最新天线的主要特性

天线的主要特性

天线的主要特性（一）

天线是微波收发信设备的“出入口”，它既要将发信机的微波沿着指定的方向放射出去，同时还要接受对方传来的电磁波并送到微波收信机。因此，天线性能的好坏将直接影响到整个微波通信系统的正常运行。这里我们将对天线的性能指标及要求作一介绍。

天线的方向性

通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。所谓天线的方向系数是指在某点产生相等电场强度的条件下，无方向性天线总辐射功率PF0与定向天线总辐射功率PF的比值，常用“D”来表示，即

天线方向性图

（3-4）

不难想象，定向天线沿各个方向辐射的电场强度是不相同的，因而定向天线的方向系数也将随着观测点的位置不同而有所不同。其中方向系数最大的地方，即辐射增强的方向，称主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线对各个方向的方向系数大小，如图所示。由图可以看出，天线的方向性图像象花朵的叶瓣，各叶瓣称为方向叶。处于主射方向的方向叶称为主叶，处于主叶反方向位置的方向叶称为后叶，其他方向的方向叶统称为副叶。显然主叶的宽度越窄，说明天线的方向性也好。天线方向性的好坏，工程上常采用半功率角和零功率角两个参量来表示。所谓半功率角是指主叶瓣上场强为主射方向场强的1/√2= 0.707时（即功率下降1/2时），两个方向间的夹角，即为“2θ0.5”；所谓零功率角是指偏离主射方向最近的两个零射方向（辐射场强为零的方向）之间的夹角，记为“2θ0”。半功率角和零功率角越小，表示主叶瓣的宽度越窄，说明天线的方向性越好。

一副方向性良好的天线，除了必须具备上述具有较小的半功率角和零功率角外，还应该包括后叶瓣和副叶瓣尽可能小，以减小可能出现的窜扰。

天线的主要特性（二）

天线增益

所谓天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向发射的能力。天线增益定义为：取定向天线主射方向上的某一点，在该点场强保持不变的情况下，此

时用无方向性天线发射时天线所需的输入功率Pi0，与采用定向天线时所需的输

入功率Pi之比称为天线增益，常用“Ｇ” 表示。即

根据天线增益的定义，天线增益可以理解为：为了使在观察点获得相等的电磁波功率密度，具有方向性天线所需的发射功率要比无方向性天线所需的发射功率小G倍。

另外天线具有互易性，即一副同样的天线既可以作为发射天线，也可以作为接收天线，因此从天线接收的角度看，天线增益也可以用定向天线的有效接收面积Ae与各向同性（无方向性）天线的有效接收面积A0之比来表示，即

必须指出，天线性能指标中给出的天线增益以及通常人们所说的天线增益都是指辐射场强为最大主射方向时的天线增益。然而当天线的主射方向偏离接收方向时，其实际的增益将随偏离程度的不同而变化。总之天线的增益反映了定向天线对某一方向辐射电磁波或接收电磁波的能力。因此一副高增益的定向天线可以降低对微波发信机输出功率的要求和提高微波接收机的接收灵敏度。

天线的效率

天线本身是一种无源器件，就其对传输而言存在一定的损耗。这种损耗通常用天线的效率来衡量。所谓天线效率就是指天线的辐射功率PF与输入功率Pi之比。常用“η”来表示，

将式（3-7）与式（3-4）、式（3-5）比较可以得出天线方向系数D、天线增益G和天线效率η之间的关系为

理想点天线源没有损耗，即Pi0=PF0 。因此得 G等于η乘于D（3-8）天线的防卫度

天线的防卫度分天线后向防卫度和天线正交防卫度。天线后向防卫度是指天线主射方向的辐射场强Ｅ0与后向辐射场强E180°的比值，用“Ｌ180°”表示，

即

天线正交防卫度是指天线主射方向的辐射场强Ｅ0与偏离主射方向90°方向上

辐射场强E90°的比值，用“Ｌ180°”表示，即

天线防卫度反映了主射方向的辐射场强对偏离其90°和180°方向上的串扰影响大小，防卫度越高其扰越小。

天线为什么这么灵

目前在微波通信中常用的天线主要有两种，即抛物面天线和卡塞格伦天线。它们具有天线方向性好、增益高、损耗低的特点。

抛物面天线

抛物面天线由旋转抛物面和辐射源（馈源）两部分组成，其结构类似于探照灯，它是利用放置在抛物面焦点处的辐射源发射出的球面波，经抛物面反射形成定向的平面波束射向空间。图（ａ）为抛物面天线的结构图。根据几何学原理，其工作原理如下：

抛物线天线的结构图

抛物面的方程可由下式表示：

式中 f ——焦距，即焦点F到抛物面顶点的距离。

由于旋转抛物面具有对称性，因此我们只需研究平面内的情况，此时式（3-9）可写成抛物线方程

它可用图（b）表示。假设P为抛物线上的任意一点，过P点作平行ｚ轴的直线，过焦点F作平行于ｘ轴的直线，两者交于M点。作P点处法线PS，则PS 与PM的夹角为θ1，PF与OF的夹角为θ0。只要证明θ0=2θ1 ，即FP与PS之间的夹角也为θ1，就可以得出PM为FP的反射线

抛物线上P点处的斜率为

即

亦即

根据三角函数关系有

由图中可知

由此可以得出

根据这一结果可以得出，PM即为FP的反射线。进一步推算有

则

也就是说，长与P点的位置无关，这说明MF平面是一个等相位面。因此抛物面天线发射出的电磁波在方向是一个平面波。

通过以上分析可以得出，当信号的辐射源位于抛物面天线的焦点上时，有辐射器发射的电磁波经抛物面反射后产生一个高方向性的波束。

卡塞格伦天线（一）

卡塞格伦天线是另一种在微波通信中常用的天线，它是从抛物线演变而来的。卡塞格伦天线由三部分组成，即主反射器、副反射器和辐射源。其中主反射器为旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面。在结构上，双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合，双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合，而辐射源位于双曲面的另一焦点上，如下图所示。它是由副反射器对辐射源发出的电磁波进行的一次反射，将电磁波反射到主反射器上，然后再经主反射器反射后获得方向的平面波波束，以实现定向发射。卡塞格伦天线的工作原理如下。

卡塞格伦天线工作原理

当辐射器位于旋转双曲面的实焦点F1处时，由F1发出的射线经过双曲面反射后的射线，就相当于由双曲面的虚焦点直接发射出的射线。因此只要是双曲面的虚焦点与抛物面的焦点相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射线被抛物面反射成平面波辐射出去。

卡塞格伦天线相对于抛物面天线来讲，它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式，这使天线的结构较为紧凑，制作起来也比较方便。另外