微波技术及天线

1、第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48第二部分第二部分天线理论与技术天线理论与技术第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48第五章第五章 天线基本原理与技术天线基本原理与技术 在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波（发射），或者将无线电波转换为导波能量（接收）电波（发射），或者将无线电波转换为导波能量（接收）, , 用来辐用来辐射和接收无线电波的装置称为天线射和接收无线电波的装置

2、称为天线。天线应具有以下性能：。天线应具有以下性能： 一、天线的功能一、天线的功能信 息 源信 号 变 换发 射 机接 收 机受 信 者信 号 变 换 尽可能多地将导波能量互相转电磁波能（高效率）尽可能多地将导波能量互相转电磁波能（高效率） 具有适当的方向性具有适当的方向性 有适当的极化有适当的极化 有足够的工作频带有足够的工作频带 对传递的信息进行一定的加工和处理（未来发展趋势）对传递的信息进行一定的加工和处理（未来发展趋势）第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48二、天线的分类二、天线的分类l按用途按用途：通信天线、：

3、通信天线、 广播电视天线、雷达天线等广播电视天线、雷达天线等l按工作波长按工作波长：长波天线、：长波天线、 中波天线、中波天线、 短波天线、短波天线、 超短波天超短波天线和微波天线等线和微波天线等l按辐射元的类型按辐射元的类型：线天线、面天线：线天线、面天线线天线线天线：由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长：由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长 波、中波和短波波段波、中波和短波波段面天线面天线：由尺寸大于波长的金属或介质面构成的，主要用：由尺寸大于波长的金属或介质面构成的，主要用 于微波波段于微波波段二、天线的分析方法二、天线的分析方法l 天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条

4、件天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件l 工程上往往将条件理想化，通过近似处理得到近似结果工程上往往将条件理想化，通过近似处理得到近似结果l 利用电磁场理论的数值计算方法利用电磁场理论的数值计算方法第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48 电流元也称电流元也称电基本振子电基本振子，它是一段，它是一段长度远小于波长长度远小于波长, , 电流电流I I振幅均匀分布振幅均匀分布、 相位相同相位相同的的直线直线电流。电流。5.1 电流元的辐射场一、电流元一、电流元 注：电流元线天线的基本组成部分注：电流元线天线的基本组成部

5、分, , 任意线天线均可看成任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。是由一系列电基本振子构成的。 二、电流元的辐射场二、电流元的辐射场rjrerjrIdljE)1(cos2230rjerrjrIdljE)1(sin42230rjerjrIdlH)1(sin420E0rH0HPrzyxlOPrzyxlOdl第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48 在在天线远区（天线远区（rr）rjerIdljEsin420rjerIljHsin400urrr11123则：则：rjrjerIljHerIdljEsin2sin60 说明：

6、说明：1 1）远区场电场、磁场相互正交，相位相同：）远区场电场、磁场相互正交，相位相同：横电磁横电磁 (TEM)(TEM)波波2 2） 电磁波电磁波沿径向传播沿径向传播raveHES213 3）远区场为）远区场为球面波球面波4 4）电流元的辐射是）电流元的辐射是有方向性有方向性的的第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48三、电流元辐射方向特性三、电流元辐射方向特性 方向函数方向函数 ：描述天线辐射场与方位角：描述天线辐射场与方位角 的关系。的关系。),( 电流元的方向函数：电流元的方向函数：sin),(F 方向图：由方向函

7、数作出的图形，即为天线方向图。方向图：由方向函数作出的图形，即为天线方向图。 依据方向函数作出电流元的方向图为：依据方向函数作出电流元的方向图为：),(F60sinj rIdlEjer第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:485.4 天线的电参数5.4.1 5.4.1 天线方向性特性参数天线方向性特性参数一、方向函数一、方向函数 方向函数：描述天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系，分方向函数：描述天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系，分场强方向函数场强方向函数和和功率方向函数功率方向函数。 场强方向函数场强方向函数 ：由

