第3章天线特性参数
天线的基本参数
6.5 天线的基本参数自强●弘毅●求是●拓新（1）天线的基本参数电偶极子、小电流圆环和半波振子天线辐射场具有共 同的基本特性。
对于一般的天线，无论其结构如何复 杂，它们都有与电偶极子相类似的辐射场结构，即：电偶 极子E ˆ1 0 2 0I0L1 sin jexp jkr r任意 天线＝ 极化·幅度·电流·结构·距离·方向性·相位（1）天线的基本参数其中 极化因子：表示天线辐射场的偏振方向 幅度因子：表示辐射场的常数因子 电流：为馈电点的电流幅度，与发射功率相联系 结构因子：天线体空间几何结构 距离因子：是指天线相位中心点到场点的距离， 表征球面波能量的扩散 方向因子：表示天线辐射场的空间分布的特性 相位因子：表示天线与场点之间的相位差（2）天线的方向性函数天线在空间辐射电磁波具有方向特性，在某些方向上辐射能力强，而在另外一些方向上，辐射能力弱。
利用天线的这一特点实现电磁波信号的定向传输。
天线的方向性函数D 定义为：单位立体角辐射功率与单位立体角平均辐射功率之比。
PdP4πdΩdP S ( , )r 2 d d sin dd（2）天线的方向性函数D , dP PdΩ 4π4πS , r 2 S , r 2sindd4πF 2 , F 2 , sinddF 2 , ss归一化的方向性图表征天线在空间不同方向上辐射电磁能量强弱程度方向性系数F4π2 , sindds方向性系数是天线在空间辐射电磁波能量最强的方向在单 位立体角所辐射电磁波能量与单位立体角平均辐射电磁波 能量之比 .（3）天线的增益函数对理想天线，输入功率也等于天线的辐射功率。
但在实际工程应用上，输入能量并不完全被天线辐射出去，真正用于电磁波辐射的能量是输入功率的一部分。
如果天线的效率为 ，天线辐射的功率为 P Pin ，天线的增益函数G定义为G , dP Pind 4π D , F2 , Pin是输入功率D P dP / d Pin P / 4（3）天线的增益函数天线输入功率不完全被辐射的主要原因有：① 天线阻抗与发射机不匹配，导致电磁波被反射回 发射机； ② 部分变为天线近场的电磁能量； ③ 部分被天线体的非理想导体而热耗散；P辐射电磁波总功率 Pin 发射机输入总功率 （4）波束宽度波束宽度天线的方向性图呈现许多 花瓣形状，一般由主波束和 若干个副波束组成。
第3章 行波天线
D
D——螺旋的直径；
l0
s
h 2a
a——螺旋线导线的半径；
s——螺距，即每圈之间的距离；
α——螺距角，
arctan s D
l0——一圈D 的长度，l0 (D )2s2s/sin
s
N——圈l数0 ；
同 轴线D 输 入
(a )
l0
金 属 接 地 板 h——轴向长度，h=Ns
(b )
s
一圈展开图形
第3章 行波天线 y A
终端 吸收 铁线 回授 线
回授 线长 度调 节器
回授式菱形天线
第3章 行波天线
三、行波V形天线（Traveling Wave Vee Antenna）
V 形斜天线，仅有一根支杆和两根载有行波电流的导线组成，架 设很简单，适用于移动的台站中。
馈线
Rl Rl
第3章 行波天线
第二节
螺旋天线
D
提高天线的有效高度之一——分布 式加载，其典型天线之一即为螺旋鞭天 线 （Helical Whip Antenna）。
信使用； （2）副瓣多，副瓣电平较高； （3）效率低，由于终端有负载电阻吸收能量。
第3章 行波天线
为了改善菱形天线的特性参数，常采用双菱天线 菱形对角线之间的距离 d≈0.8λ，其方向函数表达式为:
f2(,)f1(,)cos(k2 dcossin)
单菱形天线的 方向函数
d
~
双菱天线的旁瓣电平比 单菱形天线低，增益系 数约为单菱形天线的 1.5～2倍。
第3章 行波天线
3、 菱形天线的尺寸选择及其变形天线
当通信仰角Δ0 确定以后，选择主瓣仰角等于通信仰角。 使 f(Δ0) 最大，分别取各个因子分别最大：
第3章 偶极子天线
l
j
sh2kl
ch2
a
l
c
os
2k
l
RA jX A
3.3 偶极子天线
3.3 偶极子天线
在偶极子天线长度确定的情况下，随着频率的变化， 方向图或最大辐射方向会改变，副瓣电平可能增大， 阻抗匹配将变坏等。因此，对一个特定的偶极子天线 就应该具有通频带的概念。 阻抗随频率的变化很大，因此经常以阻抗特性来定义 偶极子天线的通频带。天线输入阻抗的变化会引起天 线电压驻波比的变化，通常根据一个天线的工作条件 和要求给出一个允许的最大电压驻波比来定义天线的 通频带。
c
osk
l
c
os
s in
c
os
k
l
2dLeabharlann P1 2I
2 m
R
R
30
2
d
0
0
c
osk
l
cos
s in
c
os
k
l
2
d
3.3 偶极子天线
l , ka 0.1
R 20kl4
3.3 偶极子天线
前面求得的辐射电阻是在远区积分得到的，没有 考虑近区场。如果作一闭合面紧靠振子表面，这 时波印廷矢量沿表面的积分所得的功率应既有实 部又有虚部。实部功率产生脱离振子电流和电荷 的辐射场，虚部表示无功功率，它表示受振子电 流和电荷牵制的，并与电流和电荷形成统一体， 不能分割开的储能场。
3.3 偶极子天线
柱面上的波印廷矢量的法向分量，z方向上的积分为零
Sx
1 2
Ez
H
*
Sz
1 2
Ex H*
l 2
P 2 0 Sxaddz
第三章微波传输线教材
线单位长度分布电容为C1, 则
空气微带线传播相速： vp0 c
1 LC0
介质微带线传播相速：vp1
c
r
1 LC1
14:00
