第8章-天線基礎(chǔ)

第8章天線基礎(chǔ)

FundamentalAntennas輻射——電磁場(chǎng)能量脫離場(chǎng)源，以電磁波的形式在空間傳播。輻射問題——求場(chǎng)源在周圍空間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布。重點(diǎn)內(nèi)容2、對(duì)稱振子天線特性1、天線的功能及其電參數(shù)1§8.1天線的功能與分類

FunctionsandClassificationofAntennas

一、天線的功能:

無(wú)線電系統(tǒng)中輻射或接收電磁波的器件稱為天線。天線是各種無(wú)線電系統(tǒng)中必不可少的部件之一。

天線的功能首先是能量轉(zhuǎn)換：

圖8.1-1發(fā)射天線的能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)行波發(fā)射天線空間波(無(wú)線電波)接收天線2圖8.1-2衛(wèi)星地面站天線

第二、能量發(fā)射與接收具有方向性§8.1天線的功能與分類3

第三、形成所需極化圖8.1-3大西洋區(qū)INTELSATV衛(wèi)星的半球和區(qū)域波束覆蓋區(qū)

圖8.1-3中,4GHz東西半球波束分別為左右旋圓極化波；而4GHz東西區(qū)域波束分別為右左旋圓極化波。它們相互正交，因此實(shí)現(xiàn)了四重頻譜復(fù)用?！?.1天線的功能與分類圖8.1-4INTELSATV衛(wèi)星的天線配置4圖8.0-1智能天線工作原理圖§8.1天線的功能與分類天線的功能也在發(fā)展中.如:智能天線能動(dòng)態(tài)地形成指向用戶的波束并使波束零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向；相控陣天線能對(duì)波束進(jìn)行電控掃描；脈沖天線能形成“和”“差”兩種波束；另一方面也將天線用于微波輸能(下頁(yè)圖),治癌等.5空間太陽(yáng)能發(fā)電與傳輸§8.1天線的功能與分類6二、天線的分類§8.1天線的功能與分類圖8.1-5天線的基本類型(a)線天線(b)面天線(口徑天線)(c)印刷天線7§8.1天線的功能與分類8上海市電視塔微波接力天線§8.1天線的功能與分類9§8.1天線的功能與分類10實(shí)物照片三維示意圖圖8.5-2衛(wèi)星定位系統(tǒng)雙頻段天線機(jī)載系統(tǒng)我們的實(shí)驗(yàn)天線圖8.5-1機(jī)載合成口徑雷達(dá)天線§8.1天線的功能與分類11§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程

AntennaParametersandTransmissionFormula

一、方向性系數(shù)D這一節(jié)介紹描述天線性能的一些主要電參數(shù)和描述天線發(fā)射、傳輸、接收關(guān)系的傳輸方程。a)定義圖8.2-1方向性系數(shù)的定義

它能夠比較出不同天線最大輻射的相對(duì)大?。ǚ较蛐缘膹?qiáng)弱）。

(8.2-3)故因此§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程13(1)在輻射功率相同的情況下，有方向性天線在最大方向的場(chǎng)強(qiáng)是無(wú)方向性天線的場(chǎng)強(qiáng)的倍。

·相當(dāng)于對(duì)最大輻射方向輻射功率增大到倍，把稱為天線在該方向的等效輻射功率。

·物理實(shí)質(zhì)是，把天線在其它方向輻射的部分功率加到此方向了，并且主瓣愈窄，加強(qiáng)得愈多，則方向性系數(shù)愈大。(2)

如果要在場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生相同場(chǎng)強(qiáng)()，有方向性天線輻射功率是無(wú)方向性天線的倍。以上討論可知：方向性系數(shù)由場(chǎng)強(qiáng)在空間的分布情況決定，若方向圖給出了，則確定。

b)物理意義§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程14由方向圖函數(shù)知：，故而代入式(8.2-3)，得（8.2-6）

