1、第1章 天線基礎(chǔ)知識,1.1 天線的電參數(shù) 1.2 天線輻射基礎(chǔ) 1.3 常見天線分類 1.4 陣列天線 1.5 智能天線,1.1 發(fā)射天線的電參數(shù),描述天線工作特性的參數(shù)稱為天線電參數(shù)(Basic Antenna Parameters)，又稱電指標。它們是定量衡量天線性能的尺度。我們有必要了解天線電參數(shù)，以便正確設(shè)計或選擇天線。大多數(shù)天線電參數(shù)是針對發(fā)射狀態(tài)規(guī)定的，以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)變成空間電波能量以及定向輻射的能力。下面介紹發(fā)射天線的主要電參數(shù)，并且以電基本振子為例說明之。,1.1.1 方向函數(shù) 天線輻射出去的電磁波雖然是一球面波，但卻不是均勻球面波，因此，任何一個天線的輻射場都具

2、有方向性。 所謂方向性函數(shù)，就是在相同距離r的條件下天線輻射場的相對值與空間方向（俯仰角、方位角）的關(guān)系f(,)，如圖1所示。,圖 1 基本電振子,1.1.2 方向圖 將方向函數(shù)用曲線描繪出來，稱之為方向圖(FileldPattern)。方向圖就是與天線等距離處，天線輻射場大小在空間中的相對分布隨方向變化的圖形。依據(jù)歸一化方向函數(shù)而繪出的為歸一化方向圖。 變化及得出的方向圖是立體方向圖。對于電基本振子，由于歸一化方向函數(shù)F(,)=|sin|，因此其立體方向圖如圖2所示。,圖2 基本振子立體方向圖,在實際中，工程上常常采用兩個特定正交平面方向圖。在自由空間中，兩個最重要的平面方向圖是E面和H面方

3、向圖。E面即電場強度矢量所在并包含最大輻射方向的平面；H面即磁場強度矢量所在并包含最大輻射方向的平面。 方向圖可用極坐標繪制，角度表示方向，矢徑表示場強大小。這種圖形直觀性強，但零點或最小值不易分清。方向圖也可用直角坐標繪制，橫坐標表示方向角，縱坐標表示輻射幅值。由于橫坐標可按任意標尺擴展，故圖形清晰。如圖3所示，對于球坐標系中的沿z軸放置的電基本振子而言，E面即為包含z軸的任一平面，例如yOz面，,此面的方向函數(shù)FE()=|sin|。而H面即為xOy面，此面的方向函數(shù)FH()=1，如圖4所示，H面的歸一化方向圖為一單位圓。E面和H面方向圖就是立體方向圖沿E面和H面兩個主平面的剖面圖。,圖3

4、電基本振子E平面方向圖,圖4 電基本振子H平面方向圖,有時還需要討論輻射的功率密度（坡印廷矢量模值）與方向之間的關(guān)系，因此引進功率方向圖（Power Pattern）(,)。容易得出，它與場強方向圖之間的關(guān)系為 (,)=F2(,) 電基本振子E平面功率方向圖也如圖3所示。,1.1.3 方向圖參數(shù) 實際天線的方向圖要比電基本振子的復(fù)雜，通常有多個波瓣，它可細分為主瓣、副瓣和后瓣，如圖5所示。用來描述方向圖的參數(shù)通常有： (1)零功率點波瓣寬度（Beam Widthbetween FirstNulls,BWFN)20E或20H(下標E、H表示E、H面，下同）：指主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾

5、角。,圖5 天線方向圖的一般形狀,(2)半功率點波瓣寬度（HalfPower Beam Width, HPBW）20.5E或20.5H:指主瓣最大值兩邊場強等于最大值的0.707倍（或等于最大功率密度的一半）的兩輻射方向之間的夾角，又叫3分貝波束寬度。如果天線的方向圖只有一個強的主瓣，其它副瓣均較弱，則它的定向輻射性能的強弱就可以從兩個主平面內(nèi)的半功率點波瓣寬度來判斷。,(3)副瓣電平（Side Lobe Lever,SLL）:指副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般以分貝表示，即,（128）,式中，Sav,max2和Sav,max分別為最大副瓣和主瓣的功率密度最大值；Emax2和Emax分別為最大

