天线的辐射和接收基本理论

1、天线的辐射和接收基本理论1.1 概论1.2 基本振子的辐射1.3 天线的电参数1.4 接收天线理论第1章 天线的基本理论1.1 概论 通信的目的是传递信息, 根据传递信息的途径不同, 可将通信系统大致分为两大类: 一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息, 即所谓的有线通信, 如电话、计算机局域网等有线通信系统; 另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息, 即所谓的无线通信, 如电视、 广播、 雷达、 导航、卫星等无线通信系统。 在如图 1.1 所示的无线通信系统中, 需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波, 或者将无线电波转换为导波能量, 用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。 图

2、 1 1 无线电通信系统框图 发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线, 通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量, 并向所需方向辐射出去。到达接收点后, 接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量, 经馈线输送至接收机输入端。天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备, 它的选择与设计是否合理, 对整个无线电通信系统的性能有很大的影响, 若天线设计不当, 就可能导致整个系统不能正常工作。 综上所述, 天线应有以下功能: 天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。 这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与发射机

3、或接收机匹配。 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性。 天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当的极化。 天线应有足够的工作频带。 以上四点是天线最基本的功能, 据此可定义若干参数作为设计和评价天线的依据。通信的飞速发展对天线提出了许多新的要求,天线的功能也不断有新的突破。除了完成高频能量的转换外, 还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理, 如信号处理天线、单脉冲天线、自适应天线和智能天线等。特别是自1997年以来, 第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点, 而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技

4、术之一。 天线的种类很多，按用途可将天线分为通信天线、 广播电视天线、雷达天线等; 按工作波长, 可将天线分为长波天线、 中波天线、 短波天线、 超短波天线和微波天线等； 按辐射元的类型可将天线分为两大类: 线天线和面天线。所谓线天线是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; 面天线是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, 超短波波段则两者兼用。 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。 馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线、同轴线传输线、 波导或微带线等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密, 有时把天线和馈线系统看成是一个部件, 统称为天

5、线馈线系统, 简称天馈系统。 研究天线问题, 实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件, 因此, 求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件, 但这往往十分繁杂, 有时甚至是十分困难的。 在实际问题中, 往往将条件理想化, 进行一些近似处理, 从而得到近似结果, 这是天线工程中最常用的方法； 在某些情况下, 如果需要较精确的解, 可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。 由于本书是针对非微波专业学生, 所以尽可能地绕过繁杂的推导、计算, 主要介绍天线的基本概念、基本理论及与现代通信紧密相关的新技术及其应用。 1.2 基本振子的辐射 1. 电基

6、本振子 电基本振子是一段长度l远小于波长(l1, 即r/2）, 在这种情况下, 式（1- 2- 1）中的1/r2和1/r3项比起1/r项而言, 可忽略不计, 于是电基本振子的电磁场表示式简化为式中, 将上式代入式（1- 2- 3）得电基本振子的远区场为 对式（1-2- 5）进行分析可知: 在远区, 电基本振子的场只有E和H两个分量, 它们在空间上相互垂直, 在时间上同相位, 所以其玻印廷矢量 是实数, 且指向 r 方向。 这说明电基本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波, 所以远区场又称辐射场; E/H= =120（）是一常数, 即等于媒质的本征阻抗, 因而远区场具有与平面波相同的特性

7、; 辐射场的强度与距离成反比, 随着距离的增大, 辐射场减小。 这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的, 当距离增大时, 辐射能量分布到更大的球面面积上; 在不同的方向上, 辐射强度是不相等的。 这说明电基本振子的辐射是有方向性的。 2. 磁基本振子的场 在讨论了电基本振子的辐射情况后, 现在再来讨论一下磁基本振子的辐射。我们知道, 在稳态电磁场中, 静止的电荷产生电场, 恒定的电流产生磁场。那么, 是否有静止的磁荷产生磁场, 恒定的磁流产生电场呢？迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是, 如果引入这种假想的磁荷和磁流的概念, 将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够

8、产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代,即将“电源”换成等效“磁源”, 可以大大简化计算工作。 稳态场有这种特性, 时变场也有这种特性。 小电流环的辐射场与磁偶极子的辐射场相同。 磁基本振子是一个半径为b的细线小环, 且小环的周长满足条件：2b)中心馈电的短振子, 其电流分布为: , 其中I0为输入电流, 也等于波腹电流Im 试求: 短振子的辐射场（电场、 磁场）； 辐射电阻及方向系数； 有效长度。 解: 此短振子可以看成是由一系列电基本振子沿z轴排列组成的, 如图 6 - 7 所示。Z轴上电基本振子的辐射厂为图 1 7 短振子的辐射 由于辐射场为远区, 即rh, 因而在yOz面内作下列近似: 所以

9、令积分则因为h, 所以 F1+F2h因而有辐射功率为将E和H代入上式, 同时考虑到短振子的辐射电阻为方向系数为 由此可见, 当短振子的臂长h时, 电流三角分布时的辐射电阻和方向系数与电流正弦分布的辐射电阻和方向系数相同, 也就是说, 电流分布的微小差别不影响辐射特性。因此, 在分析天线的辐射特性时, 当天线上精确的电流分布难以求得时, 可假设为正弦电流分布, 这正是后面对称振子天线的分析基础。现在我们来讨论其有效长度。 根据有效长度的定义, 归于输入点电流的有效长度为 这就是说, 长度为2h、电流不均匀分布的短振子在最大辐射方向上的场强与长度为h、电流为均匀分布的振子在最大辐射方向上的场强相等

