1、第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论 及主要特性参数 2.1 天线辐射的基本原理天线辐射的基本原理 2.2 发射天线的主要特性参数发射天线的主要特性参数 2.3 接收天线的基本原理接收天线的基本原理 习题习题2 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2.1 天线辐射的基本原理天线辐射的基本原理 2.1.1 电基本振子的辐射电基本振子的辐射 电基本振子又称电流元或赫兹偶极子，是一段载有高频电流的短导线，其长度l远远小于波长。同时，沿振子各点的电流Iejt的振幅均匀分布,相位相同。它是构成各种线式天线的最基本单元。任何线式天线都可以
2、看成是由许多基本振子组成的，天线在空间中的辐射场可以看作是由这些电基本振子的辐射场叠加得到的。因此，要研究各种天线的特性，首先应了解电基本振子的辐射特性。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 电磁场理论中已给出的在球坐标原点O沿z轴放置的电基本振子（如图2-1所示）在各向同性理想均匀无限大的自由空间产生的各个电磁场分量为 rjrrjrjrerjrIlHHHEerjrrjIlEerrjIlE222302301sin4000sin14cos24(2-1-1)第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 式中:为相移常数，=2/=/=（也是媒质中电磁波的波数），在自由空间中，媒质
3、的介电系数=0=10-9/36 F/m，导磁率=0=410-7H/m;有关时间的因子ejt被略去;r为坐标原点O至观察点M的距离;为射线OM与振子轴（即z轴）之间的夹角;为OM在xOy平面上的投影OM与x轴之间的夹角，如图 2-2所示;为自由空间波长;电场E的单位是V/m;磁场H的单位是A/m;下标r、和表示球坐标系中的各分量;I是振子上的电流，单位是A。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图 2-1 电基本振子的辐射 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图2-2 电基本振子与球坐标系统 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 1 近区场近区场 当r
4、1 时，由=2/可知近区场是指r/2，即靠近电基本振子的区域，在此区域，与r-2及r-3项相比，r-1项可忽略，可认为e-jr1。由于r很小，故只需保留式(2-1-1）中的1/r的高次项，得到电基本振子的近区场表达式为 sin4sin14cos2420303rIlHrIljErIljEr(2-1-2）第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 分析式(2-1-2），可以得出以下结论：（1）场随距离r的增大而迅速减小。（2）电场滞后于磁场90，由于电场和磁场存在/2的相位差，因此坡印廷矢量是虚数，每周期平均辐射的功率为零。在此区域，电磁能量在源和场之间来回振荡，在一个周期内，场源供给场的
5、能量等于从场返回到场源的能量，能量在电场和磁场以及场与源之间交换，而没有能量向外辐射，所以近区场也称为感应场。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2 远区场远区场 对于天线来说，有实用意义的是远区场，或称辐射场。当r/2，电磁场主要由r-1项决定，r-2和r-3项可忽略。由式(2-1-1）可得式(2-1-3）:00sin2sin60EHHEerIljEerIljErrrjrj(2-1-3）这里是同时将2=200，=2f=2c/，c为光速即3108 m/s代入式(2-1-1）而得到式(2-1-3）的。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 分析式(2-1-3），可以看
6、出电基本振子的远区场具有如下特点：（1）在远区场，只有E和H两个分量，它们在空间上相互垂直，在时间上同相位，所以其坡印廷矢量 是实数，且指向r方向；三者构成右手螺旋关系，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，电磁能量离开场源向空间辐射，不再返回，所以远区场又称辐射场。*21HESSHE,第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 （2）E/H=Z0=120()，说明辐射场的电场强度与磁场强度之比是一常数，它具有阻抗的量纲，称为波阻抗，用Z0来表示。由于两者的比值为一常数，故在研究电基本振子的辐射场时，只需讨论两者中的一个量就可以了。例如讨论E，由E就可得出H。远区场
7、具有与平面波相同的特性。00/第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 （3）辐射场的强度与距离成反比，即随着距离的增大，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，辐射能量分布到以r为半径的更大的球面面积上。（4）电基本振子在远区的辐射场是有方向性的，其场强的大小与函数sin成正比。在=0和180方向上，即在振子轴的方向上辐射为零，而在通过振子中心并垂直于振子轴的方向上，即=90方向上辐射最强。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图 2-3 电基本振子的方向图(a)方向图的立体模型;(b)E面方向图;(c)H面方向图;(d)E面直角坐标方向图