6、副瓣和主瓣的場強最大值。副瓣一般指向不需要輻射的區(qū)域，因此要求天線的副瓣電平應(yīng)盡可能地低。 （4）前后比:指主瓣最大值與后瓣最大值之比，通常也用分貝表示。,1.1.4 方向系數(shù) 上述方向圖參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映方向圖中特定方向的輻射強弱程度，未能反映輻射在全空間的分布狀態(tài)，因而不能單獨體現(xiàn)天線的定向輻射能力。為了更精確地比較不同天線之間的方向性，需要引入一個能定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)，這就是方向系數(shù)(Directivity)。,方向系數(shù)的定義是：在同一距離及相同輻射功率的條件下,某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax（或場強|Emax|2的平方

7、）和無方向性天線(點源)的輻射功率密度S0（或場強|E0|2的平方）之比，記為D。用公式表示如下：,（1）,1.1.5 天線效率 一般來說,載有高頻電流的天線導(dǎo)體及其絕緣介質(zhì)都會產(chǎn)生損耗，因此輸入天線的實功率并不能全部地轉(zhuǎn)換成電磁波能量?？梢杂锰炀€效率(Efficiency)來表示這種能量轉(zhuǎn)換的有效程度。天線效率定義為天線輻射功率Pr與輸入功率Pin之比，記為A，即,1.1.6 增益系數(shù) 方向系數(shù)只是衡量天線定向輻射特性的參數(shù)，它只決定于方向圖；天線效率則表示了天線在能量上的轉(zhuǎn)換效能；而增益系數(shù)(Gain)則表示了天線的定向收益程度。增益系數(shù)的定義是：在同一距離及相同輸入功率的條件下,某天線在

8、最大輻射方向上的輻射功率密度Smax(或場強|Emax|2的平方）和理想無方向性天線(理想點源)的輻射功率密度S0（或場強|E0|2的平方）之比，記為G。用公式表示如下：,式中Pin、Pin0分別為實際天線和理想無方向性天線的輸入功率。理想無方向性天線本身的增益系數(shù)為1。 考慮到效率的定義，在有耗情況下，功率密度為無耗時的A倍，,由此可見，增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換效率和方向特性的參數(shù)。,1.1.7 天線的極化 天線的極化(Polarization)是指該天線在給定方向上遠區(qū)輻射電場的空間取向。一般而言，特指為該天線在最大輻射方向上的電場的空間取向。實際上，天線的極化隨著偏離最大輻射方向而

9、改變，天線不同輻射方向可以有不同的極化。,所謂輻射場的極化，即在空間某一固定位置上電場矢量端點隨時間運動的軌跡，按其軌跡的形狀可分為線極化、圓極化和橢圓極化，其中圓極化還可以根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向分為右旋圓極化和左旋圓極化。就圓極化而言，一般規(guī)定：若手的拇指朝向波的傳播方向，四指彎向電場矢量的旋轉(zhuǎn)方向，這時若電場矢量端點的旋轉(zhuǎn)方向與傳播方向符合右手螺旋，則為右旋圓極化，若符合左手螺旋，則為左旋圓極化。,圖6顯示了某一時刻，以+z軸為傳播方向的x方向線極化的場強矢量線在空間的分布圖。圖7和圖8顯示了某一時刻，以+z軸為傳播方向的右、左旋圓極化的場強矢量線在空間的分布圖。要注意到，固定時間的場強矢量線在空

10、間的分布旋向與固定位置的場強矢量線隨時間的旋向相反。橢圓極化的旋向定義與圓極化類似。,圖6 某一時刻x方向線極化的場強矢量線在空間的分布,圖7 某一時刻右旋圓極化的場強矢量線在 空間的分布圖(以z軸為傳播方向),圖8 某一時刻左旋圓極化的場強矢量線在空 間的分布圖(以z軸為傳播方向),天線不能接收與其正交的極化分量。例如，線極化天線不能接收來波中與其極化方向垂直的線極化波；圓極化天線不能接收來波中與其旋向相反的圓極化分量，對橢圓極化來波，其中與接收天線的極化旋向相反的圓極化分量不能被接收。極化失配意味著功率損失。為衡量這種損失，特定義極化失配因子p（Polarizationmismatch F

