1、第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34第二部分第二部分天线理论与技术天线理论与技术第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34第六章第六章 天线基本原理与技术天线基本原理与技术 在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波（发射），或者将无线电波转换为导波能量（接收）电波（发射），或者将无线电波转换为导波能量（接收）,用来辐用来辐射和接收无线电波的装置称为天线射和接收无线电波的装置称为天
2、线。天线应具有以下性能：。天线应具有以下性能：一、天线的功能一、天线的功能信 息 源信 号 变 换发 射 机接 收 机受 信 者信 号 变 换 尽可能多地将导波能量互相转电磁波能（高效率）尽可能多地将导波能量互相转电磁波能（高效率）具有适当的方向性具有适当的方向性 有适当的极化有适当的极化 有足够的工作频带有足够的工作频带 对传递的信息进行一定的加工和处理（未来发展趋势）对传递的信息进行一定的加工和处理（未来发展趋势）第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34二、天线的分类二、天线的分类l按用途按用途：通信天线、：通信天线、
3、广播电视天线、雷达天线等广播电视天线、雷达天线等l按工作波长按工作波长：长波天线、：长波天线、中波天线、中波天线、短波天线、短波天线、超短波天超短波天线和微波天线等线和微波天线等l按辐射元的类型按辐射元的类型：线天线、面天线：线天线、面天线线天线线天线：由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长：由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长 波、中波和短波波段波、中波和短波波段面天线面天线：由尺寸大于波长的金属或介质面构成的，主要用：由尺寸大于波长的金属或介质面构成的，主要用 于微波波段于微波波段二、天线的分析方法二、天线的分析方法l 天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件天线问题实质上是
4、求解电磁场方程并满足边界条件l 工程上往往将条件理想化，通过近似处理得到近似结果工程上往往将条件理想化，通过近似处理得到近似结果l 利用电磁场理论的数值计算方法利用电磁场理论的数值计算方法第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34 电流元也称电流元也称电基本振子电基本振子，它是一段，它是一段长度远小于波长长度远小于波长,电流电流I I振幅均匀分布振幅均匀分布、相位相同相位相同的的直线直线电流。电流。6.2 电流元的辐射场一、电流元一、电流元 注：电流元线天线的基本组成部分注：电流元线天线的基本组成部分,任意线天线均可看成任意
5、线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。是由一系列电基本振子构成的。二、电流元的辐射场二、电流元的辐射场rjrerjrIdljE)1(cos2230rjerrjrIdljE)1(sin42230rjerjrIdlH)1(sin420E0rH0HPrzyxlOPrzyxlOdl第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34 在在天线远区（天线远区（rr）rjerIdljEsin420rjerIljHsin400urrr11123则：则：rjrjerIljHerIdljEsin2sin60 说明：说明：1 1）远区场电场、磁场相互
6、正交，相位相同：）远区场电场、磁场相互正交，相位相同：横电磁横电磁 (TEM)(TEM)波波2 2）电磁波电磁波沿径向传播沿径向传播raveHES213 3）远区场为）远区场为球面波球面波4 4）电流元的辐射是）电流元的辐射是有方向性有方向性的的第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34三、电流元辐射方向特性三、电流元辐射方向特性 方向函数方向函数 ：描述天线辐射场与方位角：描述天线辐射场与方位角 的关系。的关系。),(电流元的方向函数：电流元的方向函数：sin),(F 方向图：由方向函数作出的图形，即为天线方向图。方向图：
7、由方向函数作出的图形，即为天线方向图。依据方向函数作出电流元的方向图为：依据方向函数作出电流元的方向图为：),(F60sinj rIdlEjer第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:346.4 天线的电参数6.4.1 6.4.1 天线方向性特性参数天线方向性特性参数一、方向函数一、方向函数 方向函数：描述天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系，分方向函数：描述天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系，分场强方向函数场强方向函数和和功率方向函数功率方向函数。场强方向函数场强方向函数 ：由辐射场电场表达式中与方位有关的表达：由辐射
8、场电场表达式中与方位有关的表达式组成。如电流元场强方向函数为：式组成。如电流元场强方向函数为：sin),(F),(F 功率方向函数功率方向函数 ：由坡印廷矢量表达式，知由坡印廷矢量表达式，知2),(),(FP),(P2Re212ESHES第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34 归一化方向函数归一化方向函数 ：为便于对不同天线方向性进行比较，往：为便于对不同天线方向性进行比较，往往将方向函数对其最大值进行归一化，即：往将方向函数对其最大值进行归一化，即：),(fmFFf),(),(归一化方向函数的最大值等于归一化方向函数的
9、最大值等于1 1。用于描述天线辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变用于描述天线辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线或曲面图。化的曲线或曲面图。二、方向图二、方向图电流元电流元方向图方向图第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34 微波天线方向图通常由与场矢量相平行的两个平面表示：微波天线方向图通常由与场矢量相平行的两个平面表示：E E平面：平面：通过最大辐射方向，通过最大辐射方向，与电场矢量平行的平面；与电场矢量平行的平面；H H平面：平面：通过通过最大辐射方向，最大辐射方向，与磁场矢量平行的平面；与磁场矢量平行
