天线理论与设计—第二章

1、 第二章2.1 辐射强度辐射强度 2.2 发射天线参数发射天线参数 2.2.1阻抗和辐射效率阻抗和辐射效率 2.2.2辐射方向图辐射方向图 2.2.3方向性系数和增益方向性系数和增益 2.2.4带宽带宽 2.2.5极化极化第二章第二章 天线的基本参数天线的基本参数 第二章2.1 辐射强度辐射强度2.1.1 弧度和立体弧度弧度是平面角的计量单位,顶点在圆心,弧长等于半径R的 圆弧所对的平面角定义为一弧度。 圆的周长C=2R， 2Rad。 第二章立体弧度是立体角的计量单位，顶点在球心，面积等于半径平方 的球面所对的立体角定义为一立体弧度（sr）。整个球面的面积S=4 R2，面元 ds=R2sin

2、d d m2立体弧度面元 d= ds /R2=sin d d sr因而封闭球面的立体角为4 sr 第二章辐射强度定义：给定方向上单位立体角辐射的功率。rrHEURe21),(2W/Sr消除了距离的影响(注意式中r和E、H间关系)辐射功率dUPr, 第二章2.2.1 阻抗和辐射效率阻抗和辐射效率Zin=Rin+jxinZg2.2 天线的基本参数天线的基本参数 第二章Zin=Rin+jxinRinRr+Rl式中：Rr为辐射电阻 Rl为损耗电阻 第二章反射系数00zzzzinin电压驻波比11VSWR阻抗匹配Zin=Z0 第二章辐射效率天线的输入功率仅有一部分转换为辐射功率，其余被天线及其附近结构所

3、吸收。辐射效率定义为天线的辐射功率与净输入功率之比。inrPPe linrinrinRIRIRIe222212121lrrRRRinrRR对于电小天线对于电小天线 rlRR 21e对于一些口径天线对于一些口径天线 1e 第二章2.2.2 辐射方向图定义：天线的辐射特性随空间坐标的变化图形。 通常辐射方向图在远区确定，辐射特性包括场强、辐射强度、相位或极化。 第二章场强方向图：在固定距离r=r0的球面上，辐射电场随角坐标的相对变化图形为场强方向图。方向图函数F(,)00,mEEF归一化场强方向图函数功率方向图：在固定距离r=r0的球面上，波印廷矢量的r分量随角坐标的相对变化图形为功率方向图。方向

4、图函数记为P(,) 第二章波印廷矢量的r分量r*21HEHE),(2/2/),(222FEEPm*21HESr00HHEErHE2221EE2/2E 第二章用于天线分析的坐标系 第二章 例 2-1画出沿z轴放置的电振子的方向图。 解: 方向图函数为： sin4sin4jkrjkrerlkIjerlkIj00,mEEF 第二章立体方向图 第二章 第二章二维平面方向图三维方向图形象直观，但实际中给出两个二维主平面就三维方向图形象直观，但实际中给出两个二维主平面就得出大部分需要信息得出大部分需要信息E面H面E面面 过最大辐射方向且平行电场矢量的平面过最大辐射方向且平行电场矢量的平面H面面 过最大辐射

5、方向且平行磁场矢量的平面过最大辐射方向且平行磁场矢量的平面 第二章单位线性 1 0.5分贝 0 -3dB,lg20,FFdB,lg10,PPdBdBdBFP2,场强方向图和功率方向图分贝表示时值相等 第二章 第二章采用不同坐标形式的方向图 图 2 -3 (a) 极坐标表示的H平面方向图； (b) 直角坐标H平面方向图； (c) 直角坐标E平面方向图 第二章按方向图特征的天线分类各向同性天线：天线向各个方向均匀辐射。方向性天线：天线在某些方向的辐射比其他 方向的辐射强得多全向天线：天线在某个平面内的辐射为无方向性，在其正交面具有方向性 第二章波瓣 主瓣、副瓣、旁瓣和背瓣 第二章 第二章波瓣宽度半

6、功率波瓣宽度：从方向图的原点过辐射强度是最大值一 半(对应场强是最大值的 )的点的 矢量所夹的角度。（3dB波瓣宽度）E面和 H面的半功率波瓣宽度分别用2HPE 和2HPH表示。21副瓣电平（SLL）：副瓣峰值与主瓣最大值之比。 以分贝表示为00,lg20mssdBFFSLL第一零陷波瓣宽度：从方向图的原点与主瓣的根部相切的 矢量所夹的角度。用20表示 第二章 第二章2.2.3方向性系数和增益方向性系数和增益方向性增益方向性增益定义：定义：天线在某方向的辐射强度与参考天线的辐射强度之比。天线在某方向的辐射强度与参考天线的辐射强度之比。参考天线：参考天线：与实际天线具有相同的辐射功率，并且均匀辐

