天线与电波复习 第二版

第一部分 天线的特性参数
机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等
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 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。
电特性参数
1、基本振子 辐射
一、电基本振子
第二类：阻抗频宽，与之对应的是输入阻抗(表现为天线输入的反射系数或驻波 比）、和辐射效率 （几何尺寸远大于波长的天线或天线阵） 在驻波比SWR ≤ 1.5 条件下，天线的工作频带宽度
• 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。
反射器
引向器
由N个相同的振子平行地以相等的间距排列在与各振
子轴相垂直的一条直线上，各个振子上的电流振幅 相等，而相位则以均匀的比例递增或递减，这种天 线阵就称为均匀直线式天线阵。
最大辐射方向：
设 kd cos 0 , 则 f c N sin d 2 令 d sin 2
0 kd

N
地面对天线特性的影响
近似分析方法：镜像原理
水平线天线的镜像一定为负镜像；垂直对称线天线的镜 像为正镜像。 至于垂直架设的驻波单导线，其镜像的正负视单导线的 长度l而定。
＝∞
＝∞
正
负
负 (a )
负
正
正
负 (b )
负
线天线的镜像 (a)驻波单导线；(b)对称振子
f c 2 cos kh sin
• •
垂直架设在理想导电平面上的振子在轴向无辐射 最大辐射方向上的场强是自由空间中的2倍
第七章 简单的线天线
一．天线的结构、结构参数、架设方法
二．天线的电参数，及其特点
三．天线的用途及尺寸选取方法 四．天线的优缺点 五．天线的改进方法
7.1 双极天线
以相乘。
f , f1 , f c ,
f c , mn e
n 1 N j n
e
j n ,
相位差Ψ=φ0+kΔr
注意赤道面子与子午面分别求解
加大间隔距离d会加大波程差的变化范围，导致波瓣 个数变多；而改变电流激励初始相差，会改变阵 因子的最大辐射方向。
2） 90 ，相位差为0，同相叠加得到更大值；
3）当 l 0 . 5 时，振子上出现反向电流。场强叠加时， 不仅要考虑行程差，还要考虑电流的相位差所引起的场强
的相位差，其结果出现旁瓣； 4）当 l 继续增大时，振子上有反向电流的线段增加， 主瓣相对减小，旁瓣相对增大； 5） l
平均功率密度之比。
D
D max
S (1 , 1 ) S D
4

0
2

0
F , sin d d
2
G D
近似计算方法： 天线的波束范围ΩA指归一化功率波瓣图在球 面上的积分
A HP HP
θHP 、 ΨHP：在E面和H面上，以弧度为单位的波 瓣宽度。
Ae Pmax S
2 D
4
• (Bandwidth)频带宽度：中心频率两侧天线的特性下降到
还能接受的最低限度时，两频率的差值；当工作频率变化 时，天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内，此
来自百度文库
时对应的频率范围称为频带宽度。
第一类：方向性频宽，与之对应的是主瓣宽度、副瓣电平、 增益变化等频宽 全 长小于或接近于半个波长的对称振子，半波天线） 天线增益下降 3 分贝范围内 的频带宽度
重要关系(掌握计算)
定向性：
D 4 A
120 Rr
2
D
f max , D
2
4 Ae
2
120
2
D
2 Rr
le
2
有效口径与波束 范围：
有效口径与有效 高度：
Ae A
Ae
30 Rr
le
2
E max
60 Pr D r
(1-2-12)
对称振子
•几种典型偶极子天线上的电流分布
l
l
3 4
l

2
l

4
二 辐射场和方向性函数
Em 60 I m cos kl cos cos kl r sin
f ,
coskl cos cos kl sin
1） f ( , ) 与

周期为2π。 在 Ψ∈0~2π的区间内，函数值为1发生在 Ψ=0,2π处， 对应着方向图的主瓣；由于阵因子的分母随 Ψ 的变化 比分子要慢得多，因此阵因子有 N-2个函数值小于1的 极大值，发生在分子为1的条件下（对应着方向图副 瓣），即
m
(2 m 1) N
2 m N
m 1, 2, N 2
时，随着
l

