天线简介

天线一般理论简介为了有效斯将能量从发射机馈送到天线,需要解决如下三个问题：1、有效地进行能量转换，提高辐射功率或提高天线系统的信噪比，天线作为传输线的终端负载，要求天线与传输线匹配；2、天线作为一种辐射或接受器件，应具有向所需方向辐射无线电波的能力；3、天线作为一种极化器件，可分为线极化，圆极化和椭圆极化。

在同一系统中收发天线应具有相同的极化形式。

天线一般都是可逆的，即同一副天线即可用做接收天线，也可用作发射天线。

天线按结构形式分为两大类：一类是导线，金属棒或金属板构成的天线，称为线天线；另一类是似声学或光学设备，由金属面或介质面构成的面天线。

一、基本元的辐射: 1、电基本振子的辐射给出在球坐标原点沿z 轴放置的电基本振子在各向同性理想均匀无限大自由空间的表达式：320232022cos 41sin 41sin 40jkr A r jkrA jkrA r I lj k E er r I lj k jk E er rr I ljk H e r rH H E θϕθϕθπωεθπωεθπ---⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭⎛⎫=-+- ⎪⎝⎭⎛⎫=+ ⎪⎝⎭===注：9022000010362/E 120H kk θϕεεππλωεμηπ-======相移常数；波阻抗（远区场）（1）近区场当kr<<1时称为近区场，此时233sin 42cos 41sin 40A A r A r I l H rI l E j r I lE jr H H E ϕθθϕθπθωεπθωεπ==-=-===不难看出，上述表达式和稳态场的公式完全相符，因此，近区场又称为似稳区。

场随距离的增大而迅速减少。

电场滞后于磁场90度，因此复坡印延矢量是虚数(12SE H=⨯),每周平均辐射的功率为零。

这种没有能量向外辐射的场称之为“感应场”。

（2）远区场当kr>>1时称为远区场，此时60sin esin e20jkrA jkrA r r I lE jr I l Hj rE H H E θϕθϕπθλθλ--==≈===此时，有电场和磁场两个分量在空间相互垂直且与r 矢径方向垂直，三者构成右手螺旋系统。

电场、磁场在时间上同相，其复坡印延矢量*12SE H=⨯是实数，为有功功率且指向r 增加的方向上。

二者比值为一实数0120ηπ=，所以仅需讨论二者之一。

且电基本振子远区场是沿着径向向外传播的横电磁波TEM 。

在0180ooθ=、方向上辐射为0，在90oθ=方向辐射最强。

方向图：E 面（包含振子轴）为一个8字形，H 面（垂直振子轴）为一个圆。

（3）辐射功率22sin sP S dS S nr d d ππθθϕ∑==⎰⎰⎰式中s 为平均复坡印延矢量，且212240r rES E H e e π==，将其代入上式得2221sin 240P Er d d ππθθϕπ∑=⎰⎰。

此式为计算辐射功率的一般公式。

将远区场模值代入上式有：2240A l P I πλ∑⎛⎫= ⎪⎝⎭（4）辐射电阻为了分析计算方便，引入辐射电阻概念，将天线向外辐射的功率等效为在电阻上的损耗，此电阻称为辐射电阻R ∑。

用输入电流来归算的称为归算于输入电流的辐射电阻0R ∑，用波腹电流来归算的称为归算于波腹电流的辐射电阻R ∑。

显然电基本振子的辐射电阻为22280A P l R Iπλ∑∑⎛⎫== ⎪⎝⎭2、磁基本振子的辐射在进行磁基本振子辐射分析时,可以采用对偶性原则。

对称形式麦克斯韦方程如下：A M ME H J t H E J tD B εμρρ∂⎧∇⨯=+⎪∂⎪∂⎪∇⨯=--⎨∂⎪∇=⎪⎪∇=⎩ 注：MJ 磁流密度，Mρ磁荷密度上式第二个方程右端两项有负号，是因为电流产生的磁场的方向是按右手螺旋定则定出的，而磁流产生的电场方向与之相反，是按左手螺旋定则定出的。

将上式中的电磁场分解为电荷与电流产生的场强E e 和H e 及磁荷和磁流产生的场强E M 和H M 即E=E e +E M 和H=H e +H M 。

他们分别满足下列麦克斯韦方程：e e e e e e 0AE H J tH E tD B εμρ∂⎧∇⨯=+⎪∂⎪∂⎪∇⨯=-⎨∂⎪∇=⎪⎪∇=⎩ 和M M MM M M 0M ME H t H E J tD B εμρ∂⎧∇⨯=⎪∂⎪∂⎪∇⨯=--⎨∂⎪∇=⎪⎪∇=⎩比较上面两个式子是完全对称的，其对偶量如下：E e 与H M , H e 与-E M ,J A 与J M , M ρρεμ与，与3、小环天线的辐射实际磁基本振子不存在,半径远小于波长的小电流环可等效为一磁基本振子,根据对偶置换原理得其场强为:2sin e 4sin e40jkrjkrr r SlkE r SlkH rH E E H ϕθθϕωμθπθπ--==-≈===辐射电阻为:424320SR πλ∑=由上式可知:小电流环在环平面上是均匀辐射的,方向图为一个圆,但在饱含环轴的平面上,方向图为8字形.且辐射场大小不与环的形状有关而是环所包围的面积有关.如果采用同样长度的导线制成一个电基本振子和一个小电流环,则小环的辐射电阻要小很多.故小电流环天线仅用作接受天线。