8、 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2.1.2磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射与电流元相对应的另一类基本辐射单元称为磁流元，又称磁基本振子。虽然实际上并不存在磁流元，但是很多种天线，如载流圆环或隙缝天线等，它们内部及周围的场，都相当于一个磁流元的场。它们的辐射场以及辐射特性，可以近似地通过与电流元的场相对比的方法简便地得出。图24（a）和（b）分别表示置于原点且尺寸相同的电基本振子和磁基本振子。图2-5(a)和(b)分别表示电基本振子的电流和磁基本振子的磁流。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图2-4 电基本振子和磁基本振子(a)电基本振子;(b)磁基本振子
9、 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图 2-5 电基本振子的电流和磁基本振子的磁流(a)电基本振子的电流;(b)磁基本振子的磁流 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 根据电与磁的对偶性原理，只要将电基本振子场的表达式(2-1-1)中的E换为H,H换为-E,并将电偶极矩p=Il/(j)换为磁偶极矩pm，就可以得到沿z轴放置的磁基本振子的辐射场：rjmrjmrrjmrerjrrjpjHerjrpjHerrjpjEHEE32232201sin21cos21sin40其中，pm=qml,qm为磁荷。(214）第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 与电基本
10、振子做相同的近似可得磁基本振子的远区场为 rjmrjmerpHerpEsin21sin200(2-1-5）第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2.2 发射天线的主要特性参数发射天线的主要特性参数 2.2.1 天线的方向特性及方向图天线的方向特性及方向图 天线辐射或接收无线电波时，一般具有方向性，即天线所产生的辐射场的强度在离天线等距离的空间各点，随着方向的不同而改变，或者天线对于从不同方向传来的等强度的无线电波接收的能量不同。换句话说，即天线在有的方向辐射或接收较强，在有的方向则辐射或接收较弱，甚至为零。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 天线的辐射与接收作用分
11、布于整个空间，因而天线的方向性即天线在各方向辐射（或接收）强度的相对大小可用方向图来表示。以天线为原点，向各方向作射线，在距离天线同样距离但不同方向上测量辐射（或接收）电磁波的场强，使各方向的射线长度与场强成正比，即得天线的三维空间方向分布图。（注意：不同长度的矢量都表示不同方向但离天线同样远的各点的场强）。这样的方向图是一空间曲面，如图 2-6（a）所示。也可用场强振幅的方向性函数表示在以天线为中心，某一恒定距离为半径的球面（处于远区场）上辐射场强振幅的相对分布情况。场强振幅分布的方向性函数一般表示为|),(|),(maxEEF(2-2-1)第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数
12、 图 2-6 天线空间与平面方向图(a)天线空间方向图;(b)E平面方向图;(c)H平面方向图 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 按照该方向性函数，也可绘出天线的空间方向图。绘制立体方向图比较困难，通常只研究两个互相垂直的主平面上的方向图，这种方向图是空间方向图与这两个平面的交线。对于线式天线来说，天线的方向图常用包括天线导线轴的平面及垂直于天线导线轴的平面，即主平面上的图形来表示。在图2-6所示线元（电流源或磁流源的统称）的方向图中，包括导线轴线的平面为xOz及yOz平面，而垂直于导线轴线的平面为xOy平面。与地球相比拟，前者同时包含有子午线，就称之为子午平面E面，而将后者
13、称为赤道平面H面。线元的方向性函数为 sin)(),(FF第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 对于架设在地面上的天线，常采用这两个特殊平面(即E平面和H平面)上的方向图；对于面天线，则常将电场矢量所在的平面称为E平面，将磁场矢量所在的平面称为H平面。对于强方向性天线，其方向图可能包含有多个波瓣，它们分别被称为主瓣、副瓣及后瓣。图 2-7表示一个极坐标形式的方向图。由图可见，主瓣就是具有最大辐射场强的波瓣。图中的主瓣正好在=0的特殊方向上。方向图的主瓣也可能偏离这个特殊方向，而处于某一个角度方向上。除主瓣外,所有其他的波瓣都称为副瓣。把处于主瓣正后方的波瓣称为后瓣。当后向辐射及后
