1、第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論 及主要特性參數(shù) 2.1 天線輻射的基本原理天線輻射的基本原理 2.2 發(fā)射天線的主要特性參數(shù)發(fā)射天線的主要特性參數(shù) 2.3 接收天線的基本原理接收天線的基本原理 習(xí)題習(xí)題2 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2.1 天線輻射的基本原理天線輻射的基本原理 2.1.1 電基本振子的輻射電基本振子的輻射 電基本振子又稱電流元或赫茲偶極子，是一段載有高頻電流的短導(dǎo)線，其長度l遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長。同時(shí)，沿振子各點(diǎn)的電流Iejt的振幅均勻分布, 相位相同。它是構(gòu)成各種線式天線的最基本單元。任何線式天線都可

2、以看成是由許多基本振子組成的， 天線在空間中的輻射場可以看作是由這些電基本振子的輻射場疊加得到的。因此，要研究各種天線的特性，首先應(yīng)了解電基本振子的輻射特性。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 電磁場理論中已給出的在球坐標(biāo)原點(diǎn)O沿z軸放置的電基本振子（如圖2-1所示）在各向同性理想均勻無限大的自由空間產(chǎn)生的各個(gè)電磁場分量為 rjrrjrjrerjrIlHHHEerjrrjIlEerrjIlE222302301sin4000sin14cos24( 2- 1-1) 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 式中: 為相移常數(shù)，=2/=/= （也是媒質(zhì)中電磁波的波數(shù)），在

3、自由空間中，媒質(zhì)的介電系數(shù)=0=10-9/36 F/m，導(dǎo)磁率=0=410-7H/m; 有關(guān)時(shí)間的因子ejt被略去; r為坐標(biāo)原點(diǎn)O至觀察點(diǎn)M的距離; 為射線OM與振子軸（即z軸）之間的夾角; 為OM在xOy平面上的投影OM與x軸之間的夾角，如圖 2-2所示; 為自由空間波長; 電場E的單位是V/m; 磁場H的單位是A/m; 下標(biāo)r、和表示球坐標(biāo)系中的各分量; I是振子上的電流，單位是A。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖 2-1 電基本振子的輻射 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖2-2 電基本振子與球坐標(biāo)系統(tǒng) 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及

4、主要特性參數(shù) 1 近區(qū)場近區(qū)場 當(dāng)r1 時(shí)，由=2/可知近區(qū)場是指r/2，即靠近電基本振子的區(qū)域，在此區(qū)域，與r-2及r-3項(xiàng)相比，r-1項(xiàng)可忽略，可認(rèn)為e-jr1。由于r很小，故只需保留式(2- 1-1）中的1/r的高次項(xiàng)，得到電基本振子的近區(qū)場表達(dá)式為 sin4sin14cos2420303rIlHrIljErIljEr(2- 1-2） 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 分析式(2- 1-2）， 可以得出以下結(jié)論： （1） 場隨距離r的增大而迅速減小。 （2） 電場滯后于磁場90，由于電場和磁場存在/2的相位差，因此坡印廷矢量是虛數(shù)， 每周期平均輻射的功率為零。 在此區(qū)域

5、，電磁能量在源和場之間來回振蕩，在一個(gè)周期內(nèi)，場源供給場的能量等于從場返回到場源的能量，能量在電場和磁場以及場與源之間交換，而沒有能量向外輻射，所以近區(qū)場也稱為感應(yīng)場。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2 遠(yuǎn)區(qū)場遠(yuǎn)區(qū)場 對(duì)于天線來說，有實(shí)用意義的是遠(yuǎn)區(qū)場，或稱輻射場。當(dāng)r/2，電磁場主要由r-1項(xiàng)決定，r-2和r-3項(xiàng)可忽略。由式(2 - 1-1）可得式(2- 1-3）: 00sin2sin60EHHEerIljEerIljErrrjrj(2- 1-3） 這里是同時(shí)將2=200，=2f=2c/，c為光速即3108 m/s代入式(2- 1-1）而得到式(2-1-3）的。 第

6、2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 分析式(2- 1-3），可以看出電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場具有如下特點(diǎn)： （1）在遠(yuǎn)區(qū)場，只有E和H兩個(gè)分量，它們在空間上相互垂直，在時(shí)間上同相位，所以其坡印廷矢量 是實(shí)數(shù)， 且指向r方向； 三者構(gòu)成右手螺旋關(guān)系，這說明電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場是一個(gè)沿著徑向向外傳播的橫電磁波， 電磁能量離開場源向空間輻射，不再返回，所以遠(yuǎn)區(qū)場又稱輻射場。 *21HESSHE,第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) （2）E/H=Z0= = 120 ()，說明輻射場的電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比是一常數(shù)，它具有阻抗的量綱，稱為波阻抗， 用Z0來表示。由于兩者的比值為一常數(shù)