8、辐射场电场表达式中与方位有关的表达：由辐射场电场表达式中与方位有关的表达式组成。如电流元场强方向函数为：式组成。如电流元场强方向函数为：sin),(F),(F 功率方向函数功率方向函数 ：由坡印廷矢量表达式，知由坡印廷矢量表达式，知2),(),(FP),(P2Re212ESHES第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48 归一化方向函数归一化方向函数 ：为便于对不同天线方向性进行比较，往：为便于对不同天线方向性进行比较，往往将方向函数对其最大值进行归一化，即：往将方向函数对其最大值进行归一化，即：),(fmFFf),(),(

9、归一化方向函数的最大值等于归一化方向函数的最大值等于1 1。 用于描述天线辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变用于描述天线辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线或曲面图。化的曲线或曲面图。二、方向图二、方向图电流元电流元方向图方向图第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48 微波天线方向图通常由与场矢量相平行的两个平面表示：微波天线方向图通常由与场矢量相平行的两个平面表示：E E平面：平面：通过最大辐射方向，通过最大辐射方向，与电场矢量平行的平面；与电场矢量平行的平面；H H平面：平面：通过通过最大辐射方向，最大辐

10、射方向，与磁场矢量平行的平面；与磁场矢量平行的平面；E平面平面H平面平面 方向图可由极坐标表示，也可用直角坐标表示：方向图可由极坐标表示，也可用直角坐标表示：极坐标极坐标直角坐标直角坐标电流元方向图电流元方向图第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48三、主瓣宽度三、主瓣宽度 主瓣宽度是衡量天线的主瓣宽度是衡量天线的最大辐射方向的能量集中程度最大辐射方向的能量集中程度的物的物理量。理量。 半功率主瓣宽度半功率主瓣宽度 ：功率方向图中：功率方向图中两个半功率点两个半功率点之间的角之间的角宽度，或场强方向图中最大场强的宽度，或场

11、强方向图中最大场强的 两点之间的角宽度；两点之间的角宽度； 零功率波瓣宽度：方向图由最大值点两边零功率波瓣宽度：方向图由最大值点两边第一个零点第一个零点间的角间的角宽。宽。21半功率主瓣宽度半功率主瓣宽度零功率主瓣宽度零功率主瓣宽度5 . 02第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48四、旁瓣电平四、旁瓣电平SLLSLL1 1 离主瓣离主瓣最近最近且电平且电平最高最高的波瓣电平与主瓣电平的比值的波瓣电平与主瓣电平的比值, , 一般以分贝表示。一般以分贝表示。主瓣：其方向为天线辐射主向主瓣：其方向为天线辐射主向第一副瓣第一副瓣

12、maxmax11lg20EESLL 注：副瓣电平反映了天线方向性的好坏注：副瓣电平反映了天线方向性的好坏maxE1maxE第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:485.4.2 5.4.2 天线的极化天线的极化天线的极化与其辐射的电磁波的极化方式相同。天线的极化与其辐射的电磁波的极化方式相同。 天线的极化包括：天线的极化包括：垂直极化垂直极化、水平极化水平极化，圆极化圆极化。 注：实际工程中，不存在理想圆极化天线，一般为椭圆极化天线注：实际工程中，不存在理想圆极化天线，一般为椭圆极化天线 通信系统中，发射天线和接收天线的极化方

13、式必须要匹配通信系统中，发射天线和接收天线的极化方式必须要匹配5.4.3 5.4.3 天线效率与辐射电阻天线效率与辐射电阻1PPPPPiA 天线效率天线效率 ：天线天线辐射功率辐射功率与与输入功率输入功率之比，即：之比，即：A式中：式中： 为天线辐射功率，为天线辐射功率， 为天线欧姆损耗功率。为天线欧姆损耗功率。1PPSSsdHEsdSPSsdHERe21第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48RIPm221辐射电阻辐射电阻R R： 辐射电阻定义辐射电阻定义: : 某电阻上通过电流等于天线上的最大电流，某电阻上通过电流等于