7、射。与实际天线具有相同的辐射功率，并且均匀辐射。 avUUD/,2,FUUmddFUdUPUmrav 2020sin,41,414ddFUFUDmm 20202sin,4, 第二章ddFFD 20202sin,4,2,4FA定义波瓣立体角dFF22,4dFA2,天线的波瓣立体角是一个立体角，如果所有功率均通过此立体角辐射，在此立体角内辐射强度均匀并等于最大值 第二章波瓣立体角波瓣立体角dFUUdFmmA22,1,方向性系数是最大辐射方向上的方向性增益方向性系数是最大辐射方向上的方向性增益 AD4最大最大辐射强度方向上的辐射强度是平均辐射强度的最大辐射强度方向上的辐射强度是平均辐射强度的几倍几倍

8、 波瓣立体角大小和天线方向性强弱的关系如何？ 第二章DDdBDUUavlg10,00，功率增益功率增益 任意方向上的辐射强度与无耗各向同性参考天线任意方向上的辐射强度与无耗各向同性参考天线的辐射强度之比的辐射强度之比,GininPUPUG,44, 第二章ePPPPerininr,4,4,4,eDPeUePUPUGrrinGGdBeDGlg10参数的测试获取？ 第二章 第二章 第二章 第二章2.2.4 频率带宽（带宽）频率带宽（带宽） 通常通常根据系统提出的要求和给定的中心频率，人们可以设计一个满足指标要求的天线。但在偏离中心工作频率时，天线相对某一一特性的特性的电性能将会下降，电性能下降到容许

9、值的频率范围，就称为天线的频带宽度。 天线带宽：相对于某个特性，天线的性能符合规定标准的频率范围天线特性：输入阻抗、方向图、波瓣 指向、副瓣电平、 增益、极化等 第二章 不同系统对天线工作频带的要求不同，例如，中波广播发射天线对频带要求不高；短波定点通信天线因为电波昼夜、四季变化需要经常更换工作频率。则需要有一定的带宽； 电子对抗设备为进行干扰或抗干扰往往需要天线有很宽的工作频带。 不同型式天线的电性能对频率的敏感程度也不尽相同。例如，当频率变化时，一般对称振子天线的方向图、增益等参数变化不大，但它的输入阻抗则变化很大，因而匹配程度受频率变化的影响较大，所以在一些对方向图形状要求不高的系统中，

10、主要解决阻抗带宽的问题。 在某些天线阵中，频率变化会使主瓣指向偏离预定方向、副瓣电平增高，甚至可能出现栅瓣，这时的主要矛盾就成为方向图带宽问题。 第二章窄带天线窄带天线 %1000minmaxfff宽带天线宽带天线 minmaxff通常 第二章若要求天线若要求天线 SLL-25dB VSWR 1.3 的带宽（矢量网络分析仪测试）dBG30 第二章2.2.5 极化极化天线在给定方向的极化定义为“天线被激励时辐射波的极化，或在天线输出端得到最大可用功率时的给定方向上入射波的极化”未规定方向时，极化为最大增益方向的极化。辐射波的极化定义为“描述电磁波电场矢量的方向和相对幅度的时变特性，确切地说，就是

11、在空间固定位置沿传播方向观察到的电场矢量的端点随时间变化的轨迹”。 第二章 第二章极化包括：线极化、圆极化、椭圆极化 第二章相位复矢量jyxeEyExEjyxeyxEEEsincos22其中xyEEarctg改写成 第二章jkzjyxeeEyExEtjjkzjyxeeeEyExRetExxcos)cos(tEyy 第二章1，线极化900 第二章2，圆极化45yxEE逆时针顺时针, 2 , 1 , 0221, 2 , 1 , 0221nnnn左旋圆极化波为逆时针，右旋圆极化波为顺时针 第二章3，椭圆极化A.2 , 1 , 045,nnEEyxB.2 , 1 , 045,nnEEyxnn22122

12、1 第二章21212244222cos21yxyxyxEEEEEEOA21212244222cos21yxyxyxEEEEEEOBcos22122yxyxEEEEarctg 第二章 第二章 第二章例：有一副天线的辐射场为jkzeyjxE) 22(请判断该天线的极化。解：由辐射场jkzeyjxE) 22(变换得jkzjeeyxE)45sin45(cos2209000 第二章由上知452900该天线为圆极化，顺时针圆极化 第二章例：电流元的参数计算例：电流元的参数计算已知电流元辐射的远区场已知电流元辐射的远区场120sin4sin4jkrjkrerlkIjHerlkIjE解：解：1.辐射电阻辐射电阻 rR辐射功率辐射功率 第二章2228021 lIPr2228021lIPRrr222222008021sinsin4221 lIddrrlkIdsHEPsr 第二章2.场强方向图场强方向图 ),(),(),(00mEEFjkrjkrerlkIjerlkIj4sin4