7、，故在研究電基本振子的輻射場時(shí)，只需討論兩者中的一個(gè)量就可以了。例如討論E， 由E就可得出H。遠(yuǎn)區(qū)場具有與平面波相同的特性。 00/第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) （3） 輻射場的強(qiáng)度與距離成反比，即隨著距離的增大，輻射場減小。這是因?yàn)檩椛鋱鍪且郧蛎娌ǖ男问较蛲鈹U(kuò)散的，當(dāng)距離增大時(shí)，輻射能量分布到以r為半徑的更大的球面面積上。 （4） 電基本振子在遠(yuǎn)區(qū)的輻射場是有方向性的，其場強(qiáng)的大小與函數(shù)sin成正比。 在=0和180方向上，即在振子軸的方向上輻射為零，而在通過振子中心并垂直于振子軸的方向上，即=90方向上輻射最強(qiáng)。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖

8、 2-3 電基本振子的方向圖(a) 方向圖的立體模型; (b) E面方向圖; (c) H面方向圖; (d) E面直角坐標(biāo)方向圖 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2.1.2磁基本振子的輻射磁基本振子的輻射與電流元相對(duì)應(yīng)的另一類基本輻射單元稱為磁流元，又稱磁基本振子。雖然實(shí)際上并不存在磁流元，但是很多種天線，如載流圓環(huán)或隙縫天線等，它們內(nèi)部及周圍的場，都相當(dāng)于一個(gè)磁流元的場。它們的輻射場以及輻射特性，可以近似地通過與電流元的場相對(duì)比的方法簡便地得出。圖24（a）和（b）分別表示置于原點(diǎn)且尺寸相同的電基本振子和磁基本振子。圖2-5(a)和(b)分別表示電基本振子的電流和磁基本振子

9、的磁流。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖2-4 電基本振子和磁基本振子 (a) 電基本振子; (b) 磁基本振子 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖 2-5 電基本振子的電流和磁基本振子的磁流(a) 電基本振子的電流; (b) 磁基本振子的磁流 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 根據(jù)電與磁的對(duì)偶性原理，只要將電基本振子場的表達(dá)式(2-1-1)中的E換為H, H換為-E,并將電偶極矩p=Il/(j)換為磁偶極矩pm，就可以得到沿z軸放置的磁基本振子的輻射場： rjmrjmrrjmrerjrrjpjHerjrpjHerrjpjEHEE3

10、2232201sin21cos21sin40其中，pm=qml, qm為磁荷。 (214） 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 與電基本振子做相同的近似可得磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場為 rjmrjmerpHerpEsin21sin200(2- 1-5） 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2.2 發(fā)射天線的主要特性參數(shù)發(fā)射天線的主要特性參數(shù) 2.2.1 天線的方向特性及方向圖天線的方向特性及方向圖 天線輻射或接收無線電波時(shí)，一般具有方向性，即天線所產(chǎn)生的輻射場的強(qiáng)度在離天線等距離的空間各點(diǎn)，隨著方向的不同而改變，或者天線對(duì)于從不同方向傳來的等強(qiáng)度的無線電波接收的能量不同

11、。換句話說，即天線在有的方向輻射或接收較強(qiáng)， 在有的方向則輻射或接收較弱，甚至為零。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 天線的輻射與接收作用分布于整個(gè)空間， 因而天線的方向性即天線在各方向輻射（或接收）強(qiáng)度的相對(duì)大小可用方向圖來表示。 以天線為原點(diǎn)，向各方向作射線，在距離天線同樣距離但不同方向上測量輻射（或接收）電磁波的場強(qiáng)， 使各方向的射線長度與場強(qiáng)成正比，即得天線的三維空間方向分布圖。（注意： 不同長度的矢量都表示不同方向但離天線同樣遠(yuǎn)的各點(diǎn)的場強(qiáng)）。 這樣的方向圖是一空間曲面，如圖 2-6（a）所示。 也可用場強(qiáng)振幅的方向性函數(shù)表示在以天線為中心，某一恒定距離為半徑的球

12、面（處于遠(yuǎn)區(qū)場）上輻射場強(qiáng)振幅的相對(duì)分布情況。 場強(qiáng)振幅分布的方向性函數(shù)一般表示為 | ),(|),(maxEEF(2-2-1)第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖 2-6 天線空間與平面方向圖(a) 天線空間方向圖; (b) E平面方向圖; (c) H平面方向圖 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 按照該方向性函數(shù)，也可繪出天線的空間方向圖。繪制立體方向圖比較困難，通常只研究兩個(gè)互相垂直的主平面上的方向圖，這種方向圖是空間方向圖與這兩個(gè)平面的交線。 對(duì)于線式天線來說，天線的方向圖常用包括天線導(dǎo)線軸的平面及垂直于天線導(dǎo)線軸的平面，即主平面上的圖形來表示。 在圖