14、瓣较大时，可能造成电路串扰。为此，我们定义了天线在它正前方与正后方的辐射强度之比为“前后比”或“反向防护度”（或简称“防护度”，通常均以分贝值表示）。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图 2-7 用极坐标表示的天线方向图 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图 2-8 用直角坐标表示的天线方向图 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 1 主瓣宽度主瓣宽度 主瓣集中了天线辐射功率的主要部分。所谓主瓣宽度，就是主瓣最大辐射方向两侧、半功率点之间的夹角，即辐射功率密度降至最大辐射方向上功率密度一半时的两个辐射方向间的夹角，以20.5表示。对场强来说，主
15、瓣宽度是指场强降至最大场强值的 1/=0.707 时的两个方向间的夹角。主瓣最大方向两侧的第一个零辐射方向间的夹角，称为零点波瓣宽度，并用20表示。主瓣宽度越窄，天线的方向性就越强。根据天线理论，天线在某一平面内的主瓣宽度与天线在这一平面内的最大尺寸和波长的比值成反比，即与L/成反比。米波的引向天线的主瓣宽度约为几十度到十几度，厘米波段的抛物面天线为几度或一度以下。2第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2 副瓣电平副瓣电平 副瓣(又称旁瓣)电平的定义是：最大副瓣的极大值与主瓣最大值之比的对数值，即)(lg20)(lg100101dBEEdBSS或式中：S1和S0分别代表副瓣和主
16、瓣的功率通量密度；E1和E0分别代表副瓣和主瓣的场强。副瓣代表天线在不需要的方向上的辐射或接收。必须尽可能地使方向图中的副瓣小些。有了副瓣不仅会使一部分辐射能量白白向空间不必要的方向散失，而且在接收时，外部干扰信号会从副瓣进入接收机，影响设备的正常工作。如果是雷达天线，则还可能引起测定目标方向的错误。所以，副瓣电平是天线的一个重要指标。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 3 方向性系数方向性系数 方向图虽然可以形象地表示天线的方向性，但是不便于在不同天线之间进行比较。为了定量地比较不同天线的方向性，引入了“方向性系数”这个参数，它表明天线在空间集中辐射的能力。在确定方向性系数时
17、，通常我们以理想的无方向性天线作为参考的标准。无方向性天线在各个方向的辐射强度相等，其方向图为一球面。我们把无方向性天线的方向性系数取为1。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 方向性系数的定义是：设被研究天线的辐射功率P和作为参考的无方向性天线的辐射功率P0相等，即P=P0时，被研究天线在最大辐射方向上产生的功率通量密度（或场强的平方）与无方向性天线在同一点处辐射的功率通量密度之比，称为天线的方向性系数D，即 00202maxmax0maxmaxPPPPEEDDSSDD或(2-2-2)由定义可以看出，比较是在两天线的总辐射功率相等，观察点对天线的距离相等的条件下进行的。一个天线
18、的方向性系数的大小，表示为在辐射功率相同的条件下，有方向性天线在它的最大辐射方向上的辐射功率密度与无方向性天线在相应方向上辐射功率密度之比，如式(2-2-2）所示。D可以用分贝表示，即D（dB）=10 lgD。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 方向性系数D也可以表示在辐射场中同一点要获得相同的场强E=E0时，有方向性天线的辐射功率P比无方向性天线的辐射功率P0节省的倍数,即 00EEPPD 一般来说，米波引向天线的方向性系数为几十，米波同相水平天线阵为几百，微波抛物面天线可达几千、几万或更高。由方向性系数的定义可得 PErD602max2(2-2-3)其中，r为空间任意一点距
19、天线的距离。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2.2.2 天线的增益与天线的效率天线的增益与天线的效率 1 天线效率天线效率 天线效率定义为：天线辐射功率P与输入到天线的总功率Pi之比,记为,即 LiAPPPPP式中，Pi为输入功率,PL为欧姆损耗功率。PL是由天线的铜耗、介质损耗、加载元件的损耗以及接地损耗等产生的。(2-2-4)第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 实际中常用天线的辐射电阻R来度量天线辐射功率的能力。天线的辐射电阻是一个虚拟的量，定义为:设有一个电阻R，当通过它的电流等于天线上的最大电流Im时，其损耗的功率就等于其辐射功率。显然，辐射电阻的高
20、低是衡量天线辐射能力的一个重要指标，即辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为 PIPm221(2-2-5)则辐射电阻为 22mIPP(2-2-6)第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 同理,耗损电阻RL为 22mLIPP(2-2-7)将上述两式代入式(2-2-4）,得天线功率为 RRRRRLLA/11(2-2-8)可见，要提高天线效率，应尽可能提高辐射电阻R，降低耗损电阻RL。注意，上式中R和RL应用同一个电流来计算。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 一般来说，长、中波以及电尺寸很小的天线，R均较小，相对R而言，地面及邻近物体的