10、的平面；E平面平面H平面平面 方向图可由极坐标表示，也可用直角坐标表示：方向图可由极坐标表示，也可用直角坐标表示：极坐标极坐标直角坐标直角坐标电流元方向图电流元方向图第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34三、主瓣宽度三、主瓣宽度 主瓣宽度是衡量天线的主瓣宽度是衡量天线的最大辐射方向的能量集中程度最大辐射方向的能量集中程度的物的物理量。理量。半功率主瓣宽度半功率主瓣宽度 ：功率方向图中：功率方向图中两个半功率点两个半功率点之间的角之间的角宽度，或场强方向图中最大场强的宽度，或场强方向图中最大场强的 两点之间的角宽度；两点之
11、间的角宽度；零功率波瓣宽度：方向图由最大值点两边零功率波瓣宽度：方向图由最大值点两边第一个零点第一个零点间的角间的角宽。宽。21半功率主瓣宽度半功率主瓣宽度零功率主瓣宽度零功率主瓣宽度5.02第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34四、旁瓣电平四、旁瓣电平SLLSLL1 1 离主瓣离主瓣最近最近且电平且电平最高最高的波瓣电平与主瓣电平的比值的波瓣电平与主瓣电平的比值,一般以分贝表示。一般以分贝表示。主瓣：其方向为天线辐射主向主瓣：其方向为天线辐射主向第一副瓣第一副瓣maxmax11lg20EESLL 注：副瓣电平反映了天线
12、方向性的好坏注：副瓣电平反映了天线方向性的好坏maxE1maxE第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:346.4.2 6.4.2 天线的极化天线的极化天线的极化与其辐射的电磁波的极化方式相同。天线的极化与其辐射的电磁波的极化方式相同。天线的极化包括：天线的极化包括：垂直极化垂直极化、水平极化水平极化，圆极化圆极化。注：实际工程中，不存在理想圆极化天线，一般为椭圆极化天线注：实际工程中，不存在理想圆极化天线，一般为椭圆极化天线 通信系统中，发射天线和接收天线的极化方式必须要匹配通信系统中，发射天线和接收天线的极化方式必须要匹配
13、6.4.3 6.4.3 天线效率与辐射电阻天线效率与辐射电阻1PPPPPiA 天线效率天线效率 ：天线天线辐射功率辐射功率与与输入功率输入功率之比，即：之比，即：A式中：式中：为天线辐射功率，为天线辐射功率，为天线欧姆损耗功率。为天线欧姆损耗功率。1PPSSsdHEsdSPSsdHERe21第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34RIPm221辐射电阻辐射电阻R R：辐射电阻定义辐射电阻定义:某电阻上通过电流等于天线上的最大电流，某电阻上通过电流等于天线上的最大电流，若其损耗的功率等于天线的辐射功率若其损耗的功率等于天线的
14、辐射功率 ，则该电阻值即为该天，则该电阻值即为该天线的辐射电阻。线的辐射电阻。P22mIPR天线的辐射电阻表示了天线辐射电磁波的能力，与馈电电流天线的辐射电阻表示了天线辐射电磁波的能力，与馈电电流的大小无关，是天线自身具有的属性。的大小无关，是天线自身具有的属性。第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:346.4.4 6.4.4 天线方向系数与增益天线方向系数与增益一、一、方向系数方向系数D D 定义：定义：0maxSSD 设天线辐射功率为设天线辐射功率为P Pr r，最大辐射方向电场为，最大辐射方向电场为E Em m,则：则
15、：240),(),(21202maxmmmmmmEES204 rPSdrEdsdSPSsin240),(22002 在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度射功率流密度S Smaxmax，与，与相同辐射功率相同辐射功率在理想无方向性天线在同一在理想无方向性天线在同一位置处的辐射功率流密度位置处的辐射功率流密度S S0 0之比：之比：即即第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34dEdEDmmmsin),(),(420022dfdDsin),(42002二、二、增益增
16、益G G方向系数方向系数D D未考虑天线效率的影响。未考虑天线效率的影响。增益定义增益定义:在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度上的辐射功率流密度S Smaxmax，与，与相同输入功率相同输入功率在理想无方向性在理想无方向性天线在同一位置处的辐射功率流密度天线在同一位置处的辐射功率流密度S S0 0之比。之比。DGA第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34max0ASGS 由上式可得一个天线最大辐射方向上的场强为由上式可得一个天线最大辐射方向上的场强为rPDrGPE
17、iAim6060由方向系数及增益定义，有：由方向系数及增益定义，有：imPEr6022AiPP输入功率输入功率2222240604mmErEPPr第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:34例例 确定沿确定沿z z轴放置的电基本振子的方向系数。轴放置的电基本振子的方向系数。解解:电基本振子的归一化方向函数为电基本振子的归一化方向函数为:sin),(f代入方向系数的表达式得代入方向系数的表达式得5.1sinsin42002 ddD)(76.15.1lg10dBD分贝数表示为：分贝数表示为：第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线