13、2-6所示線元（電流源或磁流源的統(tǒng)稱）的方向圖中，包括導(dǎo)線軸線的平面為xOz及yOz平面，而垂直于導(dǎo)線軸線的平面為xOy平面。與地球相比擬，前者同時(shí)包含有子午線，就稱之為子午平面E面，而將后者稱為赤道平面H面。線元的方向性函數(shù)為 sin)(),( FF第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 對(duì)于架設(shè)在地面上的天線，常采用這兩個(gè)特殊平面(即E平面和H平面)上的方向圖；對(duì)于面天線，則常將電場矢量所在的平面稱為E平面，將磁場矢量所在的平面稱為H平面。 對(duì)于強(qiáng)方向性天線，其方向圖可能包含有多個(gè)波瓣，它們分別被稱為主瓣、 副瓣及后瓣。圖 2-7表示一個(gè)極坐標(biāo)形式的方向圖。由圖可見，主瓣就是具

14、有最大輻射場強(qiáng)的波瓣。圖中的主瓣正好在=0的特殊方向上。方向圖的主瓣也可能偏離這個(gè)特殊方向，而處于某一個(gè)角度方向上。除主瓣外, 所有其他的波瓣都稱為副瓣。把處于主瓣正后方的波瓣稱為后瓣。當(dāng)后向輻射及后瓣較大時(shí)，可能造成電路串?dāng)_。為此，我們定義了天線在它正前方與正后方的輻射強(qiáng)度之比為“前后比”或“反向防護(hù)度”（或簡稱“防護(hù)度”， 通常均以分貝值表示）。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖 2-7 用極坐標(biāo)表示的天線方向圖 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖 2-8 用直角坐標(biāo)表示的天線方向圖 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 1 主瓣寬度

15、主瓣寬度 主瓣集中了天線輻射功率的主要部分。所謂主瓣寬度，就是主瓣最大輻射方向兩側(cè)、半功率點(diǎn)之間的夾角，即輻射功率密度降至最大輻射方向上功率密度一半時(shí)的兩個(gè)輻射方向間的夾角， 以20.5表示。對(duì)場強(qiáng)來說，主瓣寬度是指場強(qiáng)降至最大場強(qiáng)值的 1/ =0.707 時(shí)的兩個(gè)方向間的夾角。主瓣最大方向兩側(cè)的第一個(gè)零輻射方向間的夾角，稱為零點(diǎn)波瓣寬度，并用20表示。主瓣寬度越窄，天線的方向性就越強(qiáng)。 根據(jù)天線理論，天線在某一平面內(nèi)的主瓣寬度與天線在這一平面內(nèi)的最大尺寸和波長的比值成反比，即與L/成反比。 米波的引向天線的主瓣寬度約為幾十度到十幾度，厘米波段的拋物面天線為幾度或一度以下。 2第 2 章 天線

16、輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2 副瓣電平副瓣電平 副瓣(又稱旁瓣)電平的定義是：最大副瓣的極大值與主瓣最大值之比的對(duì)數(shù)值， 即 )(lg20)(lg100101dBEEdBSS或式中：S1和S0分別代表副瓣和主瓣的功率通量密度；E1和E0分別代表副瓣和主瓣的場強(qiáng)。副瓣代表天線在不需要的方向上的輻射或接收。 必須盡可能地使方向圖中的副瓣小些。有了副瓣不僅會(huì)使一部分輻射能量白白向空間不必要的方向散失，而且在接收時(shí)，外部干擾信號(hào)會(huì)從副瓣進(jìn)入接收機(jī)，影響設(shè)備的正常工作。如果是雷達(dá)天線，則還可能引起測定目標(biāo)方向的錯(cuò)誤。 所以，副瓣電平是天線的一個(gè)重要指標(biāo)。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及

17、主要特性參數(shù) 3 方向性系數(shù)方向性系數(shù) 方向圖雖然可以形象地表示天線的方向性， 但是不便于在不同天線之間進(jìn)行比較。為了定量地比較不同天線的方向性，引入了“方向性系數(shù)”這個(gè)參數(shù)，它表明天線在空間集中輻射的能力。 在確定方向性系數(shù)時(shí)，通常我們以理想的無方向性天線作為參考的標(biāo)準(zhǔn)。無方向性天線在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度相等，其方向圖為一球面。我們把無方向性天線的方向性系數(shù)取為1。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 方向性系數(shù)的定義是：設(shè)被研究天線的輻射功率P和作為參考的無方向性天線的輻射功率P0相等，即P= P0時(shí)， 被研究天線在最大輻射方向上產(chǎn)生的功率通量密度（或場強(qiáng)的平方）與無方向性天