14、天线上的最大电流，若其损耗的功率等于天线的辐射功率若其损耗的功率等于天线的辐射功率 ，则该电阻值即为该天，则该电阻值即为该天线的辐射电阻。线的辐射电阻。P22mIPR天线的辐射电阻表示了天线辐射电磁波的能力，与馈电电流天线的辐射电阻表示了天线辐射电磁波的能力，与馈电电流的大小无关，是天线自身具有的属性。的大小无关，是天线自身具有的属性。第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:485.4.4 5.4.4 天线方向系数与增益天线方向系数与增益一、一、 方向系数方向系数D D 定义：定义：0maxSSD 设天线辐射功率为设天线辐射功

15、率为P Pr r，最大辐射方向电场为，最大辐射方向电场为E Em m, ,则：则：240),(),(21202maxmmmmmmEES204 rPSdrEdsdSPSsin240),(22002 在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度射功率流密度S Smaxmax，与，与相同辐射功率相同辐射功率在理想无方向性天线在同一在理想无方向性天线在同一位置处的辐射功率流密度位置处的辐射功率流密度S S0 0之比：之比： 即即第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48dEdE

16、Dmmmsin),(),(420022dfdDsin),(42002二、二、 增益增益G G方向系数方向系数D D未考虑天线效率的影响。未考虑天线效率的影响。 增益定义增益定义: : 在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度上的辐射功率流密度S Smaxmax，与，与相同输入功率相同输入功率在理想无方向性在理想无方向性天线在同一位置处的辐射功率流密度天线在同一位置处的辐射功率流密度S S0 0之比。之比。DGA第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48max0ASGS 由

17、上式可得一个天线最大辐射方向上的场强为由上式可得一个天线最大辐射方向上的场强为rPDrGPEiAim6060由方向系数及增益定义，有：由方向系数及增益定义，有：imPEr6022AiPP输入功率输入功率2222240604mmErEPPr第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48例例 确定沿确定沿z z轴放置的电基本振子的方向系数。轴放置的电基本振子的方向系数。 解解: : 电基本振子的归一化方向函数为电基本振子的归一化方向函数为: : sin),(f代入方向系数的表达式得代入方向系数的表达式得5 . 1sinsin4200

18、2 ddD)(76. 15 . 1lg10dBD分贝数表示为：分贝数表示为：第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:485.4.5 5.4.5 输入阻抗输入阻抗注：输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸、工作频率以及邻近天注：输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸、工作频率以及邻近天线周围物体等的影响。线周围物体等的影响。 天线有效长度定义：在保持实际天线最大天线有效长度定义：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下辐射方向上的场强值不变的条件下, , 假设天线假设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。上电流分布为均匀分布

19、时天线的等效长度。5.4.6 5.4.6 有效长度有效长度h2hI0输入阻抗和输入电压输入阻抗和输入电压 和电流和电流 的关系是的关系是inUinIinininininXRIUZ天线的有效长度愈长天线的有效长度愈长, , 辐射能力愈强。辐射能力愈强。第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:485.3 对称振子天线 由两根由两根粗细和长度都相同粗细和长度都相同的直导线构的直导线构成，中间为馈电端。成，中间为馈电端。一、结构一、结构zrrImd zzhh二、对称阵子上的电流分布二、对称阵子上的电流分布电流分布电流分布-辐射场辐射场

20、I(a)(b)II(c) 工程上近似认为对称阵子天线视作终工程上近似认为对称阵子天线视作终端开路传输线两端逐渐张开形成的。端开路传输线两端逐渐张开形成的。第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48 其上电流分布为：其上电流分布为：)(sin)(zlIzIm 4422半波振子半波振子 全波振子全波振子 三、对称阵子的辐射场三、对称阵子的辐射场 在距中心点为在距中心点为z z处取电流元段处取电流元段dz, dz, 则它对远区场的贡献为则它对远区场的贡献为1sin)(601rjedzzIrjdEzrrImdzzhh1r1ll1 1

21、、dzdz段线元的辐射场段线元的辐射场第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48 对于远区辐射场，场点距离远大于对于远区辐射场，场点距离远大于天线尺寸，可有如下近似：天线尺寸，可有如下近似：11/,/rrcoscos2221zrrzzrr2 2、对称振子天线的辐射场、对称振子天线的辐射场zrrImdzzhh1r1ll 整个天线的远区辐射场为：整个天线的远区辐射场为：llrjmlldzrezlIjdEE11)(sinsin60llzrjmdzezlIrj)cos()(sinsin60dzzzhreIjlrjm)coscos()

