天线方向图ppt课件

F sin
上式为元天线的方向图函数或归一化方向图函数。其含义是：在半径为r的远区球面上，基本振子的远区辐射场随空间角θ 为正弦变化。由 此可画出其空间立体方向图和两个主面(E面和H面)的方向图，如图所示。
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(a) 三维方向图 (b) E面方向图 (c) H面方向图 基本振子的方向图
说明： (1) 在振子轴的两端方向(θ=0,π=)上，辐射场为零，在侧射方向(θ=π/2)辐射场为最大。 (2) 基本振子的方向图函数与无关，则在垂直于天线轴的平面内辐射方向图为一个圆。 (3) 根据E面和H面方向图的定义，yz平面内的方向图为E面方向图(E面方向图有无穷多个)，xy平面内的方向图为H面方向图。 (4) 与理想点源天线不同，基本振子(元天线)是有方向性的。
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1.1 元天线的方向图
图1-1 (a) 基本振子及坐标系 (b) 基本振子及场分量取向 4
元天线又称作基本振子或电流元，它是一个长为dz的无穷小直导线，其上电流为均匀分布I。如果建立如图1-1所示坐标系， 由电磁场理论很容易求得其矢量位A为
A
zˆ 0 4
e jr Idz
r
zˆAz
由上式可以看出，元天线在远区的辐射具有如下性质：
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dE

j
Idz
2r

sin e
j r
(V
/ m)
dH

j
Idz
2r
sine jr A / m
（1）电场和磁场都与
e / r jr
成正比。等相位面是一个球面，
球心位于元天线的中心。
（2）在空间任意点的电场和磁场同相，而且都比元天线的 电流超前
当天线上只有电流行波时，若以
/ 2 r 相角。
（3）电场矢量沿方向，磁场沿方向，它们相互垂直，且 都垂直于波的传播方向。
（4）电场和磁场的比值等于媒质的波阻抗
dE
dH

（5）当电流保持不变时，电场和磁场的大小与波长成反比，
即波长越短，辐射越强。
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3。元天线的辐射方向图
dE

j
Idz sine jr 2r
；
rˆ I----天线电流；dz----元天线的长度
λ---工作波长，米；r----天线中心到观察点的距离
由此式，我们可根据场点的距离写出远区元天线的电磁场为：
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r 1
dE

j
Idz
2r

sin e
j r
(V
/ m)
dH

j
Idz
2r
sine jr A / m
通过球坐标系和直角坐标系之间的转换,有

Ar A

Az Az
cos s in

A 0
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由Leabharlann Baidu
E jA A , H 1 A 可得元天线的电磁场各分量为
j 00
0

dH

j
Idz 4r
sin

1
1
jr
e

jr
dE

j
Idz 4r
s in
1

1
jr

(
1
jr)2
e
jr

dEr

Idz
2r 2
cos 1
1
jr
e
jr

dE dHr dH 0
式中，dE为电场强度；dH为磁场强度；下标r ,θ, 表示球坐标系中的各分量。
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不同长度对称振子上的电流分布
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1.3单线行波天线 单线行波天线是指载有均匀行波电流的直线天线，它可以是菱形天线的一条边，也可以单独构成地面上的长线行波天线如图所示。
(a) 菱形天线(b) 长线行波天线
这里只考虑自由空间中的一根长为l 的行波直线天线，并建立坐标系如图所示。求其远区辐射场及方向图函数。
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几种典型应用的方向图
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这一章介绍几种简单的直线天线和简单阵列天线的方向图，以及地面对天线方向图的影响。简单天线涉及元天线、单线行波天线、对称 振子天线等。简单阵列天线涉及由同类型天线组成的二元阵、三元阵和多元阵，对简单阵列将介绍方向图相乘原理。 线天线的分析基础是元天线。一个有限尺寸的线天线可看作是无穷多个元天线的辐射场在空间某点的叠加。因此这里首先讨论元天线。
第一章 天线的方向图 天线的方向图可以反映出天线的辐射特性，一般情况下天线的方向图表示天线辐射电磁波的功率或场强在空间各个方向的分布图形。 而相位、极化方向图只在特殊应用中使用。对不同的用途，要求天线有不同的方向图。
例如，广播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定的方向性以提高天 线增益，见图(a)；对微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图，见图(b)；对 搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束，见图(c)等。
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1.2天线上的电流分布 计算实际天线辐射场的方法： 将天线分成无数个元天线，每段天线上的电流是相应实际天线中该段的电流值； 用积分求和的方法将各个元天线的辐射场迭加起来，要考虑空间方位和时间相位上的关系。 所以首先需要知道天线上的电流分布情况。严格求解天线上的电流分布是一个复杂的理论问题，工程上采用近似方法。
自由空间媒质的介电常数为:
磁导率为:
相位常数:
,λ为自由空间媒质中的波长；
0 8.854 10 12 F / m 10 9 / 36F / m
0 4 10 7 H / m
2 /
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/ 为媒质中波阻抗，在自由空间中
θ为天0线轴与矢量 之0间的夹0角；
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对于细长天线的电流分布，是假定与无损耗均匀传输线上的电流分布相同。例如对于中点馈电的对称天线可以看成是将末端开路的均匀传输 线张开形成的，天线上的电流分布是对称于中点的驻波。
(a) 开路双线传输线
(b) 半张开情况 (c) 张开形成对称振子 开路双线传输线张开形成对称振子示意图
在两根相互平行的导线上电流方向相反，两线间距d远远小于波长，它们所激发的电磁场在两线外的周围空间因两线上电流相位相反而相互抵消， 辐射很弱。如果两线末端逐渐张开，如图 (b)所示，辐射将逐渐增强。当两线完全展开时，如图 (c)所示，张开的两臂上电流方向相同，辐射明显 增强。对称振子后面未张开的部分就作为天线的馈电传输线。