发射天线电参数

1、第一章第一章 天线基础知识天线基础知识 1.2发射天线的电参数发射天线的电参数 当天线的形式及其上的电流（或电磁场）分布确定当天线的形式及其上的电流（或电磁场）分布确定 之后，天线所产生的辐射场便唯一地确定了。通常我们之后，天线所产生的辐射场便唯一地确定了。通常我们 可以利用前面所得到的微分线元或面元的辐射可以利用前面所得到的微分线元或面元的辐射场叠加场叠加 （积分）来求出特定天线的辐射场。不同的天线具有不（积分）来求出特定天线的辐射场。不同的天线具有不 同的形式或不同的源分布，因而具有不同的辐射场分布。同的形式或不同的源分布，因而具有不同的辐射场分布。 在实际工程中，如果用不同的在实际工程中

2、，如果用不同的辐射场来比较辐射场来比较不同天线在不同天线在 某一方面的特性孰优孰劣的话，既不直观又不方便，因某一方面的特性孰优孰劣的话，既不直观又不方便，因 而往往采用我们这里所要介绍的而往往采用我们这里所要介绍的天线指标天线指标来说明。来说明。天线天线 指标（天线的电参数）指标（天线的电参数）就是描述天线某一方面特性的参就是描述天线某一方面特性的参 数，它是定量衡量天线性能的尺度数，它是定量衡量天线性能的尺度， 问题的提出：不同天线在某一方面的特性优劣不同天线在某一方面的特性优劣 天线用于发射无线电波（电磁波）时我们称之为发射天天线用于发射无线电波（电磁波）时我们称之为发射天 线。为了考察其

3、性能，提出电指标的概念。大多数天线电参线。为了考察其性能，提出电指标的概念。大多数天线电参 数是针对发射状态而言规定的，以衡量天线把高频电流能量数是针对发射状态而言规定的，以衡量天线把高频电流能量 转换成空间电磁波能量以及转换成空间电磁波能量以及定向辐射能力，定向辐射能力，而输入阻抗和辐而输入阻抗和辐 射阻抗则是衡量天线射阻抗则是衡量天线电路方面的参量电路方面的参量 。 发射天线指标 方向函数/方向图/方向图参数/方向系数 天线效率/增益 天线的极化 有效长度 频带宽度 输入阻抗与辐射阻抗 例1-1 电基本振子的辐射功率，及辐射电阻 电基本振子的辐射功率可以通过求解功率流密度（坡印廷矢量 ）沿

4、包围电基本振子的一个闭合曲面上的积分来求得，即 2 0 00 2 R 11 ReRe 22 11 Re(120 ) 22 sin(11 19 )sin(11 19 ) 44 sin r SSS RR SS jkR WS ndsEHndsE aHands E aEndsaEnds Idl eIdl a jkbkb RR dsRd d a EE 22 2 00 0 222 2 2322 2 0003 22 00 sin 11 sinsinsin 2424 sin2 *2* 323212 RR rR SS r Rd d aRd d a IdlIdl WkandskRd d RR IdlIdlIdl

5、Wkd dkk 辐射电阻Rr是将天线辐射到空间中的总辐射功率等效地视为是将天线辐射到空间中的总辐射功率等效地视为 被一个电阻所吸收，这个电阻值便是天线的辐射电阻。（辐射被一个电阻所吸收，这个电阻值便是天线的辐射电阻。（辐射 功率与电流有关，一般有两种选择，一种是取电流的最大值，功率与电流有关，一般有两种选择，一种是取电流的最大值， 此时的辐射电阻称为归于波腹电流的辐射电阻，一种是取馈电此时的辐射电阻称为归于波腹电流的辐射电阻，一种是取馈电 点处的电流值，称为归于输入电流的辐射电阻）。辐射电阻是点处的电流值，称为归于输入电流的辐射电阻）。辐射电阻是 天线辐射能力的表征，当不同的天线上有同样的参考

6、电流值时，天线辐射能力的表征，当不同的天线上有同样的参考电流值时， 辐射电阻越大，则它所等效辐射电阻越大，则它所等效“吸收吸收”的功率越大，也就是天线的功率越大，也就是天线 产生的辐射功率越大。产生的辐射功率越大。辐射能力越强辐射能力越强 发发 射射 机机 r R 发发 射射 机机 2 2 r r IR WP 辐 射 电 阻 耗 散 222 2 2322 2 0003 22 00 sin2 323212 r IdlIdlIdl Wkd dkk 发发 射射 机机 r R 发发 射射 机机 2 2 r r IR WP 辐 射 电 阻 耗 散 2 22 2 2 222 120803.1.14 12

7、r r IdlWdl R I 60 sinexp( ) 60 sin Il Ejjk r r Il E r （为场点、坐标原点连线与天线轴线的夹角） 电基本振子的辐射场在不同的方向上，辐射场的电场强度 不同，在天线的轴线 方向上不发生辐射，而在垂直于 天线的轴线 方向上辐射最强，其它方向上的电场强 度的大小在二者之间，但电基本振子的电场强度与 无关， 所以具有轴对称特性，但，不管怎样，电基本振子的辐射场具 有方向性，在相同距离的条件下，不同的方向上，辐射场不同。 事实上，所有的真实天线都具有方向性，为了描述天线的方向 性，引入以下电参数：方向函数/方向图/方向图参数/方向系 数 0 0 9 （