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微波技术与天线
第三章 微波传输线
引入微带线等效介电常数 c
2
c
vp0 vp1
C1 C0
设空气微带线特性阻抗为
Z
，则实际微带线特性阻抗为
00
Z0
Z00
cr
只要求得空气微带线的特性阻抗
Z
00
及有效介电常数
,
c
就
可求得介质微带线的特性阻抗。
14:00
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微波技术与天线
第三章 微波传输线
工程上常用的一组实用经验公式:
(1) 导带厚度为零时
59.952ln(8h w ) w 4h
( w 1) 4h
微波技术与天线
第三章 微波传输线
第三章 微波传输线
导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为 以下三种波型(或模)：
(1) 横磁波(TM波)，又称电波(E波)：Hz 0, Ez 0
(2) 横电波(TE波)，又称磁波(H波)：Ez 0, Hz 0
(3) 横电磁波(TEM波)：
Ez 0, Hz 0
Z00
119.904
w 2.42 0.44 h (1 12h)2
h
w
w
( w 1) w：导带宽度 h h：基片厚度
e
r 1
2
r 1 (1
2
12
第3章 天线基本原理与技术
第三章 加载天线
第一部分
常见的加载天线
20:31
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近代天线理论
第三章 加载天线
天线加载： 顾名思义就是对天线加一种负载。天线加载可以改变天线 上电流分布，使得天线的输入阻抗能按照一种规律分布。 通过天线加载可以缩短天线的尺寸，改变天线的输入带宽 ，这也是天线小型化必不可少的一种方法。 常见的天线加载方式有： 1.顶部加载：这样的加载时可以在顶部加个盘子或者几根线 。这类代表天线是T型或者倒V型。 2.介质加载：它是通过在天线周围加入一种介质来相对缩短 天线长度，缩短长度的效果与介质的相对介电常数及相对 磁导率有关。 3.分布加载：对天线按一定位置函数加载，输入阻抗也会呈 一定规律变化。 4.集总加载：在天线上一个或几个位置加入集总参数元件， 包括电感电容，通过这样的方式来改变天线上电流分布。
第三章 加载天线
集总加载
Loop 1
Loop 2
Loop 3
balun 1 balun 2
CMRR:-14.8 dB
20:31
CMRR:-27.5 dB
CMRR:-36.8 dB
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近代天线理论
第三章 加载天线
Current Distribution (Loop 1)
20:31
近代天线理论
第三章 加载天线
理论推导-短电偶极子
引入电赫兹矢量表示电磁场：
e A t 2 E e e H ( jw ) e 式中：
2 w2 jw
20 20:31
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第三章 加载天线
第三部分
探地雷达
天线的五个基本参数
天线的五个基本参数
1 关于天线的五个基本参数
天线作为无线通讯的核心技术受到各路观众的广泛关注，五个主
要的 parametric 参数是天线特性的重要参考指标，包括增益、驻波比、半功率角、垂直波束宽度和水平波束宽度。
1 增益
增益(也被称为功率增益)是衡量天线收发能力的重要性能指标，
多用来衡量天线的信号增益真实性，一般越大表示接收和发射信号能
力越强。
一个常见单位是dBi，它是相对于理想天线的增益。
2 驻波比
驻波比是衡量天线稳定性的重要指标，表示通过某一频率的有功
功率与负载的比例，驻波比越高，表示天线稳定性越强。
3 半功率角
半功率角是衡量天线波束宽度的重要指标，是指在半功率容量点
(3dB点)处，天线发出和接收能量线与光轴之间夹角，这个角度越小，表示天线空间分布越集中，优度越高。
4 垂直波束宽度
垂直波束宽度是指一条水平线上，从天线输出的重要能量路径两
头向垂直方向投射的角度。
它受到天线结构的影响很大，我们一般认
为越窄的波束宽度，表示发射的范围越窄，表示天线的利用效率越高。
5 水平波束宽度
水平波束宽度是指一条垂直线上，从天线输出的重要能量路径两头向水平方向投射的角度，是衡量天线射向性的重要指标。
天线的水平波束宽度越窄，表示波束能量线对水平方向的散射越少，传输效率越高。
总之，增益、驻波比、半功率角、垂直波束宽度和水平波束宽度都是专业从事无线通信设计必备的参数，这五个参数从不同的角度反映了天线的性能，所有的参数都应该按照项目特点来进行综合评估。
第三章《卫星通信》卫星通信的关键技术
数字式时分话音内插系统原理图
28
卫
星
通
信
3．3．1 数字话音内插技术(DSI)
4、数字话音时分内插的工作过程
在发送端，话音检测器依次对各输入话路的工作状态加以识别， 判断它们是否有语音信号通过。
分配信息的传送方式有两种，一种是只发送最新的状态连接信息； 另一种是发送全部连接状态信息。 话路质量不变的情况下，使用m 条话路为n路服务（n>m），则有：
星
通
信
3．2．2 跟踪接收机
跟踪接收机的主要任务是把天线接收来的微波信号（信标信号、 导频信号、误差信号）进行放大，并把他的幅度变换为直流信号，直 流信号的大小对应于微波信号的强弱。
1、信标信号跟踪