18、線在同一點(diǎn)處輻射的功率通量密度之比，稱為天線的方向性系數(shù)D，即 00202maxmax0maxmaxPPPPEEDDSSDD或 ( 2- 2-2) 由定義可以看出，比較是在兩天線的總輻射功率相等，觀察點(diǎn)對(duì)天線的距離相等的條件下進(jìn)行的。一個(gè)天線的方向性系數(shù)的大小， 表示為在輻射功率相同的條件下，有方向性天線在它的最大輻射方向上的輻射功率密度與無方向性天線在相應(yīng)方向上輻射功率密度之比，如式(2-2-2）所示。D可以用分貝表示，即D（dB）=10 lgD。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 方向性系數(shù)D也可以表示在輻射場中同一點(diǎn)要獲得相同的場強(qiáng)E=E0時(shí)，有方向性天線的輻射功率P比

19、無方向性天線的輻射功率P0節(jié)省的倍數(shù), 即 00EEPPD 一般來說，米波引向天線的方向性系數(shù)為幾十，米波同相水平天線陣為幾百，微波拋物面天線可達(dá)幾千、幾萬或更高。 由方向性系數(shù)的定義可得 PErD602max2(2- 2-3) 其中，r為空間任意一點(diǎn)距天線的距離。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2.2.2 天線的增益與天線的效率天線的增益與天線的效率 1 天線效率天線效率 天線效率定義為：天線輻射功率P與輸入到天線的總功率Pi之比, 記為, 即 LiAPPPPP式中， Pi為輸入功率, PL為歐姆損耗功率。 PL是由天線的銅耗、介質(zhì)損耗、加載元件的損耗以及接地?fù)p耗等產(chǎn)生

20、的。 (2-2-4)第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 實(shí)際中常用天線的輻射電阻R來度量天線輻射功率的能力。天線的輻射電阻是一個(gè)虛擬的量，定義為: 設(shè)有一個(gè)電阻R， 當(dāng)通過它的電流等于天線上的最大電流Im時(shí)，其損耗的功率就等于其輻射功率。顯然，輻射電阻的高低是衡量天線輻射能力的一個(gè)重要指標(biāo)，即輻射電阻越大，天線的輻射能力越強(qiáng)。 由上述定義得輻射電阻與輻射功率的關(guān)系為 PIPm221(2- 2-5) 則輻射電阻為 22mIPP(2- 2-6) 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 同理, 耗損電阻RL為 22mLIPP (2- 2-7) 將上述兩式代入式(2- 2-

21、4）, 得天線功率為 RRRRRLLA/11(2- 2-8) 可見，要提高天線效率，應(yīng)盡可能提高輻射電阻R，降低耗損電阻RL。 注意，上式中R和RL應(yīng)用同一個(gè)電流來計(jì)算。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 一般來說，長、中波以及電尺寸很小的天線，R均較小， 相對(duì)R而言，地面及鄰近物體的吸收所造成的損耗電阻較大， 因此天線效率很低，可能僅有百分之幾。這時(shí)需要采用一些特殊措施，如通過鋪設(shè)地網(wǎng)和設(shè)置頂負(fù)載來改善其效率。而超短波和微波天線的電尺寸可以做得很大，輻射能力強(qiáng)，其效率可接近于1。 如果計(jì)入傳輸系統(tǒng)的效率(設(shè)為)，則整個(gè)天饋系統(tǒng)的效率為 A (2- 2-9) 第 2 章 天線

22、輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2 天線增益天線增益 天線的增益又稱增益系數(shù)(G)。 增益的定義是：在輸入功率相等（Pi=Pi0）的條件下，天線在最大輻射方向上某點(diǎn)的功率密度和理想的無方向性天線在同一點(diǎn)處的功率密度（或場強(qiáng)振幅的平方值）之比, 即 i02maxmax200iPPESGSE也可以定義為：在天線最大輻射方向上的某點(diǎn)，輻射場強(qiáng)相同時(shí)，無方向性天線所需要的輸入功率Pi0與所研究的實(shí)際天線需要的輸入功率Pi之比, 即 輻射點(diǎn)場強(qiáng)相同iiPPG0第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)與天線效率的乘積，記為G， 即

23、 G=DA (2- 2-10) 由上式可見：天線方向系數(shù)和效率愈高，則增益系數(shù)愈高?，F(xiàn)在我們來研究增益系數(shù)的物理意義。 將方向系數(shù)公式(2- 2-3）和效率公式(2- 2-4）代入上式得 iPErG60|2max2 (2- 2-11) 由上式可得一個(gè)實(shí)際天線在最大輻射方向上的場強(qiáng)為 rPDrGPEiAi6060|max (2- 2-12) 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 假設(shè)天線為理想的無方向性天線，即D=1，=1，G=1， 則它在空間各方向上的場強(qiáng)為 rPEi60max(2- 2-13) 可見，天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無方向性天線相比，在最大輻射方向上將輸入功率放

