天線輻射與接收的基本理論

1、第6章 天線輻射和接收的基本理論v天線概述天線概述v電流元輻射電流元輻射v對偶原理與磁流元輻射對偶原理與磁流元輻射v對稱振子輻射對稱振子輻射v天線的電參數(shù)天線的電參數(shù)v接收天線理論接收天線理論*本章要了解基本振子（基本電振子，基本磁振子，縫隙、面輻射元）的輻射特性。預備知識是時變場的位函數(shù)、達朗貝爾方程、電磁場與電磁波第八章的電磁輻射理論基礎*定義天線的基本參數(shù)（從對饋線的角度，發(fā)射的角度，接收的角度），了解其物理意義，掌握有關計算*經(jīng)典參考讀物：約翰.克勞斯著天線上下冊6.1 概論概論 通信的目的是傳遞信息, 根據(jù)傳遞信息的途徑不同, 可將通信系統(tǒng)大致分為兩大類: 一類是在相互聯(lián)系的網(wǎng)絡中用

2、各種傳輸線來傳遞信息, 即所謂的有線通信, 如電話、計算機局域網(wǎng)等有線通信系統(tǒng); 另一類是依靠電磁輻射通過無線電波來傳遞信息, 即所謂的無線通信, 如電視、 廣播、 雷達、 導航、衛(wèi)星等無線通信系統(tǒng)。 在如圖 6 -1 所示的無線通信系統(tǒng)中, 需要將來自發(fā)射機的導波能量轉變?yōu)闊o線電波, 或者將無線電波轉換為導波能量, 用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。 v1. 天線的定義天線的基本功能是輻射和接收無線電波F發(fā)射時，把高頻電流轉換為電磁波；F接收時，把電滋波轉換為高頻電流。 不同的無線電設備對天線的要求不同。 發(fā)射機 接收機發(fā)射天線 接收天線 電波 饋線 饋線 圖6-1-1 無線電設備的信道

3、方框圖通信系統(tǒng)中的天線通信系統(tǒng)中的天線2、天線的作用v 能量的轉換：能量的轉換：自由空間的電磁能量與高頻自由空間的電磁能量與高頻電流能量的相互轉換；電流能量的相互轉換；v 能量的分配：能量的分配：使空間傳播的電磁波能量在使空間傳播的電磁波能量在指定的空域內輻射傳播；指定的空域內輻射傳播；信信息息源源信號變換信號變換發(fā)發(fā)信信機機收收信信機機信號變換信號變換受受信信者者 發(fā)射：高頻能量轉換成電磁波能量；發(fā)射：高頻能量轉換成電磁波能量； 向指定空域發(fā)射電磁波；向指定空域發(fā)射電磁波； 接收：電磁波能量轉換成高頻電流形式的能量接收：電磁波能量轉換成高頻電流形式的能量 ； 收集指定空域內的電磁波。收集指定

4、空域內的電磁波。能接收電能接收電磁能量磁能量 天線天線分類的方法種類按用途分通信天線、廣播天線、雷達天線、導航天線、測向天線等按工作頻段分長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線方向性的強弱全向天線、弱方向性天線和強方向性天線等按極化特性線極化天線、圓極化天線、橢圓極化天線等按工作原理分駐波天線、行波天線；陣列天線按波束控制的方法分固定波束天線、相控天線、智能天線等按基本結構分線天線、面天線、縫隙天線按電尺寸分電小天線：尺寸遠小于工作波長；電大尺寸天線：大小與工作波長可以比擬天線的分類v天線應能將導波能量盡可能多地轉變?yōu)殡姶挪芰俊?這首先要求天線是一個良好的電磁開放系統(tǒng), 其次要求

5、天線與發(fā)射機或接收機匹配(需要計算或測試天線的輻射阻抗）。v天線應使電磁波盡可能集中于確定的方向上, 或對確定方向的來波最大限度的接受, 即天線具有方向性（方向函數(shù)）。v天線應能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波, 即天線有適當?shù)臉O化。v天線應有足夠的工作頻帶。 對天線的要求天線常用的性能指標：v方向性圖v方向性系數(shù)v增益v輸入阻抗v駐波系數(shù)v效率影響天線性能指標的關鍵因素v天線電尺寸v天線的形狀和結構v天線上的電流分布 發(fā)射機 接收機發(fā)射天線 接收天線 電波 饋線 饋線 6.2 基本振子的輻射預備知識：時變場的達朗貝爾方程，滯后位及其解v磁矢位和電標位v 線性、 均勻各向同性的無耗媒質中， 時諧形式

6、的麥克斯韋方程天線輻射場的求解思路：點源點源的矢磁位轉換點源的輻射場計算連續(xù)分布結構的輻射場突破點源后利用結果推導新結構的結果v電流元：長度遠小于波長的一段電流，電流均勻分布電流均勻分布。v天線可看成由電流元組成，天線的輻射可由各電流元的輻射疊加產(chǎn)生。一 電流元（基本振子）輻射( )cosRej tdli tItIe dl根據(jù)電磁場理論，電流分布求矢量磁位 A/20/2, ,44jkrljkrzlzII lA x y zeedzeerr04j k rlI ed lAr由于基本電振子的長度遠遠小于波長和場點v電流元輻射的計算:0( )4jkrzI lreerA011rAHAerArr由求得磁場1

7、EHj再由求得電場cos4cos0rleIAAjkrzrsin4sin0rleIAAjkrz0A 3202cos ()4jkrrIljkEewrrjkrerjkrkrjwIlE)(sin1422300E0rH0HjkrerjkrIlH)1(sin4201HAHjE1(1)近場(感應場)區(qū):21rkr時 303022cos42sin4sin4rIlEjrwIlEjrwIlHr 在近區(qū), 電場E和Er與靜電場問題中的電偶極子的電場相似, 磁場H和恒定電流場問題中的電流元的磁場相似, 所以近區(qū)場稱為準靜態(tài)場; 由于場強與1/r的高次方成正比, 所以近區(qū)場隨距離的增大而迅速減小, 即離天線較遠時, 可