11、actor），其值在01之間。,1.1.8 輸入阻抗與輻射電阻 ; 天線通過傳輸線與發(fā)射機相連，天線作為傳輸線的負載，與傳輸線之間存在阻抗匹配問題。天線與傳輸線的連接處稱為天線的輸入端，天線輸入端呈現(xiàn)的阻抗值定義為天線的輸入阻抗(Input Resistance)，即天線的輸入阻抗Zin為天線的輸入端電壓與電流之比：,其中，Rin、Xin分別為輸入電阻和輸入電抗，它們分別對應(yīng)有功功率和無功功率。 有功功率以損耗和輻射兩種方式耗散掉，而無功功率則駐存在近區(qū)中。天線的輸入阻抗決定于天線的結(jié)構(gòu)、工作頻率以及周圍環(huán)境的影響。輸入阻抗的計算是比較困難的，因為它需要準確地知道天線上的激勵電流。除了少數(shù)天線

12、外，大多數(shù)天線的輸入阻抗在工程中采用近似計算或?qū)嶒灉y定。,輻射電阻,將天線輻射功率等效為一個電阻吸收的功率，這個等效電阻就稱為天線的輻射電阻。輻射功率與輻射電阻之間的關(guān)系 輻射電阻可以作為天線輻射能力的表征。,1.1.9 頻帶寬度 天線的所有電參數(shù)都和工作頻率有關(guān)。任何天線的工作頻率都有一定的范圍，當工作頻率偏離中心工作頻率f0時，天線的電參數(shù)將變差，其變差的容許程度取決于天線設(shè)備系統(tǒng)的工作特性要求。當工作頻率變化時，天線的有關(guān)電參數(shù)變化的程度在所允許的范圍內(nèi)，此時對應(yīng)的頻率范圍稱為頻帶寬度(Bandwidth)。根據(jù)天線設(shè)備系統(tǒng)的工作場合不同，影響天線頻帶寬度的主要電參數(shù)也不同。,根據(jù)頻帶寬

13、度的不同，可以把天線分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。若天線的最高工作頻率為fmax，最低工作頻率為fmin，對于窄頻帶天線，常用相對帶寬，即(fmax-fmin)/f0100%來表示其頻帶寬度。而對于超寬頻帶天線，常用絕對帶寬，即fmax/fmin來表示其頻帶寬度。 通常，相對帶寬只有百分之幾的為窄頻帶天線，例如引向天線；相對帶寬達百分之幾十的為寬頻帶天線，例如螺旋天線；絕對帶寬可達到幾個倍頻程的稱為超寬頻帶天線，例如對數(shù)周期天線。,互易定理與接收天線的電參數(shù),互易定理 接收天線工作的物理過程是，天線導(dǎo)體在空間電場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并在導(dǎo)體表面激勵起感應(yīng)電流,在天線的輸入端產(chǎn)生

14、電壓，在接收機回路中產(chǎn)生電流。所以接收天線是一個把空間電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻電流能量的轉(zhuǎn)換裝置，其工作過程就是發(fā)射天線的逆過程。,由于天線無論作為發(fā)射還是作為接收，應(yīng)該滿足的邊界條件都是一樣的，因此天線在接收狀態(tài)下的電流分布也應(yīng)該和發(fā)射時的相同。這就意味著任意類型的天線用作接收天線時，它的極化、方向性、阻抗特性等均與它用作發(fā)射天線時的相同。這種同一天線收發(fā)參數(shù)相同的性質(zhì)被稱為天線的收發(fā)互易性，它可以用電磁場理論中的互易定理予以證明。,1.2.2 有效接收面積 ; 有效接收面積(Effective Aperture)是衡量接收天線接收無線電波能力的重要指標。接收天線的有效接收面積的定義為：當天線以

