第六章 天线基本原理及技术

第二部分天线理论与技术第六章天线基本原理与技术

在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波（发射），或者将无线电波转换为导波能量（接收）,用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。天线应具有以下性能：一、天线的功能①尽可能多地将导波能量互相转电磁波能（高效率）②具有适当的方向性③有适当的极化④有足够的工作频带⑤对传递的信息进行一定的加工和处理（未来发展趋势）二、天线的分类按用途：通信天线、广播电视天线、雷达天线等按工作波长：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：线天线、面天线线天线：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：由尺寸大于波长的金属或介质面构成的，主要用于微波波段二、天线的分析方法

天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件

工程上往往将条件理想化，通过近似处理得到近似结果

利用电磁场理论的数值计算方法

电流元也称电基本振子，它是一段长度远小于波长,电流I振幅均匀分布、相位相同的直线电流。6.2电流元的辐射场一、电流元

注：电流元线天线的基本组成部分,任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。二、电流元的辐射场

在天线远区（r>>λ）则：

说明：1）远区场电场、磁场相互正交，相位相同：横电磁(TEM)波2）电磁波沿径向传播3）远区场为球面波4）电流元的辐射是有方向性的三、电流元辐射方向特性

方向函数：描述天线辐射场与方位角的关系。

电流元的方向函数：

方向图：由方向函数作出的图形，即为天线方向图。

依据方向函数作出电流元的方向图为：6.4天线的电参数6.4.1天线方向性特性参数一、方向函数

方向函数：描述天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系，分场强方向函数和功率方向函数。

场强方向函数：由辐射场电场表达式中与方位有关的表达式组成。如电流元场强方向函数为：

功率方向函数：由坡印廷矢量表达式，知

归一化方向函数：为便于对不同天线方向性进行比较，往往将方向函数对其最大值进行归一化，即：归一化方向函数的最大值等于1。

用于描述天线辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线或曲面图。二、方向图电流元方向图

微波天线方向图通常由与场矢量相平行的两个平面表示：E平面：通过最大辐射方向，与电场矢量平行的平面；H平面：通过最大辐射方向，与磁场矢量平行的平面；E平面H平面

方向图可由极坐标表示，也可用直角坐标表示：极坐标直角坐标电流元方向图三、主瓣宽度

主瓣宽度是衡量天线的最大辐射方向的能量集中程度的物理量。

半功率主瓣宽度：功率方向图中两个半功率点之间的角宽度，或场强方向图中最大场强的两点之间的角宽度；零功率波瓣宽度：方向图由最大值点两边第一个零点间的角宽。半功率主瓣宽度零功率主瓣宽度四、旁瓣电平SLL1

离主瓣最近且电平最高的波瓣电平与主瓣电平的比值,一般以分贝表示。主瓣：其方向为天线辐射主向第一副瓣注：副瓣电平反映了天线方向性的好坏6.4.2天线的极化天线的极化与其辐射的电磁波的极化方式相同。

天线的极化包括：垂直极化、水平极化，圆极化。

注：实际工程中，不存在理想圆极化天线，一般为椭圆极化天线通信系统中，发射天线和接收天线的极化方式必须要匹配6.4.3天线效率与辐射电阻

天线效率：天线辐射功率与输入功率之比，即：式中：为天线辐射功率，为天线欧姆损耗功率。辐射电阻RΣ：

辐射电阻定义:某电阻上通过电流等于天线上的最大电流，若其损耗的功率等于天线的辐射功率，则该电阻值即为该天线的辐射电阻。天线的辐射电阻表示了天线辐射电磁波的能力，与馈电电流的大小无关，是天线自身具有的属性。6.4.4天线方向系数与增益一、方向系数D

定义：设天线辐射功率为Pr，最大辐射方向电场为Em,则：

在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax，与相同辐射功率在理想无方向性天线在同一位置处的辐射功率流密度S0之比：即二、增益G方向系数D未考虑天线效率的影响。

增益定义:在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax，与相同输入功率在理想无方向性天线在同一位置处的辐射功率流密度S0之比。

由上式可得一个天线最大辐射方向上的场强为由方向系数及增益定义，有：输入功率例确定沿z轴放置的电基本振子的方向系数。

解:电基本振子的归一化方向函数为:

代入方向系数的表达式得分贝数表示为：6.4.5输入阻抗注：输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸、工作频率以及邻近天线周围物体等的影响。

天线有效长度定义：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下,假设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。6.4.6有效长度输入阻抗和输入电压和电流的关系是天线的有效长度愈长,辐射能力愈强。6.4.7工作带宽f0——频带的中心频率fmax——是某天线参数不超过规定变化范围的最高频率fmin——是某天线参数不超过规定变化范围的最低频率窄带：宽带：6.5接收天线接收天线接收电磁波的物理过程：

与导体表面长度方向相切的电场分量能在天线上产生感应电动势及感生电流：接收天线电参数

当把接收天线置于电磁波环境中，接收天线就可以感应出电流，由于天线本身的阻抗，接收天线的输出端会产生感应电动势。在无线系统中，接收天线的功能就是接收电磁波能量并转化为高频电流的能量。其输出的感应电动势就通过馈线输送电流到接收机。6.5.1收发天线的互易性一副无源天线作发射时的方向图和作接收时的方向图是相同的

天线的阻抗也不因它作接收或发射工作方式而改变

天线的其他辐射特性（如方向性系数﹑增益﹑极化等）也与天线的收﹑发工作方式无关

同一天线用于接收时，方向函数、阻抗、有效长度、增益等参数都与发射时相同——天线的互易定理。6.5.2天线的有效接收面积

定义：接收天线与某方向的来波极化一致时，天线的匹配接收功率与来波能流密度之比可以推得，天线的有效面积可表示为：式中：为天线的方向系数。6.5.3阻抗失配及极化失配6.5.4接收天线的噪声温度到达接收机的噪声功率：

如果馈线的损耗因子是LF：馈线上损耗的功率为：损耗的功率将以噪声形式再辐射：

AntennaNoiseAntennanoisepower,antennanoisetemperatureBackgroundnoisesources:groundnoise,skynoise,manmadenoises….Gr,B,TrNANoAntennareceivednoiseAntennathermalnoiseBrightnesstemperatureAntennaphysicaltemperature(skyto