22、(sinsin2600第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48sincos)coscos(60llerIjrjmsincos)coscos(),(llF 则则对称振子天线的辐射方向图对称振子天线的辐射方向图为：为：结论：结论：对称振子天线的方向函数与方位角对称振子天线的方向函数与方位角 无关，其方向图是无关，其方向图是以振子轴线为基准的旋转对称图形以振子轴线为基准的旋转对称图形对称振子的臂长会影响到方向图对称振子的臂长会影响到方向图二维二维三维三维 对称振子天线最常用的为对称振子天线最常用的为半波振子天线半波振子天线和和全

23、波振子天线全波振子天线。第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48sin)cos2cos(),(),( fF半波振子天线的辐射特性：半波振子天线的辐射特性： 1 1）将）将 代入，得半波振子天线的方向函数：代入，得半波振子天线的方向函数：4,2l 2 2）由方向系数求解公式，得：）由方向系数求解公式，得：64. 1D3) 3) 方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解: : 21sin)cos2cos()(F7825 . 04 4）半波振子的辐射电阻为）半波振子的辐射电阻为R=73.1 ()第五章

24、 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48sin1)coscos(),(F全波振子天线的辐射特性：全波振子天线的辐射特性： 1 1）将）将 代入，得半波振子天线的方向函数：代入，得半波振子天线的方向函数：2,2l 2 2）由方向系数求解公式，得：）由方向系数求解公式，得：41. 2D3) 3) 方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解: : 8 .4725 . 04 4）半波振子的辐射电阻为）半波振子的辐射电阻为R=199 ()sin21)coscos(),(f21sin21)coscos(),(f第五

25、章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:485.5 阵列天线 将多个天线组合起来，可增强或减小某方向天线辐射，将多个天线组合起来，可增强或减小某方向天线辐射，从而实现对天线方向图的控制。从而实现对天线方向图的控制。电流元电流元半波振子半波振子振子天线振子天线 阵列天线：将多个阵列天线：将多个相同类型天线相同类型天线按一定按一定规律排列规律排列、馈电馈电而而形成的天线系统。形成的天线系统。第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48美国（美国（VLAVLA，2727

26、个个2525米口径天线组成）米口径天线组成）第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48#11nI#221ijnnIMI e 设两个半波振子天线如图排列，设两个半波振子天线如图排列，则则1 1# #，2 2# #方向函数相同，均为方向函数相同，均为 sin)cos2cos(),(0F一、二元天线阵列一、二元天线阵列两个天线馈电电流：两个天线馈电电流： 11101160( , )nj rIEjFer 22202260(

27、, )nj rIEjFer 则两个阵元在远区则两个阵元在远区p p点产生电场分别为：点产生电场分别为： 2r1r12第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:482r1r12场点位于远区，可引入如下近似：场点位于远区，可引入如下近似：12/rrcos12drr1212注意注意： 为场点与为场点与天线单元轴向天线单元轴向夹角；夹角； 为场点与为场点与天线阵轴向天线阵轴向夹角；夹角；11060( , )nj rIEjFer 2(cos )20160( , )cosnjr dIEjFerd 1cos060( , )ijnj rj dM

28、 IejFeer cos1ijj dM E ee第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48则则p点总的叠加场为：点总的叠加场为：12EEE(cos )11ijdEMe第一阵元辐射场第一阵元辐射场与阵列组成有关的因子与阵列组成有关的因子cosdi令令两单元天线在两单元天线在p点辐射场的总相位差点辐射场的总相位差其中其中i是由馈电电流相位差所引起是由馈电电流相位差所引起cosd是由波程差所引起的相位差是由波程差所引起的相位差则：则：1jMesin21cos12cosMjarctgMMMe( )jFe第五章 天线基本原理与技术微波

