天线基本特性-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.天线的辐射2.天线的增益;3.天线有效面积4.路径损耗；5.雷达距离方程和散射截面定义；6.天线功能；7.方向系数8.方向系数估计9.波束效率10.天线输入阻抗11.天线极化12.矢量有效高度13.天线因子14.天线的互耦合15.天线的噪声温度16.通信链路和雷达作用距离17.多径效应18.地面传播19多径衰落波的辐射相关规定１.与时间相关的相量为ejωt2.向外传播的波用

e-j(kR-ωt)来表示；３.k为波数k=2π/λ,λ为波长，如f为工作频率，则

λ＝c/f天线的辐射由电流产生辐射波是一非常重要的概念。它是一互易器件：即电流可以产生电磁波的辐射，而电磁波也可以一导体上激励起电流。天线设计的任务就是在适当的天线结构上产生预期的电磁辐射波(方向图，阻抗带宽，增益等满足预给的要求)只考虑时谐场：其中R是传播距离；k是波数为2π/λ；

zxy观察点P

R天线位置Arr'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主瓣与副瓣半功率宽度与零点宽度旁瓣电平偏轴馈电抛物面天线方向图？天线设计中的主要信息１.所有方向上的相对场强度，即天线的方向图；２.总的辐射功率；３.天线的输入阻抗；４.与上述三点相关的天线的带宽；５.辐射效率：天线的辐射功率与天线所耗散的功率之比６.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电场磁场与坡印廷矢量形成右手坐标关系BecausethePoyntingvectoristhevectorproductofthetwofields,itisorthogonaltobothfieldsandthetripletdefinesaright-handedcoordinateatesystem:(E,H,S).Poyntingesaright-handedctTriplet三个一组的a多个tesystem:(E,H,S).SExHy无方向天线的方向图*关于Ｈ面和Ｅ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Φ＝900辐射强度的定义在天线理论中，坡印廷矢量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，dΩ=sinθdθdφ天线的增益天线的增益用字母G，来表示。它是方位角φ和高低角θ的函数。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。θhIφBalanis:AntennaTheory,2005,p62(1-2)天线的效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P0之比whereε0=totalefficiency(dimensionless)εr=reflection(mismatch)efficiency=(1−|Γ|2)(dimensionless)εc=conductionefficiency(dimensionless)εd=dielectricefficiency(dimensionless)Γ=voltagereflectioncoefficientattheinputterminalsoftheantennaΓ=(Zin−Z0)/(Zin+Z0)whereZin=antennainputimpedance,Z0=characteristicimpedanceofthetransmissionline]损耗与失配是影响天线效率的两大因素！坡印廷矢量电磁波的辐射可以用坡印廷矢量来描述。它代表电磁波在观察点的辐射方向和辐射功率密度Rootmeansquare(RMS：均方根)valuesareusedtoexpressthemagnitudeofthefields.H∗is

thecomplexconjugateofthemagneticfieldphasor.Themagneticfieldisproportional

totheelectricfieldinthefarfield.Theconstantofproportionisη,theimpedanceoffreespace(η=376.73):天线的增益定义增益是衡量天线向特定方向辐射能量的能力的参量这里假定天线的效率是１，P0是天线辐射功率；Ｓ是天线的电场强度的平方除以自由空间波阻抗。Ｒ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)Radiationlobesandbeamwidthsofanantennapattern,(b)Linearplotofpowerpattern

anditsassociatedlobesandbeamwidths.(AfterBalanis[7],c1997Wiley)主瓣mainlobe，旁瓣sidelobe，副瓣minorlobe第一零波束宽度firstnullbeamwidth(FNBW),半功率波束宽度Halfpowerbeamwidth(HPBW)近场区与远场区Inmostcases,theradiationpatternisdeterminedinthefar-fieldregion(Fraunhofer).In

theradiatingnear-fieldregion(Frensnel),theradiationpatternisdifferentduetothesquare

phaseerrorasshowninFigure1.8.D.G.Fang,2010'AntennaTheoryandMicrostripantennas',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由1-6式,天线的有效面积为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其中f是工作频率，以MHz为单位雷达距离方程RadarRangeEquation

雷达散射截面RadarCrossSection雷达的路径损耗；双程损耗；单站与双站雷达；雷达散射截面：RCS：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

Ps为等效全向辐射功率（equivalentisotropicradiatedpower(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1/R4和天线增益G！平板天线的RCS平板有效面积为AR时的接收功率。(其中下标c表示collect收集)平板天线的散射功率为平板天线的雷达散射截面为天线与有线传输的比较？例：p7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。天线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4π(R=1)辐射强度的分解辐射强度可以分解为主(从)极化和交叉极化辐射强度之和(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Analysisofcircularpolarization(CP)utilizestwoindependent,orthogonal,components:right-andleft-handcircular(RHCandLHC).Thedesirablecomponent,havingtheintendedsenceofrotation(right,orleft),iscalledthecopolarizationcomponent.Theundesirablecomponent,withtheoppositepolarization,iscalledthecrosspolarizationcomponent.ThemixofcopolarizationandcrosspolarizationcomponentsdeterminethequalityofCPandcorrelateswiththeaxialratio.1.10输入阻抗失配损耗与阻抗带宽当天线的阻抗与馈电网络失配时，将产生反射。用电压反射天线的反射又以电压驻波比来描述用反射系数来表示的天线回波损耗为回波损耗=-20lg/ρ/回波损耗又称为反射损耗，一般以回波损耗小于-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1。坡印廷矢量与辐射强度两者相差R22。增益与方向系数

通常天线的增益是指最大辐射方向上的增益椭圆极化波视为两个线极化波的叠加线极化波线极化波圆极化波天线的极化椭圆极化波Thegeneralformofthepolarizedwaveis

ellipticpolarization;inspecialcases,itbecomeslinearpolarizationorcircular

polarization.线极化波Anarbitrarypolarizedelectromagneticwavecanbeexplainedbythesumof

twomutuallyperpendicularlinearlypolarizedwaveswiththesamefrequency

andthesamepropagationcoe±cientbutdifferentamplitudesanddi®erentphaseangles.上面Δ为两个电场间的相位差Ψ＝Φ为椭圆主轴与x轴的夹角极化的定义极化是指远区场电场的方向随时变化的规律。是对同一频率下的波而言的；对短波而言无极化而言；对移动通信，特别是卫星通信要求天线有圆极化特性，以保证通信的可靠性。由于各种原因，实