18、微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:346.4.5 6.4.5 输入阻抗输入阻抗注：输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸、工作频率以及邻近天注：输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸、工作频率以及邻近天线周围物体等的影响。线周围物体等的影响。天线有效长度定义：在保持实际天线最大天线有效长度定义：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下辐射方向上的场强值不变的条件下,假设天线假设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。6.4.6 6.4.6 有效长度有效长度输入阻抗和输入电压输入阻抗和输入电压 和电流和电流 的关系是的关系
19、是inUinIinininininXRIUZ天线的有效长度愈长天线的有效长度愈长,辐射能力愈强。辐射能力愈强。lleIdzIl01第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:346.4.7 6.4.7 工作带宽工作带宽%1000minmaxfffBf f0 0频带的中心频率频带的中心频率f fmaxmax是某天线参数不超过规定变化范围的最高频率是某天线参数不超过规定变化范围的最高频率f fminmin是某天线参数不超过规定变化范围的最低频率是某天线参数不超过规定变化范围的最低频率minmaxff窄带：窄带：宽带：宽带：第六章 天线
20、基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:356.5 接收天线接收天线接收电磁波的物理过程：接收天线接收电磁波的物理过程：tEE 与导体表面长度方向相切的电场分量能在天线与导体表面长度方向相切的电场分量能在天线上产生感应电动势及感生电流：上产生感应电动势及感生电流：ltdzE第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:35接收天线电参数接收天线电参数 当把接收天线置于电磁波环境中，接收天线就可当把接收天线置于电磁波环境中，接收天线就可以感应出电流，由于天线本身的阻抗，接收天线的
21、输以感应出电流，由于天线本身的阻抗，接收天线的输出端会产生感应电动势。在无线系统中，接收天线的出端会产生感应电动势。在无线系统中，接收天线的功能就是接收电磁波能量并转化为高频电流的能量。功能就是接收电磁波能量并转化为高频电流的能量。其输出的感应电动势就通过馈线输送电流到接收机其输出的感应电动势就通过馈线输送电流到接收机。6.5.1 6.5.1 收发天线的互易性收发天线的互易性第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:35212211IUIU一副无源天线作发射时的方向图和作接收时的方向图是相同的一副无源天线作发射时的方向图和作接收
22、时的方向图是相同的 天线的阻抗也不因它作接收或发射工作方式而改变天线的阻抗也不因它作接收或发射工作方式而改变 天线的其他辐射特性（如方向性系数天线的其他辐射特性（如方向性系数增益增益极化等）也与极化等）也与天线的收天线的收发工作方式无关发工作方式无关 第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:35 同一天线用于接收时，方向函数、阻抗、有效长度、同一天线用于接收时，方向函数、阻抗、有效长度、增益等参数都与发射时相同增益等参数都与发射时相同天线的互易定理天线的互易定理。6.5.2 天线的有效接收面积天线的有效接收面积 定义：接收天线
23、与某方向的来波极化一致时，天线的匹定义：接收天线与某方向的来波极化一致时，天线的匹配接收功率与来波能流密度之比配接收功率与来波能流密度之比rpPSS可以推得，天线的有效面积可表示为：可以推得，天线的有效面积可表示为：24SD式中：式中：为天线的方向系数。为天线的方向系数。D242120120AAeRSSRl第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:356.5.3 6.5.3 阻抗失配及极化失配阻抗失配及极化失配pSpSvPRR222211111LALAZZRZZ 第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学
24、电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:35第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:356.5.4 6.5.4 接收天线的噪声温度接收天线的噪声温度204UkT BR204NmUPkT BR第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:35到达接收机的噪声功率：到达接收机的噪声功率：如果馈线的损耗因子是如果馈线的损耗因子是 L LF F：0FkT B L01(1)FFkT BkT BL馈线上损耗的功率为馈线上损耗的功率为 ：0(1 1)FkT BL损耗的功率将以噪
25、声形式再辐射：损耗的功率将以噪声形式再辐射：01(1)FFTTL01(1)ANrFFTTTTLL第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:35Antenna NoiseBkTNAAATAntenna noise power,antenna noise temperatureBackground noise sources:ground noise,sky noise,manmade noises.Gr,B,TrNANopradbradATTT)1(Antenna received noise Antenna thermal no
26、iseBrightness temperatureAntenna physical temperature(sky toward zenith 3-5K,sky toward horizon 50-100K,ground 290-300k)(Background noise)The brightness temperature is defined as 200200sin),(sin),(),(ddDddDTTBbG/T第六章 天线基本原理与技术微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院11:35三、付里斯传输公式三、付里斯传输公式 inPrPr1G2GDAe42最大辐射方向上的功率密度为：最大辐射方向上的功率密度为：124GrPSrm接收天线接收到的功率密度为：接收天线接收到的功率密度为：emrASP221244GGrPrrPGGr212)4(付里斯公式付里斯公式