4、基本缝隙元的辐射 略二、发射天线的电参数天线的电特性通常用效率、输入阻抗、方向性、极化、增益系数、工作频带宽度等参数。

同一天线作为收、发时的电参数在数值上是相同的，收、发天线具有互易性。

1、效率设发射机输出功率为P G ，进入到天线的功率为P in =（1-|Г|2）P G ，天线辐射功率为P Σ当天线与传输线完全匹配（Г=0）时，P G =P in 天线效率为：A indP P P P P η∑∑∑==+注：P d 为损耗功率，由天线铜耗、介质损耗、元件损耗等造成。

设P d 被电阻R d 所吸收，称该电阻为损耗电阻，则：A d R R R η∑∑=+ 注：两个电阻用统一归算电流。

2、输入阻抗天线输入阻抗是指天线馈电点呈现的阻抗值。

它直接决定了和馈电系统之间的匹配状态，从而影响了馈入到天线上的功率以及馈电系统的效率等。

输入阻抗Z in 和输入电压U in 及输入电流I in 的关系为：in in in in inU Z R jX I ==+注:输入阻抗应等于输入电流I in =I 0的辐射阻抗,他的实部R in =R Σ3、辐射方向图天线的远区场可以表示为:(,,)(,)(,)jkrin A E r E r I f eθϕθϕ-=式中(,)f θϕ为方向函数与r 和I A 无关。

用它绘出的图形称为图形的方向图。

若最大值为1，则称为归一化方向图，用(,)F θϕF 表示即：maxmax(,)(,)(,)E f F E f θϕθϕθϕ==，E max 为最大辐射方向上的场强大小，(,)E θϕ为同一距离处（,θϕ）方向上的电场强度。

对任意天线来说，其E 面或H 面的方向图为花瓣状，故方向图又称为波瓣图。

最大辐射方向所在的波瓣称为主瓣，其余称为副瓣或旁瓣。

主瓣宽度分为零功率波板宽度和半功率（3dB ）波瓣宽度。

分别记作02θ和0.53dB 22θθ或,为了区分E 面和H 面，可以分别以下标形式注明E 或H 。

旁瓣最大值与主瓣最大值之比称为旁瓣电平，记作2211E S FSLL=10lg 20lg dB S E =（）式中，S 代表功率密度；下标1或2分别表示主旁瓣。

4、方向系数方向系数从数值上描述天线的方向性，即在相同辐射功率的条件下，天线最大辐射方向功率密度与理想点源天线在相同距离处的功率密度之比。

其表达式为2m ax m ax 2P 0P E S D S E ∑∑==相同相同S 0为无方向性天线的辐射功率密度；S max 为天线在最大辐射方向上的功率密度。

224D F(sin d d πππθϕθθϕ=⎰⎰，)，考虑到P Σ与R Σ的关系，又可以写成：2m ax120f D R ∑=。

同时D=10lgD(dB)对于电基本振子归一化方向函数为sin θ,2θ0.5=90,D=1.5,这可以说是实际天线中方向系数的最小值了。

5、极化发射天线的的极化是指在最大辐射方向上辐射电波的极化，其定义为在最大辐射方向上电场矢量端点运动的轨迹。

分为线极化（水平和垂直），圆极化和椭圆极化。

在一系统中发射和接收天线的极化方式需一致，如果接收天线与空间传来的电磁波的极化方式一致，我们称为极化匹配，否则称为极化失配。

6、增益系数在相同输入功率的条件下，天线在某点产生的功率密度与理想点源在同一点产生的功率密度的比值。

表达式为：in in 2m ax m ax 2P 0P E S D S E ==相同相同注意区别方向系数和增益系数，不同点是方向系数主要从辐射功率出发，而增益是从输入功率出发。

二者关系为：AG D η=当天线的效率为1时二者相等。

用理想点源作为增益对比标准的称为绝对增益，用半波阵子或称为偶极子天线作为对比标准的用G h 表示，二者关系为：G h =G/1.64（半波阵子D=1.64），用dB 表示为： G h (dB)=G(dB)-2.15(dB) 7、有效长度一个电流分布不均匀的天线，可以用一个沿线电流分布均匀、幅度等于输入点电流I A 或波腹电流I m 的基本振子天线来等效。

如果二者在各自最大辐射方向上的辐射场强相同，则此等效基本振子的长度就是该天线的有效长度。

以求半波阵子天线（偶极子天线）有效长度为例。

令沿z 轴放置长度为2l 的半波振子（偶极子）上的分布电流为I(z),输入点电流为I 0。

则有公式0e I ()l ll I z dz -=⎰。

8、工作频带宽度根据使用此天线系统的要求，规定天线电参数容许的变化范围，当工作频率变化时天线电参数不超过容许值的频率范围，称为天线的工作频带宽度。

三、接收天线的电参数除了与发射天线相同的电参数特性外，接收天线还有有效面积和噪声温度。

1、有效接收面积天线的最大接收方向对准来波方向，天线与负载完全匹配且无损耗时，天线的输出功率为P Lopt 。

若此功率是由于来波方向垂直的面所接收的，则称次面为接收天线的有效接收面积，用A e 表示，即A e =P Lopt /S ,将2m ax 0S 2E η= ,22max 2960LoptE D Pλπ=代入前式有2eD 4Aλπ=。

2、噪声温度当接收信号的强度与系统内噪声相当时，提高系统增益是没用的，因此有必要研究如何抑制接收系统前端的噪声。

在米波以下，宇宙及地球大气及地面辐射都是噪声的来源，这种噪声的影响主要用天线噪声温度T A 来表示。

3、方向性和干扰抑制为了有效抑制干扰，要求接收天线的方向性具有如下特点：（1）足够强的方向性。

D 越大越好。

（2）尽量降低方向图的副瓣电平。