21、吸收所造成的损耗电阻较大，因此天线效率很低，可能仅有百分之几。这时需要采用一些特殊措施，如通过铺设地网和设置顶负载来改善其效率。而超短波和微波天线的电尺寸可以做得很大，辐射能力强，其效率可接近于1。如果计入传输系统的效率(设为)，则整个天馈系统的效率为 A(2-2-9)第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2 天线增益天线增益 天线的增益又称增益系数(G)。增益的定义是：在输入功率相等（Pi=Pi0）的条件下，天线在最大辐射方向上某点的功率密度和理想的无方向性天线在同一点处的功率密度（或场强振幅的平方值）之比,即 i02maxmax200iPPESGSE也可以定义为：在天线最大辐
22、射方向上的某点，辐射场强相同时，无方向性天线所需要的输入功率Pi0与所研究的实际天线需要的输入功率Pi之比,即 辐射点场强相同iiPPG0第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积，记为G，即 G=DA (2-2-10)由上式可见：天线方向系数和效率愈高，则增益系数愈高。现在我们来研究增益系数的物理意义。将方向系数公式(2-2-3）和效率公式(2-2-4）代入上式得 iPErG60|2max2(2-2-11)由上式可得一个实际天线在最大辐射方向上的场强为 rPDrGPEiAi6060|max(2-2-12)第
23、 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 假设天线为理想的无方向性天线，即D=1，=1，G=1，则它在空间各方向上的场强为 rPEi60max(2-2-13)可见，天线的增益系数描述了天线与理想的无方向性天线相比，在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 若不特别说明，则某天线的增益系数一般就是指该天线在最大辐射方向的增益系数。通常所指的增益系数均是以理想天线作为对比标准的，但有些厂家也采用自由空间半波对称振子作为对比标准。半波对称振子的方向性系数等于1.64。以它作为对比标准时所得的增益系数GA和用点源作为对比标准的增益系数G之间的关系
24、为 64.1GGA 增益系数也可用分贝表示，即 G（dB）=10lgG 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2.2.3 天线的阻抗特性天线的阻抗特性 1 输入阻抗输入阻抗 所谓天线输入阻抗，就是指加在天线输入端的高频电压与输入端电流之比(如图 2-9所示)，即 inininUZI 通常，天线输入阻抗分为电阻及电抗两部分,即Zin=Rin+jXin。其中,Rin为输入电阻,Xin为输入电抗。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 对比电路理论，把输入到天线上的功率看作为被一个阻抗所吸收，则天线可以被看成是一个等效阻抗。天线与馈线相连，又可以把天线看成是馈线的负载。于是
25、，天线的输入阻抗就成为馈线的负载阻抗。要使天线效率高，就必须使天线与馈线良好匹配，也就是要使天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，这样才能使天线获得最大功率。天线的输入阻抗决定于天线的结构、工作频率以及天线周围物体的影响等。仅仅在极少数情况下才能严格地按理论计算出来，一般采用近似方法计算或直接由实验测定。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 为实现和馈线间的匹配，需要时可用匹配网络消去天线的电抗并使电阻等于馈线的特性阻抗。口面天线的阻抗特性可用馈电系统中某点的电压驻波比或反射系数来表示，当|=0，驻波系数为1时，称作匹配。在分析计算天线的输入阻抗时，可考虑把天线分成行波型及驻波型两
26、类。行波型天线包括菱形天线、鱼骨天线等。已知，理想的行波传输线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，且与工作频率无关。而菱形天线相似于一幅中间张开的行波传输线。张开后它将具有辐射能力，但不再保持理想行波传输线的特点。它的输入阻抗将发生改变，不再与传输线的特性阻抗相等，且将随工作频率变化。由于变化程度较小，往往近似认为它的输入阻抗等于对应的等效传输线的特性阻抗。另一类驻波型天线如对称振子，相似于一副张开的终端开路传输线。这一类天线的输入阻抗随着工作频率或天线的电气尺寸的改变产生十分剧烈的变化。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图 2-9 天线的输入阻抗 第 2 章 天线辐射与接收的基
27、本理论及主要特性参数 2 辐射阻抗辐射阻抗 如果把天线向外辐射的功率看作为被某个等效阻抗所吸收，则称此等效阻抗为辐射阻抗，即P=I2R。I是电流的有效值。辐射阻抗的精确计算相当困难，通常也是采用近似方法计算。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2.2.4 天线的有效长度天线的有效长度 图 2-10 天线的有效长度Le 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 对于等效天线,其电流分布与电流元相同，其最大辐射方向的场强为 dzzIrdEELLLL)(602/2/2/2/max(2-2-15）对于全长为L，电流分布I(z)为不均匀的实际天线，其最大辐射方向上的场强为(2-