若則可見，對(duì)于主瓣愈窄，上式的分母積分愈小，愈大。對(duì)于旁瓣可以忽略的天線，可用二主面半功率寬度來估算方向性系數(shù)，近似c)計(jì)算公式§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程15例8.2－1分別計(jì)算電流元和小電流環(huán)的方向性系數(shù)。[解]由于電流元，因此，它的方向性系數(shù):小電流環(huán)，方向圖函數(shù)也是sinθ，因而方向性系數(shù)相同：D=1.5。

在小電流環(huán)所在平面上距離r=10km處（遠(yuǎn)區(qū)）測(cè)得其電場(chǎng)強(qiáng)度為5mV/m，問其輻射功率多大？若采用無(wú)方向性天線發(fā)射，則需多大輻射功率？若采用無(wú)方向性天線發(fā)射，則例8.2-2[解]

由式（8.2-3）知，§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程16二、輻射效率和增益實(shí)際中，由于天線的導(dǎo)體和介質(zhì)的歐姆損耗，使它的輻射功率小于其輸入功率。若天線的損耗功率則天線的輻射效率為對(duì)于大多數(shù)微波天線歐姆損耗很小，§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程17

天線在最大輻射方向上遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)點(diǎn)的功率密度與輸入功率相同的無(wú)方向性天線在同一點(diǎn)的功率密度之比：天線增益與方向性系數(shù)差別較小，常將兩者混用。天線增益：§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程作業(yè)：8.1,8.2,8.318三、有效面積天線用作接收時(shí)，能從來波中獲取的最大功率與來波的實(shí)功率流密度成正比：比例系數(shù)由于具有面積的量綱，因而稱為有效(接收)面積(effectivearea)。圖8.2-3接收天線的等效電路§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程19當(dāng)(共軛匹配)時(shí)，負(fù)載獲得最大接收功率：

故§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程20對(duì)于長(zhǎng)的電流元，來波電場(chǎng)強(qiáng)度，所感應(yīng)的接收電動(dòng)勢(shì)此關(guān)系式是對(duì)電流元導(dǎo)出的，但這個(gè)比例系數(shù)對(duì)任何天線都成立。

(8.2-18)所以可得增益與有效面積的關(guān)系：電流元所以§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程21在效率不變的情況下，天線的電面積愈大，則天線的增益愈高。令，為天線在與其最大方向相垂直的截面上的幾何面積，為天線效率，因此，由上式得到(8.2-18)§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程22四、傳輸方程研究如圖8.2－6所示通信線路的功率傳輸關(guān)系。接收天線能收到的最大接收功率

接收端功率密度圖8.2-6無(wú)線電通信線路示意圖

該式稱為弗里斯傳輸方程。以分貝表示為§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程23地面接收天線收到的載波信號(hào)功率為式中

為等效全向輻射功率；

圖8.2-7衛(wèi)星通信的上行與下行線路§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程衛(wèi)星通信系統(tǒng)：24衛(wèi)星接收系統(tǒng)的接收質(zhì)量實(shí)際上取決于載波信號(hào)功率與噪聲功率之比。其中由等效噪聲溫度計(jì)算：式中(波耳茨曼常數(shù))，B為頻帶寬度(Hz)。式中為饋線周圍環(huán)境溫度，為饋線損耗(>1)，為接收機(jī)噪聲溫度。

