1、微波技术与天线第微波技术与天线第6章章图 6 1 无线电通信系统框图 发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线,通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量,并向所需方向辐射出去。到达接收点后,接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量,经馈线输送至接收机输入端。天线的基本功能 天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统,其次要求天线与发射机或接收机匹配。天线具有方向性:天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上,或对确定方向的来波最大限度的接受,即天线具有方向性。天线能发射或接收规定极化的电磁波,天
2、线有适当的极化。天线应有足够的工作频带工作频带。通信的飞速发展对天线提出了许多新的要求,天线的功能也不断有新的突破。除了完成高频能量的转换外,还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理,如信号处理天线、单脉冲天线、自适应天线和智能天线等。1997年以来,第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点,而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技术之一。天线的种类很多，按用途可将天线分为：通信天线 广播电视天线 雷达天线等 按工作波长,可将天线分为：长波天线 中波天线 短波天线 超短波天线 微波天线等 按辐射元的类型可将天线分为两大类:线天线：所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构
3、成,主要用于长波、中波和短波波段;面天线：面天线是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,超短波波段则两者兼用。把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。馈线的形式随频率的不同而分为：双导线传输线同轴线传输线波导微带线等 由于馈线系统和天线的联系十分紧密,有时把天线和馈线系统看成是一个部件,统称为天线馈线系统,简称天馈系统。天线馈线系统 解析法：求解电磁场方程并满足边界条件,但这往往十分繁杂,有时甚至是十分困难的。在实际问题中,往往将条件理想化,进行一些近似处理,从而得到近似结果,这是天线工程中最常用的方法。数值法：在某些情况下,如果需要较精确的解,可借助电磁场理论的数值
4、计算方法来进行。天线的研究方法天线的研究方法各种类型的天线各种类型的天线手机拉杆电视天线天线 无线公话天线天线35厘米卫星天线 路由器天线 雷达天线阵美军装备的“铺路爪”相控阵雷达 小日本的FPS-XX警戒管制雷达 美国SBX海基X波段反导雷达AN_FPS-117型远程对空监视雷达 美国空军F-15C战斗机装载的(AESA)有源相控阵雷达 美军地勤人员检修F-15C战斗机APG-63雷达 中国的天线阵？中国空警200型预警机空警200的雷达盘子 地空导弹系统的地面制导设备 6.2 基本振子的辐射基本振子的辐射 1.电基本振子电基本振子 电基本振子是一段长度电基本振子是一段长度l远小于波长远小于
5、波长,电流电流I振幅均匀分布、振幅均匀分布、相位相同的直线电流元相位相同的直线电流元,它是线天线的基本组成部分它是线天线的基本组成部分,任意线天任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。线均可看成是由一系列电基本振子构成的。下面首先介绍电基本振子的辐射特性。图 62 电基本振子的辐射(6-2-1)式中,，是媒质中电磁波的波数 电基本振子的辐射场在电磁场理论中,已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电基本振子(图6-2)在周围空间产生的场为(6-2-2)电基本振子的远区场为 对式（6-2-5）进行分析可知:(6-2-5)在远区,电基本振子的场只有 和 两个分量,它们在空间上相互垂直,在时间上同相
