32coscos)(fzsin)cos2cos(),(0f第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32yozyoz面：面：動畫演示動畫演示xozxoz面：面：動畫演示動畫演示xoyxoy面：面：動畫演示動畫演示3 3維方向圖：維方向圖：第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:3

36、2 例例5-55-5：如圖所示，求等幅反相二元半波振子陣三個：如圖所示，求等幅反相二元半波振子陣三個主坐標平面的方向圖，陣元間距主坐標平面的方向圖，陣元間距 。2d解：解：2, 1dMi已知已知 )cos2sin(2|1 |1 |)cos4(jjeMeFcos4cosdi單元天線為半波振子單元天線為半波振子sin)cos2cos(),(0F則此二元陣列天線的方向函數(shù)則此二元陣列天線的方向函數(shù))(),(),(0FFF)(),(),(0fff歸一化得：歸一化得：第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32yz第五章 天線基本原理與

37、技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32例例5-65-6：繪出如圖所示二元半波振子陣的方向圖。陣列：繪出如圖所示二元半波振子陣的方向圖。陣列結(jié)構參數(shù)為結(jié)構參數(shù)為 ， ， 。2i 4d1M解：解：cos22( )cos(cos )44f陣元在場點處的總相位差及陣函數(shù)分別為陣元在場點處的總相位差及陣函數(shù)分別為sin)cos2cos(),(0F第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32yoz:yoz:xoz:xoz:xoy:xoy:第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與

38、天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32二、二、N N 元均勻直線陣列元均勻直線陣列 工程上一般采用多個（工程上一般采用多個（N2)N2)陣元組成天線陣，以獲得更陣元組成天線陣，以獲得更高的方向性。高的方向性。1 1、N N元直線陣的陣函數(shù)元直線陣的陣函數(shù)第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32以陣列中第一個單元天線作為相位基準：以陣列中第一個單元天線作為相位基準：1),(01rjeFEE第二個單元天線：輻射場的幅值差異不計，相位差為第二個單元天線：輻射場的幅值差異不計，相位差為 cosdi則第則第N

39、 N個單元天線的相位差為：個單元天線的相位差為：)cos)(1() 1(dNNiN N個相似元陣元在個相似元陣元在p p處的輻射場疊加，表示為處的輻射場疊加，表示為1 ),() 1(2011NjjjrjNkkeeeeFEEE)2sin()2sin(1121NeeeNjjjN1 ) 1(2Njjjeee第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32整理可得遠區(qū)輻射場表達式為：整理可得遠區(qū)輻射場表達式為： )21(0)2sin()2sin(),(iNrjeNFEEcosid是相鄰陣元至場點的輻射場總相位差是相鄰陣元至場點的輻射場總相

40、位差由上式得由上式得N N元均勻直線陣列的陣函數(shù)元均勻直線陣列的陣函數(shù)F()為為)cos(21sin)cos(2sin2sin2sin)(ddNNFii)cos(21sin)cos(2sin2sin2sin)(dNdNNNfii歸一化得：歸一化得：第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:321.1.當當 0 0時，陣函數(shù)有最大值時，陣函數(shù)有最大值2.2.主瓣寬度隨主瓣寬度隨N N的增加而變得尖銳，方向性增強的增加而變得尖銳，方向性增強N元均勻直線陣列歸一化陣函數(shù)的通用曲線元均勻直線陣列歸一化陣函數(shù)的通用曲線 說明：說明：第五章

41、 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32關于關于N N元直線天線陣輻射方向圖的討論：元直線天線陣輻射方向圖的討論：當當 0 0時，陣函數(shù)取最大值時，陣函數(shù)取最大值。cosid0dim cos0i1 1、當各陣元、當各陣元同相饋電同相饋電，即，即2m最大輻射方向在陣的兩側(cè)：最大輻射方向在陣的兩側(cè)：側(cè)射陣側(cè)射陣di2 2、當各陣元、當各陣元饋電相差滿足饋電相差滿足或0m最大輻射方向在陣兩端：最大輻射方向在陣兩端：端射陣端射陣 通過控制各陣元饋電電流相位差來補償波程相位差，使通過控制各陣元饋電電流相位差來補償波程相位差，使各陣元輻射場

42、在固定方向同相疊加，從而形成最大輻射。各陣元輻射場在固定方向同相疊加，從而形成最大輻射。第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32 在陣元間距和工作頻率固定的條件下，通過改變陣元的在陣元間距和工作頻率固定的條件下，通過改變陣元的饋電相差，可改變天線陣的最大輻射方向饋電相差，可改變天線陣的最大輻射方向相控陣天線工相控陣天線工作原理作原理。3 3、對于任意饋電相差、對于任意饋電相差)arccos(dim 功 分 器 移相器 相控陣雷達天線結(jié)構原理 第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子

