第二章天线的特性参数

2.3天线的方向性和增益
PA Su P PA

2
4r 4r 2 S 1 , 1 S 1 , 1 G D SuG SuD
天线方向系数和天线增益的关系

P
G D
GdB 10 lg G
2.4天线的有效长度
天线有效长度： 一般而言，天线上的电流分布是不均匀的，也 就是说天线上各部位的辐射能力不一样。为了
2.1辐射功率和辐射电阻
1 dP E H r 2 sin dd 2 2 E 2 H E dP r sin dd 2
P
2
0


0
E 2
2
2 r sin dd
r2 2
2 2 d E sin d 0 0
2.7天线的极化
2.7天线的极化
2.7天线的极化
2.7天线的极化
• 天线可能辐射非预定极化的电磁波，预定极化称 为主极化，非预定极化称为交叉极化或寄生极化 。交叉线极化的方向与主线极化方向垂直，交叉 圆极化的旋向与主极化方向相反。由于交叉极化 波要携带一部分能量，对于主极化波是一种损失 ，因此通常要加以消除。但另一方面，如收发共 用天线或双频天线则是利用主极化和交叉极化的 特性不同来实现收发隔离或双频隔离的目的。
2.3天线的方向性和增益
• 天线辐射的电磁场在空间是不均匀分布的，即以天线为中 心的球面（远区），个方向上场强大小和相位是不同的。 对于任何天线，在空间电场公式均可以写成：
E A f ( , ) e j ( , ) e jkr
A表示天线到观察点之间的与方向无关的因子，取决于天 f 线类型； ( , ) 表示天线方向性振幅特性，为了简便省略 了绝对值符号； ( , ) 表示天线方向性的相位特性。
2 Emax P Su 2 4r 8
2 2 0 0 F , sin dd
S (1 , 1 )
E
2 max
F (1 , 1 ) 2W
2
2.3天线的方向性和增益
S 1 S 1,,11 D D SD S D F sin dd F ,, sin dd
2.1辐射功率和辐射电阻
电流元的辐射功率为：
I 2 P 2 3
2
l
2
2 R 3
l
2 2
2

l R 80
2.2天线的效率
• 天线辐射功率与输入有功功率的比值， 称为天线的效率。
PA P Pn
2.3天线的方向性和增益
1. 归一化方向性函数： 天线辐射场与最大方向上的场强值之比。
F ( ,) E , / Emax , f , / f max ,
—— 反映了天线在不同方向的场分布。 2. 归一化方向性图：
表示归一化方向性函数的空间立体图形。

