电磁场项目报告

《电磁场基础》

天线自学项目报告

题目：天线自学设计

任课教师：方捻

组长：12121970 张佳露 20% 成员：12122704 刘晓涵 20% 成员：12122519 张诗语 20% 成员：12123370 熊潇 20% 成员：12121609 李懋东 20% 报告人：李懋东

二零一四年十月二十二日

一、天线参考文献阅读内容

1.天线概述

天线的运用非常广泛，可以说一切无线电设备都离不开天线。天线的作用是发射时，它将电路中的高频电流或传输线上的导行波转换为某种极化的空间电磁波，向规定的方向发射出去；作接收时，则将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或或传输线上的导行波。

2.天线基本参数

要了解天线或从事天线理论研究或工程设计方面的工作，就应当了解天线的基本参数。天线基本参数的术语和含义，是我们在天线方面互相交流的基础。另一方面，天线的性能需要一套电气指标来衡量，这些电气指标由天线的特性参数来描述。例如，要设计一副雷达天线，往往需要给出这样一些电气指标：方向图形状、主瓣宽度、副瓣电平、增益、极化、输入阻抗、工作频率和频带宽度等。由这些指标指导设计者进行天线的设计。总之，要说明天线的性能，必须定义天线的各个特性参数。除上面提到的工程上常用参数外，还将介绍天线理论分析中常用的参数，如天线有效长度、有效面积等。

2.1 辐射方向图

所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处, 辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图, 通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。

2.1.1线天线方向图

（1

当仰角Δ及距离r为常数时, 电场强度随方位角的变化曲线, 参见下图;

图 6- 4 坐标参考图

（2）

当 及r为常数时, 电场强度随仰角Δ的变化曲线, 参见图 6 - 4。

2.1.2 超高频天线方向图

（1） E

所谓E平面，就是电场矢量所在的平面。对于沿z轴放置的电基本振子而

言, 子午平面是E 平面。

（2） H

所谓H 平面， 就是磁场矢量所在的平面。对于沿z 轴放置的电基本振子, 赤道平面是H 面。

2.1.3天线的方向图参数

(1) 主瓣宽度

主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度, 在场强方向图中, 等于最大场强的两点之间的宽度, 称为半功率波瓣宽度; 有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度, 称为零功率波瓣宽度。

2) 旁瓣电平

旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平, 一般以分贝表示。方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域, 所以其电平应尽可能的低, 且天线方向图一般都有这样一条规律:离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低, 在某种意义上反映了天线方向性的好坏。另外, 在天线的实际应用中, 旁瓣的位置也很重要。

3) 前后比

前后比是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比, 通常以分贝为单位。

上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态, 但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果, 因此都不能单独体现天线集束能量的能力。 例如, 旁瓣电平较低的天线并不表明集束能力强, 而旁瓣电平小也并不意味着天线方向性必然好。为了更精确地比较不同天线的方向性, 需要再定义一个表示天线集束能量的电参数, 这就是方向系数。

4）方向系数

方向系数定义为: 在离天线某一距离处, 天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax 与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S0之比,记为D , 即

20

2

max

0max E E S S D == 2.2天线效率

天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比, 记为A η，即 1

i P P P P P A +==∑∑∑η 式中, Pi 为输入功率；Pl 为欧姆损耗。

2.3 增益系数

增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数, 它是方向系数与天线效

率的乘积, 记为G , 即

G=D ·A η

由上式可见: 天线方向系数和效率愈高, 则增益系数愈高。现在我们来研究增益系数的物理意义。

将方向系数公式和效率公式代入上式得

i 2max

260P E r G =

由上式可得一个实际天线在最大辐射方向上的场强为

r

P D r GP E i A i max 6060η== 假设天线为理想的无方向性天线, 即D=1,A η=1, G=1, 则它在空间各方向上的场强为

r

P E i max 60= 可见, 天线的增益系数描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。

2.4 输入阻抗

要使天线辐射效率高, 就必须使天线与馈线良好地匹配, 也就是天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗,才能使天线获得最大功率。

in in in

in in jX R I U Z +== 2.5 频带宽度

天线的电参数都与频率有关, 也就是说, 上述电参数都是针对某一工作频率设计的。当工作频率偏离设计频率时, 往往要引起天线各个参数的变化,例如主瓣宽度增大、旁瓣电平增高、增益系数降低、输入阻抗和极化特性变坏等。实际上, 天线也并非工作在点频, 而是有一定的频率范围。当工作频率变化时, 天线的有关电参数不超出规定范围的频率范围称为频带宽度, 简称为天线的带宽。

2.6 有效长度

天线的有效长度定义如下：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下, 假设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。它是把天线在最大辐射方向上的场强和电流联系起来的一个参数, 通常将归于输入电流I 0的有效长度记为hein, 把归于波腹电流Im 的有效长度记为hem 。显然, 有效长度愈长, 表明天线的辐射能力愈强。

2.7 极化

极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具