ILS天线理论

第四章天线理论

第一节基本概念

天线，是接收或辐射无线电波能量的装置。无线电波的传输速度和光速一样，在传输过程中，电场和磁场是共存的，统称为电磁场。电场矢量E和磁场矢量H是相互垂直的。见图4－1：

图4－1 电磁场演示图

麦克斯韦理论中表述了这样一个概念：一个变化的电场会感应出一个变化的磁场，一个变化的磁场会感应出一个变化的电场。电磁波的传输就是以这个理论为基础的。

一、感应场和辐射场

感应场和辐射场是两个相关的场区，在天线附近的是感应场，包括了天线体内电压、电流产生的电力线和磁力线。由于电场和磁场有900的相差，这个场是无功能量场；而辐射场是电磁波从天线发出的电力线和磁力线向空间延伸，是有功能量场，电场和磁场是同相的，因此天线发出的能量主要是辐射场的传播延伸。感应场的强度和距离的负二次方成正比，辐射场的强度和距离成反比。

二、波的极化

波的极化是由电场矢量E相对于反射平面的位置来定的，大多数情况下，我们把地球定为反射面，如果E与反射面平行，称为水平极化，E与反射面垂直，称为垂直极化。也可以

通过天线与地面的位置来确定，如果天线与地面垂直，那么主要是垂直极化；如果天线（阵）与地面平行主要是水平极化。

三、近场与远场

辐射场可以分成两个部分：近场和远场。

近场是从天线开始有限的几个波长范围内的场，在观察点处得到的射线可以认为是平行的。

近场的距离是依靠天线的尺寸D和相差δ来大致计算的。对ILS来说，相差δ大约是

120

，也就是λ，近场的距离大约是2

4D R λ

=

，看图4－2：

图4－2 辐射场的近场图

OC=R ，OA=R+32λ

2

22()2D R R δ⎛⎫

+=+ ⎪⎝⎭

22

48D D R δλ

≈=，

四、辐射场型

在某个固定的距离上，天线或天线阵的电场强度坐标称之为场型。所以我们关心的是场型的形状。而场型只是简单地表示场强随着距离变化的相对关系，并非在其外就没有信号了。这样就可以知道，场型的表示不是绝对场强，是相对的。在我们的领域里，研究绝对场强也是没有多大必要的，我们也不是要定性、定量地分析某点上的信号特性。辐射场型可以用极坐标或直角坐标来表示，通常是采用极坐标。 在场型图中，相对场强为0的点称为零点。

图4－3 辐射场型

五、方向性、波束宽度和增益

天线向空间不均匀辐射电磁波的特性称为方向性，方向性D 定义为最大场强m E 和平均场强0E 的比，就是0

m

E D E =

，而平均场强是要用积分来计算的，总辐射功率定义为0P ，那么有：方向性0

44E(,)ds

m

m

E E D P ππϕθ=

=

⎰；

效率η定义为总辐射功率和总输入功率的比。

增益G 由D 和η来得到：G D η=⨯。虽然增益是由D 得来的，但是我们平时更注重G 的情况。一般地，增益和方向性都是以10倍的10log 的分贝值来表示。

六、功率密度和场强

图4－5 功率密度和场强图

假设一个天线在所有方向上的能量辐射都是一样的，那么在给天线馈送能量为t P 时，在半径为r 的球面S 上任意一点处的功率密度r W 为2

4t

r P W r

π=；（假想情况下G=1。） 实际上当增益不为1而是t G 时，有2

4t

r t P W G r

π=

⨯。 当然我们还知道功率密度2

120r E W E H π=⨯=，单位为瓦特/平方米。

所以有221204t t P E G r

ππ=⨯，那么电场强度E =/米。

第二节 天线阵

ILS 系统的天线是多振子的，这些天线按照一定的间隔或距离排列形成天线阵，由发射机馈送信号。使用天线阵的目的是为了形成特定的或者比较复杂的、具有良好方向性的场型。

一、二元天线阵

比较简单的天线阵是二元天线阵，两个阵子间隔为2D ，那么在P 点观察，会发现场强都是相同的，但是接收到的信号存在着一定的相位差异，因为两个阵子同源辐射时，到达P 点，路程上有2sin D ϕ的差。这个相差为22sin D π

θϕλ

=

⨯，就是说接收到阵子A1的信

号要比A2延迟θ，接收到的信号总的矢量和为

002()2cos 2cos(2sin )2a a E E E E D θπϕϕλ⎛⎫

===⨯ ⎪⎝⎭

这个公式表达了二元天线阵在辐射等幅、同相信号时的场的数学描述。根据这个公式，就能

画出场的变化情况。

图4－6 二元天线阵矢量图

对于一个天线阵来说，每个阵子的辐射场为()Ee ϕ，总的场为：

0()()()2()2()cos(

sin())

tot element array tot element E E E E E E D ϕϕϕπ

ϕϕϕλ

=⨯=⨯

在两个阵子不同相的情况下，为180度时，会有正弦函数的表达，

022sin sin a E E D πϕλ⎛⎫

= ⎪⎝⎭

，

更进一步的情况，如图4－7所示，

图4－7 天线阵的辐射场图

二、多阵子天线阵

多阵子天线阵的分析是基于上节所述内容的，以六单元天线阵为例：

在O 点为基准辐射时，O 点左侧的天线辐射相位有滞后，右侧超前。总的辐射为：

3

1122331

()2cos(sin )2cos(sin )2cos(sin )cos(sin )

a n n n E A kd A kd A kd A kd ϕϕϕϕϕ==++=∑由于两个阵子存在180度相位时，是余弦的关系，就有：

3

1122331

()2sin(sin )2sin(sin )2sin(sin )sin(sin )

a n n n E A kd A kd A kd A kd ϕϕϕϕϕ==++=∑不管怎样，最终的总的场，还是()()()tot e a E E E ϕϕϕ=⨯。

三、镜象理论

在地面上立一个天线辐射信号，在P 点接收到的信号主要是两部分，直达波和地面反射波，如图4－8所示。

图4－8 镜像天线辐射图

这两个波可以认为是平行的，反射信号可以看作是一个类似镜子中的装在地下的天线-A ，同样的道理，和二元天线阵一样，场强的表达以及信号的延迟等都是一样的。

图4－9 镜像天线辐射矢量图

和信号的场强是22sin

2sin sin 2E A A H ϕ

πθλ⎛⎫

== ⎪⎝⎭

。