第五章天线基本原理与技术

第五章天线基本原理与技术第1页，共62页，2023年，2月20日，星期三第五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）第2页，共62页，2023年，2月20日，星期三二、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第3页，共62页，2023年，2月20日，星期三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。5.1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、电流元的辐射场第4页，共62页，2023年，2月20日，星期三在天线远区（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第5页，共62页，2023年，2月20日，星期三三、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：第6页，共62页，2023年，2月20日，星期三5.4天线的电参数5.4.1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，知第7页，共62页，2023年，2月20日，星期三

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第8页，共62页，2023年，2月20日，星期三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第9页，共62页，2023年，2月20日，星期三三、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第10页，共62页，2023年，2月20日，星期三四、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第11页，共62页，2023年，2月20日，星期三5.4.2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5.4.3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。第12页，共62页，2023年，2月20日，星期三辐射电阻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。第13页，共62页，2023年，2月20日，星期三5.4.4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：即第14页，共62页，2023年，2月20日，星期三二、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。第15页，共62页，2023年，2月20日，星期三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：输入功率第16页，共62页，2023年，2月20日，星期三例确定沿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：第17页，共62页，2023年，2月20日，星期三5.4.5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。5.4.6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。第18页，共62页，2023年，2月20日，星期三5.3对称振子天线由两根粗细和长度都相同的直导线构成，中间为馈电端。一、结构二、对称阵子上的电流分布电流分布-->辐射场工程上近似认为对称阵子天线视作终端开路传输线两端逐渐张开形成的。第19页，共62页，2023年，2月20日，星期三其上电流分布为：半波振子全波振子三、对称阵子的辐射场在距中心点为z处取电流元段dz,则它对远区场的贡献为1、dz段线元的辐射场第20页，共62页，2023年，2月20日，星期三对于远区辐射场，场点距离远大于天线尺寸，可有如下近似：2、对称振子天线的辐射场整个天线的远区辐射场为：第21页，共62页，2023年，2月20日，星期三则对称振子天线的辐射方向图为：结论：对称振子天线的方向函数与方位角无关，其方向图是以振子轴线为基准的旋转对称图形对称振子的臂长会影响到方向图二维三维对称振子天线最常用的为半波振子天线和全波振子天线。第22页，共62页，2023年，2月20日，星期三半波振子天线的辐射特性：1）将代入，得半波振子天线的方向函数：2）由方向系数求解公式，得：3)方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解:

4）半波振子的辐射电阻为RΣ=73.1(Ω)第23页，共62页，2023年，2月20日，星期三全波振子天线的辐射特性：1）将代入，得半波振子天线的方向函数：2）由方向系数求解公式，得：3)方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解:

4）半波振子的辐射电阻为RΣ=199(Ω)第24页，共62页，2023年，2月20日，星期三5.5阵列天线将多个天线组合起来，可增强或减小某方向天线辐射，从而实现对天线方向图的控制。电流元半波振子振子天线阵列天线：将多个相同类型天线按一定规律排列、馈电而形成的天线系统。第25页，共62页，2023年，2月20日，星期三美国（VLA，27个25米口径天线组成）第26页，共62页，2023年，2月20日，星期三第27页，共62页，2023年，2月20日，星期三设两个半波振子天线如图排列，则1#，2#方向函数相同，均为一、二元天线阵列两个天线馈电电流：

则两个阵元在远区p点产生电场分别为：

第28页，共62页，2023年，2月20日，星期三场点位于远区，可引入如下近似：注意：为场点与天线单元轴向夹角；为场点与天线阵轴向夹角；第29页，共62页，2023年，2月20日，星期三则p点总的叠加场为：第一阵元辐射场与阵列组成有关的因子令两单元天线在p点辐射场的总相位差其中是由馈电电流相位差所引起是由波程差所引起的相位差则：第30页，共62页，2023年，2月20日，星期三则p点总的叠加场为：两个天线合成波的方向图为：阵元方向图阵列因子方向函数乘积定理：相似元所构成的天线阵列的方向性函数等于各阵元单独存在时的方向性函数（称之为元因子）和阵方向函数（称之为阵因子）的乘积。第31页，共62页，2023年，2月20日，星期三1、阵因子只与天线阵结构参数（阵元间距d、阵元间馈电电流幅值比M、馈电相位差）有关。关于阵因子的讨论：2、当天线阵等幅馈电时（M=1），则：3、通过调整天线阵的排列及馈电方式，可实现对天线阵最终方向图的控制。4、在阵元间距固定，且阵元等幅馈电时，通过改变馈电相差即可改变天线阵方向图——相控阵天线工作原理。第32页，共62页，2023年，2月20日，星期三第五章天线理论基础阵元间距及馈电方式对阵因子的影响分析：若阵元等幅馈电：1、时：最大辐射方向在阵侧向——侧射阵2、时：最大辐射方向在阵轴向——端射阵第33页，共62页，2023年，2月20日，星期三3、时：单向端射阵。4、时：单向端射阵。第34页，共62页，2023年，2月20日，星期三天线方向图乘积原理的应用：天线阵的最终方向图由阵元方向图和阵因子方向图直接相乘获得：（1）阵元或阵因子零点方向为方向图零点；（2）阵元和阵因子共同最大方向为方向图最大方向；（3）零点间存在波瓣（旁瓣）。第35页，共62页，2023年，2月20日，星期三解：已知单元天线为半波振子则此二元阵列天线的方向函数例5-4：等幅同相二元半波振子阵，阵元中心距，求作阵列天线在如图所示坐标系中yoz，xoz及xoy平面上的方向图。