10、, 如图 1 - 8 所示。 由于输入点电流等于波腹点电流, 所以归于输入点电流的有效长度等于归于波腹点电流的有效长度， 但一般情况下是不相等的。 图 18 天线的有效长度1.4 接收天线理论 1. 天线接收的物理过程及收发互易性 图 1 - 9 所示为一接收天线， 它处于外来无线电波Ei的场中, 发射天线与接收天线相距甚远, 因此, 到达接收天线上各点的波是均匀平面波。 设入射电场可分为两个分量: 一个是垂直于射线与天线轴所构成平面的分量E1, 另一个是在上述平面内的分量E2。只有沿天线导体表面的电场切线分量Ez=E2sin才能在天线上激起电流, 在这个切向分量的作用下, 天线元段dz上将产

11、生感应电动势e=-Ezdz。 图 1 9 天线接收原理 设在入射场的作用下, 接收天线上的电流分布为I(z), 并假设电流初相为零, 则接收天线从入射场中吸收的功率由上述分析得整个天线吸收的功率为 式中, 因子e jkzcos是入射场到达天线上各元段的波程差。 根据电磁场的边值理论, 天线在接收状态下的电流分布应和发射时相同。 因此假设接收天线的电流分布为 I(z)=Im sink(l-|z|)则根据式（1 -4 -1）得接收功率为因此接收天线输入电动势为根据上节有效长度的定义, 有 将式（6 -4 -5）代入式（6 -4 -4）得接收天线的表达式为 E =E2heinF()=Ei coshe

12、inF() 式中,是入射场Ei与的夹角; 是方向角的单位矢量； hein是接收天线归于输入电流的有效长度。 F()是接收天线的归一化方向函数, 它等于天线用作发射时的方向函数。 可见, 接收电动势E和天线发射状态下的有效长度成正比, 且具有与发射天线相同的方向性。如果假设发射天线的归一化方向函数为F(i), 最大入射场强为|Ei|max, 则接收天线的接收电动势为E=|Ei|maxF(i)cosheinF(i) 当两天线极化正交时, =90, E=0, 天线收不到信号。 上述分析清楚地介绍了接收的物理过程并得出了方向性收发互易的结论。 天线接收的功率可分为三部分， 即 P=P+PL+Pl (1

13、 -4 -8)其中, P为接收天线的再辐射功率; PL为负载吸收的功率;Pl为导线和媒质的损耗功率。 接收天线的等效电路如图 1 -10 所示。 图中Z0为包括辐射阻抗Z0和损耗电阻Rl0在内的接收天线输入阻抗, ZL是负载阻抗。可见在接收状态下, 天线输入阻抗相当于接收电动势E的内阻抗。 图 1 10 天线的等效电路 2. 有效接收面积 有效接收面积是衡量一个天线接收无线电波能力的重要指标。它的定义为: 当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时, 接收天线传送到匹配负载的平均功率为PLmax, 并假定此功率是由一块与来波方向相垂直的面积所截获, 则这个面积就称为接收天线的有效接收面积, 记

14、为Ae, 即有 式中, Sav为入射到天线上电磁波的时间平均功率流密度， 其值为 根据图 1 - 10 接收天线的等效电路, 传送到匹配负载的平均功率（忽略天线本身的损耗）为 当天线以最大方向对准来波方向时, 接收电动势为 将上述各式代入式（1- 4 -9）有所以有可见, 如果已知天线的方向系数, 就可知道天线的有效接收面积。 例如,电基本振子的方向系数为D=1.5, Ae2。如果考虑天线的效率, 则有效接收面积为 将天线的方向系数公式代入上式得天线的有效接收面积为 3. 等效噪声温度 接收天线的等效噪声温度是反映天线接收微弱信号性能的重要电参数。 在卫星通信、射电天文和超远程雷达及微波遥感等

15、设备中, 由于作用距离甚远, 所以接收的信号电平很低, 此时用方向系数已不能判别天线性能的优劣, 而必须以天线输送给接收机的信号功率与噪声功率之比来衡量天线的性能。等效噪声温度即是表征天线向接收机输送噪声功率的参数。 接收天线把从周围空间接收到的噪声功率送到接收机的过程类似于噪声电阻把噪声功率输送给与其相连的电阻网络。因此接收天线等效为一个温度为Ta的电阻, 天线向与其匹配的接收机输送的噪声功率Pn就等于该电阻所输送的最大噪声功率, 即 式中, Kb=1.3810-23 (J/K)为波耳兹曼常数, 而f为与天线相连的接收机的带宽。 噪声源分布在天线周围的空间, 天线的等效噪声温度为式中, T(, )为噪声源的空间分布函数；F(, )为天线的归一化方向函数。 显然, Ta愈高, 天线送至接收机的噪声功率愈大, 反之愈小。 Ta取决于天线周围空间的噪声源的强度和分布, 也与天线的方向性有关。 为了减小通过天线而送入接收机的噪声, 天线的最大辐射方向不能对准强噪声