信标信号频率高，需要独立的下变频器，，用专门的跟踪接收机 接收信标信号，适用于所有典型的地球站。
2、导频信号跟踪
星的信息：方位和俯仰角误差，并能驱动伺服系统使天线迅速对准卫星。 根据方式不同，可以分为多喇叭跟踪和多模跟踪两种。
等信号法
在偏离天线轴线的方向，寻找两个或者四个对称的点，然后比较 想过户对称点上得信号大小，并以此来判定目标偏离轴线的方向。
优缺点
跟踪精度和速度很高，但设备复杂，成本较高
17
卫
星
通
信
3．2．1 地球站天线跟踪系统体制
3、记忆极值式跟踪系统
记忆极值式跟踪系统与其他步进式跟踪的共同点就是把极大值 记忆下来与实时值进行比较，不同点是记忆极值式系统的电机是连 续转动的，也就是没有搜索步和调整步之分。 优点在于用一般的三相电动机，控制信号不用功率放大，对传 动系统要求也低。
18
卫
天线就是一种高频电波能量与高频信号功率间的换 能器，可以作为发射也可以作为接收。
第3章 行波天线.
方向函数为:
kl sin[ (1 cos )] 2 F ( ) sin kl (1 cos ) 2
驻波 行波
T(b1) ＋T/4时刻轴向辐射 场只有Ex 分量。
第 3章
行波天线
总结：
螺旋天线上的电流是行波电流，是圆极化波。 按右手螺旋方式绕制的螺旋天线，在轴向只能辐射或接收右 旋圆极化波； 按左手螺旋方式绕制的螺旋天线，在轴向只能辐射或接收左
旋圆极化波。
若用螺旋天线作抛物面天线的初级馈源，如果抛物面天线接 收右旋圆极化波，则反射后右旋变成左旋，因此螺旋天线
4、在电视中为了克服杂乱反射所产生的重影，也可采用圆极化 天线，因为它只能接收旋向相同的直射波，抑制了反射波传 来的重影信号。
第 3章
行波天线
圆极化波的重要性质
（ 1 ）圆极化波是一等幅旋转场，它可分解为两正交等幅、
相位相差90°的线极化波； （ 2 ）辐射左旋圆极化波的天线，只能接收左旋圆极化波， （ 3 ）当圆极化波入射到一个平面上或球面上时，其反射波 旋向相反，即右旋波变为左旋波，左旋波变为右旋波。
（1）沿轴线方向有最大辐射； （2）辐射场是圆极化波； （3）天线导线上的电流按行波分布； （4）输入阻抗近似为纯电阻； (5
螺旋天线是一种最常用的典型的圆极化天线(Circular
Polarized Antenna)。
第 3章
行波天线
一、
圆极化波的应用
使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。 1、通信的一方或双方处于方向、位置不定的状态，为了提高通 信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天线。 2、在人造卫星和弹道导弹的空间遥测系统中，信号穿过电离层 传播后，产生极化畸变，这也要求地面上安装圆极化天线作 发射或接收天线。 3、为了干扰和侦察对方的通信或雷达目标，需要应用圆极化天 线。
第3章 行波天线
第3章 行波天线
为了改善菱形天线的特性参数，常采用双菱天线，
它是由两个水平菱形天线组成的，如图3―1―8所示， 菱形对角线之间的距离d≈0.8λ，其方向函数表达式为
kd f 2 ( , ) f1 ( , ) cos( cos sin ) 2
(3―1―14)
第3章 行波天线
式中f1(Δ,φ)是单菱形天线的方向函数表达式。双菱
图3―1―9 回授式菱形天线
第3章 行波天线
为了提高菱形天线的效率，可采用回授式菱形天 线结构，如图3―1―9所示。回授式菱形天线没有终端 吸收电阻，它是将终端剩余能量送回输入端，再激励 天线“2”。如果回授至输入端的电流相位与输入端的 馈源电流相位相同，那么剩余的能量也就能辐射出去， 从而提高了天线的效率。但是由于只能对某一频率做 到同相回授，使天线具有频率选择性，而菱形天线主 要侧重于它的宽频带特性，所以回授式菱形天线较少
上局部的反射，从而破坏行波状态。为了使特性阻抗
变化较小，菱形的各边通常用2～3根导线并在钝角处 分开一定距离，使天线导线的等效直径增加，以减小 天线各对应线段的特性阻抗的变化。菱形天线的最大 辐射方向位于通过两锐角顶点的垂直平面内，指向终 端负载方向，具有单向辐射特性。
第3章 行波天线
行波单导线的辐射场可由式（3―1―2）计算获得，
第3章 行波天线
菱形天线一般有30%～40％的功率消耗在终端电
阻中，特别是作为大功率电台的发射天线，终端电阻 必须能承受足够大的功率，通常用几百米长的二线式
铁线来代替。铁线的特性阻抗等于天线的特性阻抗，
它沿着菱形天线的长对角线的方向平行地架设在天线 下面。铁线的长度取决于线上电流的衰减情况，例如 取300～500m长，可以使铁线末端电流衰减到始端电 流的20%～30％，这样菱形天线上反射波就很微弱了。 铁线末端接碳质电阻或短路后接地，这样也起避雷的 作用。
天线的主要参数
天线的主要参数天线是一种电子设备，用来接收或发射无线电波信号。
它是通信系统的重要组成部分，用于传输和接收无线信号。
天线的主要参数包括增益、频率范围、方向性、带宽、阻抗匹配、极化方式等。
本文将对这些主要参数进行详细介绍。
一、增益天线的增益是指天线辐射或接收信号的能力。
增益越高，天线的辐射或接收能力就越强。
增益通常用分贝（dB）来表示。
天线的增益与其尺寸、形状、辐射模式等因素密切相关。
二、频率范围天线的频率范围是指天线能够工作的频率范围。
不同的天线适用于不同的频率范围。
例如，对于无线电通信系统，常见的频率范围包括2.4GHz、5GHz等。
三、方向性天线的方向性是指天线在空间中辐射或接收信号的特性。
方向性可以分为全向性和定向性。
