天线基本特性1

1、天线基本特性电子科技大学喻志远2013.7天线基本特性1. 1. 天线的辐射天线的辐射2. 2. 天线的增益天线的增益; ;3. 3. 天线有效面积天线有效面积4. 4. 路径损耗；路径损耗；5. 5. 雷达距离方程和散射截面定义；雷达距离方程和散射截面定义；6. 6. 天线功能；天线功能；7.7.方向系数方向系数8.8.方向系数估计方向系数估计9.9.波束效率波束效率10.10.天线输入阻抗天线输入阻抗11.11.天线极化天线极化12. 12. 矢量有效高度矢量有效高度13. 13. 天线因子天线因子14.14.天线的互耦合天线的互耦合15.15.天线的噪声温度天线的噪声温度16.16.通信

2、链路和雷达作用距离通信链路和雷达作用距离17.17.多径效应多径效应18.18.地面传播地面传播1919多径衰落多径衰落波的辐射相关规定n.与时间相关的相量为ejtn2. 向外传播的波用e-j(kR-t)来表示；n.k 为波数k = 2 / , 为波长，如f为工作频率，则n c/f天线的辐射n 由电流产生辐射波是一非常重要的由电流产生辐射波是一非常重要的概念。概念。n 它是一互易器件：即电流可以产生它是一互易器件：即电流可以产生电磁波的辐射，而电磁波也可以一电磁波的辐射，而电磁波也可以一导体上激励起电流。导体上激励起电流。n 天线设计的任务就是在适当的天线天线设计的任务就是在适当的天线结构上产

3、生预期的电磁辐射波结构上产生预期的电磁辐射波(方方向图，阻抗带宽，增益等满足预给向图，阻抗带宽，增益等满足预给的要求的要求)n 只考虑时谐场：只考虑时谐场：n 其中其中R是传播距离；是传播距离；n k是波数为是波数为2/；n )(tkRje rrRzxy观察点PR天线位置Arr波的辐射波的辐射电磁波以1/R2的速率衰减，并传输。辐射强度仅与辐射方向相关，而与距离无关！天线的探测将探针绕天线旋转可测出天线在不同方向上的辐射，而更一般的是旋转天线而固定探针。（这两种方法是等效的，为什么？）辐射强度天线的波瓣n 主瓣与副瓣n 半功率宽度与零点宽度n 旁瓣电平偏轴馈电抛物面天线方向图 ？天线设计中的主

4、要信息n .所有方向上的相对场强度，即天线的方向图；n .总的辐射功率；n .天线的输入阻抗；n .与上述三点相关的天线的带宽；n .辐射效率：天线的辐射功率与天线所耗散的功率之比n .对高功率天线而言，在空气中的关键位置，最大的电场强度，可能引起空气的电晕或介质的击穿。坡印廷矢量的坐标关系n 电场磁场与坡印廷矢量形成右手坐标关系n Because the Poynting vector is the vector product of the two fields, it is orthogonal to both fields and the triplet defines a right

5、-handed coordinateate system: n (E, H,S).Poynting es a right-handed ctn Triplet三个一组的a多个te system: (E, H, S).SExHy无方向天线的方向图*关于面和面方向图三维波瓣 三维方向图X-Y平面方向图dBi和dBd是功率增益的单位，两者都是相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线；dBd的参考基准为偶极子。一般认为dBi和dBd表示同一个增益，用dBi表示的值比dBd用表示的值要大2.15，（即 dBi=dBd+2.15）。Z-Y 平面方向图900辐射强度的定义 在天线理论中，坡印

6、廷矢量S，也可以认为是天线的辐射强度，显然它与观察点到天线的距离相关。为了去掉距离因素，我们常用U来表示辐射强度以O点为顶点的立体角元就是它在以O为球心的单位球上的投影面积球坐标下，d=sindd天线的增益n 天线的增益用字母G，来表示。n 它是方位角和高低角的函数。n 天线增益是对天线向给定方向辐射电磁能的能力的自然力衡量。h I Balanis: Antenna Theory,2005,p62024PSRG(1-2)天线的效率n 天线的效率是天线辐射出去的电磁功率天线的效率是天线辐射出去的电磁功率Pr与天线输入功率与天线输入功率P0之比之比orePP /where0 = total eff

7、iciency (dimensionless)r = reflection(mismatch) efficiency = (1 |2) (dimensionless)c = conduction efficiency (dimensionless)d = dielectric efficiency (dimensionless)= voltage reflection coefficient at the input terminals of the antenna= (Zin Z0)/(Zin + Z0) where Zin = antenna input impedance,Z0 = ch

8、aracteristic impedance of the transmission line损耗与失配是影响天线效率的两大因素！损耗与失配是影响天线效率的两大因素！坡印廷矢量n 电磁波的辐射可以用坡印电磁波的辐射可以用坡印廷矢量来描述。它代表电廷矢量来描述。它代表电磁波在观察点的辐射方向磁波在观察点的辐射方向和辐射功率密度和辐射功率密度Root mean square (RMS：均方根：均方根) values are used to express the magnitude of the fields. H is the complex conjugate of the magnetic

