第二章天线特性参数

1、第二章第二章 天线的特性参数天线的特性参数天线特性参数天线特性参数机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等电特性参数电特性参数一次参数：方向性图，输入阻抗，效率一次参数：方向性图，输入阻抗，效率二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度，二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度， 前后比，极化特性等前后比，极化特性等第一节第一节 天线的辐射功率和辐射电阻天线的辐射功率和辐射电阻辐射功率：辐射功率： 在单位时间内通过球面向外辐射在单位时间内通过球面向外辐射的电磁能量的平均值。的电磁能量的平均值。HES21例：求电偶极子的辐射功率？例：求电偶极子的辐射功率？rdzxy

2、rIsinrdrsinddddrdssin2通过小面积通过小面积ds的功率为的功率为ddrHEdPsin212ddrEdPEHsin222WdEdrddrEP 2002220022sin2sin2将将 代入，得：代入，得：22322lIPE在自由空间，电偶极子的辐射功率为：在自由空间，电偶极子的辐射功率为：2240IlP2. 辐射电阻：辐射电阻： 将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，并使流过电阻的电流等于天线上的电流振幅，并使流过电阻的电流等于天线上的电流振幅，则该电阻就称为天线的辐射电阻。则该电阻就称为天线的辐射电阻。根据定义，根据定义，RIPm22122

3、mIPR 称为辐射电阻称为辐射电阻R例：求电偶极子的辐射电阻？例：求电偶极子的辐射电阻？22322lIP电偶极子的辐射功率为：电偶极子的辐射功率为： 232lR在自由空间中，在自由空间中，2280lR第二节第二节 天线的方向性天线的方向性 天线的辐射场强与方向有关的特性，称天线的辐射场强与方向有关的特性，称为天线的方向性。为天线的方向性。以电偶极子为例：以电偶极子为例：0sin2sin60HHEEerIljHerIljErrjkrjkr一、天线的方向性函数和方向性图一、天线的方向性函数和方向性图用于表示天线方向性特性的函数：用于表示天线方向性特性的函数：电偶极子的方向性函数电偶极子的方向性函数

4、电偶极子的方向性图电偶极子的方向性图),(fjkrerIljEsin60sin)(),(lff 赤道面：与天线轴垂直并经过天线中心赤道面：与天线轴垂直并经过天线中心 的平面。的平面。 子午面：包含天线轴的平面。子午面：包含天线轴的平面。 90某一常数1）电偶极子在赤道面内的方向性函数和方向性图：）电偶极子在赤道面内的方向性函数和方向性图：lf)( 090270180E2）电偶极子在子午面内的方向性函数和方向性图：）电偶极子在子午面内的方向性函数和方向性图：sin)(lf90 0180270E二、天线的归一化方向性函数和归一化方向性图二、天线的归一化方向性函数和归一化方向性图归一化方向性函数：归

5、一化方向性函数： 天线辐射场与最大方向上的场强值之比。天线辐射场与最大方向上的场强值之比。,/,/,),(maxmaxffEEF 反映了天线在不同方向的场分布。反映了天线在不同方向的场分布。归一化方向性图：归一化方向性图： 表示归一化方向性函数的空间立体图形。表示归一化方向性函数的空间立体图形。 通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤道面道面/E面和面和H面）的平面图来表示。面）的平面图来表示。CDMA天线天线CDMA垂直极化定向天线垂直极化定向天线三、方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平三、方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平主瓣宽度：主瓣宽度： 主瓣电平的最大值降到该

6、值的主瓣电平的最大值降到该值的0.707倍（即倍（即-3dB）时，两个方向之间的张角宽度。）时，两个方向之间的张角宽度。 在方向性图中，一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣中，在方向性图中，一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣中，最大辐射方向所在波瓣称为最大辐射方向所在波瓣称为主瓣主瓣，其余波瓣称为，其余波瓣称为旁瓣旁瓣。 3dB点点峰值峰值3dB点点5 . 02旁瓣电平：相对主瓣最大值的比值。旁瓣电平：相对主瓣最大值的比值。),(maxmaxmaxnnnFEE3. 前后抑制比：前后抑制比： 方向图中，前后瓣最大值之比称为前方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为后比，记为 F / B 。 前后

7、比越大，天线的前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。后向辐射（或接收）越小。前后比前后比F / B 的计算：的计算：F / B = 10 Lg （前向功率密度）（前向功率密度） /（ 后向功率密度）后向功率密度）第三节第三节 天线的方向性系数天线的方向性系数定义：定义： 天线辐射功率一定，在任意方向天线辐射功率一定，在任意方向 辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时的平均功率密度之比。的平均功率密度之比。),(11DSSD),(112. 物理意义：物理意义： 由于天线有方向性，使某方向的辐射功由于天线有方向性，使某方向的辐射功率密度比均匀辐射时增加的倍