8、認為近區(qū)場近似為零。 電場與磁場相位相差90, 說明玻印廷矢量為虛數(shù), 也就是說, 電磁能量在場源和場之間來回振蕩, 沒有能量向外輻射, 所以近區(qū)場又稱為感應場。 23111rrr1 jkrev(2)遠場(輻射場)區(qū):1kr時20sin4sin4jkrjkrk IlEjew rk IlHjer 2200,22/kwu wfc)/(1036190mF)/(10470mHu000120ujkrerIljEsin60sin2jkrIlHjerjkrerIljEsin60sin2jkrIlHjer輻射場特點：輻射場特點：(1) 球面波球面波rE1rH1 相位因子 -等相位面球面 jkre(2) TEM

9、波 傳播方向上電磁場分量為零 (3)tanEHconst000120EH即(4) 輻射具有方向性sinEsinH(5) 輻射功率 空間輻射的總功率稱為輻射功率，是任意包圍電流源球面上的積分，即 22 22*322002115Resin402rSI llPEHdsddI v輻射場的方向性sin8fEH輻射場與方向有關。方向性函數(shù) （ ， ）面方向性圖為 字形。面方向性圖為圓形（軸對稱）sinf（ ， ）jkrerIljEsin60sin2jkrIlHjer二 對偶原理與磁流元的輻射v1、對偶原理000eettEHJHEHE00-mmJ引入磁流 和磁荷，可使上面兩個式子變成對稱的形式00()()e

10、mmett EHJHEJHE00磁流磁荷不存在，引入后可令其為0，不影響方程正確性麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組對稱形式麥克斯韋方程組對稱形式麥克斯韋方程組引入磁引入磁流與磁流與磁荷荷 電流產(chǎn)生的場的場方程和磁流產(chǎn)生的場的場方程形式相同。只要進行變量代換：兩者可以互相得到。因此，0,0)()emeJJtt EHJHE電荷電流產(chǎn)生的場（的場方程0,0)()memJJtt EHHEJ磁荷磁流產(chǎn)生的場（的場方程00,1/ ,emem JJEHHE電流產(chǎn)生的場分布經(jīng)過變量代換變?yōu)榇帕鳟a(chǎn)生的場分布磁流產(chǎn)生的場分布經(jīng)過變量代換變?yōu)殡娏鳟a(chǎn)生的場分布v2 磁流元的輻射 磁流元：長度遠小于波長的一段磁流，磁流均勻

11、分布。 由對偶原理，磁流元輻射可由電流元輻射場經(jīng)過變量代換獲得電流元輻射（遠場）電流元輻射（遠場）磁流元輻射（遠場）磁流元輻射（遠場）00,1/ ,emm JJEHHEjkrerIljEsin60sin2jkrIlHjerjkrmerlIjEsin2jkrmerlIjHsin2- k11,/( , )sinj rerEHEHrEHEHE Hf 含有項,是沿 方向的電磁波，而且為球面波。只有和分量，電磁場互相垂直，也垂直于波的方向。、 同相，坡印亭矢量為實數(shù)。方向性函數(shù)與電流元輻射相同磁流元輻射特點磁流元輻射特點磁流元輻射（遠場）磁流元輻射（遠場）jkrmerlIjEsin2jkrmerlIjH

12、sin20mzaPISe0mmmPq lISql0mmqjISItdl3. 小電流環(huán)的輻射電流小環(huán)的磁矩電流小環(huán)的磁矩磁偶極子的磁矩磁偶極子的磁矩磁偶極子等效為磁偶極子等效為磁流元磁流元的磁流元的小電流環(huán)等效于、電流為半徑為dlISjIIam0ll0mjISIdl磁流元輻射公式中代入可得小環(huán)輻射22120sinsin2j rj rISEerISHer -11,/( , )sinj rerEHEHrEHEHE Hf 含有項,是沿 方向的電磁波，而且為球面波。只有和分量，電磁場互相垂直，也垂直于波的方向。、 同相，坡印亭矢量為實數(shù)。方向性函數(shù)與電流元輻射相同6.3 天線的電參數(shù) 當天線的形式及其上

13、的電流（或電磁場）分布確定之后，天線所產(chǎn)生的輻射場便唯一地確定了。通常我們可以利用前面所得到的微分線元或面元的輻射場疊加場疊加（積分）來求出特定天線的輻射場。不同的天線具有不同的形式或不同的源分布，因而具有不同的輻射場分布。 在實際工程中，如果用不同的輻射場來比較輻射場來比較不同天線在某一方面的特性優(yōu)劣的話，既不直觀又不方便，因而往往采用我們這里所要介紹的天線指標天線指標來說明。天線指標（天線的電參數(shù)）就是描述天線某一方面特性的參數(shù)，天線指標（天線的電參數(shù)）就是描述天線某一方面特性的參數(shù)，它是定量衡量天線性能的尺度。它是定量衡量天線性能的尺度。天線的電參數(shù)是由天線輻射場所確定的。事實上，對某一

14、天線的討論,就是由天線的具體形式和源分布特點來確定天線的輻射場,并進而得出其有關指標。 發(fā)射天線的電參數(shù)發(fā)射天線的電參數(shù)天線指標（天線的電參數(shù)）天線指標（天線的電參數(shù)）就是描述天線某一方面特就是描述天線某一方面特性的參數(shù)，它是定量衡量天線性能的尺度性的參數(shù)，它是定量衡量天線性能的尺度。(1)問題的提出：問題的提出：不同天線在某一方面的特性優(yōu)劣不同天線在某一方面的特性優(yōu)劣(2)發(fā)射天線電參數(shù)：發(fā)射天線電參數(shù)：以衡量天線把高頻電流能量轉換成空間以衡量天線把高頻電流能量轉換成空間電磁波能量及定向輻射特性，而輸入阻抗和輻射阻抗則是衡量天電磁波能量及定向輻射特性，而輸入阻抗和輻射阻抗則是衡量天線電路特性