9、field phasor. The magnetic field is proportional to the electric field in the far field. The constant of proportion is , the impedance offree space ( = 376.73 ):天线的增益定义n 增益是衡量天线向特定方向辐射能量的能力的参量20004,),(RPSSSG其中这里假定天线的效率是，P0是天线辐射功率；是天线的电场强度的平方除以自由空间波阻抗。是观察点与天线的距离天线增益计算例子(p.3)与方向图相关的定义(a) Radiation lob

10、es and beamwidths of an antenna pattern, (b) Linear plot of power pattern and its associated lobes and beamwidths. (After Balanis 7, c 1997 Wiley)主瓣main lobe，旁瓣side lobe，副瓣minor lobe第一零波束宽度first null beam width(FNBW), 半功率波束宽度Half power beam width(HPBW)近场区与远场区In most cases, the radiation pattern is d

11、etermined in the far-field region (Fraunhofer). In the radiating near-field region (Frensnel), the radiation pattern is different due to the square phase error as shown in Figure 1.8.D. G. Fang,2010Antenna Theory and Microstrip antennas, p.20-21辐射远场区辐射近场区电抗近场区天线的有效面积和路径损耗SPAdeff/由由1-6式式,天线的有效面积为天线的有

12、效面积为A2是天线2的有效面积，G1是天线1的增益路径损耗的计算路径损耗的计算其中f 是工作频率，以MHz为单位雷达距离方程Radar Range Equation雷达散射截面Radar Cross Sectionn 雷达的路径损耗；双程损耗；雷达的路径损耗；双程损耗；n 单站与双站雷达；单站与双站雷达；n 雷达散射截面：雷达散射截面：RCS：即在雷达发射波照射下物体的散射面积：即在雷达发射波照射下物体的散射面积(m2).它与入射波与反射波的方向相关。定义为它与入射波与反射波的方向相关。定义为nPs为等效全向辐射功率（为等效全向辐射功率（equivalent isotropic radiate

13、d power (EIRP)）双站雷达距离方程单站雷达距离方程雷达接收功率正比于雷达接收功率正比于1/R4和天线增益和天线增益G！recTPPGR3224)4(平板天线的RCSn平板有效面积为平板有效面积为ARAR时的接时的接收功率。收功率。( (其中下标其中下标c c表示表示ncollectcollect收集收集) )n平板天线的散射功率为平板天线的散射功率为n平板天线的雷达散射平板天线的雷达散射截面为天线与有线传输的比较？例：例：p7p7现代光纤传输可以做到，每公里的传输损耗小于现代光纤传输可以做到，每公里的传输损耗小于0.3dB成为有线信息传输的主要手段。成为有线信息传输的主要手段。天线

14、方向系数与平均辐射强度即为辐射功率除以单位球的表面积4(R=1)辐射强度的分解n 辐射强度可以分解为主辐射强度可以分解为主( (从从) )极化和极化和交叉极化辐射强度之和交叉极化辐射强度之和n ( (任意一种极化都可以分解为两个任意一种极化都可以分解为两个旋转方向相反，频率相同，但幅度旋转方向相反，频率相同，但幅度初相位不相同的圆极化波初相位不相同的圆极化波) )C：co-polarization 主极化 x: cross-polarization交叉极化关于主极化与交叉极化n Analysis of circular polarization (CP) utilizes two indepe

15、ndent, orthogonal, components: right- and left-hand circular (RHC and LHC). The desirable component, having the intended sence of rotation (right, or left), is called the copolarization component. The undesirable component, with the opposite polarization, is called the crosspolarization component. T

16、he mix of copolarization and crosspolarization components determine the quality of CP and correlates with the axial ratio.1.10输入阻抗失配损耗与阻抗带宽n 当天线的阻抗与馈电网络失配时，当天线的阻抗与馈电网络失配时，将产生反射。用电压反射将产生反射。用电压反射n 天线的反射又以电压驻波比来描述天线的反射又以电压驻波比来描述n 用反射系数来表示的天线回波损耗用反射系数来表示的天线回波损耗为为n 回波损耗回波损耗=-20lg/n 回波损耗又称为反射损耗，一般以n 回波损耗小

17、于-10dB,作为天线的阻抗带宽。(此处应为馈电线的特性阻抗)参量比较n 1。坡印廷矢量与辐射强度坡印廷矢量与辐射强度n 两者相差两者相差 R2n 2。增益与方向系数。增益与方向系数nn通常天线的增益是指最大辐射通常天线的增益是指最大辐射方向上的增益方向上的增益024PSRGavSSRPSGmax20maxmax)4/(椭圆极化波视为两个线极化波的叠加线极化波线极化波线极化波圆极化波天线的极化n椭圆极化波nThe general form of the polarized wave iselliptic polarization; in special cases, it becomes li

18、near polarization or circularpolarization.n线极化波nAn arbitrary polarized electromagnetic wave can be explained by the sum of two mutually perpendicular linearly polarized waves with the same frequency and the same propagation coecient but different amplitudes and dierentnphase angles.上面为两个电场间的相位差为椭圆主轴与x轴的夹角极化