同樣，天線輸出的噪聲功率也用其等效噪聲溫度表示：于是系統(tǒng)的等效噪聲溫度可表示為§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程25因此接收系統(tǒng)的信(號(hào))噪(聲)比為上式稱為衛(wèi)星通信線路的下行傳輸方程。用分貝表示為該式中是的簡(jiǎn)寫，稱為接收系統(tǒng)的品質(zhì)因素?！?.2天線電參數(shù)和傳輸方程26例8.2-3※為在上海接收亞洲一號(hào)衛(wèi)星傳播的電視信號(hào)，f=3.95GHz（λ=7.6cm），試決定所需天線增益G，并估計(jì)所需拋物面天線直徑d。設(shè)要求C/N≥8dB（圖像質(zhì)量在4級(jí)左右）。[解]

a）亞洲一號(hào)衛(wèi)星在1990年4月7日由中國(guó)長(zhǎng)征三號(hào)火箭發(fā)射進(jìn)入軌道，定點(diǎn)于東經(jīng)105.5°。上海至衛(wèi)星距離由式（5.4-14）算得為r=37094km。故衛(wèi)星至上海的自由空間傳播損失為式（8.2-37）中B指系統(tǒng)解調(diào)前等效噪聲帶寬，取為17.5MHz，故因EIRP=36dBW，取L=1.5dB，由式（8.2-36）得§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程27因此，要求G≥20.18×82.56=1666，即32.2dB。

b)若采用圓口徑拋物面天線作地面單收站天線，則今選用市售低噪聲高頻頭，即，饋線損耗設(shè)為0.5dB，即=1.12。天線等效噪聲溫度與天線仰角有關(guān)，低仰角時(shí)較大。上海地區(qū)接收E衛(wèi)星的仰角為49.76°，估計(jì)。故由式（8.2-34）得取，得§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程作業(yè)：8.6,8.10

因此，可采用1.2m直徑來接收?？萍及l(fā)展很快，對(duì)第二代亞洲衛(wèi)星，現(xiàn)在已能在上海用0.45m直徑來接收ku頻段(12GHz)電視節(jié)目了。28*五、雷達(dá)方程§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程a)雷達(dá)散射截面

定義雷達(dá)散射截面RCS（RadarCrossSection）為一個(gè)面積，它所接收的入射波功率，被全向（均勻）散射后，到達(dá)雷達(dá)接收天線處的功率密度等于目標(biāo)在該處的功率密度Ss。由此，設(shè)雷達(dá)在目標(biāo)處的入射功率密度為Si，則有從而得σr

的定義式為29§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程

設(shè)雷達(dá)發(fā)射功率為Pt，發(fā)射天線增益為Gt，接收天線增益為Gr，它們的最大方向都對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，則雷達(dá)最大接收功率為

設(shè)雷達(dá)的最小可測(cè)功率（接收機(jī)靈敏度）為PRmin，則由上式得雷達(dá)最大作用距離為（設(shè)雷達(dá)天線是收發(fā)共用的，即取Gt=Gr=G）b)雷達(dá)距離方程可見，雷達(dá)作用距離與成反比，而與和G1/2成正比。30§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程

若將飛機(jī)的σr作得很小，便可能使雷達(dá)發(fā)現(xiàn)不了，而達(dá)到“隱身”的效果。近年來迅速發(fā)展的“隱身”技術(shù)正是利用改進(jìn)飛行體外形設(shè)計(jì)和采用吸波涂層或透波材料等技術(shù)來減小σr。例如（參看圖7.4-4）：美國(guó)B-52戰(zhàn)略轟炸機(jī)其σr達(dá)40m2以上；

B-1B轟炸機(jī)使σr降到其1/100，即約0.4m2；

B-2轟炸機(jī)的σ只有0.01m2，近于一只小鳥的散射面積；

F117“隱身”飛機(jī)的σr做到了0.001-0.01m2，即近于一只昆蟲的散射面積。

B-2和F117都采用了驚人的突破性設(shè)計(jì)，將底部作成平板形狀，對(duì)地面來波形成鏡面反射，反射角等于入射角，使雷達(dá)反射波被反射到前方，單站雷達(dá)無(wú)法收到回波，從而達(dá)到隱身的目的。自然，有矛即有盾。為此又發(fā)展了收發(fā)分開的雙站雷達(dá)，可接收其前向反射波?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展是永無(wú)止鏡的。31§8.2天線電參數(shù)和傳輸方程(b)B-1B