15、線電路特性輻射特性輻射特性電路特性電路特性方向函數(shù)、方向圖、方向圖參數(shù)、方向系數(shù)方向函數(shù)、方向圖、方向圖參數(shù)、方向系數(shù)增益、天線的極化、有效長度、頻帶寬度增益、天線的極化、有效長度、頻帶寬度輸入阻抗、輻射阻抗、天線效率、輸入阻抗、輻射阻抗、天線效率、60sinexp( ) 60sin IlEjjk rrIlEr（ 為場點、坐標原點連線與天線軸線的夾角）電基本振子的電基本振子的輻射場具有方向性，在相同距離的條件輻射場具有方向性，在相同距離的條件下，不同的方向上，輻射場不同。下，不同的方向上，輻射場不同。事實上，事實上，所有的真所有的真實天線都具有方向性實天線都具有方向性，為了描述天線的方向性，引

16、入，為了描述天線的方向性，引入以下電參數(shù)：以下電參數(shù)：方向函數(shù)方向函數(shù)/ /方向圖方向圖/ /方向圖參數(shù)方向圖參數(shù)/ /方向系數(shù)方向系數(shù)（1）電基本振子的輻射場）電基本振子的輻射場1、方向函數(shù)、方向函數(shù)（2）按天線的方向性對天線的分類：）按天線的方向性對天線的分類：各向同性（各向同性（isotropic antenna）天線（等方向性天）天線（等方向性天線線）：在所有方向上具有相同輻射的假想的無損耗天線，天線又稱為“理想點源天線理想點源天線”，它通常作為作為參考參考來表示實際天線的方向特性表示實際天線的方向特性。方向性天線（方向性天線（directional antenna） ：具有在某些方向

17、上比其他方向能更有效地輻射或接收電磁波的特點。60EI r理想點源天線：60sin IlEr（3 3）方向函數(shù)：方向函數(shù)：在相同距離的條件下天線輻射場的相對值與空間方向的關系天線輻射場為(, )E r ，則定義天線的方向性函數(shù)為|( , , )|( , )60E rfI r 電基本振子的方向性函數(shù)：60sin|( , , )| ( , )sin6060IlE rlrfI rI r ( ,(r r一定的情況下球坐標系下：E關于， )的函數(shù)E關于 ， )的函數(shù)maxmaxmax|( , , )|( , )|( , , )|60( , )|( , , )| ( , )|( , , )|60E rfE

18、 rI rFE rfE rI r （4 4）歸一化）歸一化方向函數(shù)方向函數(shù)電場強度最大值，最大輻射方向上的電場強度max|( , , )|E r ( , , )E r 不同(,)方向上電強分布函數(shù)電基本振子的歸一化方向性函數(shù)：電基本振子的歸一化方向性函數(shù)：0maxsin( , )( , )sin ( , )sin90lfFlf 理想點源天線的歸一化方向性函數(shù)理想點源天線的歸一化方向性函數(shù)( , )1F 2、天線方向圖、天線方向圖如果將作為如果將作為空間角度空間角度 和和 函數(shù)的天線方向性函數(shù)以圖函數(shù)的天線方向性函數(shù)以圖形的形式表示出來，則稱為方向圖或方向性圖形的形式表示出來，則稱為方向圖或方向

19、性圖。與前。與前面方向性函數(shù)的定義相對應，方向圖的類型有（歸一面方向性函數(shù)的定義相對應，方向圖的類型有（歸一化場強）方向圖及功率方向圖等等。同時改變化場強）方向圖及功率方向圖等等。同時改變 和和 可可得到空間得到空間立體方向圖立體方向圖，這樣的圖雖形象、直觀，但既，這樣的圖雖形象、直觀，但既不容易畫出，也不容易定量地了解輻射場空間分布數(shù)不容易畫出，也不容易定量地了解輻射場空間分布數(shù)值。為此，我們往往采用通過天線值。為此，我們往往采用通過天線最大輻射方向的兩最大輻射方向的兩個相互垂直的面上的個相互垂直的面上的平面方向圖平面方向圖來表示輻射方向性。來表示輻射方向性。半波振子半波振子理想點源（無耗均

20、勻輻射器）理想點源（無耗均勻輻射器）相互垂直的兩個面：相互垂直的兩個面：子午面則是子午面則是 為常數(shù)的面（為常數(shù)的面（包含包含z軸軸的任意平面）的任意平面）赤道面是赤道面是 = =90的的面（即面（即XOY平面平面） （1 1）子午面和赤道面方向圖）子午面和赤道面方向圖子午面方向圖（極坐標）子午面方向圖（極坐標）h/ 1z2hxy赤道面方向圖（極坐標）赤道面方向圖（極坐標）子午面方向圖（極坐標）子午面方向圖（極坐標）h/ 1z2hxy赤道面方向圖（極坐標）赤道面方向圖（極坐標） 針對架設在地面上的天線，常用平行于地面的水平面和與之垂直的垂直面內方向圖來描述天線輻射場分布特性。這時，需說明天線相

21、對于地面的架設狀況（如平行于或垂直于地面），才能有效地表示天線的方向性。線天線的線天線的E面：面：包含振子軸線的任意平面包含振子軸線的任意平面線天線的線天線的H面面:垂直于振子軸線的平面垂直于振子軸線的平面（2 2）水平面和垂直面方向圖）水平面和垂直面方向圖E面：面：包含最大輻射方向，電場矢量所在的平面（由電場由電場強度方向和最大輻射方向構成的平面強度方向和最大輻射方向構成的平面），），H面：面：包含最大輻射方向，磁場矢量所在的平面稱為（由由磁場方向和最大輻射方向構成的平面磁場方向和最大輻射方向構成的平面）。（3 3）E E面及面及H H面方向圖面方向圖xyH-plane patternE-p