24、大的倍數(shù)。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 若不特別說明，則某天線的增益系數(shù)一般就是指該天線在最大輻射方向的增益系數(shù)。通常所指的增益系數(shù)均是以理想天線作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的，但有些廠家也采用自由空間半波對(duì)稱振子作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。半波對(duì)稱振子的方向性系數(shù)等于1.64。以它作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所得的增益系數(shù)GA和用點(diǎn)源作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的增益系數(shù)G之間的關(guān)系為 64. 1GGA 增益系數(shù)也可用分貝表示， 即 G（dB）=10lgG 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2.2.3 天線的阻抗特性天線的阻抗特性 1 輸入阻抗輸入阻抗 所謂天線輸入阻抗，就是指加在天線輸入端的高頻電壓與輸入端

25、電流之比(如圖 2 - 9所示)，即 inininUZI 通常，天線輸入阻抗分為電阻及電抗兩部分, 即Zin=Rin+jXin。其中, Rin為輸入電阻, Xin為輸入電抗。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 對(duì)比電路理論，把輸入到天線上的功率看作為被一個(gè)阻抗所吸收，則天線可以被看成是一個(gè)等效阻抗。天線與饋線相連， 又可以把天線看成是饋線的負(fù)載。于是，天線的輸入阻抗就成為饋線的負(fù)載阻抗。 要使天線效率高，就必須使天線與饋線良好匹配，也就是要使天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，這樣才能使天線獲得最大功率。 天線的輸入阻抗決定于天線的結(jié)構(gòu)、工作頻率以及天線周圍物體的影響等。僅僅

26、在極少數(shù)情況下才能嚴(yán)格地按理論計(jì)算出來，一般采用近似方法計(jì)算或直接由實(shí)驗(yàn)測定。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 為實(shí)現(xiàn)和饋線間的匹配，需要時(shí)可用匹配網(wǎng)絡(luò)消去天線的電抗并使電阻等于饋線的特性阻抗?？诿嫣炀€的阻抗特性可用饋電系統(tǒng)中某點(diǎn)的電壓駐波比或反射系數(shù)來表示，當(dāng)|=0， 駐波系數(shù)為1時(shí)，稱作匹配。 在分析計(jì)算天線的輸入阻抗時(shí)，可考慮把天線分成行波型及駐波型兩類。行波型天線包括菱形天線、魚骨天線等。已知， 理想的行波傳輸線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，且與工作頻率無關(guān)。而菱形天線相似于一幅中間張開的行波傳輸線。 張開后它將具有輻射能力，但不再保持理想行波傳輸線的特點(diǎn)。 它的

27、輸入阻抗將發(fā)生改變，不再與傳輸線的特性阻抗相等，且將隨工作頻率變化。由于變化程度較小，往往近似認(rèn)為它的輸入阻抗等于對(duì)應(yīng)的等效傳輸線的特性阻抗。另一類駐波型天線如對(duì)稱振子，相似于一副張開的終端開路傳輸線。這一類天線的輸入阻抗隨著工作頻率或天線的電氣尺寸的改變產(chǎn)生十分劇烈的變化。第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖 2-9 天線的輸入阻抗 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2 輻射阻抗輻射阻抗 如果把天線向外輻射的功率看作為被某個(gè)等效阻抗所吸收， 則稱此等效阻抗為輻射阻抗，即P=I2R。 I是電流的有效值。 輻射阻抗的精確計(jì)算相當(dāng)困難， 通常也是采用近似方法計(jì)算

28、。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2.2.4 天線的有效長度天線的有效長度 圖 2-10 天線的有效長度Le 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 對(duì)于等效天線, 其電流分布與電流元相同，其最大輻射方向的場強(qiáng)為 dzzIrdEELLLL)(602/2/2/2/max(2- 2-15） 對(duì)于全長為L，電流分布I(z)為不均勻的實(shí)際天線，其最大輻射方向上的場強(qiáng)為 (2- 2-14） rILEe60max式中, I為計(jì)算有效長度的參考電流。當(dāng)以天線輸入端電流（I=IA）為參考時(shí)，令上兩式相等，可得 dzzILILLeA)(2/2/(2- 2-16） 第 2 章 天

29、線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 則實(shí)際天線的有效長度為 dzzIILLLAe)(12/2/(2- 2-17） 由式(2-2-16）可見，有效長度與參考電流的乘積IALe等于圖2-10中虛線所圍矩形的面積。這個(gè)面積與實(shí)際電流分布I(z)曲線所圍面積相等。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 式(2-2-17）也表明，天線的有效長度與參考電流的選擇有關(guān)。對(duì)于其上的電流近似按正弦規(guī)律分布的振子天線來說，參考電流的選擇根據(jù)振子的電長度決定：當(dāng)天線的電長度較短（對(duì)稱天線的一個(gè)臂長l=L/2/4）時(shí)，天線輸入電流的幅度為一適中值。此時(shí)，以使用輸入電流作參考為好。反之，當(dāng)天線很長， 尤