(d)F117

(c)B-2

(a)B-52

圖7.4-4雷達(dá)散射截面不斷減小的美軍轟炸機(jī)32§8.3對(duì)稱振子Dipoles

一、對(duì)稱振子的電流分布和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)將對(duì)稱振子電流的輻射看作許多電流元的輻射，利用疊加原理，即得到到對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)。

(a)(b)圖8.3-1對(duì)稱振子的電流分布和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)計(jì)算a)電流分布對(duì)稱振子可看成是終端開路的雙線傳輸線張開而成。因此對(duì)稱振子上的電流近似于正弦分布(條件:細(xì)振子，)：即對(duì)稱振子上臂離中心z處，取一小段dz，其上的電流為I，這個(gè)電流元在遠(yuǎn)區(qū)P點(diǎn)產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為：對(duì)稱振子下臂上-|z|處有關(guān)于中心對(duì)稱的一段dz，它在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)點(diǎn)P產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為：b)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)§8.3對(duì)稱振子34由上，和近似認(rèn)為都在方向，矢量和化為代數(shù)和。（2）（3）（1）

，因而對(duì)可以忽略，但是對(duì)于相位因子，取決于，不能忽略，因?yàn)樗c波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)。

從而有除電流元、磁流元外，一般天線的遠(yuǎn)區(qū)要加上一個(gè)條件，即各源點(diǎn)至遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)點(diǎn)的射線可看成是平行的：在對(duì)這兩者求和之前，先來討論遠(yuǎn)區(qū)的近似條件。注意：§8.3對(duì)稱振子35

總的輻射電場(chǎng)就是對(duì)對(duì)稱振子的半臂求積分：式中的波阻抗為空氣中的波阻抗?！?.3對(duì)稱振子36這些特點(diǎn)基本上與電流元輻射場(chǎng)的特點(diǎn)相同。（1）場(chǎng)的方向：電場(chǎng)只有分量，磁場(chǎng)只有分量，是橫電磁波；

（2）場(chǎng)的相位：以振子中點(diǎn)為相位中心的球面波，磁場(chǎng)與電場(chǎng)同相；

（3）場(chǎng)的振幅：與距離r成反比，與電流幅值成正比，與場(chǎng)點(diǎn)的方向有關(guān)，即具有方向性。

c)輻射場(chǎng)的特點(diǎn)§8.3對(duì)稱振子37半波振子：§8.3對(duì)稱振子38取對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)表達(dá)式中與方向有關(guān)的因子作為方向(圖)函數(shù)(未歸一化)：半波振子歸一化方向函數(shù)：二、對(duì)稱振子的方向圖、輻射電阻和方向系數(shù)歸一化方向函數(shù)：

§8.3對(duì)稱振子39圖8.3-2不同長(zhǎng)度對(duì)稱振子的E面方向圖

§8.3對(duì)稱振子為什么對(duì)稱振子方向圖會(huì)隨臂長(zhǎng)變化？思考時(shí)方向圖如何？40動(dòng)畫：對(duì)稱振子方向圖隨臂長(zhǎng)的變化§8.3對(duì)稱振子41因而輻射電阻為：圖8.3-3是用數(shù)值積分計(jì)算的不同電長(zhǎng)度對(duì)稱振子的輻射電阻。如(半波振子):可見輻射電阻與對(duì)稱振子的長(zhǎng)度l有關(guān)，用數(shù)值積分可以計(jì)算出這個(gè)積分。對(duì)稱振子的輻射功率：§8.3對(duì)稱振子428.3-4對(duì)稱振子的方向性系數(shù)（θ=90°方向）

得半波振子

全波振子

當(dāng)方向系數(shù)：§8.3對(duì)稱振子43三、對(duì)稱振子的輸入阻抗

圖8.3-6對(duì)稱振子Xi