22、lane pattern90Oz（4 4）方向圖的畫法）方向圖的畫法極坐標系極坐標系 or or 直角坐標系直角坐標系形象直觀波束多時，形象直觀波束多時，O O方向不易區(qū)分方向不易區(qū)分( )sinF極坐標系極坐標系直角坐標系可以按任意尺度擴展直角坐標系可以按任意尺度擴展, ,圖形清晰圖形清晰 直角坐標系直角坐標系( )sinsinyFx2波束較少時（線天線）極坐標系波束較少時（線天線）極坐標系波束較多時波束較多時（口徑天線）直角坐標系口徑天線）直角坐標系波瓣波瓣（波束）波束）：方向圖的各個部分，指以相當弱的方向為界限來劃分方向圖的各個部分(兩個極小值點之間 的部分）主瓣：主瓣：包括最強輻射方向

23、的波瓣 副瓣（旁瓣副瓣（旁瓣）：除去主瓣后的所有波瓣，離開主瓣依次為第1，2，3個副瓣 后瓣：后瓣：與主瓣方向相反的波束柵瓣柵瓣：除去主瓣外，在其它方向上出現(xiàn)的與主瓣幅度相等的波瓣3、主瓣和副瓣、主瓣和副瓣(a)元輻射方向性圖 (b)鉛筆形方向性圖 (c)扇形方向性圖 (d)余割平方方向性圖 下圖以極坐標繪出了典型的雷達天線的方向圖。方向圖的各個部分，下圖以極坐標繪出了典型的雷達天線的方向圖。方向圖的各個部分，指以相當弱的方向為界限來劃分方向圖的各個部分指以相當弱的方向為界限來劃分方向圖的各個部分(兩個極小值點之間兩個極小值點之間 的部分）的部分）波瓣（波束）；波瓣（波束）；方向圖中輻射最強的

24、方向稱為方向圖中輻射最強的方向稱為主射方向主射方向，輻射，輻射為零的方向稱為為零的方向稱為零射方向。具有零射方向。具有主射方向的方向葉稱為主射方向的方向葉稱為主瓣主瓣，其余稱為，其余稱為副瓣副瓣，離開主瓣依次為第離開主瓣依次為第1，2，3個副瓣個副瓣 。與主瓣方向相反的波束，。與主瓣方向相反的波束，后瓣。后瓣。除去主瓣外，在其它方向上出現(xiàn)的與主瓣幅度相等的波瓣除去主瓣外，在其它方向上出現(xiàn)的與主瓣幅度相等的波瓣，柵瓣，柵瓣一般天線設計的要求：一般天線設計的要求：天線的應用中往往選擇天線的設計使其在某一方向上的輻射最強，其它方向輻射較弱，使能量集中在最大輻射方向，而不耗散到其它方向（副瓣）上，造成

25、對其它系統(tǒng)的干擾，因此，盡量使主瓣變窄，副瓣變弱，衡量這兩個方面的天線術語： 主瓣寬度主瓣寬度 副瓣電平副瓣電平 （1）波瓣寬度：零功率點波瓣寬度，半功率點波瓣寬度零功率點波瓣寬度零功率點波瓣寬度：主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角用20表示，用 20E，20H 表示E 面或 H 面的零功率主瓣寬度半功率點波瓣寬度（3分貝波瓣寬度，3dB波瓣寬度）：波瓣寬度越窄，能量越集中波瓣寬度越窄，能量越集中見圖見圖6-6水平和垂直波瓣在天線的水平面（垂直面）方向圖上，相對于主瓣最大點功率增益下在天線的水平面（垂直面）方向圖上，相對于主瓣最大點功率增益下降降3dB的兩點之間所張的角度，定義為天線的水平

26、（垂直）波瓣寬度的兩點之間所張的角度，定義為天線的水平（垂直）波瓣寬度（3dB寬度，可以有其它的定義方式）。寬度，可以有其它的定義方式）。天線輻射的大部分能量都集中在波瓣寬度內，波瓣寬度的大小反映了天線輻射的大部分能量都集中在波瓣寬度內，波瓣寬度的大小反映了天線的輻射集中程度。天線的輻射集中程度。全向天線的水平波瓣寬度為全向天線的水平波瓣寬度為360 ，定向天線的水平波瓣寬度有，定向天線的水平波瓣寬度有20 、30 、65 、90 、105 、120 、180 等，等，常用常用65 、90 ；天線的垂直波瓣寬度一般在天線的垂直波瓣寬度一般在380 之間，基站采用較多的是之間，基站采用較多的是5

27、 18 的的天線。天線。天線的增益和水平及垂直波瓣寬度密切相關，一般來說，天線的波瓣天線的增益和水平及垂直波瓣寬度密切相關，一般來說，天線的波瓣寬度越小，其增益越大，在確定這三個參數(shù)時，需一起考慮。寬度越小，其增益越大，在確定這三個參數(shù)時，需一起考慮。水平和垂直波瓣寬度的選取原則對不同傳播環(huán)境、不同地形地貌，天線的水平波瓣寬度、垂對不同傳播環(huán)境、不同地形地貌，天線的水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度一般可遵循下面的原則選?。褐辈ò陮挾纫话憧勺裱旅娴脑瓌t選?。核讲ò陮挾人讲ò陮挾葘緮?shù)目較多、覆蓋半徑較小、話務分布較大的區(qū)域，水平波對基站數(shù)目較多、覆蓋半徑較小、話務分布較大的區(qū)域，水平波瓣寬度應