29、技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48则则p点总的叠加场为：点总的叠加场为：1060( , ) ( )njj rIEjFFe er 两个天线合成波的方向图为：两个天线合成波的方向图为：0( , )( , ) ( )FFF 阵元方向图阵元方向图阵列因子阵列因子 方向函数乘积定理：相似元所构成的天线阵列的方方向函数乘积定理：相似元所构成的天线阵列的方向性函数等于各阵元单独存在时的方向性函数（称之向性函数等于各阵元单独存在时的方向性函数（称之为为元因子元因子）和阵方向函数（称之为）和阵方向函数（称之为阵因子阵因子）的乘积。）的乘积。 第五章 天线基本原理与

30、技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:481 1、阵因子、阵因子 只与只与天线阵结构参数天线阵结构参数（阵元间距（阵元间距d d、阵元间、阵元间馈电电流幅值比馈电电流幅值比M M、馈电相位差、馈电相位差 ）有关。）有关。关于阵因子的讨论：关于阵因子的讨论：( )Fi2 2、当天线阵等幅馈电时（、当天线阵等幅馈电时（M=1M=1），则：），则：( )1 12cos2 cos2F 3 3、通过调整天线阵的、通过调整天线阵的排列排列及及馈电方式馈电方式，可实现对天线阵最，可实现对天线阵最终方向图的控制。终方向图的控制。4 4、在阵元间距固定，且阵元等幅

31、馈电时，通过改变馈电相、在阵元间距固定，且阵元等幅馈电时，通过改变馈电相差差 即可改变天线阵方向图即可改变天线阵方向图相控阵天线工作原理相控阵天线工作原理。i第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48第五章第五章 天线理论基础天线理论基础阵元间距及馈电方式对阵因子的影响分析：阵元间距及馈电方式对阵因子的影响分析：若阵元等幅馈电：若阵元等幅馈电：1 1、 时：时：,02d d IjIe12cos( )cos2dfcoscos2 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800最大

32、辐射方向在阵侧向最大辐射方向在阵侧向侧射阵侧射阵2 2、 时：时：,2dcos( )cos2dfcoscos()22 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800最大辐射方向在阵轴向最大辐射方向在阵轴向端射阵端射阵第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:483 3、 时：时：,42d cos( )cos2df(cos1)cos4 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800单向端射阵单向端射阵。4 4、 时：时：,42dco

33、s( )cos2df(cos1)cos4 0.2 0.4 0.6 0.8 13021060240902701203001503301800单向端射阵单向端射阵。第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48天线方向图乘积原理的应用：天线方向图乘积原理的应用： 天线阵的最终方向图由阵元方向图和阵因子方向图直接天线阵的最终方向图由阵元方向图和阵因子方向图直接相乘获得：相乘获得： （1 1）阵元或阵因子零点方向为方向图零点；）阵元或阵因子零点方向为方向图零点； （2 2）阵元和阵因子共同最大方向为方向图最大方向；）阵元和阵因子共同最大

34、方向为方向图最大方向； （3 3）零点间存在波瓣（旁瓣）。）零点间存在波瓣（旁瓣）。第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48解：解：dMi, 0, 1已知已知单元天线为半波振子单元天线为半波振子0cos(cos )2( , )sinf 则此二元阵列天线的方向函数则此二元阵列天线的方向函数0( , )( , ) ( )fff coscos( cos )2fcos2cos did例例5-4：等幅同相二元半波振子阵，阵元中心距：等幅同相二元半波振子阵，阵元中心距 ，求作阵列天线在如图所示坐标系中求作阵列天线在如图所示坐标系中yo

35、z，xoz及及xoy平面平面上的方向图。上的方向图。 1 2 x z y d 第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48coscos)(fzsin)cos2cos(),(0f第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48yozyoz面：面：动画演示动画演示xozxoz面：面：动画演示动画演示xoyxoy面：面：动画演示动画演示3 3维方向图：维方向图：第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:4

