第7章 典型天线

1、第七章第七章 典型天线典型天线7.1 7.1 对称振子对称振子一一. .模型模型对称振子天线由对称振子天线由两根粗细和长度两根粗细和长度都相同的导线构都相同的导线构成，中间为两个成，中间为两个馈电端。是一种馈电端。是一种应用广泛结构简应用广泛结构简单的基本线天线。单的基本线天线。细振子天线可看成是开路传输线逐渐张开而成二二. .电流分布及数学模型电流分布及数学模型实际模型中，令实际模型中，令0,0,aLm( )I sin ()I zk Lz近似认为振子两臂电流沿几何轴近似认为振子两臂电流沿几何轴线按正弦规律分布线按正弦规律分布0LL( )( )d zz( )()d zz1r2r12三三. .辐

2、射场辐射场将对称振子等分成无限多个线元将对称振子等分成无限多个线元 ，每一线元可视为一电流元每一线元可视为一电流元dz( )I z dz场点场点 ：( , , )M r 处，电流元处，电流元 ，辐射场，辐射场( )I z dz z11111( )sin2jkrjI z dzdEer处，电流元处，电流元 ，辐射场，辐射场()Iz dz z22222( )sin2jkrjI z dzdEer则有则有12dEdEdE12121,22cosrLrrz近似关系：近似关系：在幅度因子中：在幅度因子中：1,2rr在相位因子中：在相位因子中：1,2cosrrz2 ,cosTkz 可达此数量级，可达此数量级，会

3、影响结果。故会影响结果。故1coskrkrkzcoscos( )sin2( ) sincos(cos )jkrjkzjkzjkrjI z dzdEeeerjI zekzdzr0m0m I sinsin ()cos(cos )I ( )2LLjkrjkrEdEjek LzkzdzrjefrmI ( )2jkrjHefr【讨论【讨论】其中，其中， 对称振子的方向性函数对称振子的方向性函数cos(cos )cos( )sinkLkLf1.1.球面波：场量球面波：场量0sin(),tkrnr2.2.辐射场与辐射场与 无关：无关： 即绕振子轴线旋转对称即绕振子轴线旋转对称020,m3.3. 即垂直于振子

4、轴线方向辐射最强即垂直于振子轴线方向辐射最强 即沿振子轴线方向无辐射即沿振子轴线方向无辐射4.4.归一化方向性函数：归一化方向性函数：( )cos(cos )cos( )()(1 cos)sinmfkLkLFfkL5. 5. ：方向图只有主瓣无副瓣且振子越长：方向图只有主瓣无副瓣且振子越长 方向性越强方向性越强 ：方向图出现副瓣，方向性变差：方向图出现副瓣，方向性变差2L2L1 1）半波振子）半波振子22L22( )cos(cos ) sin242bkLLF 2 2）全波振子）全波振子2L22( )cos( cos ) 1 2sin2QkLLF 6.6.方向图方向图四四. .对称振子的阻抗特性

5、对称振子的阻抗特性1.1.辐射电阻辐射电阻222m0220I11Re( )228SEHrErfr22222m0m022000I2I sin( )sin 84sPS dSrdSdfdIr 02m2 I2PRI1)1)半波振子半波振子 ：(2)kL 1.2273bIR2)2)全波振子全波振子 ：()kL 3.33200QIR由由 全波振子辐射能力强于半波振子全波振子辐射能力强于半波振子bQRR2.2.输入阻抗输入阻抗inininZRjX1 1）0.25L0.5L0,inininXZR纯电阻，容易匹配纯电阻，容易匹配2 2）(,)ininLRX变化缓即曲线平坦，频率特变化缓即曲线平坦，频率特性好，因

6、此性好，因此半波振子较好半波振子较好3 3）谐振长度：）谐振长度： 时振子的长度。此时天线可时振子的长度。此时天线可 与特性阻抗为纯电阻的馈线匹配与特性阻抗为纯电阻的馈线匹配 查图知查图知0inX00.245 /0.49L五五. .方向性系数方向性系数2220042(1 cos) ( )sinkLDIdFd 1.64 bD 半波振子的方向性比电基本振子（方向系数1.5）的方向性稍好一些。7.2 7.2 阵列天线阵列天线一一. .引言引言1.1.作用作用增强方向性增强方向性 （多个单天线组成天线阵、使用面天线）（多个单天线组成天线阵、使用面天线）2.2.构成要素：构成要素：n n个单天线按一定规

7、律排列组成个单天线按一定规律排列组成( (阵元阵元) ) 阵元的结构和取向相同阵元的结构和取向相同 阵元间距阵元间距d d适当适当3.3.分类：一维直线阵、二维平面阵、三维立体阵分类：一维直线阵、二维平面阵、三维立体阵4.4.相干原理相干原理5.5.方向性乘积定理方向性乘积定理各阵元的辐射场经不同的波程后各阵元的辐射场经不同的波程后相遇时将产生叠加现象（增强、削弱）相遇时将产生叠加现象（增强、削弱）天线阵总的方向性函数（天线阵总的方向性函数（f f）阵元的方向性函数（阵元的方向性函数（f1f1）* *阵函数（阵函数（f2f2）二二.二元阵二元阵设天线阵是由间距为设天线阵是由间距为d d并沿并沿

8、x x轴排列的两个相同的轴排列的两个相同的天线元组成，假设由振幅相同电流激励，但天线元组成，假设由振幅相同电流激励，但2 2的电的电流相位超前流相位超前1 1。故二元阵的辐射场为：故二元阵的辐射场为：近似关系：故辐射场：其中： 称为元因子， 称为阵因子 元因子表示组成天线阵的单个辐射元的方向图函元因子表示组成天线阵的单个辐射元的方向图函数；值取决于天线元本身的类型和尺寸，体现了数；值取决于天线元本身的类型和尺寸，体现了天线元的方向性对天线阵方向性的影响。天线元的方向性对天线阵方向性的影响。 阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性，阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性，值取决于天线阵的