28、選得小一點。瓣寬度應選得小一點。對覆蓋半徑較大，話務分布較少的區(qū)域，水平波瓣寬度應選得大對覆蓋半徑較大，話務分布較少的區(qū)域，水平波瓣寬度應選得大一些。一些。垂直波瓣寬度垂直波瓣寬度對地形平坦，建筑物稀疏，平均高度較低的區(qū)域，垂直波瓣寬度對地形平坦，建筑物稀疏，平均高度較低的區(qū)域，垂直波瓣寬度可選得小一點?？蛇x得小一點。對地形復雜、落差大的區(qū)域，垂直波瓣寬度可選得大一些。對地形復雜、落差大的區(qū)域，垂直波瓣寬度可選得大一些。（2）旁瓣電平（）旁瓣電平（Side Lobe Lever SLL）：）：指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平，以分貝表示 （3）前后比）前后比:后瓣平均功率密度最大值與主瓣平

29、均功率密度最大值之比，以分貝表示 ,max180max180,maxmax10lg20lgavavSEFBSEv上述方向圖參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映各個方向的輻射相對強弱程度。如：方向圖，可以看出哪個方向大，哪個方向小；但不能定量的給出某一點的場強到底是多少，因而不能單獨體現(xiàn)天線的定向輻別能力。為了更精確地比較個同天線之間的方向性，需要引入一個能定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)，這就是方向系方向系數(shù)數(shù)v雷達,通信等大部分天線設備,都是利用主向(或主平面)(最大輻射方向)的輻射來完成任務的。偏離主向的輻射功率不僅被無謂浪費,而且還會干擾電波信號。因此,盡可能減少非

30、主減少非主向的輻射和增加主向輻射向的輻射和增加主向輻射。常采用方向性系數(shù)這個參量來說明天線在主向輻射功率的集中程度4、 天線方向性系數(shù)（天線方向性系數(shù)（Directivity）00002maxmax200(P =P,r=r ) (P =P,r=r ) |SEDSE（1）方向性系數(shù)）方向性系數(shù)D的表達式的表達式在離開天線同一距離在離開天線同一距離r0時，天線在最大輻射方向上的功率密度時，天線在最大輻射方向上的功率密度Smax和總輻射功率相和總輻射功率相同的全向天線的功率流密度同的全向天線的功率流密度S0的比值的比值方向系數(shù)方向系數(shù):定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)定量地表示天線定向輻射能力的電

31、參數(shù),說明天線在主說明天線在主 向輻射功率的向輻射功率的集中程度集中程度 22004,sinDFd d (2)分貝來表示分貝來表示:方向性系數(shù)還可用分貝來表示，且有 10lg()10lg2.15DDD dBdD（dBi）2200,sinavavSPSdsSrd d 00002maxmax200(P =P ,r=r ) (P =P ,r=r ) |SEDSE020022001,sin444rravPPPPSSd drr ,max200200,max1,sin44,sinavavavavSDSd dSd dS 222maxmax,avavESFSE ，22004,sinDFd d 主瓣越窄，方向系

32、數(shù)越大。無方向性天線的方向系數(shù)為1。 例：確定沿例：確定沿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)220022004,sin41.5(sin ) sinDFd dd d ,sinF 10lg1.51.76()10lg1.52.150.39DdBiD dBddBd （dBi）問：沿問：沿z軸放置的半波偶極子（半波振子）的方向系數(shù)軸放置的半波偶極子（半波振子）的方向系數(shù)1.64D （4）方向性系數(shù)）方向性系數(shù) D的與輻射電阻的關系：的與輻射電阻的關系： maxmax222222max2|( , , )|( , )( , )( , )60( , )|( , , )|( , ) 60

33、( , ) ( , )6022121 Re 222160 ( , ) ( , )sin2*120rSSSE rffFI rfE rfI rFfI rEPREHdse ndsIIIIRFfrIr ；2max22max220030( , ) ( , )sin 30( , )( ,sin 4, sin SSd dRFfd dfRFd dDFdd 2max120 fDR（，）例：確定電基本振子的輻射電阻例：確定電基本振子的輻射電阻2max120 fDRmaxmax( , )sinllf 2222max120120()80()1.5fllRD5 天線的效率（天線的效率（Efficiency）天線效率天線

34、效率 A A：天線輻射有功功率：天線輻射有功功率Pr 與天線輸入的與天線輸入的有功功率有功功率Pin之比，表示天線能量轉化的量度，即之比，表示天線能量轉化的量度，即AinPPAininlPRRPRRR發(fā)發(fā)射射機機inPlPrPPRlRlPinRinP21;2inrlinrlPPP RRR PI R提高天線效率：減少損耗電阻，提高輻射電阻提高天線效率：減少損耗電阻，提高輻射電阻 輸入功率輸入功率相同時，某天線在某一方向上的遠區(qū)產(chǎn)生相同時，某天線在某一方向上的遠區(qū)產(chǎn)生的功率流密度的功率流密度S1與理想點源（無方向性）天線在同與理想點源（無方向性）天線在同一方向同一距離處產(chǎn)生的功率流密度一方向同一距

35、離處產(chǎn)生的功率流密度S0的比值，稱的比值，稱為該天線在該方向上的增益系數(shù)，簡稱增益，常用為該天線在該方向上的增益系數(shù)，簡稱增益，常用G表示。表示。0max0ininAPPSGDS6、天線的增益系數(shù)（增益、天線的增益系數(shù)（增益Gain）天線增益在不加特別說明時，指天線在最大輻射方天線增益在不加特別說明時，指天線在最大輻射方向上的增益系數(shù)向上的增益系數(shù)Gmax00max0(P =P,r=r ) SDSAinPP將方向系數(shù)公式（將方向系數(shù)公式（6 -3 -4）和效率公式（）和效率公式（6 -3 -9）代入上式得）代入上式得22max60inrEGp由上式可得一個實際天線在最大輻射方向上的場強為由上式