第36页，共62页，2023年，2月20日，星期三z第37页，共62页，2023年，2月20日，星期三yoz面：动画演示xoz面：动画演示xoy面：动画演示3维方向图：×＝第38页，共62页，2023年，2月20日，星期三例5-5：如图所示，求等幅反相二元半波振子阵三个主坐标平面的方向图，阵元间距。解：已知单元天线为半波振子则此二元阵列天线的方向函数归一化得：第39页，共62页，2023年，2月20日，星期三第40页，共62页，2023年，2月20日，星期三例5-6：绘出如图所示二元半波振子阵的方向图。阵列结构参数为，，。解：阵元在场点处的总相位差及阵函数分别为第41页，共62页，2023年，2月20日，星期三×＝yoz:×＝xoz:×＝xoy:第42页，共62页，2023年，2月20日，星期三二、N元均匀直线阵列

工程上一般采用多个（N>2)阵元组成天线阵，以获得更高的方向性。1、N元直线阵的阵函数第43页，共62页，2023年，2月20日，星期三以阵列中第一个单元天线作为相位基准：第二个单元天线：辐射场的幅值差异不计，相位差为则第N个单元天线的相位差为：N个相似元阵元在p处的辐射场叠加，表示为第44页，共62页，2023年，2月20日，星期三整理可得远区辐射场表达式为：是相邻阵元至场点的辐射场总相位差由上式得N元均匀直线阵列的阵函数F(δ)为归一化得：第45页，共62页，2023年，2月20日，星期三1.当＝0时，阵函数有最大值2.主瓣宽度随N的增加而变得尖锐，方向性增强N元均匀直线阵列归一化阵函数的通用曲线说明：第46页，共62页，2023年，2月20日，星期三关于N元直线天线阵辐射方向图的讨论：当＝0时，阵函数取最大值。1、当各阵元同相馈电，即最大辐射方向在阵的两侧：侧射阵2、当各阵元馈电相差满足最大辐射方向在阵两端：端射阵通过控制各阵元馈电电流相位差来补偿波程相位差，使各阵元辐射场在固定方向同相叠加，从而形成最大辐射。第47页，共62页，2023年，2月20日，星期三在阵元间距和工作频率固定的条件下，通过改变阵元的馈电相差，可改变天线阵的最大辐射方向——相控阵天线工作原理。3、对于任意馈电相差相控阵雷达天线结构原理第48页，共62页，2023年，2月20日，星期三5.6地面对天线特性的影响1、地面可视作导电媒质分界面，影响天线辐射特性；2、实际地面起伏不平，且导电特性各不相同；3、本章分析将地面视作无限大理想导电平面。一、远离地面架设的天线（h>>λ）

天线远地架设时，地面的影响主要为电磁传播的多径效应。若天线输入功率为，天线效率，则最大辐射方向上第49页，共62页，2023年，2月20日，星期三水平极化波R＝－1垂直（地面）极化波R＝1二、近地架设的天线天线远地架设时，地面上存在感应的传导电流而形成二次辐射源。远区辐射电场由天线和二次源共同形成。二次辐射源可由原天线对地面的镜像代替。第50页，共62页，2023年，2月20日，星期三1、镜像电流垂直电流水平电流像电流像电流2、垂直地面近地架设的天线

半波天线全波天线正像负像第51页，共62页，2023年，2月20日，星期三近地垂直架设的天线，原天线与像天线可视作等幅馈电二元天线阵，阵元间距为2h，馈电相位：1）天线长度等于半波长奇数倍时：同相；2）天线长度等于半波长偶数倍时：相差π。结论：例5-9：半波振子天线垂直架设在地表面上，架设高度H=0.25λ，0.5λ，0.75λ,λ，做出这四种情况下天线子午面（过振子轴线与地面垂直的剖面）的方向图。解：本题实际上为求解等幅同相馈电二元阵在不同阵元间距下的方向图。第52页，共62页，2023年，2月20日，星期三阵轴与振子轴重合即由前面讨论，二元阵方向函数：半波振子天线方向函数：则总的方向图因子为：用观察射线与地表面的夹角表示，则总的归一化方向函数为第53页，共62页，2023年，2月20日，星期三结论：地面以下场强为零。随着架设高度H的增加，方向图的波瓣数也增多，但天线的主向总是沿地表方向。垂直接地天线比同等臂长自由空间的对称振子天线方向系数D提高一倍。第54页，共62页，2023年，2月20日，星期三半波天线全波天线负像负像3、平行地面近地架设的天线

近地水平架设的天线，原天线与像天线可视作等幅、反向馈电二元天线阵，阵元间距为2h。结论：第