9、排列方式及其天线元上激励电值取决于天线阵的排列方式及其天线元上激励电流的相对振幅和相位，与天线元本身的类型和尺流的相对振幅和相位，与天线元本身的类型和尺寸无关。寸无关。 方向图乘积定理：在各天线元为相似元的条件下，方向图乘积定理：在各天线元为相似元的条件下，天线阵的方向函数是单元因子与阵因子之积。天线阵的方向函数是单元因子与阵因子之积。三三. .均匀直线阵均匀直线阵1.1.构成：等间距、各阵元电流的幅度相等相位依次构成：等间距、各阵元电流的幅度相等相位依次等等 量递增或递减的直线阵。量递增或递减的直线阵。 间距均为间距均为d d（L=(N-1)dL=(N-1)d）2.2.辐射场辐射场N N元均

10、匀直线阵的辐射场：元均匀直线阵的辐射场：H H平面归一化方向函数即阵因子方向函数为平面归一化方向函数即阵因子方向函数为7.3 7.3 电视发射天线与移动通信基站天线电视发射天线与移动通信基站天线一一. .电视发射天线电视发射天线 1.1.电视发射天线的特点电视发射天线的特点2.2.旋转场天线旋转场天线二二. .移动通信基站天线移动通信基站天线 1.1.移动通信基站天线的特点移动通信基站天线的特点7.4 7.4 缝隙天线缝隙天线 如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝，可使电磁波通过缝隙向外空间辐射而形成条或数条窄缝，可使电磁波通

11、过缝隙向外空间辐射而形成一种天线，这种天线称为缝隙天线，如图。一种天线，这种天线称为缝隙天线，如图。 实际应用中的波导缝隙天线通常是开在传输实际应用中的波导缝隙天线通常是开在传输TE10模的模的矩形波导壁上的半波谐振缝隙，如果所开缝隙截断波导内矩形波导壁上的半波谐振缝隙，如果所开缝隙截断波导内壁表面电流即缝隙不是沿电流线开，表面电流的一部分将壁表面电流即缝隙不是沿电流线开，表面电流的一部分将绕过缝隙，另一部分则以位移电流的形式沿原来的方向流绕过缝隙，另一部分则以位移电流的形式沿原来的方向流过缝隙，因而缝隙被激励，向外空间辐射电磁波，如图。过缝隙，因而缝隙被激励，向外空间辐射电磁波，如图。 为了

12、获得最强辐射，应使缝隙垂直截断电流密度最大处为了获得最强辐射，应使缝隙垂直截断电流密度最大处的电流线，即最有效的切割电流线，如缝隙的电流线，即最有效的切割电流线，如缝隙1、2、3。 单缝隙天线的方向性较弱，为了提高方向性，可以再波单缝隙天线的方向性较弱，为了提高方向性，可以再波导的一个壁上开多个缝隙组成天线阵。这种天线阵的馈电导的一个壁上开多个缝隙组成天线阵。这种天线阵的馈电比比较方便，天线和馈线一体，适当改变缝隙的位置和取向就较方便，天线和馈线一体，适当改变缝隙的位置和取向就可可以改变缝隙的激励强度，以获得所需要的方向性，缺点是以改变缝隙的激励强度，以获得所需要的方向性，缺点是频频带比较窄。

13、带比较窄。7.5 7.5 智能天线智能天线 智能天线由天线阵和智能算法构成，是数字信号处理技智能天线由天线阵和智能算法构成，是数字信号处理技术与天线的有机结合。术与天线的有机结合。 所谓智能是指根据用户信号波达方向的估计的变化，通所谓智能是指根据用户信号波达方向的估计的变化，通过自适应滤波算法和信号处理技术对这些波束加权因子的过自适应滤波算法和信号处理技术对这些波束加权因子的幅幅度和相位自动做出相应的调整，使接收和发射方向图动态度和相位自动做出相应的调整，使接收和发射方向图动态的的跟踪用户，从而使波束准确指向期望用户。跟踪用户，从而使波束准确指向期望用户。 即通过对权值大小的调整来改变智能天线

14、方向图中主瓣即通过对权值大小的调整来改变智能天线方向图中主瓣和副瓣的位置及大小关系，尽量使方向图中的主瓣对准用户和副瓣的位置及大小关系，尽量使方向图中的主瓣对准用户信号的入射方向，使最低增益点对准干扰信号的入射方向，信号的入射方向，使最低增益点对准干扰信号的入射方向，以抑制干扰信号并最大可能的放大有用信号。以抑制干扰信号并最大可能的放大有用信号。7.5 7.5 面天线面天线 与线天线不同的另一类天线是面天线，又称口径天线。与线天线不同的另一类天线是面天线，又称口径天线。它所载的电流时沿天线体的金属表面分布，且面天线的口它所载的电流时沿天线体的金属表面分布，且面天线的口径径尺寸远大于工作波长。面天线常用在无线电频谱的高频段，尺寸远大于工作波长。面天线常用在无线电频谱的高频段，特别是微波波段。特别是微波波段。一一. .旋转抛物面天线旋转抛物面天线 旋转抛物面天线由两部分组成，一是抛物线绕其焦轴旋旋转抛物面天线由两部分组成，一是抛物线绕其焦轴旋转而成的抛物反射面，反射面一般采用导电性能良好的金转而成的抛物反射面，反射面一般采用导电性能良好的金属属或在其他