36、可得一個實際天線在最大輻射方向上的場強為max6060inAinGPDPErr理想點源，理想點源， ，最大輻射方向上的場強為，最大輻射方向上的場強為11,1ADGmax60inPEr可見，天線的增益系數(shù)為天線與理想點源天線相比在最大輻射可見，天線的增益系數(shù)為天線與理想點源天線相比在最大輻射方向上將輸入功率放大的倍數(shù)方向上將輸入功率放大的倍數(shù)增益舉例增益舉例如果用理想的無方向性點源作為發(fā)射天線，需要如果用理想的無方向性點源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為的輸入功率，而用增益為 G = 13 dBi= 20的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率

37、只需 100 / 20 = 5W . 換換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。點源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。半波對稱振子的增益為半波對稱振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個半波對稱振子個半波對稱振子 沿垂線上下排列，構成一沿垂線上下排列，構成一個垂直四元陣，其增益約為個垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個單位表示比較對象是各向均勻這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源輻射的理想點源) 。如果以半波對稱振子作比較對象，

38、則增益的單位是如果以半波對稱振子作比較對象，則增益的單位是dBd 。半波對稱振子的增益為半波對稱振子的增益為G = 0 dBd （因為是自己跟自己比，比值為（因為是自己跟自己比，比值為1，取對數(shù)得，取對數(shù)得零值。）零值。）垂直四元陣，其增益約為垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 2.15 = 6 dBd。 0dBd = 2.15dBi2.15dB增益實例BaseStationTransmitter(20 watts)Convert to dBm10Log(20) + 30 = +43 dBmjumperHeliaxCablejumper-0.5dB-0.5dB-3dBAntenna Gai

39、n= + 18 dBiAnt InputPower = + 39dBmEiRP = +39 + 18 = +57 dBmv EIRPv（有效輻射功率）（有效輻射功率） 實例實例目前基站天線的增益范圍從目前基站天線的增益范圍從0dBi 到到20dBi 以上均有應用。以上均有應用。室外基站采用全向天線時增益多為室外基站采用全向天線時增益多為9-12dBi，采用定向，采用定向天線時增益多為天線時增益多為15-20dBi。水平波束相對較窄的天線多用于地廣人稀的道路的覆蓋，水平波束相對較窄的天線多用于地廣人稀的道路的覆蓋，增益一般為增益一般為20dBi。室內覆蓋的天線室內覆蓋的天線,增益一般為增益一般為

40、0-8 dBi。天線的極化是天線在最大輻射方向上輻射場的極化，一般是指輻射電場電場的空間取向。輻射場的極化是指在空間某一固定位置上電場矢量端點隨時間運動的軌跡。根據(jù)軌跡形狀不同，可分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化：電場矢量沿著一條線做往復運動。線極化分為水平極化和垂直極化。圓極化：電場矢量的大小不變，其末端做圓周運動。分為左旋圓極化和右旋圓極化。橢圓極化：電場矢量大小隨時間變化，其末端運動的軌跡是橢圓。分為左旋橢圓極化和右旋橢圓極化。 7、天線極化、天線極化（1）同頻率，極化方向垂直的兩列平面波的疊加，總場極化方向）同頻率，極化方向垂直的兩列平面波的疊加，總場極化方向 取決于振幅，和相位差

41、取決于振幅，和相位差 1020(1)0,:2 and 23others:EE相位差線極化波（ ） 相位差振幅相等：圓極化波（ ）相位差橢圓極化波（2）橢圓極化或圓極化判斷左旋或右旋）橢圓極化或圓極化判斷左旋或右旋波總是向相位滯后方向傳播，拇指指向波傳播的方向，四指由相位超前的波，向相位滯后的波方向旋轉。符合右手規(guī)則，為右旋波；否則，左旋波。左旋極化波左旋極化波右旋極化波右旋極化波xE2xyyE滯后滯后xE2xyyE超前超前天線的極化方式天線的極化方式(Polarization)-單極化單極化極化匹配問題：某種極化方式的天線，只能接收與其極化方式相同的電磁波，稱謂極化匹配。如水平線極化天線只能接

42、收水平極化的電磁波，右旋極化的天線只能接收右旋極化電磁波。極化失配意味著功率損失，例如用線極化天線接收左旋或右旋圓極化波，用右旋或左旋圓極化天線接收線極化波，均有3dB的功率損耗。主極化與交叉極化：在垂直于矢徑的平面（等相位面）上，可以將電場矢量分解為兩個相互正交的極化分量，與設計初衷一致的稱為主極化分量，相反的稱為交叉極化分量。主極化分量與交叉極化分量的比值，稱為極化隔離度，通常用dB表示。一個線極化波可以分解成水平極化分量和垂直極化分量；橢圓極化波可以分解成兩個幅度不等、旋向相反的圓極化分量。極化隔離度充分大的前提下，同一頻率可正交復用，即利用兩個相互正交的極化，以實現(xiàn)收發(fā)之間的同頻隔離。

43、8、有效長度（、有效長度（effective length）（線天線）（線天線）實際考察天線實際考察天線：電流分布不均勻不均勻假想天線假想天線：其上的電流分布為均勻分布均勻分布 2ll作比較作比較：當觀察點離開天線的距離不變時，此假想天線在最大輻射方向上所產(chǎn)生的輻射場強等于等于實際天線在最大輻射方向上的輻射場強。（同距離，最大輻射方向上的場強值不變的情況下）（同距離，最大輻射方向上的場強值不變的情況下）歸算電流歸算電流：饋電點處的電流值（輸入電流輸入電流Iin），或者電流最大值電流最大值Imax在保持在保持實際天線實際天線最大輻射方向最大輻射方向上的上的場強值不變場強值不變的條件下，假設的條件