6、位,所以其玻印廷矢量 是实数,且指向 r 方向。这说明电基本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波,所以远区场又称辐射场;/=120（）是一常数,即等于媒质的本征阻抗,因而远区场具有与平面波相同的特性;辐射场的强度与距离成反比,随着距离的增大,辐射场减小。这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的,当距离增大时,辐射能量分布到更大的球面面积上;在不同的方向上,辐射强度是不相等的。这说明电基本振子的辐射是有方向性的。远区场的特点远区场的特点 磁基本振子是一个半径为b的细线小环,且小环的周长满足条件：2b)中心馈电的短振子,其电流分布为:,其中I0为输入电流,也等于波腹电流Im 试求:短振子的
7、辐射场（电场、磁场）；辐射电阻及方向系数；有效长度。图 6 7 短振子的辐射 则因为h,所以 F1+F2h因而有令积分辐射功率为将E和H 代入上式,同时考虑到短振子的辐射电阻为方 向 系 数为 由此可见：(1)当短振子的臂长h时,电流三角分布时的辐射电阻和方向系数与电流正弦分布的辐射电阻和方向系数相同,也就是说,电流分布的微小差别不影响辐射特性。(2)在分析天线的辐射特性时在分析天线的辐射特性时,当天线上精确的电流分布难当天线上精确的电流分布难以求得时以求得时,可假设为正弦电流分布可假设为正弦电流分布,这正是后面对称振子天线的这正是后面对称振子天线的分析基础。分析基础。现在我们来讨论其有效长度
8、。根据有效长度的定义,归于输入点电流的有效长度为 这就是说,长度为2h、电流不均匀分布的短振子在最大辐射方向上的场强与长度为h、电流为均匀分布的振子在最大辐射方向上的场强相等,如图 6-8 所示。由于输入点电流等于波腹点电流,所以归于输入点电流的有效长度等于归于波腹点电流的有效长度，但一般情况下是不相等的。图图 6 8 天线的有效长天线的有效长度度6.4 接收天线理论接收天线理论 1.天线接收的物理过程及收发互易性天线接收的物理过程及收发互易性 图 6-9 所示为一接收天线，它处于外来无线电波Ei的场中,发射天线与接收天线相距甚远,因此,到达接收天线上各点的波是均匀平面波。设入射电场可分为两个
9、分量:一个是垂直于射线与天线轴所构成平面的分量E1,另一个是在上述平面内的分量E2。只有只有沿天线导体表面的电场切线分量沿天线导体表面的电场切线分量Ez=E2sin才能在天线上激起才能在天线上激起电流电流,在这个切向分量的作用下,天线元段dz上将产生感应电动势 =-Ezdz。2 lqqEiEiE1EzE2d zz图 6 9 天线接收原理 设在入射场的作用下,接收天线上的电流分布为I(z),并假设电流初相为零,则接收天线从入射场中吸收的功率由上述分析得整个天线吸收的功率为 式中,因子e jkzcos是入射场到达天线上各元段的波程差。根据电磁场的边值理论,天线在接收状态下的电流分布应和发射时相同。
10、因此假设接收天线的电流分布为 I(z)=Im sink(l-|z|)（6-4-1）（6-4-2）因此接收天线输入电动势为根据上节有效长度的定义,有 将式（6-4-5）代入式（6-4-4）得接收天线的表达式为（6-4-3）（6-4-4）（6-4-5）则根据式（6-4-1）得接收功率为 E=E2heinF()=Ei cosheinF()式中,是入射场Ei与的夹角;是方向角的单位矢量；hein是接收天线归于输入电流的有效长度。F()是接收天线的归一化方向函数,它等于天线用作发射时的方向函数。可见,接收电动势E和天线发射状态下的有效长度成正比,且具有与发射天线相同的方向性。如果假设发射天线的归一化方向