全向性天线可以在360度范围内辐射或接收信号，而定向性天线只能在特定方向上进行辐射或接收。
定向性天线通常具有较高的增益。
四、带宽天线的带宽是指天线能够工作的频率范围。
带宽越大，天线在不同频率下的性能就越好。
带宽通常用百分比表示。
五、阻抗匹配天线的阻抗匹配是指天线的输入端阻抗与传输线或无线电设备的输出阻抗之间的匹配程度。
阻抗匹配对于天线和设备之间的信号传输非常重要。
如果阻抗不匹配，就会导致信号反射和损耗。
六、极化方式天线的极化方式是指天线辐射或接收信号时电磁波的振动方向。
常见的极化方式包括垂直极化、水平极化和圆极化。
不同的应用场景需要不同的极化方式。
七、天线类型根据不同的应用需求和工作频率，天线可以分为各种类型，包括定向天线、全向天线、扇形天线、饼状天线、螺旋天线等。
不同类型的天线具有不同的特点和适用范围。
八、天线材料天线的性能和特性与其材料密切相关。
常见的天线材料包括金属、塑料、陶瓷等。
不同的材料具有不同的电磁特性，影响天线的性能。
九、天线设计天线的设计是为了满足特定的应用需求和性能要求。
天线设计需要考虑到天线的形状、尺寸、材料、辐射模式等因素，以达到最佳的性能。
天线的主要参数包括增益、频率范围、方向性、带宽、阻抗匹配、极化方式等。
天线原理与设计—第三章V型振子
3.4 八木天线
参数设计：
1）引向器距离一般为0.25~0.35λ， 长阵多用长间距，短阵多用短间距。 反射器的长度约为0.5λ，激励源长度 为无寄生元时的谐振长度，引向器 长度一般比谐振长度短10%到20% 。 2）一般用一个反射器，若干个引向 器。当引向器增加到5-6个，增益提 高明显，继续增加到14个，怎一变化 不大，一次，多为6~14个左右
3.4 八木天线
参数设计：
1）增益对引向器 的长度较敏感。 2）支撑杆的长 度也有影响
3.4 八木天线
3.4 八木天线
3.4 八木天线 12单元的八木宇田天线方向图
方向性系数为11.82dBd, 前后比为38.5dB,输入阻抗 为26.5+j23.7������
3.4 八木天线
为什么八木天线多用折合振子作激励？
输入阻抗
3.2 折合振子
天线模式 (even mode)
两并列振子电流同向， 总电流为Ia, 激励电压 为U/2, 若振子的输入 阻抗为Zd
3.2 折合振子
传输线模式 Odd mode 两振子电流反相可 以等同于双线传输
输入阻抗
总电流为 It+Ia/2, 激励电压为U
输入阻抗
1） 折合振子的输入阻抗可以等效为四个串联的对 称振子与两个串联的短路传输线的并联。
分析：
折合振子可以等效为平行排列的、间距很小的、馈 电相同的二元对称振子阵
3.2 折合振子
辐射特性：
1）对于远场区，由于间隔很小，之间的相位差可以 忽略不计，折合振子的辐射场可以近似为两个对称 振子辐射场的叠加。 2）在折合振子与单个对称振子馈电电流相同的条件 下，折合振子的辐射功率是单个对称振子辐射功率 的二倍。 3）辐射功率相同的条件下，折合振子的输入电流是 对称振子输入电流的一半。
第3章 行波天线
第3章 行波天线
2、 菱形天线方向函数
过长轴的垂直平面的方向函数为:
f( ) 1 s 8 in c o s0 c 0 o s s in 2 [k 2 l(1 s in 0 c o s )]s in (k H s in )
Φ0 为菱形的半钝角；Δ为仰角；H为天线的架设高度。 当Δ=Δ0时（Δ0为最大辐射方向仰角）。 水平平面的方向函数为：
（1）沿轴线方向有最大辐射； （2）辐射场是圆极化波； （3）天线导线上的电流按行波分布； （4）输入阻抗近似为纯电阻； (5 螺旋天线是一种最常用的典型的圆极化天线(Circular
Polarized Antenna)。
第3章 行波天线
一、 圆极化波的应用
使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。 1、通信的一方或双方处于方向、位置不定的状态，为了提高通
I1
2
1
m
20
4
I4＝－ I1
3
(b)
E4 E1 负 载
第3章 行波天线
导线1和4：
在长对角线方向上射线行程差引起的相位差ΔΨr=0，
电流相位差 ΔΨi=π，
电场极化相位差 ΔΨE=π，
1
2 m
总相位差 ΔΨ=2π。
20
负载
I1
I4＝－ I1 (b)
4 3
E4
E1
四条边上的天线在长对角
线上相位都是同相的。
信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天线。 2、在人造卫星和弹道导弹的空间遥测系统中，信号穿过电离层
传播后，产生极化畸变，这也要求地面上安装圆极化天线作 发射或接收天线。 3、为了干扰和侦察对方的通信或雷达目标，需要应用圆极化天 线。 4、在电视中为了克服杂乱反射所产生的重影，也可采用圆极化 天线，因为它只能接收旋向相同的直射波，抑制了反射波传 来的重影信号。
天线基本参数说明
天线有五个基本参数：方向性系数、天线效率、增益系数、辐射电阻和天线有效高度。
这些参数是衡量天线质量好坏的重要指标。
【天线的方向性】是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。
它的这种能力可采用方向图，方向图主瓣的宽度，方向性系数等参数进行描述。
所以方向性是衡量天线优劣的重要因素之一。
天线有了方向性，就能在某种程度上相当于提高发射机或接收机的效率，并使之具有一定的保密性和抗干扰性。
【方向性图】方向性图是表示天线方向性的特性曲线，即天线在各个方向上所具有的发射或接收电磁波能力的图形。