44、下，假設天線上的電流分布為天線上的電流分布為均勻分布均勻分布時時天線的天線的等效長度。等效長度。max0060( ) hhI zEdEdzr真實天線：einmax006060h einhhinineinIIEdEdzrr假想天線：比較條件：比較條件：最大輻射方向上的場強值不變0( ) =2hineineineinI hI z dzlh設：實際天線的長度為h，天線上的電流分布為I（z），歸算電流為 Iin，有效長度hein60sinexp( ) IlEjjk rrmax06060( ) hineinI hI zEdzrr場疊加原理場疊加原理 max60( , , )( , )|( , )( ,

45、) in einI lE rEFFr 實際電流于等效均勻電流所包圍的面積相等引入等效長度，線天線遠區(qū)場可表示為：maxmaxmaxmaxmax2max|( , , )|( , , )|( , , )( , )( , )60606060( , )| 60) ( , )|602 in einin eineineineininkE rE rE rffI rI rI rI lErI lllklrfIr ；2max0120fDR222 2max000120120302eineinklfk lDRRR電場強度、方向性系數(shù)電場強度、方向性系數(shù)D與有效長度的關系與有效長度的關系9 、匹配匹配的優(yōu)劣一般用四個參

46、數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系匹配的優(yōu)劣一般用四個參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關系，數(shù)，駐波比和回波損耗，四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關系，使用那一個純出于習慣。在我們日常維護中，用的較多的使用那一個純出于習慣。在我們日常維護中，用的較多的是駐波比和回波損耗。一般移動通信天線的輸入阻抗是駐波比和回波損耗。一般移動通信天線的輸入阻抗5050。天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗

47、，這時饋線終端沒有功率反射，饋線且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。量盡可能地接近饋線的特性阻抗。電壓駐波比電壓駐波比VSWR:微波傳輸線的阻抗必須與天線的輸入阻抗匹配微波傳輸線的阻抗必須與天線的輸入阻抗匹配否則就會有反射波產(chǎn)生，流向信號源否則就會有反射波產(chǎn)生，流向信號源由反射波和入射波合成而產(chǎn)生的稱為駐波由反射波和入射波合成而產(chǎn)生的稱為駐波

48、駐波信號振幅的最大值與最小值之比稱為電壓駐波比駐波信號振幅的最大值與最小值之比稱為電壓駐波比VSWR 它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無窮大之間。駐波比為到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于為無窮大表示全反射，完全失配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但，但實際應用中實際應用中VSWR應小于應小于1.3。過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內干擾加。過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內干擾加大，影響基站的服務性能。大，影響基站的服務性能。反射系數(shù)：反射系數(shù)

49、：電磁波遇到障礙物就會產(chǎn)生反射。電磁波遇到障礙物就會產(chǎn)生反射。如果終端所接負載阻抗與傳輸線特性阻抗不相等，在線路終端，不僅有入如果終端所接負載阻抗與傳輸線特性阻抗不相等，在線路終端，不僅有入射波，還會有反射波。射波，還會有反射波。 從傳輸功率的觀點來看，因阻抗不匹配使信號源送到負載的功率返回去從傳輸功率的觀點來看，因阻抗不匹配使信號源送到負載的功率返回去一些，稱之為部分反射，一些，稱之為部分反射，9.5 W80 ohms50 ohmsForwarda: 10WBackward: 0.5W回波損耗回波損耗( (Return Loss)Return Loss)回波損耗：回波損耗： 它是反射系數(shù)絕對

50、值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0dB 到到無窮大之間，回波損耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。無窮大之間，回波損耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求回波表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于損耗大于14dB?；夭〒p耗回波損耗Return Loss： 10log(10/0.5) = 13dB駐波比駐波比VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)10 10 頻帶寬度：頻帶寬度：天線的所有電參數(shù)都和頻

51、率有關。任何天線的工作頻率都有一天線的所有電參數(shù)都和頻率有關。任何天線的工作頻率都有一定的范圍，定的范圍，在這個范圍內，天線的某個或這某些特性指標達到標準。當工作頻率偏離中心工作頻率f0時，天線的電參數(shù)將變差，其變差的容許程度取決于天線設備系統(tǒng)的工作特性要求。 (Bandwidth)(Bandwidth)頻帶寬度：頻帶寬度：中心頻率兩側天線的特性下降到還能接中心頻率兩側天線的特性下降到還能接受的最低限度時，兩頻率的差值受的最低限度時，兩頻率的差值，此時對應的頻率范圍稱為頻，此時對應的頻率范圍稱為頻帶寬度。帶寬度。根據(jù)天線設備系統(tǒng)的工作場合不同影響天線頻帶寬度的主要電參數(shù)也不同，所以天線的頻帶寬

52、度不唯一。對應于不同的特性指標，有不同的頻帶寬度。工作帶寬工作帶寬（ BANDWIDTH ）= 896 - 824 = 72MHzOptimum 1/2 wavelengthfor dipole at 860MHzat 896MHzAntenna Dipoleat 824MHz示例：示例：CDMA 800MHz 系統(tǒng)天線的系統(tǒng)天線的工作帶寬工作帶寬n CDMA常用的頻段有常用的頻段有450M800M1900M CDMA 450 : 450-468MHzCDMA 800 : 824-896MHzCDMA 1900 : 1850-1990MHz小結 本節(jié)討論了天線的一些指標，即描述天線性能的有關參

53、數(shù)。發(fā)射天線的指標可分為這樣幾類： 1 描述天線輻射電磁波能力的有：輻射功率，輻射電阻，輸入阻抗及天線效率等。 2 描述天線輻射電磁波場分布不均勻性的有：方向性函數(shù)，方向性圖等。3 描述天線輻射電磁波在最大輻射方向上的集中程度的有：方向性系數(shù)，主瓣寬度和副瓣電平，增益，有效長度等。 此外，還有其它一些如頻帶，極化等。 同一天線用作接收天線時其指標與其用作發(fā)射天線時的指標之間具有互易性，即兩種情況下的對應指標完全相等。這一性質稱為收發(fā)天線的互易性，可用互易定理直接導出（互易性只存在于無源天線的情形）。但是接收天線的一些特殊的指標，如天線的吸收面積，天線的噪聲溫度等。6.4 接收天線理論接收天線理

