第3章 天线的特性参数2

1、第第3 3章章 天线的特性参数天线的特性参数 -接收天线电参接收天线电参数数3.8互易定理与接收天线的电参数互易定理与接收天线的电参数 1.1.法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：时变磁场中的静止回路时变磁场中的静止回路sE dlttBdS=当穿过闭合回路的当穿过闭合回路的磁通量磁通量发生变化时，回路中产生发生变化时，回路中产生感应电动势感应电动势，导体回路中，导体回路中感应电动势的大小与磁通量的感应电动势的大小与磁通量的变化率变化率成正比。成正比。 tBE变化的磁场产生涡旋电场涡旋电场，此电场是非静电场非静电场，在此电场中电荷受到的力是非静电力是非静电力 并且，变化的磁场会在导体的每一部

2、分上都会产生感应电动势，即使导体不够成并且，变化的磁场会在导体的每一部分上都会产生感应电动势，即使导体不够成闭合回路，在导体上同样产生感应电动势，构成电源闭合回路，在导体上同样产生感应电动势，构成电源。接收天线。接收天线（线天线就是一（线天线就是一段导体，时变电磁场中的一段导体上会产生感应电动势，天线变成一个电源）段导体，时变电磁场中的一段导体上会产生感应电动势，天线变成一个电源）：BEt 导体棒运动切割磁力线E dl（天线导体）2.2.天线接收的物理过程天线接收的物理过程接收天线工作的物理过程是，接收天线导体在空间电场的作用下产生接收天线工作的物理过程是，接收天线导体在空间电场的作用下产生感

3、应电动感应电动势势，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生电压电压，在接收机回路，在接收机回路中产生中产生电流电流。所以接收天线是一个把。所以接收天线是一个把空间电磁波能量空间电磁波能量转换成转换成高频电流能量高频电流能量的转的转换装置，其工作过程就是发射天线的换装置，其工作过程就是发射天线的逆过程，逆过程，如图所示，接收大线总是位于发如图所示，接收大线总是位于发射天线的射天线的远区辐射场远区辐射场中因此可以认为到达接收天线处的无线电波是中因此可以认为到达接收天线处的无线电波是均匀平面均匀平面波波，设来波方向与天线轴，设来波方向与天线轴z

4、 z之间的夹角为之间的夹角为，求接收天线上的感应电动势：，求接收天线上的感应电动势： E dl（天线导体）发射天线的远区场发射天线的远区场是非均匀是非均匀TEMTEM球面球面波波，在小范围内看是，在小范围内看是TEMTEM平面波平面波，则，则电场是垂直于波的传播方向的平面内电场是垂直于波的传播方向的平面内的任意矢量，建立如图所示的的的任意矢量，建立如图所示的的坐标坐标系系：电波射线与天线轴构成：电波射线与天线轴构成入射平面入射平面，入射电场可分为两个分量：一个是与入射电场可分为两个分量：一个是与入射面相垂直的分量入射面相垂直的分量E Ev v，；一个是与，；一个是与入射面平行的分量入射面平行的

5、分量E Eh h。 2.2.天线接收的物理过程天线接收的物理过程dzLZhEzxvyEEsinzhEE只有只有沿天线沿天线轴线方向的电场分量才能在天线导体轴线方向的电场分量才能在天线导体dzdz段段上产个感应电动势，进而在天线激起上产个感应电动势，进而在天线激起感应电流。感应电流。dzdz段段看成是一个处于看成是一个处于接收接收状态的状态的电基本振子电基本振子，则可以看出无论，则可以看出无论电基本振子电基本振子是是用用做发射天线还是用做接收天线，其方向性是相同的做发射天线还是用做接收天线，其方向性是相同的。电基本振子电基本振子作为接收天线工作时也具有方向性，即当电磁波以不同的方向入射时，产生不

6、同的感应电动势，并且电基本振子用做发射天线和用做接收天线时的方向性相同，都是 。同理：任意天线作为接收天线工作时也具有方向性，当电磁波以不同方向入射时，产生不同感应电动势，且用于发射天线和用于接收天线时方向性相同，推论：推论：一根天线用做发射与接收时具有相同的方向性一根天线用做发射与接收时具有相同的方向性 sinzhzdE dlE dzaEdzEdz入射波sin只有同天线轴相平行的电场分量才能在只有同天线轴相平行的电场分量才能在天线导体天线导体dzdz段上产生感应电动势。因为段上产生感应电动势。因为E Ev v=E=Ey y，而沿，而沿y y方向的方向的dldly y很小。平行的分很小。平行的