实用天线处在三度几何空间中，所以，它的方向性图应该是个立体图。
在这个立体图中，由于所取的截面不同而有不同的方向性图。
最常用的是水平面内的方向性图（即和大地平行的平面内的方向性图）和垂直面内的方向性图（即垂直于大地的平面内的方向性图）。
有的专业书籍上也称赤道面方向性图或子午面方向性图。
【波瓣宽度】有时也称波束宽度。
系指方向性图的主瓣宽度。
一般是指半功率波瓣宽度。
当L/λ数值不同时，其波瓣宽度也不同。
L/λ比值增加时，方向图越尖锐，但当（L/λ）＞0.5时，除了与振子轴垂直的方向有最大的主瓣外，还可能出现付瓣。
因此，波瓣宽度越小，其方向性越强，保密性也强，干扰邻台的可能性小。
所以，对于超短波，微波等所用的天线，登记主瓣宽度这一指标，是十分重要的。
【方向性系数】方向性系数是用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度（即方向性图的尖锐程度）的一个参数。
为了确定定向天线的方向性系数，通常以理想的非定向天线作为比较的标准。
任一定向天线的方向性系数是指在接收点产生相等电场强度的条件下，非定向天线的总辐射功率对该定向天线的总辐射功率之比。
按照上面的定义，由于定向天线在各个方向上的辐射强度不等，故天线的方向性系数也随着观察点的位置而不同，在辐射电场最大的方向，方向性系数也最大。
通常如果不特别指出，就以最大辐射方向的方向性系数作为定向天线的方向性系数。
第3章 偶极子天线
3.3 偶极子天线
柱面上的波印廷矢量的法向分量，z方向上的积分为零
1 * S x = − Ez Hϕ 2 1 * S z = Ex Hϕ 2 P = 2 ∫ ∫ S x adϕdz
0 0 l 2π
3.3 偶极子天线
P = − ∫ E I dz
0 * x Z l
1 * P = Im ImZ∑ 2 2 l * Z∑ = − E x I Z dz * ∫0 ImIm
3.3 偶极子天线
代入积分式：
Eθ = ∫ dEθ
−l l
60πI m − jkr0 = j sin θe sin k (l − z )e jkz cosθ dz ∫l λr0 −
l
60 I m cos(kl cos θ ) − cos kl − jkr0 = j e r0 sin θ
——偶极子天线辐射场表示式
天线
3.3 偶极子天线
将振子辐射的功率等效为沿天线臂的电阻 损耗，且此损耗电阻均匀地分布在天线臂 上。设振子单位长度损耗电阻为R1整个振 子的损耗功率为
1 1 2 2 Pr = ∫ I z R1dz = I m R∑ 20 2
l
将I Z = I m sin k (l − z ) 代入上式得
2 R∑ R1 = sin 2kl l (1 − ) 2kl
设振子单位长度损耗电阻为整个振子的损耗功率为klkl33偶极子天线根据传输线理论电感单位长度电阻为理想传输线的特性阻为相位常数衰减常数为传播常数入阻抗为的终端开路传输线的输特性阻抗为长度为ln12033偶极子天线ln120ln120ln12033偶极子天线chklsh33偶极子天线33偶极子天线在偶极子天线长度确定的情况下随着频率的变化方向图或最大辐射方向会改变副瓣电平可能增大阻抗匹配将变坏等
卫星通信第三章
地球站射频基本性能
EIRP：
例：高功率放大器的输出为2KW，一个直径为20m 的卡塞格林天线在14.25GHz时的发射天线增益为 66.82dB，高功放到天线馈源的波导损耗为1dB。求 地球站输出的EIRP。
地球站射频基本性能
G/T：
表示地球站天线和低噪声放大器的性能，它与接收 机的灵敏度密切相关
通信业务站、有关通信参数测量站、 遥控跟踪站
引言
地球站设计考虑：
服务类型：FSS、BSS或MSS 通信业务类型：电话、数据和电视等 终端站对基带信号质量的要求 业务要求：信道数、业务类型（连续或突发） 价格和可靠性
地球站组成：
引言
电源
HPA
天线
双工器
跟踪系统
LNA
上变频器
调制器
频率合成器
下变频器
到高精度跟踪
起伏和衰落敏
感
第四节 射频分系统：
高功率放大器 低噪声放大器
地球站
射频分系统
高功率放大器的分类：
行波管放大器：输出功率100~200W，带宽大于 500MHz 速调管放大器：输出功率大，可达几千瓦，但带宽 小，只有行波管的2% GaAs FET放大器：固态功放，功率小（20~30W,最 大110W)，但是供电简单，寿命长，效率高
FSi/Ni Si/K0T B No ＝ GK 0B＋ TNn1Te So/No GiS/N0 GK 0BT GK 0BT T0
可以推 Te导 (F1 出 )T0 则对有损二系 端 L 数 网 F 络噪声
地球站射频基本性能
G/T:
天线噪声温度:通过天线进入到接收机的噪声的温度 噪声源：
自然噪声 宇宙噪声 太阳噪声
下变频器设计
天线性能的主要参数