30、其是當(dāng)其臂長接近或等于半波長的整數(shù)倍時(shí)，輸入電流接近或等于零，若用它作為參考，則導(dǎo)出的Le值將趨于無窮大，這是不切實(shí)際的。此時(shí)，宜采用波腹電流作為參考。 當(dāng)實(shí)際天線直立于地面使用時(shí)，常常改用有效高度，并以符號(hào)he代替Le。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2.2.5 天線的極化特性天線的極化特性 1. 線極化線極化 當(dāng)電場矢量只是大小隨時(shí)間變化而取向不變，其端點(diǎn)的軌跡為一直線時(shí)，稱為線極化。對(duì)于線極化波，電場矢量在傳播過程中總是在一個(gè)確定的平面內(nèi)，這個(gè)平面就是電場矢量的振動(dòng)方向和傳播方向所決定的平面，常稱為極化平面。因此線極化又稱為平面極化。 當(dāng)電磁波的電場矢量與地面垂直時(shí)

31、，稱為垂直極化，與地面平行時(shí)稱為水平極化，如圖 2-11所示。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖 2-11 垂直極化與水平極化(a) 垂直極化； (b) 水平極化 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2. 圓極化圓極化 當(dāng)電場振幅為常量而電場矢量以角速度圍繞傳播方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，稱為圓極化。在圓極化的情況下，如果在垂直于傳播方向的某一固定平面上觀察電磁波的電場矢量，則其端點(diǎn)隨著時(shí)間變化在該平面上畫出的軌跡是一個(gè)圓，如圖2-12（a）所示。 如果在某一時(shí)刻沿傳播方向把各處的電場矢量畫出來，則電場矢量端點(diǎn)的軌跡為螺旋線，如圖2-12（b）所示。矢量端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)方向與傳播

32、方向成右手螺旋關(guān)系的叫右旋圓極化波，成左手螺旋關(guān)系的叫左旋圓極化波。圖2-12（b）所表示的就是右旋圓極化波。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖 2-12 圓極化波 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 3. 橢圓極化橢圓極化 在一個(gè)周期內(nèi)，電場矢量的大小和方向都在變化，在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，電場矢量端點(diǎn)的軌跡為一橢圓，則稱為橢圓極化波。 橢圓極化波可以看作是兩個(gè)頻率相同，但振幅不等、相位不同的互相垂直的線極化波合成的結(jié)果。 極化問題具有重要的意義。例如在水平極化電波的電磁場中放置垂直的振子天線，則天線不會(huì)感應(yīng)出電流；接收天線的振子方向與極化方向愈一致(

33、也叫極化匹配)，則在天線上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢愈大。否則將產(chǎn)生“極化損耗”，使天線不能有效地接收，如圖 2-11所示。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 不同極化形式的天線也可以互相配合使用，如線極化天線可以接收?qǐng)A極化波，但效率較低，因?yàn)橹唤邮盏絻煞至恐械囊粋€(gè)分量。圓極化天線可以有效地接收旋向相同的圓極化波或橢圓極化波；若旋向不一致則幾乎不能接收。 當(dāng)圓極化波入射到一個(gè)對(duì)稱目標(biāo)上時(shí)，反射波是反向旋轉(zhuǎn)的。在傳播電視信號(hào)時(shí)，利用這一特性可以克服由反射所引起的重影。一般來說，圓極化天線難以輻射純圓極化波，其實(shí)際輻射的是橢圓極化波，這對(duì)利用天線的極化特性實(shí)現(xiàn)天線間的電磁隔離是不利的，所

34、以對(duì)圓極化通常又引入橢圓度參數(shù)。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 在通信和雷達(dá)中，通常采用線極化天線。但如果通信的一方是劇烈擺動(dòng)或高速運(yùn)動(dòng)著的，例如在人造衛(wèi)星、宇宙飛船和彈道導(dǎo)彈等空間遙測技術(shù)中，這些物體在空中沿一定軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，其天線的指向經(jīng)常改變，考慮到地磁的影響，電波信號(hào)通過電離層后會(huì)產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，極化平面會(huì)發(fā)生變化， 因此為了提高通信的可靠性，發(fā)射和接收都應(yīng)采用圓極化天線。 如果雷達(dá)是為了干擾和偵察對(duì)方目標(biāo)，也要使用圓極化天線。 采用圓極化天線來跟蹤，不會(huì)使目標(biāo)丟失。采用圓極化天線， 可以接收任意取向的線極化波。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參