36、8 例例5-55-5：如图所示，求等幅反相二元半波振子阵三个：如图所示，求等幅反相二元半波振子阵三个主坐标平面的方向图，阵元间距主坐标平面的方向图，阵元间距 。2d解：解：2, 1dMi已知已知 )cos2sin(2|1 |1 |)cos4(jjeMeFcos4cosdi单元天线为半波振子单元天线为半波振子sin)cos2cos(),(0F则此二元阵列天线的方向函数则此二元阵列天线的方向函数)(),(),(0FFF)(),(),(0fff归一化得：归一化得：第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48yz第五章 天线基本原理与

37、技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48例例5-65-6：绘出如图所示二元半波振子阵的方向图。阵列：绘出如图所示二元半波振子阵的方向图。阵列结构参数为结构参数为 ， ， 。2i 4d1M解：解：cos22( )cos(cos )44f阵元在场点处的总相位差及阵函数分别为阵元在场点处的总相位差及阵函数分别为sin)cos2cos(),(0F第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48yoz:yoz:xoz:xoz:xoy:xoy:第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与

38、天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48二、二、N N 元均匀直线阵列元均匀直线阵列 工程上一般采用多个（工程上一般采用多个（N2)N2)阵元组成天线阵，以获得更阵元组成天线阵，以获得更高的方向性。高的方向性。1 1、N N元直线阵的阵函数元直线阵的阵函数第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48以阵列中第一个单元天线作为相位基准：以阵列中第一个单元天线作为相位基准：1),(01rjeFEE第二个单元天线：辐射场的幅值差异不计，相位差为第二个单元天线：辐射场的幅值差异不计，相位差为 cosdi则第则第N

39、 N个单元天线的相位差为：个单元天线的相位差为：)cos)(1() 1(dNNiN N个相似元阵元在个相似元阵元在p p处的辐射场叠加，表示为处的辐射场叠加，表示为1 ),() 1(2011NjjjrjNkkeeeeFEEE)2sin()2sin(1121NeeeNjjjN1 ) 1(2Njjjeee第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48整理可得远区辐射场表达式为：整理可得远区辐射场表达式为： )21(0)2sin()2sin(),(iNrjeNFEEcosid是相邻阵元至场点的辐射场总相位差是相邻阵元至场点的辐射场总相

40、位差由上式得由上式得N N元均匀直线阵列的阵函数元均匀直线阵列的阵函数F()为为)cos(21sin)cos(2sin2sin2sin)(ddNNFii)cos(21sin)cos(2sin2sin2sin)(dNdNNNfii归一化得：归一化得：第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:481.1.当当 0 0时，阵函数有最大值时，阵函数有最大值2.2.主瓣宽度随主瓣宽度随N N的增加而变得尖锐，方向性增强的增加而变得尖锐，方向性增强N元均匀直线阵列归一化阵函数的通用曲线元均匀直线阵列归一化阵函数的通用曲线 说明：说明：第五章

41、 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48关于关于N N元直线天线阵辐射方向图的讨论：元直线天线阵辐射方向图的讨论：当当 0 0时，阵函数取最大值时，阵函数取最大值。cosid0dim cos0i1 1、当各阵元、当各阵元同相馈电同相馈电，即，即2m最大辐射方向在阵的两侧：最大辐射方向在阵的两侧：侧射阵侧射阵di2 2、当各阵元、当各阵元馈电相差满足馈电相差满足或0m最大辐射方向在阵两端：最大辐射方向在阵两端：端射阵端射阵 通过控制各阵元馈电电流相位差来补偿波程相位差，使通过控制各阵元馈电电流相位差来补偿波程相位差，使各阵元辐射场

42、在固定方向同相叠加，从而形成最大辐射。各阵元辐射场在固定方向同相叠加，从而形成最大辐射。第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48 在阵元间距和工作频率固定的条件下，通过改变阵元的在阵元间距和工作频率固定的条件下，通过改变阵元的馈电相差，可改变天线阵的最大辐射方向馈电相差，可改变天线阵的最大辐射方向相控阵天线工相控阵天线工作原理作原理。3 3、对于任意馈电相差、对于任意馈电相差)arccos(dim 功 分 器 移相器 相控阵雷达天线结构原理 第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子