0 0
2 2

0 0
F F , sin dd d d
2 2
2.3天线的方向性和增益
天线增益定义： 在任意方向 (1 , 1 ), 辐射功率密度与将相等的输入功
率均匀辐射时的平均功率密度之比，即
G
S (1 , 1 )
Su
PA Su
4r
2
物理意义： 为了在观察点有相等的辐射功率密度，方向性天 线的输入功率应小于均匀辐射天线输入功率的G倍。
2 2 0 0 0 0 2 2
4F 1 4F 221,,11
通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的 通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的 FF ( 方向性系数，此时， 1 , 1 , ) 方向性系数，此时，(1 )1 1 1
D D
4
2.3天线的方向性和增益
1 2 2 dP E r sin dd 2 1 2
2 2 2 Emax F , r sin dd
2 2 0 0 F , sin dd
2 r 2 Emax P 2
2.3天线的方向性和增益
E he E he Pmax 2 8RA 22RA
2
2
2
2
2.6天线系数
天线因子(也称作天线系数、天线校正系数)反映了天 线将电场转换成电压的能力。天线因子一般越小越好 。
1 V0 Ehe 2 V0 E 20 lg he 6 K 20 lg he 6
2.7天线的极化
2.3天线的方向性和增益
主瓣宽度： 主瓣电平的最大值降到该值的0.707倍（即 -3dB）时，两个方向之间的张角宽度。
－3dB点
2 0.5
峰值
－3dB点
2.3天线的方向性和增益
副瓣电平：相对主瓣最大值的比值。
n
方向性系数定义：
En max
Emax
天线辐射功率一定，在任意方向 (1 , 1 ) 辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时的 平均功率密度之比。
通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤道面/E面和H面） 的平面图来表示。
2.3天线的方向性和增益
赤道面内方向图
子午面内方向图
2.3天线的方向性和增益
在方向性图中，一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣中， 最大辐射方向所在波瓣称为主瓣，其余波瓣称为旁瓣。 有时不用方向性图来说明天线的方向性，而用数值表示其特 性 。方向性图的数值特性是主瓣张角和副瓣电平。
P PA
1 2 1 2 Pn I m Rn P I m R 2 2
P P Pn R R Rn
2.2天线的效率
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。 结论：
R 越大， n 越小，天线的就越高。在 R 工程设计中，R 往往给定，这时就需要降低 Rn 来提高天线的效率。
• 天线的极化 天现在某方向上的极化是指天线在该方向所辐射 电磁波的极化，或天线在该方向上接收获得最大 功率时入射平面波的极化。 • 电磁波的极化 在空间固定点，单一频率的电场的矢量是指电场 矢量端点运动轨迹的形状、取向、旋转方向。 通 常用电场矢量的极化代表电磁波的极化。 • 线极化、圆极化、椭圆极化。
W
2.1辐射功率和辐射电阻
将 E 代入，得：
I 2 P 2 3
2
l
2
2.1辐射功率和辐射电阻
• 将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，并使流 过电阻的电流等于天线上的电流振幅，则该电阻 就称为天线的辐射电阻。
1 2 P I m R 2
2 P R 2 Im
衡量天线的实际辐射能力，常采用有效长度。
它的定义是：在保持实际天线最大辐射方向上 的场强值不变的条件下，假设天线上的电流分
布为均匀分布时天线的等效长度。
I A he I z dz
l
l
2.4天线的有效长度
z
不均匀分布 均匀分布
L he
IZ
IA
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2.5天线的有效孔径
2.6天线系数
2.6天线系数
第2章 天线的特性参数
发射 高频电流
天线
接收
空间电磁波
发射机 导行 的一 维波 过渡区 域（天 线）
自由空间 三维电磁波
第2章天线的特性参数
• • • • • • • 2.1辐射功率和辐射电阻 2.2天线效率 2.3天线的方向性和增益 2.4天线的有效长度 2.5天线的有效孔径 2.6天线系数 2.7天线的极化
D
S (1 , 1 )
Su
2.3天线的方向性和增益
物理意义： 由于天线有方向性，使某方向的辐射功率密度比该 天线的平均功率密度增加的D倍。实际上，D反映了天 线集中辐射能量的特性。
方向性系数的求法： 1）已知归一化方向性函数求D
先求全向天线(点源)均匀辐射时的平均辐射功率密度:
Su
P
4r 2
2.7天线的极化
x
O
z
某一时刻x方向线极化的场强矢量线在空间的分布
2.7天线的极化
某一时刻右旋圆极化的场强矢量线在空间的分布图(以z轴为传播方向)
2.7天线的极化
某一时刻右旋圆极化的场强矢量线在空间的分布图(以z轴为传播方向)
0 ZA Z0 U0 I0
设天线的输入阻抗 Z A RA jX A , 设天线的负载阻抗
Z0 R0 jX 0
1 2 则接收天线的输出功率： P I A R0 2
当天线的最大接收方向对准来波方向，并且接 收机的输入阻抗与天线完全匹配时，天线向接收机 的输出功率最大。即当X0=-XA,R0=RA时 天线的输出功率最大,为
第2章天线的特性参数
第2章 天线的特性参数
• 天线的特性参数包括两方面：电特性参数； 机械特性参数。机械特性参数包括天线系 统的形状，尺寸，使用时是否坚固、可靠、 便利等。电特性参数分为一次参数和二次 参数。一次参数包括方向性图、输入阻抗、 效率。二次参数可以由一次参数求得。二 次参数包括方向性系数、增益、波瓣宽度、 副瓣电平和天线极化特性。
2.1辐射功率和辐射电阻
• 以天线为中心，作一球面包围它，则从天线辐 射出来的能量必须全部通过球面。在远区单位 时间内通过这球面的电磁量能的平均值称为天 线的辐射功率。
z
rd
r sin
r sin d
1 S E H 2
2
I
d
r
y

x
d
ds r sin d d