天线性能的主要参数有方向图,增益,输入阻抗,驻波比,极化方式等;1 天线的输入阻抗天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值;天线与馈线的连接,最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗,这时馈线终端没有功率反射,馈线上没有驻波,天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓;天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量,使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗;匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数,行波系数,驻波比和回波损耗,四个参数之间有固定的数值关系,使用那一个纯出于习惯;在我们日常维护中,用的较多的是驻波比和回波损耗;一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω;驻波比：它是行波系数的倒数,其值在1到无穷大之间;驻波比为1,表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射,完全失配;在移动通信系统中,一般要求驻波比小于,但实际应用中VSWR应小于;过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大,影响基站的服务性能;回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数,以分贝值表示;回波损耗的值在0dB 的到无穷大之间,回波损耗越大表示匹配越差,回波损耗越大表示匹配越好;0表示全反射,无穷大表示完全匹配;在移动通信系统中,一般要求回波损耗大于14dB;2 天线的极化方式所谓天线的极化,就是指天线辐射时形成的电场强度方向;当电场强度方向垂直于地面时,此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时,此电波就称为水平极化波;由于电波的特性,决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流,极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减,而垂直极化方式则不易产生极化电流,从而避免了能量的大幅衰减,保证了信号的有效传播;因此,在移动通信系统中,一般均采用垂直极化的传播方式;另外,随着新技术的发展,最近又出现了一种双极化天线;就其设计思路而言,一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式,性能上一般后者优于前者,因此目前大部分采用的是±45°极化方式;双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线,并同时工作在收发双工模式下,大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化,有效保证了分集接收的良好效果;其极化分集增益约为5dB,比单极化天线提高约2dB;3 天线的增益天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力,它是选择基站天线最重要的参数之一;一般来说,增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度,而在水平面上保持全向的辐射性能;天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要,因为它决定蜂窝边缘的信号电平;增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围,或者在确定范围内增大增益余量;任何蜂窝系统都是一个双向过程,增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量;另外,表征天线增益的参数有dBd和dBi;DBi是相对于点刺煜叩脑鲆妫诟鞣较虻姆涫蔷鹊模籨Bd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+;相同的条件下,增益越高,电波传播的距离越远;一般地,GSM定向基站的天线增益为18dBi,全向的为11dBi;4 天线的波瓣宽度波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数,它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标,通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系;天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关;因此,在一定范围内通过对天线垂直度俯仰角的调节,可以达到改善小区覆盖质量的目的,这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段;主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度;水平平面的半功率角H－Plane Half Power beamwidth:45°,60°,90°等定义了天线水平平面的波束宽度;角度越大,在扇区交界处的覆盖越好,但当提高天线倾角时,也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖;角度越小,在扇区交界处覆盖越差;提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖,而且相对而言,不容易产生对其他小区的越区覆盖;在市中心基站由于站距小,天线倾角大,应当采用水平平面的半功率角小的天线,郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角V－Plane Half Power beamwidth:48°, 33°,15°,8°定义了天线垂直平面的波束宽度;垂直平面的半功率角越小,偏离主波束方向时信号衰减越快,在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围;5 前后比Front-Back Ratio表明了天线对后瓣抑制的好坏;选用前后比低的天线,天线的后瓣有可能产生越区覆盖,导致切换关系混乱,产生掉话;一般在25－30dB之间,应优先选用前后比为30的天线;。