54、論天線的接收原理：天線導體在外天線的接收原理：天線導體在外電場的作用下激勵產(chǎn)生感應電動電場的作用下激勵產(chǎn)生感應電動勢并在天線回路中產(chǎn)生電流。勢并在天線回路中產(chǎn)生電流。 遠場區(qū)可視為均勻平面波遠場區(qū)可視為均勻平面波天線的收發(fā)互易性，同一天線既可以做為發(fā)射天線，也天線的收發(fā)互易性，同一天線既可以做為發(fā)射天線，也可以作為接收天線，同一天線用于接收時的指標與用于可以作為接收天線，同一天線用于接收時的指標與用于發(fā)射時的指標相比完全相同，這種性質叫天線的收發(fā)互發(fā)射時的指標相比完全相同，這種性質叫天線的收發(fā)互易性。易性。 接受天線多了有效接受面積，等效噪聲溫度等的指標接受天線多了有效接受面積，等效噪聲溫度等

55、的指標 只有沿天線表面的電場切線分量才能激勵起天線的表面電流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，接收天線導體在空間電場的作用下產(chǎn)生感應電動感應電動勢勢，并在導體表面激勵起感應電流，在天線的輸入端產(chǎn)生，并在導體表面激勵起感應電流，在天線的輸入端產(chǎn)生電壓電壓，在接收機回路，在接收機回路中產(chǎn)生中產(chǎn)生電流電流。所以接收天線是一個把。所以接收天線是一個把空間電磁波能量空間電磁波能量轉換成轉換成高頻電流能量高頻電流能量的轉的轉換裝置，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

56、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區(qū)輻射場遠區(qū)輻射場中因此可以認為到達接收天線處的無線電波是中因此可以認為到達接收天線處的無線電波是均勻平面均勻平面波波，設來波方向與天線軸，設來波方向與天線軸z z之間的夾角為之間的夾角為，求接收天線上的感應電動勢：，求接收天線上的感應電動勢： E dl（天線導體）發(fā)射天線的遠區(qū)場可看成發(fā)射天線的遠區(qū)場可看成TEMTEM平面波平面波，則電場是垂直于波的傳播方向的平則電場是垂直于波的傳播方向的平面內的任意矢量，建立如圖所示的面內的任意矢量，建立如圖所示的的的坐標系坐標系：電波射線與天線軸構成：電波射線與天線軸構成入射平面入射平面，入射電場

57、可分為兩個分，入射電場可分為兩個分量：一個是與入射面相垂直的分量量：一個是與入射面相垂直的分量E Ev v，；一個是與，；一個是與入射面平行的分量入射面平行的分量E Eh h，。，。 注意:接受天線首先要考慮與發(fā)射天線的極化匹配問題，對于線天線，當兩者的極化存在失配角 時 ，分解到入射平面的分量正交時為零0290cosiEEcos sinziEE切線分量激發(fā)電流的分量在這個切向分量的作用下在這個切向分量的作用下, 天線元段天線元段dz上將產(chǎn)上將產(chǎn)生感應電動勢生感應電動勢zdE dz 設在入射場的作用下, 接收天線上的電流分布為I(z), 并假設電流初相為零, 則接收天線從入射場中吸收的功率由上

58、述分析得整個天線吸收的功率為dzezIEezIPlljkzZlljkzcoscos)()(根據(jù)電磁場的邊值理論, 天線在接收狀態(tài)下的電流分布應和發(fā)射時相同。 因此假設接收天線的電流分布為 I(z)=Im sink(l-|z|)cos2sin ()ljkzmlpE Ik lz edz2022sinsin ()cos(cos )sin( )cos( )lminmeinieinE Ipk lzkzdzIIklE h FEh F 2. 有效接收面積有效接收面積(從能流密度矢量的角度，接受的最大功從能流密度矢量的角度，接受的最大功率可以換算為有效接受面積）率可以換算為有效接受面積） 有效接收面積是衡量一

59、個天線接收無線電波能力的重要指標。它的定義為: 當天線以最大接收方向對準來波方向進行接收時, 接收天線傳送到匹配負載的平均功率為PLmax, 并假定此功率是由一塊與來波方向相垂直的面積所截獲, 則這個面積就稱為接收天線的有效接收面積, 記為Ae, 即有avLespAmax 式中, Sav為入射到天線上電磁波的時間平均功率流密度，其值為221iavEs（6 - 4 - 9）（6 - 4 - 10）方向上匹配時 根據(jù)圖 6-12 接收天線的等效電路, 傳送到匹配負載的平均功率（考慮天線本身的損耗）為（最大方向對準，極化匹配，（最大方向對準，極化匹配，阻抗匹配阻抗匹配）222maxAA00(cos(

60、 )()=88 8 ieinieinLinEh FE hpRRR2222max0030/8240LieinieineAAavpE hEhAsRR（） （） 2222222200030120 120eeeklllDDRRR 2222max2 3030 120 4 4elAeAAavrlPDDGASR 1.3.3等效噪聲溫度等效噪聲溫度天線除了能夠接收天線除了能夠接收無線電波無線電波之外，還能夠接收來自空間各種物體的之外，還能夠接收來自空間各種物體的噪聲信號噪聲信號。外部噪聲通過天線進人接收機，因此，又稱外部噪聲通過天線進人接收機，因此，又稱天線噪聲天線噪聲。天線接收的噪聲功率的天線接收的噪聲功率