第二章 天线的特性参数

例：求电偶极子的方向性系数？
解：
R
80
2
l
2
fmax ,
f , 90
l sin
90
l
D
120 R
f
m
2 ax
,
120 80
1.5
DdB 10lg1.5 1.76dB
第四节 天线的增益
1. 定义：
在任意方向 (1,1) , 辐射功率密度与将相等
的输入功率均匀辐射时的平均功率密度之比，
率密度比均匀辐射时增加的倍数D。实际上， D反映了天线集中辐射能量的特性。
3. 方向性系数的求法： 1）已知归一化方向性函数求D
先求全向天线(点源)均匀辐射时的平均辐射功率密度:
SD P 4r 2
点源通过球面无穷小单位面积的功率为：
dP
1 2
E 2
r 2 sindd
1 2
Em2
a
xF
2
,
r
第二章 天线的特性参数
天线特性参数
机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等
电特性参数
一次参数：方向性图，输入阻抗，效率
二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度， 前后比，极化特性等
第一节 天线的辐射功率和辐射电阻
1. 辐射功率： 在单位时间内通过球面向外辐射的
电磁能量的平均值。
例：求电偶极子的辐射功率？
1. 主瓣宽度： 主瓣电平的最大值降到该值的0.707倍（即
-3dB）时，两个方向之间的张角宽度。
－3dB点
20.5
峰值
－3dB点
2. 旁瓣电平：相对主瓣最大值的比值。
n Enmax Emax Fnmax( ,)
3. 前后抑制比： 方向图中，前后瓣最大值之比称为前
后比，记为 F / B 。 前后比越大，天线的 后向辐射（或接收）越小。
1,1
D S1,1 SD
2
4F 2 1,1 F 2 ,sindd
00
通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方
向性系数，此时，F (1,1) 1
D
2
4
F 2 , sindd
00
2）已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向 性函数，求D
S1,1
1 2Z
E 2 1,1
SD P 4r 2
f () l
90
E
180
0
270
2）电偶极子在子午面内的方向性函数和方向性图：
f ( ) l sin
270
0
E
90
180
二、天线的归一化方向性函数和归一化方向性图
1. 归一化方向性函数： 天线辐射场与最大方向上的场强值之比。
F(,) E,/ Emax , f ,/ fmax ,
1）若已知天线在E面和H面的方向性图，则
G 27000 EH
E ,H : 在E面和H面上，以度为单位的波瓣宽度。
2）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线， 可用下式估算其增益：
GdBi
10 lg
32000
E
H
3）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：
I 2 2
P 2 3
l
2
在自由空间，电偶极子的辐射功率为：
P
40
2
Il
2
2. 辐射电阻： 将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，
并使流过电阻的电流等于天线上的电流振幅， 则该电阻就称为天线的辐射电阻。
根据定义，
P
1 2
I
2 m
R
R
2 P
I
2 m
R 称为辐射电阻
例：求电偶极子的辐射电阻？
z
r sind
r sin
r d I
d
rd
y
x
S
1 2
E
H
ds r 2 sin d d
通过小面积ds的功率为
dP
1 2
E
H r 2
s in dd
H E
dP
Leabharlann Baidu
E 2 2
r2 sindd
P
2
0
E 2 02
r 2 sindd
r2
2
2
d
0
0
E
2
s in d
W
将 E 代入，得：
2
s
in
dd
P
r 2 Em2 ax 2
2 F 2 , sindd
0 0
SD
P
4r 2
E2 max
8
2 F 2 , sindd
0 0
E2 max
2
F 2 , sindd
8Z 0 0
在任意方向 (1,1)
S 1,1
EH
1 2Z
E 2 1,1
1 2Z
Em2 axF 2
即天线增益为：
G S (1,1) SG
SG PA 4r 2
2. 物理意义： 为了在观察点有相等的辐射功率密度，
方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线 输入功率的G倍。
3. 增益的单位： • dBi：表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源； • dBd：表示以半波对称振子为比较对象。
4. 近似计算方法：
—— 反映了天线在不同方向的场分布。
2. 归一化方向性图： 表示归一化方向性函数的空间立体图形。
通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤道 面/E面和H面）的平面图来表示。
CDMA天线
CDMA垂直极化定向天线
三、方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平
在方向性图中，一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣 中，最大辐射方向所在波瓣称为主瓣，其余波瓣称为旁瓣。
D S1,1 E2 1,1 2r2
SD
ZP
当天线位于自由空间时，Z0 120 ；
在最大辐射方向上，
大多数简单 常规天线的 最大场强值
E(1,1)
Em a x
60Im r
f max ,
又
P
1 2
I
2 m
R
D
60I m
2
f
2
max
,
60
1 2
I
2 m
R
120 R
f 2 max
,
DdB 10lg D
电偶极子的辐射功率为：
P
I2 2
2
3
l
2
2
R 3
l
2
在自由空间中，
R
80
2
l
2
第二节 天线的方向性
天线的辐射场强与方向有关的特性，称 为天线的方向性。
以电偶极子为例：
E
j
60Il sin e jkr r
H
j
Il sin e jkr 2r
Er E Hr H 0
一、天线的方向性函数和方向性图
前后比F / B 的计算： F / B = 10 Lg {（前向功率密度） /（ 后向功率密度）}
第三节 天线的方向性系数
1. 定义：
天线辐射功率一定，在任意方向 (1 , 1 )
辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时 的平均功率密度之比。
D S (1,1) SD
2. 物理意义： 由于天线有方向性，使某方向的辐射功
1. 用于表示天线方向性特性的函数：f ( ,)
2. 电偶极子的方向性函数
E
j 60Il sin e jkr r
f ( , ) f ( ) l sin
3. 电偶极子的方向性图
• 赤道面：与天线轴垂直并经过天线中心 的平面。 90
• 子午面：包含天线轴的平面。 某一常数
1）电偶极子在赤道面内的方向性函数和方向性图：