天线参数介绍
辐射参数评估：
满足所需求的覆盖要求
水平面和垂直面波束宽度准确，精确的下倾角，高 前后比抑制同频干扰，并满足所需要的增益指标。
电下倾角度
垂直面波束宽度 前后比 增益
能有效提升网络的通信质量
交叉极化比决定极化分集效果，网络升抗多径衰落 的标志。良好的上旁瓣抑制，在城区覆盖中能够减 缓同频干扰。
电下倾角度
垂直面波束宽度 前后比 增益
能有效提升网络的通信质量
交叉极化比决定极化分集效果，提升抗多径衰落的 能力。良好的上旁瓣抑制，在城区覆盖中能够减缓 同频干扰。
交叉极化比
副瓣抑制
零点填充 方向图圆度
对网络性能有影响的辅助指标
零点填充在某些特殊场景可有限度的减少盲点； 方向图圆度是反映全向天线的覆盖均匀性指标。
电路参数
电路参数：
--- 按重要性顺序排列
VSWR
电路参数评估：
保证通信质量的辅助指标
电压驻波比小，提高传输效率； 隔离度尽量低，增加收发隔离，抑制自激等现象； 交调指标优良，避免3阶交调分量影响自身系统或 其它系统的通话质量。
隔离度
三阶交调
35
隔离度
定义：某一极化接收到的另一极化信号的比例。
38
THANKS
交叉极化比
副瓣抑制
零点填充 方向图圆度
对网络性能有影响的辅助指标
零点填充在某些特殊场景可有限度的减少盲点； 方向图圆度是反映全向天线的覆盖均匀性指标。
20
天线增益
定义：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空
间同一点处所产生的信号的功率之比。
P1 全向辐射器在各个方向上 的辐射能量相等 单一偶极子的 “汽车轮胎”形辐射图
电子信息技术导论-第3章
第3章 无线技术
3.4.2 无线信道 在无线通信中，信号传输的信道是无线的。无线电波在无线信道中的传播可以
分为以下3种情况： （1）在大气中传播。 （2）在电离层中传播。 （3）在外层空间传播。
第3章 无线技术
1. 大气衰减 无线电波在大气中传播，大气对电波的衰减主要来自两个方面：
（1）云、雾、 雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。 热吸收与小水滴的浓度有关，谐振吸收与工作波长有关。
第3章 无线技术
3.3.3 常用天线
（1）对称天线 对称天线，可以看成是由一对终端开路的传输线两臂向外张开而得来的，
并假设张开前、 后的电流分布相似。
l
l
2a
~
图3.8 对称天线
第3章 无线技术
（2）单极天线
单极天线如图3.9（a）所示。当地面为无限大的理想导电平面时，垂直接地的单 极天线。天线臂与其镜像构成一对称振子，如图 3.9（b）所示。
第3章 无线技术
（1） 按用途，将天线分为通信天线、导航天线、广播电视天线、雷达天线和卫星天线等。 （2） 按工作波长，将天线分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天 （3） 按辐射元的类型，将天线分为线天线和面天线。 （4） 按天线特性。
第3章 无线技术
3.3.2 天线主要参数 （1）方向性系数 （2）天线效率 （3）天线增益 （4）输入阻抗 （5）天线的极化
从此，开启了应用无线电技术的崭新时代。
第3章 无线技术
3.2 射频/微波技术 3.2.1 概述
射频是指可以用于无线电信号发射与接收的频率，通常包括中波、短波、超短波、 以及微波以上的频段。
研究微波的产生、放大、传输、辐射、接收和测量的学科称为“微波技术”。微波 是频率在300MHz-3000GHz之间、波长在1m-0.1mm（空气中）之间的射频无线电波，如图 3.2所示。
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3.1 天线的辐射功率和辐射电阻
以天线为中心，作一球面（球面半径 r>>波 长 ）,则从天线辐射出来的能 量必须全部通过这球面。
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。
4
3.1 天线的辐射功率和辐射电阻
z
rsin
r I d
rsind
rd
S
1 2
E
H
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• 所谓方向性，就是在相同距离的条件下
天线辐射场的相对值与空间方向（子午
角θ、方位角φ）的关系。若天线辐射的
电场强度为E(r,θ,φ)，把电场强度（绝对
值）写成
E(r,,60I f(,)
r
13
3.2 天线的方向性和增益
3.2.1 归一化方向性函数
天线的辐射场强在空间的分布是不均匀的， 即在以天线为中心的球面上，各方向的场 强大小是不同的。对任何天线，在空间的 电场公式均可写成：
R23 l 2
在自由空间中，
R
80 2
l
2
11