15、最大接收方向?qū)蕘聿ǚ较蜻M行接收時，并且天線的極化與來波極化相匹配，接收天線送到匹配負載的平均功率PLmax與來波的功率密度Sav之比，記為Ae。即,1.2.3 等效噪聲溫度 天線除了能夠接收無線電波之外，還能夠接收來自空間各種物體的噪聲信號。外部噪聲通過天線進入接收機，因此，又稱天線噪聲。外部噪聲包含有各種成分，例如地面上有其它電臺信號以及各種電氣設(shè)備工作時的工業(yè)輻射，它們主要分布在長、中、短波波段；空間中有大氣雷電放電以及來自宇宙空間的各種輻射，它們主要分布在微波及稍低于微波的波段。天線接收的噪聲功率的大小可以用天線的等效噪聲溫度TA來表示。,1.2 天線輻射基礎(chǔ),本節(jié)介紹天線的基本輻射單

16、元電流元、磁流元和惠更斯元的輻射問題。,1.2.1 電基本振子的輻射,電基本振子（Electric Short Dipole）又稱電流元，它是指一段理想的高頻電流直導(dǎo)線，其長度l遠小于波長，其半徑a遠小于l，同時振子沿線的電流I處處等幅同相。用這樣的電流元可以構(gòu)成實際的更復(fù)雜的天線，因而電基本振子的輻射特性是研究更復(fù)雜天線輻射特性的基礎(chǔ)。,圖9 電基本振子遠區(qū)場,1.2.2 磁基本振子的輻射,磁基本振子（Magnetic Short Dipole）又稱磁流元、磁偶極子。盡管它是虛擬的，迄今為止還不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是它可以與一些實際波源相對應(yīng)，例如小環(huán)天線或者已建立

17、起來的電場波源，用此概念可以簡化計算，因此討論它是有必要的。,圖10 磁基本振子,1.2.3 等效原理與惠更斯元的輻射,如圖11所示，面天線通常由金屬面S1和初級輻射源組成。設(shè)包圍天線的封閉曲面由金屬面的外表面S1以及金屬面的口徑面S2共同組成，由于S1為導(dǎo)體的外表面，其上的場為零，于是面天線的輻射問題就轉(zhuǎn)化為口徑面S2的輻射。由于口徑面上存在著口徑場ES和HS，根據(jù)惠更斯原理(Huygens Principle)，將口徑面S2分割成許多面元，這些面元稱為惠更斯元或二次輻射源。,圖 11 等效原理,由所有惠更斯元的輻射之和即得到整個口徑面的輻射場。為方便計算，口徑面S2通常取為平面。當由口徑場

18、求解輻射場時，每一個面元的次級輻射可用等效電流元與等效磁流元來代替，口徑場的輻射場就是由所有等效電流元（等效電基本振子）和等效磁流元（等效磁基本振子）所共同產(chǎn)生的。這就是電磁場理論中的等效原理(Field Equivalence Theorem)。,圖12 惠更斯輻射元及其坐標,1.3 常見天線分類,按用途：通信天線、 廣播電視天線、雷達天線等; 按工作波長： 長波天線、 中波天線、 短波天線、 超短波天線和微波天線等； 按輻射元的類型: 線天線和面天線。所謂線天線是由半徑遠小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成, 主要用于長波、中波和短波波段; 面天線通常由一個平面或曲面上的口徑構(gòu)成, 主要用于微波波段,

19、超短波波段則兩者兼用。 按帶寬：窄帶、寬帶、超寬帶天線,線天線,偶極天線 單極天線 螺旋天線 八木天線 對數(shù)周期天線 行波天線,圖14 圓錐形螺旋天線 (a)底饋；(b)頂饋,圖13 引向天線,圖15 對數(shù)周期天線,喇叭天線,喇叭天線：結(jié)構(gòu)簡單、饋電簡便、頻帶較寬、功率容量 大和高增益 喇叭天線由逐漸張開的波導(dǎo)構(gòu)成。 喇叭天線根據(jù)口徑的形狀可分為矩形喇叭天線和圓形喇叭天線等。,圖16 (a)H面喇叭；(b)E面喇叭 (c)角錐喇叭；(d)圓錐喇叭,旋轉(zhuǎn)拋物面天線,旋轉(zhuǎn)拋物面天線（Paraboloidal Reflector Antennas）是應(yīng)用最廣泛的天線之一,它由饋源和反射面組成。天線的