8、数率密度比均匀辐射时增加的倍数D。实际上，。实际上，D反映了天线集中辐射能量的特性。反映了天线集中辐射能量的特性。3. 方向性系数的求法：方向性系数的求法： 1）已知归一化方向性函数求）已知归一化方向性函数求D先求全向天线先求全向天线(点源点源)均匀辐射时的平均辐射功率密度均匀辐射时的平均辐射功率密度:24 rPSD点源通过球面无穷小单位面积的功率为：点源通过球面无穷小单位面积的功率为：ddrFEddrEdPsin,21sin21222max22 20022max2sin,2ddFErP 20022max20022max2sin,8sin,84ddFZEddFErPSD在任意方向在任意方向),

9、(111122max11211,21,21,FEZEZHES 200211211sin,4,ddFFSSDD 通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方向性系数，此时，向性系数，此时，1),(11F 2002sin,4ddFD 2）已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向）已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向性函数，求性函数，求D2112114,21,rPSEZSD2112112,rZPESSDD 当天线位于自由空间时，当天线位于自由空间时， ； 在最大辐射方向上，在最大辐射方向上，,60),(maxmax11frIEEm1200Z大多数简单大多数简单

10、常规天线的常规天线的最大场强值最大场强值又又RIPm221DdBDfRRIfIDmmlg10,1202160,602max22max2例：求电偶极子的方向性系数？例：求电偶极子的方向性系数？2280lR解：解：llff9090maxsin,dBdBDfRD76. 15 . 1lg105 . 180120,1202max第四节第四节 天线的增益天线的增益定义：定义： 在任意方向在任意方向 , 辐射功率密度与将相辐射功率密度与将相等的输入功率均匀辐射时的平均功率密度之等的输入功率均匀辐射时的平均功率密度之比，即天线增益为：比，即天线增益为：),(11GSSG),(1124 rPSAG2. 物理意义

11、：物理意义： 为了在观察点有相等的辐射功率密度，为了在观察点有相等的辐射功率密度，方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线输入功率的输入功率的G倍。倍。 dBi：表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源；：表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源； dBd：表示以半波对称振子为比较对象。：表示以半波对称振子为比较对象。3. 3. 增益的单位：增益的单位：4. 4. 近似计算方法：近似计算方法：1 1）若已知天线在）若已知天线在E E面和面和H H面的方向性图，则面的方向性图，则HEG27000在在E E面和面和H H面上，以度为单位的波瓣宽度。面上，以度为单位的波瓣

12、宽度。:,HE2 2）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：可用下式估算其增益： HEidBG32000lg103 3）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益： 025 . 4lg10DdBGi式中，式中， D D 为抛物面直径；为抛物面直径； 0 0 为中心工作波长。为中心工作波长。4 4）对于直立全向天线，可用下式近似计算其增益：对于直立全向天线，可用下式近似计算其增益： 02lg10ldBGi式中，式中， l l 为天线长度；为天线长度； 0 0 为中心工作波长。为中心工作波长。定

13、义：定义： 天线辐射功率与输入有功功率的比值，天线辐射功率与输入有功功率的比值，称为天线的效率称为天线的效率 。第五节第五节 天线的效率天线的效率RIPRIPPPPmnmnnA222121nnARRRPPPPPRRRRRnn112. 物理意义：物理意义： 表示有百分之几的高频电流的输入有功表示有百分之几的高频电流的输入有功功率转变成了辐射出去的电磁波能量。功率转变成了辐射出去的电磁波能量。结论：结论： 越大，越大， 越小，天线的越小，天线的 就越高。在就越高。在工程设计中，工程设计中， 往往给定，这时就需要降低往往给定，这时就需要降低 来提高天线的效率。来提高天线的效率。RnRRnR3. 天线

14、方向系数和天线增益的关系：天线方向系数和天线增益的关系：DSSSSGSrPrPSPPDGDAGA111122,44GdBGDGlg10第六节第六节 天线的有效长度天线的有效长度定义：定义： 用一等效天线代替被研究天线，此等用一等效天线代替被研究天线，此等效天线上的电流是以被研究天线的输入电流效天线上的电流是以被研究天线的输入电流振幅均匀分布，并在最大辐射方向产生与被振幅均匀分布，并在最大辐射方向产生与被研究天线相等的电场强度。则等效天线的长研究天线相等的电场强度。则等效天线的长度就称为被研究天线的有效长度。度就称为被研究天线的有效长度。2. 2. 天线有效长度的求法：天线有效长度的求法：1）根据定义）根据定义 先求出被研究天线在最大辐射方向上的电场先求出被研究天线在最大辐射方向上的电场振幅值，令其与电流元的最大场强值相等即可。振幅值，令其与电流元的最大场强值相等即可。 2）通过电流矩求有效长度）通过电流矩求有效长度 前提条件：已知被研究天线的电流分布前提条件：已知被研究天线的电流分布 。 ZIllzAellzeAdzIIldzIlI13）利用方向性系数求解）利用方向性系数求解 对于电偶极子，对于电偶极子，PrlIPrEDrlIEeAeA2