7、分量量E Eh h可以分成两个分量可以分成两个分量E Ex x和和E Ez z同样同样dldlx xdldlz z，因此，因此E Ex x引起的感应电动势也可引起的感应电动势也可以忽略，只有以忽略，只有E Ez z分量才会产生感应电动分量才会产生感应电动势。势。天线的收发互易性，天线的收发互易性，同一天线既可以同一天线既可以做为发射天线，也可以作为接收天线，做为发射天线，也可以作为接收天线，同一天线用于接收时的指标与用于发同一天线用于接收时的指标与用于发射时的指标相比完全相同，这种性质射时的指标相比完全相同，这种性质叫天线的收发互易性叫天线的收发互易性 天线不能接收与其正交的极化分量天线不能接

8、收与其正交的极化分量。例如，线极化天线不能接收例如，线极化天线不能接收来波中与其极化方向垂直的线极化波；圆极化天线不能接收来波中与其旋向相来波中与其极化方向垂直的线极化波；圆极化天线不能接收来波中与其旋向相反的圆极化分量，对椭圆极化来波，其中与接收天线极化旋向相反的圆极化分反的圆极化分量，对椭圆极化来波，其中与接收天线极化旋向相反的圆极化分量不能接收量不能接收当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时，并且天线的极化与来波极化相匹配，（线天线电场方向沿天线轴线方向）TTR1R2R3 E dl天线导体最大接收效果最好：接收效果最好：收发天线极化匹配与最大方向对准收发天线极化匹配与最大方向对准(

9、, )reeEl F ；3.3.接收天线的等效电路接收天线的等效电路 Zin eA ZL 接收天线接收天线可以看作是接收机的可以看作是接收机的电源电源，接收机接收机看作接收天线的看作接收天线的负载负载，接收天线作为电源有接收天线作为电源有内阻抗内阻抗Z Zinin，接收机的负载阻抗为接收机的负载阻抗为Z ZL L， L( , )rinreeIZZeEl F 感应电动势 （1）同一天线用作发射和接收时的输入阻抗）同一天线用作发射和接收时的输入阻抗Zin大小相等大小相等 。 发射：发射：输入电压与输入电流之比称为发射天线的输入阻抗输入电压与输入电流之比称为发射天线的输入阻抗 接收：接收：接收天线作

10、为电源的内阻抗定义为接收天线的输入阻抗接收天线作为电源的内阻抗定义为接收天线的输入阻抗，负载向电，负载向电 源望过去的输入阻抗源望过去的输入阻抗 4.4.天线的收发互易性天线的收发互易性 L( , )rreineIeEl FZZ ；感应电动势（2）同一天线用作发射和接收时同一天线用作发射和接收时方向性函数方向性函数F( , , ) 相同相同接收天线上的感应电动势和该天线工作于发射状态时的方向性函数接收天线上的感应电动势和该天线工作于发射状态时的方向性函数F( , , )成正比成正比 接收天线的方向性函数接收天线的方向性函数是其感应电动势和来波入射方向之间的关系是其感应电动势和来波入射方向之间的

11、关系 （3）同一天线用作发射和接收时同一天线用作发射和接收时有效长度有效长度le相同。相同。 接收天线有效长度接收天线有效长度： 接收天线的感应电动势与最大接收方向上来波的切向电场分接收天线的感应电动势与最大接收方向上来波的切向电场分量之比。量之比。接收天线指标（电参数） 对接收天线，我们除使用前面提及的对接收天线，我们除使用前面提及的输入输入阻抗、方向性函数和有效长度阻抗、方向性函数和有效长度等指标外，还有等指标外，还有效率、方向性系数、增益、效率、方向性系数、增益、有效面积（吸收面有效面积（吸收面积或捕获面积）、噪声温度积或捕获面积）、噪声温度等参数。等参数。 3.9 3.9 有效的接收面

12、积有效的接收面积（吸收面积或捕获面积）（吸收面积或捕获面积）ZineZL（1）阻抗匹配：）阻抗匹配：RLinR如图所示直流电阻电路直流电阻电路，要使电源向负载输出的功率最大，必须满足条件条件：RinRL（电源内阻负载电阻电源内阻负载电阻）此条件称为负载电阻与电源的匹配条件负载电阻与电源的匹配条件如图所示交流电路交流电路，要使电源向负载输出的功率最大，必须满足条件条件：ZinZ*L or Rin=RL，Xin=XL （电源内阻抗负载阻抗的共轭电源内阻抗负载阻抗的共轭）此条件称为负载阻抗与电源的匹配条件负载阻抗与电源的匹配条件222max242inininPI RRRR输出功率：222max222