35、數(shù) 2.2.6 天線的頻帶寬度天線的頻帶寬度 天線的頻帶寬度是一個(gè)頻率范圍。在這個(gè)范圍里，天線的各種特性參數(shù)應(yīng)滿足一定的要求標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)， 往往會(huì)引起天線參數(shù)的變化，例如主瓣寬度增大、副瓣電平增高、增益系數(shù)降低、輸入阻抗和極化特性變壞、輸入阻抗與饋線失配加劇、方向性系數(shù)和輻射效率下降等等。 天線的頻帶寬度的定義為：中心頻率兩側(cè)，天線的特性下降到還能接受的最低限時(shí)兩頻率間的差值。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 因?yàn)樘炀€的各個(gè)特性指標(biāo)（均是工作頻率的函數(shù)）隨頻率變化的方式不同，所以天線的頻帶寬度不是惟一的。對(duì)應(yīng)于天線的不同特性， 有不同的頻帶寬度， 在實(shí)際中

36、應(yīng)根據(jù)具體情況而定。通?？蓪⑺譃閮深悾焊鶕?jù)天線方向性的變化確定的叫“方向性頻寬”， 根據(jù)天線輸入阻抗的變化確定的叫“阻抗頻寬”。 例如，全長小于或接近于半波長的對(duì)稱振子天線，它的方向圖隨頻率變化得很緩慢，但它的輸入阻抗的變化非常劇烈， 因而它的頻帶寬度常根據(jù)輸入阻抗的變化確定；對(duì)于幾何尺寸遠(yuǎn)大于波長的天線或天線陣，它們的輸入阻抗可能對(duì)頻率不敏感， 天線的頻帶寬度主要根據(jù)波瓣寬度的變化、副瓣電平的增大及主瓣偏離主輻射方向的程度等因素確定；對(duì)于圓極化天線，其極化特性常成為限制頻寬的主要因素。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 對(duì)寬頻帶天線來說，天線的頻帶寬度常用保持所要求特性指

37、標(biāo)的最高與最低頻率之比表示。例如10 1的頻帶寬度表示天線的最高可用頻率為最低的10倍。對(duì)于窄頻帶天線，常用最高、最低可用頻率的差2f與中心頻率f0之比，即相對(duì)帶寬的百分?jǐn)?shù)表示，即 %10020ff第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2.3 接收天線的基本原理接收天線的基本原理 2.3.1 天線接收無線電波的基本原理天線接收無線電波的基本原理 圖 2-13 天線接收原理示意圖 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 傳來的電磁波的入射電場可分為兩個(gè)分量：一個(gè)是垂直于入射天線與天線軸所構(gòu)成平面的分量E1，另一個(gè)是在上述平面內(nèi)的分量E2。只有與天線軸線平行的電場切線分量

38、Ez=E2sin才能在天線上激起電流，在這個(gè)平行分量的作用下，天線元dz上將感應(yīng)電動(dòng)勢Ezdz，該電動(dòng)勢在負(fù)載Z中產(chǎn)生的電流為dI。感應(yīng)電動(dòng)勢是分布在整個(gè)天線導(dǎo)體上的，如果能將每個(gè)基本元感應(yīng)的電動(dòng)勢在Z中產(chǎn)生的電流dI疊加，則通過積分而得到在Z中產(chǎn)生的總電流即為 dII (2- 3-1） 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 這一分析過程稱為感應(yīng)電動(dòng)勢法。應(yīng)當(dāng)指出的是，在天線各基本元上電場的切線分量Ez的相位是不同的，這是由于到達(dá)各基本元的射線有行程差，而射線的行程差又是波傳來方向（，）的函數(shù)，這說明接收天線也是有方向性的。由于天線的幾何形狀、尺寸等的不同，各基本元感應(yīng)的電動(dòng)勢又

39、是分布在整個(gè)天線上的，它們在負(fù)載中產(chǎn)生的電流也不同，因此， 負(fù)載中的總電流必然和天線的形狀及尺寸有密切關(guān)系。除了一些簡單形狀的直線天線外，對(duì)于復(fù)雜的天線，如果用感應(yīng)電動(dòng)勢法來分析，其過程也將很復(fù)雜。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2.3.2 接收天線與發(fā)射天線的互易性接收天線與發(fā)射天線的互易性 接收天線和發(fā)射天線的作用是一個(gè)可逆過程，也就是說發(fā)射天線與接收天線具有互易性?；ヒ自硎蔷€性電路的一個(gè)定理?；ヒ锥ɡ碇赋觯喝鐖D2-14所示，如果在線性無源二端網(wǎng)絡(luò)的端口1-1上加電動(dòng)勢e1，設(shè)在接收端口2-2的負(fù)載Z2中所產(chǎn)生的電流為I12；如果把電動(dòng)勢e2加到端口2-2上，設(shè)在接