3 天线效率：天线辐射功率与输入有功功率的比 值，称为天线的效率。
P A P P n P n 1 2Im 2R n P 1 2Im 2R
P P AP P P nR R R n
物理意义：表示有百分之几的高频电流的输入 有功功率转变成了辐射出去的电磁波能量。
• E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射 方向的平面；
• H面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射 方向的平面。
19
平面性方向图
它分为H面方向图和E面方向图。 所谓的H面是指在天线辐射的周围空间里，磁场矢量所 在的平面，这个面的方向图就叫H面方向图； 同样，E面是指电场矢量所在的平面，这个面的方向图 就叫天线的E面方向图。
第3章 天线的特性参数
1
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
• 描述天线工作特性的参数称为天线电参数(Basic Antenna Parameters)，又称电指标。它们是定量衡 量天线性能的尺度。
E A f , e j( , )e jkr
其中A为与方向无关的因子，取决于天线的类型；
f ,为天线方向性函数；
e e j(,) jkr反映E 的相位特性。
14
为了便于比较不同天线间的方向性差别，常使用的
参数是归一化方向性函数 F(,,定)义为：天线辐射场
与最大方向上的场强值之比。
F ( ,) E , / E m ,a x f , / f m ,a x
参考电流值时，辐射电阻越大，则它所等效“吸收”的功率越大，也
就是天线产生的辐射功率越大，辐射能力越强
P r天 线 辐 射 功 率 P 辐 射 电 阻 耗 散 I2R r辐 2射 电 阻
10
Pr＝40
2I
2
l
2
Rr
80 2
l
2
例：求电偶极子的辐射电阻？
电偶极子的辐射功率为：
P
Im2
3
l 2
F(,) 反映了天线在不同方向的场强大小的分布。
F(,)1
功率归一化方 向函数为
F P(,)F2(,)
15
3.2.2 方向图 • 将方向函数用曲线描绘出来，称之为方
向图(Fileld Pattern)。方向图就是与天
线等距离处，天线辐射场大小在空间中 的相对分布随方向变化的图形。 • 依据归一化方向函数而绘出的为归一化 方向图。
• 大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线 把高频电流能量转变成空间电波能量以及定向辐射的能 力。
2
• 天线的分析：救给定天线的特性参数； • 天线综合：在预先给定天线参数的情况下，
求天线上的电流分布
根据互易定理，对一个无源线形天线来说，无论是用 于发射，还是用于接收，天线的特性参数都是相同的。
天线上的电流，则该电阻就称为天线的
辐射电阻。
根据定义：
P
1 2
Im2 R
R
2 P
I
2 m
R称为辐射电阻，Im为电流振幅。
9
辐射电阻Rr： 发 P r
发
射
射
Rr
机
机
辐射电阻Rr：电流元向外的辐射能量来自波源，对于波源来说，
电流元相当于波源的负载。工程实际中．为了衡量天线辐射功
率的大小，以辐射电阻R r表述天线
• 变化θ及φ得出的方向图是立体方向图。
16
几种天线的立体归一化方向性图
一个单一电流元具 有面包圈形的方向 图辐射
17
多个对称振子组成的 全向天线具有扁面包 圈形的方向图辐射
多个对称振子组成 的定向天线具有的
方向图
18
平面性方向图
• 在实际中，工程上常常采用两个特定正 交平面方向图。
• 在自由空间中，两个最重要的平面方向 图是E面和H面方向图。
4wr
sine jkr
Er E 0
传播常数 k w
H
j
Ilk
4r
sine jkr
Hr H 0
7
此处Im为振 幅值，即电 流最大值。
I Imsinwt
将
E
代入，得：
P
Im2
3
l
2
在自由空间，电偶极子的辐射功率为：
P
402
Iml
2
8
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
x
5
通过小面积ds的功率为
d P Sd 1 2 sE H r2sid nd
H E d P E 2 2 r2sin dd
P
2
0
E2 02
r2 sindd
r2 2
2
d
0
0
E2
sind
W
可用来求任意天线的辐射功率
6
例：求电偶极子的辐射功率？ 电偶极子的辐射场
E
j
Ilk 2
结论：辐射电阻
R
越大。在工程设计中， 往R 往给定，这时就
需要降低 来提R高n 天线的效率。
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3.2 天线的方向性和增益
• 方向函数
• 由电基本振子的分析可知，天线辐射出 去的电磁波虽然是一球面波，但却不是 均匀球面波，因此，任何一个天线的辐 射场都具有方向性。
为了便于理解，人们以地平面为参考，又将天线的 方向图分为水平面方向图和垂直面方向图。
20
• 方向图可用极坐标绘制，角度表示方向， 矢径表示场强大小。这种图形直观性强， 但零点或最小值不易分清。
是将天线辐射到空间中的总辐射功率等效地视为被一个电阻所吸收，
这个电阻值便是天线的辐射电阻。（辐射功率与电流有关，一般有两
种选择，一种是取电流的最大值，此时的辐射电阻称为归于波腹电流
的辐射电阻，一种是取馈电点处的电流值，称为归于输入电流的辐射
电阻）。辐射电阻是天线辐射能力的表征，当不同的天线上有同样的