8、1）电基本振子的辐射场 1.2.1方向函数 （2）按天线的方向性对天线的分类： 各向同性（isotropic antenna）天线（等方向性天线） 定义为“在所有方向上具有相同辐射的假想的无损 耗天线”。显然，各向同性天线只能存在于假想中， 这种天线又称为“理想点源天线”，因为即便是最 简单的天线也具有某种程度的方向性。虽然是假想 的且不可予以物理实现，各向同性辐射器却通常被 选择为参考，进而来表示实际天线的方向特性。 方向性天线（directional antenna）通常“具有在某 些方向上比其他方向能更有效地辐射或接收电磁波 的特点”。为了描述其方向性，客观上需要一个在 各个方向上有相同

9、辐射的天线作参考(所有的真实天 线都是方向性天线）。 （3）方向性天线分类： 定向天线：在不同的方向上辐射电波的能力不尽相同 全方向性天线：在某一个平面内无方向性，在另一个平面内有 方向性 1-2-2基本振子的立体方向图 ？手机天线 （3）方向函数：在相同距离的条件下天线辐射场的相 对值与空间方向（ ）的关系 球坐标系下 ， ( , ( r r一定的情况下 球坐标系下：E关于， )的函数 E关于， )的函数 设天线辐射(标量)场为(, )E r ， ，则定义天线的方向性函数为 |( , , )| ( , ) 60 E r f I r 上式可以理解为选择理想点源天线在 r 远的距离处产生的场为

10、(60I/r) 时，将天线辐射场与之比较后的结果。式中，I 为归算电 流，对于驻波天线通常取波腹电流 Im即实际天线上电流强度的 最大值为归算电流。 电基本振子的方向性函数： |( , , )| ( , )sin 60 E rl f I r （4）归一化方向函数： 为了更好地比较不同天线的辐射场空间分布（即 方向性函数）的不同，有时还令方向性函数的最大值 为1，这时，可以得到归一化的天线方向性函数表示 式 F f f E E ( ,) ( ,) ( ,) |( ,)| |( ,)| maxmax 式中， 为最大辐射方向上的电场强度，|( , )|maxE E( , ) 为离开天线同一距离r，不

11、同(,)方向上电场强度分布函数。 电基本振子的归 一化方向性函数： 0 max sin ( , ) ( , )sin ( , ) sin90 l f F l f 理想点源天线的归一化方向性函数( , )1F 1.2.2天线方向图 如果将作为空间角度 和 函数的天线方向性函数以图形的形式 表示出来，则称为方向图或方向性图。与前面方向性函数的定 义相对应，方向图的类型有（归一化场强）方向图及功率方向 图等等。同时改变 和 可得到空间立体方向图，这样的图虽形 象、直观，但既不容易画出，也不容易定量地了解辐射场空间 分布数值。为此，我们往往采用通过天线最大辐射方向的两个 相互垂直的面上的平面方向图来表

12、示辐射方向性。 , F 2 有时也采用辐射的功率流密度函数（坡印廷矢量）随空间方 位的变化来描述天线辐射的不均匀性，考虑到功率与场强之 间的关系，由此得到的归一化功率方向性函数(, )应与前 面的场强方向性函数之间存在关系 （4）功率方向性函数及归一化的功率方向性函数： z 子午面方向图（极坐标） h/ 1 一种常用的选择是采用赤道面和子午面内的方向图来 表示。这种选择是与分析天线辐射场的所采用的球面坐标系 相联系的。赤道面是 =90的面（即XOY平面），而子午面 则是与之垂直的 =常数的面（包含z轴的任意平面）。显然 如果以这样两个面内的方向图来说明天线的辐射场分布特性， 必须先说明天线所在

13、的坐标系是如何建立的。 2h 针对架设在地面上的天线，另一常用的表示方法是用平行 于地面的水平面和与之垂直的垂直面内方向图来描述天线辐射 场分布特性。这时，需说明天线相对于地面的架设状况（如平 行于或垂直于地面），才能有效地表示天线的方向性。 还有一种常用的表示是使用E面及H面方向图。我们将包含 最大辐射方向，电场矢量所在的平面称为E面（由电场强度方 向和最大辐射方向构成的平面），又因辐射场是TEM波，磁场 与电场垂直，所以与E面垂直的平面即磁场矢量所在的平面称 为H面。在这两个面内的辐射场分布的图形称为E面及H面方向 图。 线天线E面,H面的判断 面天线E面,H面的判断 方向图可以在极坐标系

14、下画出，也可以在直角坐标系下画出。 前者形象直观地将天线的方向性表现为一组波束。通常在360 范围内波束较少时（如线天线情形）我们常在极坐标系下画天 线的方向图，而在波束较多时（如口径天线情形）我们常在直 角坐标系下画天线的方向图（直角坐标系可以按任意尺度扩展, 图形清晰）。 E-plane pattern 90 O z 3dB beam width short current element x y omni- directional H-plane pattern 图741 (a)元辐射方向性图 (b)铅笔形方向性图 (c)扇形方向性图 (d)余割平方方向性图 1.2.3方向图参数 波瓣（