11、函数为F(i),最大入射场强为|Ei|max,则接收天线的接收电动势为E=|Ei|maxF(i)cosheinF(i)（6-4-6）（6-4-7）当两天线极化正交时,=90,=0,天线收不到信号。上述分析清楚地介绍了接收的物理过程并得出了方向性收发互易的结论。天线接收的功率可分为三部分，即 P=P+PL+Pl (6-4-8)其中,P为接收天线的再辐射功率;PL为负载吸收的功率;Pl为导线和媒质的损耗功率。接收天线的等效电路如图 6-10 所示。图中Z0为包括辐射阻抗Z0和损耗电阻Rl0在内的接收天线输入阻抗,ZL是负载阻抗。可见在接收状态下,天线输入阻抗相当于接收电动势 的内阻抗。图 6 10
12、 天线的等效电路 2.有效接收面积有效接收面积 有效接收面积是衡量一个天线接收无线电波能力的重要有效接收面积是衡量一个天线接收无线电波能力的重要指标。它的定义为指标。它的定义为:当天线以最大接收方向对准来波方向进行当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时接收时,接收天线传送到匹配负载的平均功率为接收天线传送到匹配负载的平均功率为PLmax,并假定并假定此功率是由一块与来波方向相垂直的面积所截获此功率是由一块与来波方向相垂直的面积所截获,则这个面积则这个面积就称为接收天线的有效接收面积就称为接收天线的有效接收面积,记为记为Ae,即有 式中,Sav为入射到天线上电磁波的时间平均功率流密度，其值为
13、（6-4-9）（6-4-10）根据图 6-10 接收天线的等效电路,传送到匹配负载的平均功率（忽略天线本身的损耗）为 当天线以最大方向对准来波方向时,接收电动势为 将上述各式代入式（6-4-9）有所以有（6-4-11）（6-4-12）（6-4-13）（6-4-14）可见,如果已知天线的方向系数,就可知道天线的有效接收面积。例如,电基本振子的方向系数为D=1.5,Ae=0.122。如果考虑天线的效率,则有效接收面积为 将天线的方向系数公式代入上式得天线的有效接收面积为（6-4-15）（6-4-16）（6-4-17）3.等效噪声温度等效噪声温度 接收天线的等效噪声温度是反映天线接收微弱信号性能接收
14、天线的等效噪声温度是反映天线接收微弱信号性能的重要电参数。的重要电参数。在卫星通信、射电天文和超远程雷达及微波遥感等设备中,由于作用距离甚远,所以接收的信号电平很低,此时用方向系数已不能判别天线性能的优劣,而必须以天线输送给接收机的信号功率与噪声功率之比来衡量天线的性能。等效噪声温度即是表征天线向接收机输送噪声功率的参数。等效噪声温度即是表征天线向接收机输送噪声功率的参数。接收天线把从周围空间接收到的噪声功率送到接收机的过程类似于噪声电阻把噪声功率输送给与其相连的电阻网络。因此接收天线等效为一个温度为Ta的电阻,天线向与其匹配的接收机输送的噪声功率Pn就等于该电阻所输送的最大噪声功率,即 式中
15、,Kb=1.3810-23 (J/K)为波耳兹曼常数,而f为与天线相连的接收机的带宽。噪声源分布在天线周围的空间,天线的等效噪声温度为式中,T(,)为噪声源的空间分布函数；F(,)为天线的归一化方向函数。显然,Ta愈高,天线送至接收机的噪声功率愈大,反之愈小。Ta取决于天线周围空间的噪声源的强度和分布,也与天线的方向性有关。（6-4-18）（6-4-19）为了减小通过天线而送入接收机的噪声,天线的最大辐射方向不能对准强噪声源,并应尽量降低旁瓣和后瓣电平。4.接收天线的方向性接收天线的方向性 从以上分析可以看出,收、发天线互易。也就是说,对发射天线的分析,同样适合于接收天线。但从接收的角度讲,要
16、保证正常接收,必须使信号功率与噪声功率的比值达到一定的数值。为此,对接收天线的方向性有以下要求:主瓣宽度尽可能窄主瓣宽度尽可能窄,以抑制干扰。以抑制干扰。但如果信号与干扰来自同一方向,即使主瓣很窄,也不能抑制干扰;另一方面,当来波方向易于变化时,主瓣太窄则难以保证稳定的接收。因此,如何选择主瓣宽度,应根据具体情况而定。旁瓣电平尽可能低。旁瓣电平尽可能低。如果干扰方向恰与旁瓣最大方向相同,则接收噪声功率就会较高,也就是干扰较大;对雷达天线而言,如果旁瓣较大,则由主瓣所看到的目标与旁瓣所看到的目标会在显示器上相混淆,造成目标的失落。因此,在任何情况下,都希望旁瓣电平尽可能的低。天线方向图中最好能有一个或多个可控制的零点天线方向图中最好能有一个或多个可控制的零点,以便将零点对准干扰方向,而且当干扰方向变化时,零点方向也随之改变,这也称为零点自动形成技术。精品课件精品课件！精品课件精品课件！