43、工程學院電子工程學院17:325.6 地面對天線特性的影響1 1、地面可視作導電媒質(zhì)分界面，影響天線輻射特性；、地面可視作導電媒質(zhì)分界面，影響天線輻射特性；2 2、實際地面起伏不平，且導電特性各不相同；、實際地面起伏不平，且導電特性各不相同；3 3、本章分析將地面視作無限大理想導電平面。、本章分析將地面視作無限大理想導電平面。一、遠離地面架設的天線一、遠離地面架設的天線 （h h ） 天線遠地架設時，地面的影天線遠地架設時，地面的影響主要為電磁傳播的響主要為電磁傳播的多徑效應多徑效應。 若天線輸入功率為若天線輸入功率為 ，天線，天線效率效率 ，則最大輻射方向上，則最大輻射方向上 inPAinA

44、mPGrE601第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32水平極化波水平極化波R R1 1LhhjinAefrPGE212)(160垂直（地面）極化波垂直（地面）極化波R R1 1 LhhjinAefrPGE212)(160二、近地架設的天線二、近地架設的天線 天線遠地架設時，地面上存在感應的傳導電流而形成天線遠地架設時，地面上存在感應的傳導電流而形成二次輻射源。遠區(qū)輻射電場由天線和二次源共同形成。二次輻射源。遠區(qū)輻射電場由天線和二次源共同形成。 二次輻射源可由二次輻射源可由原天線對地面的鏡像原天線對地面的鏡像代替。代替。第

45、五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:321 1、鏡像電流、鏡像電流 垂直電流垂直電流HEHE水平電流水平電流 HEHE像電流像電流像電流像電流 2 2、垂直地面近地架設的天線、垂直地面近地架設的天線 半波天線半波天線全波天線全波天線正像正像負像負像第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32 近地近地垂直架設垂直架設的天線，原天線與像天線可視作的天線，原天線與像天線可視作等幅饋等幅饋電電二元天線陣，二元天線陣，陣元間距為陣元間距為2h2h， 饋電相位：饋電相

46、位： 1 1）天線長度等于半波長）天線長度等于半波長奇數(shù)倍時：同相奇數(shù)倍時：同相； 2 2）天線長度等于半波長）天線長度等于半波長偶數(shù)倍時：相差偶數(shù)倍時：相差。結(jié)論：結(jié)論： 例例5-95-9：半波振子天線垂直架設在地表面上，：半波振子天線垂直架設在地表面上，架設高度架設高度 H = 0.25H = 0.25，0.50.5， 0.750.75, , ，做出這四種情況下天線子午面（過振子軸線與地做出這四種情況下天線子午面（過振子軸線與地面垂直的剖面）的方向圖。面垂直的剖面）的方向圖。解：本題實際上為求解等幅同相饋電二元陣解：本題實際上為求解等幅同相饋電二元陣在不同陣元間距下的方向圖。在不同陣元間距

47、下的方向圖。第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32)coscos(sincos2cos),(Hf陣軸與振子軸重合即陣軸與振子軸重合即由前面討論，二元陣方向函數(shù)：由前面討論，二元陣方向函數(shù)：)coscos()(Hf半波振子天線方向函數(shù)：半波振子天線方向函數(shù)：sincos2cos),(f則總的方向圖因子為：則總的方向圖因子為：090 用觀察用觀察射線與地表面的夾角射線與地表面的夾角 表示，表示， 則總的歸一化方向函數(shù)為則總的歸一化方向函數(shù)為)sincos(cossin2cos),(Hf第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線

48、微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32 結(jié)論：結(jié)論：地面以下場強為零。地面以下場強為零。隨著架設高度隨著架設高度 H H 的增加，方向圖的波瓣數(shù)也增多，但天的增加，方向圖的波瓣數(shù)也增多，但天線的主向總是沿地表方向。線的主向總是沿地表方向。1.1. 垂直接地天線比同等臂長自由空間的對稱振子天線方向垂直接地天線比同等臂長自由空間的對稱振子天線方向系數(shù)系數(shù)D D提高一倍。提高一倍。第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院17:32 半波天線半波天線全波天線全波天線負像負像負像負像 3 3、平行地面近地架設的天線、平行地面近地架設的天線 近地近地水平架設水平架設的天線，原天線與像天線可視作的天線，原天線與像天線可視作等幅、反等幅、反向饋電向饋電二元天線陣，二元天線陣，陣元間距為陣元間距為2h2h。結(jié)論：結(jié)論：第五章 天線基本原理與技術微波技術與天線微波技術與天線電子科技大學電子科技大學電子工程學院電子工程學院