增大，波瓣越来越尖

0 .5
后，出现旁瓣；l

1
时，主瓣消失；
l

继续增大时，波瓣将变得更窄，并且波
瓣的数目将波浪式地增多。
方向性的变化归根到底是由电流分布的变化引起的:
1） l

0 . 5 时，天线振子上下两臂的电流同相。但行程
差引起的相位差却存在，这使电场叠加后产生方向性；
2)普通端射阵（OrdinaryEndfireArray）
端射式天线阵是指天线阵的最大辐射方向沿天线阵的阵轴线（即 φm=0或 π）。 此时要求Ψ0+kdcos0=0或Ψ0+kdcosπ=0
3) 强方向性端射阵（汉森-伍德耶特阵）（Endfire Arraywith Increased Directivity） 普通端射阵的主瓣方向唯一，但是它的方向图主瓣过宽，方向性较弱。 对一定的均匀直线阵，通过控制单元间的激励电流相位差可以获得最大方向 系数。具体条件是：
G
4
HP HP
(线)天线的有效长度：用一等效天线代替被研究天线，此等 效天线上的电流是以被研究天线上的最大电流振幅(IA)均匀分 布，并在最大辐射方向产生与被研究天线相等的电场强度。 则等效天线的长度(le )就称为被研究天线的有效长度。
有效接收面积(有效孔径)：入射波的功率密度为S， 当天线与来波方向垂直，天线得到最大接收功率 Pmax，则该天线的有效接收面积A为：
2～3 m l l 绝缘子
H
双馈线 馈线绝缘子
方向图的分析（水平面，垂直面） 天线架设高度
臂长选择
改进方法
7.2 直立天线
有效高度
h
增高效率的改进方法
~
图2―2―1 直立天线示意图
7.3 螺旋天线
法向模螺旋天线主要用于超短波手持式通信机，代替单 极振子天线，最大的优点是天线长度可以缩短2/3，而仍 处于谐振状态。
各种天线都可以看成是由很多电偶极子构成 的，因此天线的辐射场也可以看成是这许多 电偶极子辐射场的叠加。
电偶极子：长度l<<的流有电流的导线。
特点：由于l<<，因此电偶极子上的电流I处 处相等。
自由空间中电偶极子的辐射场：
60 Il jkr E j sin e r Il jkr H j sin e 2r E r E H r H 0
天线与电波 复习
1）天线的特性参数和各种天线（30学时）
2）电波传播（10学时）
影响无线电通信的两个因素：
• 一付好的天线对无线电通信产生的效益是 很大的； • 天线周围的自然环境对电波的远距离传输 也有很大影响。 • 因此，对天线辐射电磁波的规律和天线特 征的认识和了解，对电磁波的传输规律和 特征的认识和了解就显得尤为突出和重要。
无关，因此偶极子天线在赤道面内轴向
对称，方向性图为一圆； 2） f ( , )与 有关，说明偶极子天线在子午面内的方 向性与 有关；其方向性取决于 l ;

•任何长度的偶极子天线在轴向 0 无辐射； •当
l
锐，且只有主瓣，主瓣垂直于振子轴； •当 •当
l

0 .5
5. 当l 继续增大，对称振子的输入阻抗重复上述 规律，只是
RA
和 X A 逐渐减小。
半波振子的参数
• D=1.64 • Rr=73.1Ω • 输入阻抗
R r 73 . 1
X r 42 .5
天线阵
方向性相乘原理 均匀直线式天线阵
方向性相乘原理：天线阵的方向性函数为单个振
子的方向性函数与阵因子的乘积。方向性图也可
有N-1个零点，发生在分子为零而分母不为零时
0
m 1, 2, , N 1
计算极坐标方向图中的第一副瓣位置、第一零点位置
• 2.均匀直线阵的应用
均匀直线阵在实际应用中有如下几种常见的情况。
1)边射阵（同相均匀直线阵）（Broadside Array）
当 Ψ0=0时， Ψ=kd cosφ ， Ψ=0对应的最大辐射方向发生在 φm=π/2或 3π/2，由于最大辐射方向垂直于阵轴线，因而这种同相均匀直线阵称 为边射或侧射式直线阵。
主瓣消失。
1 时，正向电流与反向电流都占据一个波长，
偶极子天线输入阻抗的特点
1. 当
2. 当
l

R 0 . 25 时， A
较小，X A 呈容性；
l

0.25 时，X A 0；
3. 当
0 . 25 l

0 . 5 时，X
A
呈感性；
4. 当 l

0.5 时，RA最大；
• 辐射电阻
l R r 80
2
2
发射天线的电参数
• 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。
dPr Sds
2
1 2
E H r sin d d
2
ds r sin d d
S
1 2
E H
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天线上的电流，则该电阻就 称为天线的辐射电阻。
水平架设振子的地面因子
•
f c 2 sin kh sin
水平架设在理想导电平面上的水平振子在水平方向无辐射
•
最大辐射方向上的场强是自由空间中的2倍
• 负镜像情况下，最靠近导电平面的第一最大辐射 方向对应的波束仰角Δm1所满足的条件为
m 1 arcsin

4h
垂直架设振子的地面因子
sin sin
N

2 2
0 , 得天线阵的最大辐射为
kd cos 0 0
cos max
0
kd
即 0 kd cos max
结论：上述推导说明在最大辐射方向上各振子在观 察点所产生的场的相位相同。这是因为相邻振子的 行程差所引起的相位差正好被它们的电流相位差所 补偿。
轴向辐射型螺旋天线广泛应用于雷达和遥测系统。
两种天线辐射极化、方向图分析
7.4 引向天线（波渠天线）
它广泛地应用于米波、分米波波段的通信、 雷达、 电视及其 它无线电系统中。 有源振子
归一化方向性函数
Fc
sin
N 2
N sin
1 N ＝1

2
0.8 5 0.6 4 3 2
F( )
20 0.4
10
3 0.2 20 0 20 20° 340° 40° 320° 10 10 20 60° 300° 20 80° 280° 20 100° 260° 20 120° 240° 0° 360° 10 20 140° 220° 20 10 160° 200° 20 180° 180° 5 4 5
Rr
2 Pr Im
2
天线的方向性和增益
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。
功率归一化方 向函数为
FP ( , ) F ( , )
2
方向性图的主瓣宽度
主瓣宽度（Half Power Bandwidth, HPBW）：主瓣上电场 强度降到最大值的0.707倍（即-3dB）时，即功率密度降到 最大者的一半时，两个方向之间的张角宽度。
旁瓣（副瓣）电平：旁瓣最大电场相对主瓣最大电场的比值。 前后抑制比：方向图中，前后瓣最大功率密度值之比称为前后比， 记为 F / B 。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。
天线的方向性系数和增益
在以天线为圆心，位于天线远场的某一球面上，天线在某一 方向的辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时该球面的