20、反射面由形狀為旋轉(zhuǎn)拋物面的導(dǎo)體表面或?qū)Ь€柵格網(wǎng)構(gòu)成，饋源是放置在拋物面焦點上的具有弱方向性的初級照射器，它可以是單個振子或振子陣，單喇叭或多喇叭，開槽天線等。利用拋物面的幾何特性，拋物面天線可以把方向性較弱的初級輻射器的輻射反射為方向性較強的輻射。,1.4 陣列天線,單個天線的方向性是有限的，為了加強天線的定向輻射能力，可以采用天線陣(Arrays)。天線陣就是將若干個單元天線按一定方式排列而成的天線系統(tǒng)。排列方式可以是直線陣、平面陣和立體陣。實際的天線陣多用相似元組成。所謂相似元，是指各陣元的類型、尺寸相同，架設(shè)方位相同。天線陣的輻射場是各單元天線輻射場的矢量和。只要調(diào)整好各單元天線輻射場之

21、間的相位差，就可以得到所需要的、更強的方向性。,1.4.1 二元陣的方向性 1.方向圖乘積定理（Pattern Multiplication） 顧名思義,二元陣（Two Element Array）是指組成天線陣的單元天線只有兩個。雖然它是最簡單的天線陣列，但是關(guān)于其方向性的討論卻適用于多元陣。如圖17所示，假設(shè)有兩個相似元以間隔距離d放置在y軸上構(gòu)成一個二元陣，以天線1為參考天線，天線2相對于天線1的電流關(guān)系為,圖17 二元陣的輻射,由于兩天線空間取向一致，并且結(jié)構(gòu)完全相同，因此對于遠區(qū)輻射場而言，在可以認定它們到觀察點的電波射線足夠平行的前提下，兩天線在觀察點P(r1,)處產(chǎn)生的電場矢量方

22、向相同，且相應(yīng)的方向函數(shù)相等。即 E(,)=E1(,)+E2(,) f1(,)=f2(,) 式中,若忽略傳播路徑不同對振幅的影響，則,仍然選取天線1為相位參考天線，不計天線陣元間 的耦合，則觀察點處的合成場為,在上式中，令r1-r2=r，則,=+k(r1-r2)=+kr,于是 E(,)=E1(,)(1+mej) 上式中的代表了天線2在(,)方向上相對于天線1的相位差。它由兩部分組成，一是電流的初始激勵相位差，是一個常數(shù)，不隨方位而變；二是由路徑差導(dǎo)致的波程差，只與空間方位有關(guān)。在圖17的坐標系中，路徑差 r=dcos 式中為電波射線與天線陣軸線之間的夾角。r在坐標系中的具體表達式，依賴于具體的

23、排陣方式。,天線陣的合成方向函數(shù)f(,)寫為 f(,)=f1(,)fa(,) 其中 fa(,)=|1+mej| 表明，天線陣的方向函數(shù)可以由兩項相乘而得。,第一項f1(,)稱為元因子（Primary Pattern），它與單元天線的結(jié)構(gòu)及架設(shè)方位有關(guān)；第二項fa(,)稱為陣因子（Array Pattern），取決于兩天線的電流比以及相對位置，與單元天線無關(guān)。也就是說，由相似元組成的二元陣，其方向函數(shù)（或方向圖）等于單元天線的方向函數(shù)（或方向圖）與陣因子（或方向圖）的乘積，這就是方向圖乘積定理。它在分析天線陣的方向性時有很大作用。以后我們將會進一步了解到方向圖乘積定理仍然適用于由相似元組成的多元陣。,1.4.2 均勻直線陣 1. 均勻直線陣陣因子 為了更進一步加強陣列天線的方向性，陣元數(shù)目需要加多，最簡單的多元陣就是均勻直線陣(Uniform Linear Arrays)。所謂均勻直線陣,就是所有單元天線結(jié)構(gòu)相同，并且等間距、等幅