15、波束）：方向图的各个部分，指以相当弱的方向为界 限来划分方向图的各个部分(两个极小值点之间 的部分） 主瓣：包括最强辐射方向的波瓣 副瓣（旁瓣）：除去主瓣后的所有波瓣，离开主瓣依次为 第1，2，3个副瓣 后瓣：与主瓣方向相反的波束 栅瓣：除去主瓣外，在其它方向上出现的与主瓣幅度相等的 波瓣 一般天线设计的要求：天线的应用中往往选择天线的设计 使其在某一方向上的辐射最强，其它方向辐射较弱，使能量集中 在最大辐射方向，而不耗散到其它方向（副瓣）上，造成对其它 系统的干扰，因此，尽量使主瓣变窄，副瓣变弱，衡量这两个方 面的天线术语：主瓣宽度，副瓣电平 波瓣宽度：零功率点波瓣宽度，半功率点波瓣宽度 零

16、功率点波瓣宽度：主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角 用20来表示，用 20E，20H 来表示E 面或 H 面的零功率主瓣宽度 半功率点波瓣宽度（3分贝波瓣宽度，3dB波瓣宽度）： 功率方向图上，主瓣最大值两边，辐射功率为最大辐射方向上辐射功 率一半的两个辐射方向之间的夹角 场强方向图上，主瓣最大值两边，辐射场强为最大辐射方向上辐射场 强0.707倍的两个辐射方向之间的夹角 用20。5来表示，用 0。5E，0。5H 来表示E 面或 H 面的半功率主瓣 宽度 波瓣宽度越窄,能量越集中 90 O z 3dB beam width short current element 副瓣电平（Side L

17、obe Lever SLL）： 主瓣平均功率密度最大值与副瓣平均功率密度最大值之比 ,max max ,maxmax 10lg20lg (i avi i i av i SE SLL SE SLL 第 个副瓣的副瓣电平） 前后比: 主瓣平均功率密度最大值与后瓣平均功率密度最大值之比 ,max180 max180 ,maxmax 10lg20lg av av SE F BSE 1.2.4天线方向性系数（Directivity） 方向性函数：在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向的关系 各向同性天线只能存在于假想中，这种天线又称为“理想点源天线” 雷达,通信等大部分天线设备,都是利用主向(或

18、最大辐射方向)的辐射来完成任务 的。远远偏离主向的辐射功率不仅被无谓浪费,而且还会干扰电波信号。因此, 尽可能减少非主向的辐射和增加主向辐射。常采用方向性系数这个参量来说明 天线在主向辐射功率的集中程度 （1)方向性系数：在同一距离及相同辐射功率下，某天线在 最大辐射方向上的功率流密度Smax和无方向性天线的功率流密度S0的 比值。 D S S E E maxmax | | 0 2 0 2 (Pr=Pr0时) D的第一表达式 设：待考察的天线和无方向性天线辐射功率分别为Pr和Pr0 （2)方向性系数：在同一距离处产生相同的辐射场，某天线 在辐射功率和无方向性天线辐射功率之比。 D P P r

19、r 0 (|Emax|=|E0| 时) D的第二表达式 22 000 0 2 2 0 0 2 2 maxmax 2 00 22 max max r |1 (1 2 10) 42 120240 60 | (a) | | | D= (1-2-11) 60 60 r r r PEE S r P E r SE D SE Er P P E 无方向性天线在 处产生的辐射功率密度为： 带入到 2 max 2 (1-2-12) 60 | (b) r r D r PD E r 0 max0 r r EE P a D bP 表达式 表达式 电场强度、辐射功率、方向性系数的关系 D S S E E maxmax |

20、 | 0 2 0 2 (Pr=Pr0时) D P P r r 0 (|Emax|=|E0| 时) （3）方向性系数 D的第三表达式： 2 2 00 4 , sin sin ( D Fdd ddd 立体角） (4)分贝来表示:方向性系数还可用分贝来表示，且有 D(dB)=10lg(D(倍数) （3）方向性系数 D的与辐射电阻的关系： 2 222 2 2 2 2 22121 22 2160 ( , )sin 2*120 30 ( , )sin (1 222) r r SS r S r S PE REHndsnds III I Rfrd d Ir Rfd d 60 ( , )( , , ) I fE r r 2 2 00 4 (1 2 18) , sin D Fdd max ( , ) ( , ) (1 24) ( , ) f F f 2 max 120 r f D R max 60 (1-2-12) r P D E r 电场强度、辐射功率、方向性系数的关系方向性系数 D的与辐射电阻的关系 1.2.5天线的效率（天线的效率（Efficiency） 发发 射射 机机 in P r P 天线效率A：天线辐射有功功率Pr 与天线输入的有功功 率Pin之比，表示天线能量转化的量度，即 r A in P P 发射机发射机 r R l R inrl RRR l P r P in