13、82ininininI RReePRR输出功率：考察图示接收天线系统等效电路。考察图示接收天线系统等效电路。收发天线极化匹配与最大方向对准收发天线极化匹配与最大方向对准Z ZL L是接收天线负载阻抗，通常就是是接收天线负载阻抗，通常就是接收机或接收馈线的阻抗接收机或接收馈线的阻抗，且有，且有Z=ZZ=ZL L=R=RL L+ jX+ jXL L。当天线的输入阻抗与负载阻抗。当天线的输入阻抗与负载阻抗共轭匹配共轭匹配（即（即R Rinin=R=RL L，X Xinin= = X XL L ）时，天线向接收机的输出功率最大，这时）时，天线向接收机的输出功率最大，这时222max22282Ainin

14、AAininI RReePRRZineAZL和和发射发射情形下一样，天线处于接收状态时其输入电阻可分为情形下一样，天线处于接收状态时其输入电阻可分为辐射辐射电阻和损耗电阻电阻和损耗电阻两部分，即两部分，即R Rinin=R=Rr r+R+Rl l，max( , )1.3.4AereeEl FeEl ，1.3.3 2222max 88 8rAi eierlARinrElElePRR(1 225)rrrAininrlPRRPRRR3.9 3.9 有效接收面积有效接收面积（吸收面积或捕获面积）（吸收面积或捕获面积）接收天线接收天线的接收功率可以看作是通过某一面积的接收功率可以看作是通过某一面积AeA

15、e上的功率，该面积称为接上的功率，该面积称为接收天线的有效接收面积收天线的有效接收面积 接收天线的有效接收面积接收天线的有效接收面积的定义为：当天线以最大最大接收方方向对准向对准来波方向进行接收时，并且天线的极化与来波极化相极化相匹配匹配，接收天线送到匹配负载匹配负载的平均功率最大P PLmaxLmax与来波的功率密度 S Savav之比，接收天线的吸收面积接收天线的吸收面积是一个假想假想的面积，单位时间内，在接收天线所在位置处流过这一面积Ae的电磁能量等于天线送到接收机输入端的能量。有效接收面积有效接收面积的计算式的计算式当天线所在位置处切向电场振幅为E Ei iE E时，考虑到天线本身的损

16、耗，天线送入接收机输入端的最大总功率为（最大方向对准，极化匹配，阻抗匹配（最大方向对准，极化匹配，阻抗匹配）天线吸收面积可定义 2222max 88 8rAi eierlARinrElElePRR 2222max2 2 120 308 1 3 58 2 120ieAeelreAAavrrElllPRASRRE 例如，理想电基本振子和小电流环方向系数都为例如，理想电基本振子和小电流环方向系数都为D=1.5，它们的有效，它们的有效接收面积同为接收面积同为Ae=0.122。如果小电流环的半径为。如果小电流环的半径为0.1，则小电流，则小电流环所围的面积为环所围的面积为0.03142，而其有效接收面积

17、大于实际占有面积。，而其有效接收面积大于实际占有面积。230erelRA有效接收面积与有效高度：有效接收面积与有效高度：有效接收面积与波束范围：有效接收面积与波束范围：2AeA假设天线效率为假设天线效率为1，则有：，则有：习题：1 某微波天线的增益为某微波天线的增益为900，其最大有效接收面积是，其最大有效接收面积是多少？多少？2 某天线效率为某天线效率为1，在其互相正交的主平面内半功率波束宽，在其互相正交的主平面内半功率波束宽度分别为度分别为300350，其最大有效接收面积是多少？，其最大有效接收面积是多少？作业：作业：1、简述天线接收无线电波的物理过程。、简述天线接收无线电波的物理过程。2

18、、某天线的增益系数为、某天线的增益系数为20dB，工作波，工作波长长1m，试求其有效接收面积，试求其有效接收面积Ae。 电特性参数电特性参数一次参数：效率，方向性图，辐射一次参数：效率，方向性图，辐射电阻电阻二次参数：方向性系数，增益，二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度，前后比，极化特性等波瓣宽度，前后比，极化特性等有效接收面积有效接收面积电参数公式和关系汇总：电参数公式和关系汇总： 一次参数一次参数HES2122mrrIPR lrrARRR,/,),(maxffF),(),(2FFP辐射功率：坡印亭矢量辐射功率：坡印亭矢量（功率密度）（功率密度）辐射电阻辐射电阻天线效率天线效率方向性函方向性函数数二次参数 2002sin,4ddFD0maxSSD DGA主瓣宽度：主瓣宽度：主瓣上电场强度降到最大值的主瓣上电场强度降到最大值的0.707倍（即