第6章复习教材

一、天线的基本理论随时间变化的电荷或电流激发出的电磁场，可以脱离场源以电磁波的形式向远处传播出去而不再返回场源，我们把这种现象称为电磁辐射。1.天线的定义

用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。2.天线的基本功能

天线应能将导波能量尽可能多的转变为电磁波能量。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匹配或与接收机匹配。天线应使电磁波尽可能集中于所需的方向上，或对所需方向的来波有最大的接受，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。3.天线的分类

如果按用途的不同，可将天线分为通信天线、广播电视天线、雷达天线等；如果按工作波长的不同，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。如果按辐射元的类型则天线大致可以分为两大类：线天线和面天线。4.天线的分析方法

用“场”的分析方法：即麦克斯韦方程加边界条件。但在实际问题中，往往将条件理想化，进行一些近似处理，从而得到近似结果。

将（A为磁矢位）代入上述第二式得

定义电标位，因而有在线性、均匀各向同性的无耗媒质中，时谐形式的麦克斯韦方程为一旦求得位函数——磁矢位和电标位，即可求得时变电场和时变磁场。

将和麦克斯韦第一方程，可以得到磁矢位的波动方程利用矢量恒等式得令因而，有洛仑兹条件(Lorentzcondition)位函数的波动方程又称为位函数的非齐次亥姆霍兹方程

(inhomogeneousHelmholtzequation)其中，为无界媒质中的波数。

类似可以得到电标位的波动方程为

设位函数由正弦变化的源所产生，上述波动方程变为如下形式

二、天线的电参数

天线的基本功能是把经馈线从发射机输送过来的高频导波能量以电磁波形式向周围定向辐射出去，或将空间的电磁波转换为高频导波能量输送给接收机。天线的电参数就是能定量表征其能量转换和定向辐射能力的量。本节内容主瓣宽度旁瓣电平前后比方向系数方向图天线效率极化特性频带宽度输入阻抗1.天线方向图(directionalpattern)

方向图：指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强即归一化场强的大小随方向变化的曲线图。

一般是三维的立体方向图。但通常情况下，均采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面即所谓“主平面”来表示。

在超高频天线中，通常采用与场矢量相平行的两个主平面，即

E平面所谓E平面就是电场矢量所在的平面。H平面所谓H平面就是磁场矢量所在的平面。

电基本振子立体方向图

沿z轴放置的电基本振子的E平面和H平面方向图。

电基本振子E面方向图在给定距离处，无关的归一化场强值电基本振子H面方向图在给定距离处，对于的归一化场强值也无关(1)主瓣宽度(mainlobewidth)天线方向图通常有一个主要最大值和若干个次要最大值。头两个零值之间的最大辐射区域是主瓣，其它次要的最大值区域都是旁瓣。主瓣宽度：通常它取方向图主瓣两个半功率(即-3dB)点之间的宽度，在场强方向图中，等于最大场强的两点之间的宽度，称为半功率波瓣宽度。旁瓣电平(sidelobelevel)：指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平，一般以分贝表示。前后比(front-to-backratio)：是指最大辐射方向(前向)电平与其相反方向(后向)电平之比，通常以分贝数表示。讨论旁瓣区是指不需要辐射的区域，所以其电平应尽可能的低，且实际天线方向图一般有这样一个规律：即离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低，在某种意义上反映了天线方向性的好坏。上述参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射的状态，但它们都不能独立地表明天线集束能量的能力。(2)方向系数

(directionalcoefficient)

设天线的归一化方向函数为，则其方向系数的一般表达式为：

方向系数

：在离天线某一距离处，实际天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S0之比，记为D，即：

结论：要使天线的方向系数大，不仅要求主瓣窄，而且要求全空间的旁瓣电平小。方向系数的常用表示法方向系数常用分贝来表示，这需要选择一个参考源，常用的参考源是各向同性辐射源和半波偶极子。通常情况下，如果不特别说明，dB指的是dBi。

若以半波偶极子(dipole，其方向系数为1.64)为参考，分贝表示为dBd，即若以各向同性源(isotropic，其方向系数为1)为参考，分贝表示为dBi，即仿照引入辐射电阻的办法，损耗电阻Rl

，天线效率为：其中，Pl为欧姆损耗。2.天线效率(efficiency)

天线效率：天线辐射功率与输入功率Pin之比，记为实际中，常用天线的辐射电阻来度量天线辐射功率的能力。辐射电阻与辐射功率的关系为

结论：要提高天线效率，应尽可能提高辐射电阻，降低损耗电阻。

3.增益系数(gaincoefficient)

增益系数：方向系数与天线效率的乘积，记为G，即结论

天线的增益系数描述了一个实际天线与理想的无方向性天线相比，在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。这就是说：一个输入功率为10W的理想的无方向性天线与一个增益为10、输入功率为1W的天线在最大辐射方向上具有相同的效果。因此，使用高增益天线可以减小输入功率。一个增益为G的天线在最大辐射方向上的场强为

4.极化和交叉极化电平

(polarizationandcross-polarizationlevel)

极化：在空间某一固定位置上，天线在最大辐射方向上的电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形，如果是直线，就称为线极化；如果是圆就称为圆极化；如果是椭圆就称为椭圆极化。天线分为：线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。