40、于端口1-1的負(fù)載上產(chǎn)生的電流為21，則依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的互易定理，e、e和12、21間有如下關(guān)系 212121IeIe當(dāng)e1=e2 時(shí)，I12=I21。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 圖 2-14 網(wǎng)絡(luò)理論中的互易定理 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 設(shè)兩個(gè)任意相同或不相同的天線1和2，安放在任意的相對(duì)位置，且相距很遠(yuǎn)，如圖2-15所示，其中一個(gè)作發(fā)射天線，另一個(gè)作接收天線。假設(shè)兩天線間沒有其他場源，空間的媒質(zhì)為線性且各向同性，則兩天線滿足互易定理的條件，下面討論兩種情況: （1）天線1是發(fā)射天線，天線2是接收天線，如圖2-15（a）所示。把電動(dòng)勢e接在天

41、線1的輸入端，則天線1的輸入端電流為 111inZZeI式中：Z1是e1的內(nèi)阻；Zin1是天線1的輸入阻抗。這時(shí)在天線2處產(chǎn)生的電場為E12。在電場E12的作用下，在接收天線負(fù)載Z2L上產(chǎn)生的電流為I12。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) （2）天線2是發(fā)射天線，天線1是接收天線，如圖 2-15（b）所示。把電動(dòng)勢e加在天線2的輸入端，在天線2輸入端的電流為 2222inZZeI式中：Z2是e2的內(nèi)阻，Zin2是天線2的輸入阻抗。這時(shí)在天線1處產(chǎn)生的電場為E21。同理，在電場E21的作用下，在接收天線負(fù)載Z1L上產(chǎn)生的電流為I21。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主

42、要特性參數(shù) 圖 2-15 用互易定理法分析天線 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 根據(jù)互易定理可以得出：同一個(gè)天線既可以用作發(fā)射， 也可以用作接收。對(duì)同一天線不論用作發(fā)射或用作接收，性能都是相同的，即天線的特性參數(shù)不變，如方向特性、阻抗特性、極化特性、通頻帶特性、 等效長度、 增益等都相同。 例如，天線用作發(fā)射時(shí)，某一方向輻射最強(qiáng)；反過來用作接收時(shí)，也是該方向接收最強(qiáng)。因此，利用互易定理由天線的發(fā)射特性去分析天線的接收特性是分析接收天線的一個(gè)最簡易的方法。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2.3.3 接收天線的某些特殊要求接收天線的某些特殊要求 1 天線的

43、有效面積天線的有效面積 有效接收面積是接收天線的一個(gè)特殊的參數(shù)。與前述的有效長度相類似，在面式天線中常使用有效接收面積來表示接收天線接收空間中電磁波的能力。設(shè)天線以最大接收方向?qū)?zhǔn)來波方向，天線與負(fù)載完全匹配且無損耗時(shí)，天線的最大接收功率為Pmax。設(shè)想此功率是由一塊與來波方向成垂直的面積所接收， 則稱此面積為接收天線的有效面積Ae，定義為 SPAemax即Ae是接收的最大功率Pmax和接收點(diǎn)功率通量密度S之比。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 應(yīng)注意的是，有效接收面積是天線處于最大接收方向且負(fù)載與天線相匹配時(shí)計(jì)算得到的結(jié)果。 Ae既稱作有效面積， 也稱作有效孔徑。根據(jù)Ae

44、的定義，可以導(dǎo)出有效面積Ae與方向性系數(shù)D之間的關(guān)系為 42DAe該式表明，如果已知天線的方向性系數(shù)D，就可知道天線的有效接收面積Ae。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 2 等效噪聲溫度等效噪聲溫度 接收天線的另一特殊參數(shù)是噪聲溫度。 接收天線的等效噪聲溫度是反映天線接收微弱信號(hào)性能的重要電參數(shù)。在衛(wèi)星通信、射電天文和超遠(yuǎn)程雷達(dá)及微波遙感等設(shè)備中，由于作用距離甚遠(yuǎn)，因此天線接收的無線電信號(hào)電平很弱，此時(shí)用方向系數(shù)已不能判別天線性能的優(yōu)劣， 而必須以天線輸送給接收機(jī)的信號(hào)功率與噪聲功率之比來衡量天線的性能。等效噪聲溫度即是表征天線向接收機(jī)輸送噪聲功率的參數(shù)。不同波源發(fā)出的能量被天線截取后，在它的輸入端呈現(xiàn)為天線的噪聲功率。 第 2 章 天線輻射與接收的基本理論及主要特性參數(shù) 接收天線把從周圍空間接收到的噪聲功率送到接收機(jī)的過程類似于噪聲電阻把噪聲功率輸送給與其相連的電阻網(wǎng)絡(luò)的過程。因此，接收天線等效為一個(gè)溫度為Te的電阻，天線向與其匹配的接收機(jī)輸送的噪聲功率Pn就等于該電阻所輸送的最大噪聲功率，即 fKTPben或