43、工程学院电子工程学院20:485.6 地面对天线特性的影响1 1、地面可视作导电媒质分界面，影响天线辐射特性；、地面可视作导电媒质分界面，影响天线辐射特性；2 2、实际地面起伏不平，且导电特性各不相同；、实际地面起伏不平，且导电特性各不相同；3 3、本章分析将地面视作无限大理想导电平面。、本章分析将地面视作无限大理想导电平面。一、远离地面架设的天线一、远离地面架设的天线 （h h ） 天线远地架设时，地面的影天线远地架设时，地面的影响主要为电磁传播的响主要为电磁传播的多径效应多径效应。 若天线输入功率为若天线输入功率为 ，天线，天线效率效率 ，则最大辐射方向上，则最大辐射方向上 inPAinA

44、mPGrE601第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48水平极化波水平极化波R R1 1LhhjinAefrPGE212)(160垂直（地面）极化波垂直（地面）极化波R R1 1 LhhjinAefrPGE212)(160二、近地架设的天线二、近地架设的天线 天线远地架设时，地面上存在感应的传导电流而形成天线远地架设时，地面上存在感应的传导电流而形成二次辐射源。远区辐射电场由天线和二次源共同形成。二次辐射源。远区辐射电场由天线和二次源共同形成。 二次辐射源可由二次辐射源可由原天线对地面的镜像原天线对地面的镜像代替。代替。第

45、五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:481 1、镜像电流、镜像电流 垂直电流垂直电流HEHE水平电流水平电流 HEHE像电流像电流像电流像电流 2 2、垂直地面近地架设的天线、垂直地面近地架设的天线 半波天线半波天线全波天线全波天线正像正像负像负像第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48 近地近地垂直架设垂直架设的天线，原天线与像天线可视作的天线，原天线与像天线可视作等幅馈等幅馈电电二元天线阵，二元天线阵，阵元间距为阵元间距为2h2h， 馈电相位：馈电相

46、位： 1 1）天线长度等于半波长）天线长度等于半波长奇数倍时：同相奇数倍时：同相； 2 2）天线长度等于半波长）天线长度等于半波长偶数倍时：相差偶数倍时：相差。结论：结论： 例例5-95-9：半波振子天线垂直架设在地表面上，：半波振子天线垂直架设在地表面上，架设高度架设高度 H = 0.25H = 0.25，0.50.5， 0.750.75, , ，做出这四种情况下天线子午面（过振子轴线与地做出这四种情况下天线子午面（过振子轴线与地面垂直的剖面）的方向图。面垂直的剖面）的方向图。解：本题实际上为求解等幅同相馈电二元阵解：本题实际上为求解等幅同相馈电二元阵在不同阵元间距下的方向图。在不同阵元间距

47、下的方向图。第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48)coscos(sincos2cos),(Hf阵轴与振子轴重合即阵轴与振子轴重合即由前面讨论，二元阵方向函数：由前面讨论，二元阵方向函数：)coscos()(Hf半波振子天线方向函数：半波振子天线方向函数：sincos2cos),(f则总的方向图因子为：则总的方向图因子为：090 用观察用观察射线与地表面的夹角射线与地表面的夹角 表示，表示， 则总的归一化方向函数为则总的归一化方向函数为)sincos(cossin2cos),(Hf第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线

48、微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48 结论：结论：地面以下场强为零。地面以下场强为零。随着架设高度随着架设高度 H H 的增加，方向图的波瓣数也增多，但天的增加，方向图的波瓣数也增多，但天线的主向总是沿地表方向。线的主向总是沿地表方向。1.1. 垂直接地天线比同等臂长自由空间的对称振子天线方向垂直接地天线比同等臂长自由空间的对称振子天线方向系数系数D D提高一倍。提高一倍。第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院20:48 半波天线半波天线全波天线全波天线负像负像负像负像 3 3、平行地面近地架设的天线、平行地面近地架设的天线 近地近地水平架设水平架设的天线，原天线与像天线可视作的天线，原天线与像天线可视作等幅、反等幅、反向馈电向馈电二元天线阵，二元天线阵，阵元间距为阵元间距为2h2h。结论：结论：第五章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院