架设在地面上的天线:其辐射电场平行于地面—水平极化天线；其辐射电场垂直于地面—垂直极化天线。理想情况下，线极化意味着只有一个方向，但通常是不可能的。对线极化，交叉极化电平决定了极化的纯度。例如一个垂直极化天线，交叉极化电平（cross-polarizationlevel）是由于在水平方向有电场分量，一般交叉极化电平是一个测量值，它比同极化电平(co-polarizationlevel)要小。圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。右旋极化天线只能辐射和接收右旋极化波。当右旋极化波入射到一个对称目标上时，反射波是反旋向的。5.频带宽度(frequencybandwidth)

天线的电参数都与频率有关，也就是说，上述电参数都是针对某工作频率设计的。当工作频率偏离设计频率时，往往要引起天线各个参数的变化，例如主瓣宽度增大、旁瓣电平增高、增益系数降低、输入阻抗和极化特性变坏等。当工作频率变化时，天线的有关电参数不超出规定范围的频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。

在通信和雷达中，通常是采用线极化天线；但如果通信的一方是剧烈摆动或高速运动着的，为了提高通信的可靠性，发射和接收都应采用圆极化天线，在人造卫星、宇宙飞船和弹道导弹等空间遥测技术中，由于信号通过电离层后会产生法拉第旋转效应，因此其发射和接收也采用圆极化天线。6.输入阻抗与驻波比

(inputimpedanceandstandingwaveratio)

天线输入阻抗就是在天线的两个输入端点向网络看进去的阻抗值。

天线的输入阻抗对频率的变化往往十分敏感，当天线工作频率偏离设计频率时，天线与传输线的匹配变坏，致使传输线上电压驻波比增大，天线效率降低。通常情况下，可以容许的失配(unmatch)状态是驻波比小于1.5。

其电压驻波比为假设天线的输入阻抗为Zin，用特性阻抗为Z0的传输线将天线连接到信号源上，天线输入端反射系数为7.有效长度(effectivelength)有效长度：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。有效长度愈长，表明天线的辐射能力愈强。

有效长度是把天线在最大辐射方向上的场强和电流联系起来的一个参数。归于波腹电流Im通常，将归于输入电流I01.无线电波在自由空间的传播将收、发天线置于自由空间中，假设发射天线的增益为Gt、输入功率为Pin

，接收天线的增益系数为Gr

，并假设馈线与天线良好匹配，且两天线的最大辐射方向相对、极化最佳匹配，则在距离发射天线r处的接收天线所接收的功率为三、电波传播的基本概念自由空间的基本传输损耗(freespacepathloss)：输入功率与接收功率之比将上式取对数得结论若不考虑天线的因素，则自由空间的传输损耗，是球面波在传播的过程中，随着距离的增大能量自然扩散而引起的，它反映了球面波的扩散损耗。该损耗与电磁波的工作频率也成正比，频率愈高传输损耗愈大。

[例7-1]某卫星通信，发射天线的增益为22dB，接收天线的增益为18dB，收发距离为14500km，载波中心频率为5.904GHz，求

自由空间的基本传输损耗为多少？若发射机发射功率为25W，输入到接收机的功率为多少？

解：自由空间的基本传输损耗为接收机输入功率为前三项为自由空间损耗Lbf

，A为实际信道的损耗，不同的传播方式、传播媒质，信道的传输损耗是不同的。

2.传输媒质对电波传播的影响

在传播距离、工作频率、发射天线、输入功率和接收天线都相同的情况下，设接收点的实际场强为E、功率为，而自由空间的场强为E0、功率为Pr，信道衰减因子A为

(1)信道损耗(channelloss)(2)衰落现象衰落(fading)：一般是指信号电平随时间的随机起伏。大致可分为：吸收型衰落和干涉型衰落。

吸收型衰落：主要是由于传输媒质电参数的变化，使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起。这种机理引起的信号电平的变化较慢，称为慢衰落，它通常指信号电平的中值（五分钟中值、小时中值、月中值等）在较长时间间隔内的起伏变化。

干涉型衰落，主要由随机多径干涉现象引起的。在某些传输方式中，由于收、发两点间存在若干条传播路径，典型的如天波传播、移动通信信道等；且在这些传播方式中，传输路径具有随机性，因此使到达接收点的各路径信号的时延随机变化，致使合成信号幅度和相位都发生随机起伏。这种起伏的周期很短，信号电平变化很快，故称为快衰落。(3)传输失真(distortion)无线电波通过媒质除产生传输损耗外，还会产生失真。包括振幅失真和相位失真。产生失真的原因有：媒质的色散效应和随机多径传输效应。

色散效应：不同频率的无线电波在媒质中的传播速度有差别而引起的信号失真。一般情况下，信号带宽不能超过，称之为容许带宽，即最大时延为(4)电波传播方向的变化在研究实际传输媒质对电波传播的影响问题时，电波传播方向的变化也是重要内容之一。电波传播方向改变边缘绕射表面波爬行粗糙地面的散射四、天线

线天线8.1对称振子天线8.2阵列天线8.3直立天线与水平振子天线8.4引向天线与电视天线8.5移动通信基站天线8.6螺旋天线8.7行波天线8.8宽带天线8.9缝隙天线8.10微带天线8.11智能天线

8.1对称振子天线

对称振子(dipole)天线是由两根粗细和长度都相同的导线构成，中间为两个馈电端如图所示。这是一种得到广泛应用且结构简单的基本线天线。~~对称振子电流分布按正弦驻波分布细振子天线可看成是开路传输线逐渐张开而成8.2阵列天线

由若干辐射单元按某种方式排列所构成的系统称为天线阵(antennaarrays)。构成天线阵的辐射单元称为天线元或阵元。将形状与尺寸相同、且以相同姿态排列的各阵元称为相似元。

对称振子天线元~~~~~8.11智能天线

1、智能天线(intelligent