28、2-14）rILEe60max式中,I为计算有效长度的参考电流。当以天线输入端电流（I=IA）为参考时，令上两式相等，可得 dzzILILLeA)(2/2/(2-2-16）第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 则实际天线的有效长度为 dzzIILLLAe)(12/2/(2-2-17）由式(2-2-16）可见，有效长度与参考电流的乘积IALe等于图2-10中虚线所围矩形的面积。这个面积与实际电流分布I(z)曲线所围面积相等。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 式(2-2-17）也表明，天线的有效长度与参考电流的选择有关。对于其上的电流近似按正弦规律分布的振子天线来说
29、，参考电流的选择根据振子的电长度决定：当天线的电长度较短（对称天线的一个臂长l=L/2/4）时，天线输入电流的幅度为一适中值。此时，以使用输入电流作参考为好。反之，当天线很长，尤其是当其臂长接近或等于半波长的整数倍时，输入电流接近或等于零，若用它作为参考，则导出的Le值将趋于无穷大，这是不切实际的。此时，宜采用波腹电流作为参考。当实际天线直立于地面使用时，常常改用有效高度，并以符号he代替Le。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2.2.5 天线的极化特性天线的极化特性 1.线极化线极化 当电场矢量只是大小随时间变化而取向不变，其端点的轨迹为一直线时，称为线极化。对于线极化波，
30、电场矢量在传播过程中总是在一个确定的平面内，这个平面就是电场矢量的振动方向和传播方向所决定的平面，常称为极化平面。因此线极化又称为平面极化。当电磁波的电场矢量与地面垂直时，称为垂直极化，与地面平行时称为水平极化，如图 2-11所示。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图 2-11 垂直极化与水平极化(a)垂直极化；(b)水平极化 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2.圆极化圆极化 当电场振幅为常量而电场矢量以角速度围绕传播方向旋转时，称为圆极化。在圆极化的情况下，如果在垂直于传播方向的某一固定平面上观察电磁波的电场矢量，则其端点随着时间变化在该平面上画出的轨迹
31、是一个圆，如图2-12（a）所示。如果在某一时刻沿传播方向把各处的电场矢量画出来，则电场矢量端点的轨迹为螺旋线，如图2-12（b）所示。矢量端点旋转方向与传播方向成右手螺旋关系的叫右旋圆极化波，成左手螺旋关系的叫左旋圆极化波。图2-12（b）所表示的就是右旋圆极化波。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图 2-12 圆极化波 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 3.椭圆极化椭圆极化 在一个周期内，电场矢量的大小和方向都在变化，在垂直于传播方向的平面内，电场矢量端点的轨迹为一椭圆，则称为椭圆极化波。椭圆极化波可以看作是两个频率相同，但振幅不等、相位不同的互相垂直的
32、线极化波合成的结果。极化问题具有重要的意义。例如在水平极化电波的电磁场中放置垂直的振子天线，则天线不会感应出电流；接收天线的振子方向与极化方向愈一致(也叫极化匹配)，则在天线上产生的感应电动势愈大。否则将产生“极化损耗”，使天线不能有效地接收，如图 2-11所示。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 不同极化形式的天线也可以互相配合使用，如线极化天线可以接收圆极化波，但效率较低，因为只接收到两分量之中的一个分量。圆极化天线可以有效地接收旋向相同的圆极化波或椭圆极化波；若旋向不一致则几乎不能接收。当圆极化波入射到一个对称目标上时，反射波是反向旋转的。在传播电视信号时，利用这一特性可
33、以克服由反射所引起的重影。一般来说，圆极化天线难以辐射纯圆极化波，其实际辐射的是椭圆极化波，这对利用天线的极化特性实现天线间的电磁隔离是不利的，所以对圆极化通常又引入椭圆度参数。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 在通信和雷达中，通常采用线极化天线。但如果通信的一方是剧烈摆动或高速运动着的，例如在人造卫星、宇宙飞船和弹道导弹等空间遥测技术中，这些物体在空中沿一定轨道运动时，其天线的指向经常改变，考虑到地磁的影响，电波信号通过电离层后会产生法拉第旋转效应，极化平面会发生变化，因此为了提高通信的可靠性，发射和接收都应采用圆极化天线。如果雷达是为了干扰和侦察对方目标，也要使用圆极化天
34、线。采用圆极化天线来跟踪，不会使目标丢失。采用圆极化天线，可以接收任意取向的线极化波。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2.2.6 天线的频带宽度天线的频带宽度 天线的频带宽度是一个频率范围。在这个范围里，天线的各种特性参数应满足一定的要求标准。当工作频率偏离设计频率时，往往会引起天线参数的变化，例如主瓣宽度增大、副瓣电平增高、增益系数降低、输入阻抗和极化特性变坏、输入阻抗与馈线失配加剧、方向性系数和辐射效率下降等等。天线的频带宽度的定义为：中心频率两侧，天线的特性下降到还能接受的最低限时两频率间的差值。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 因为天线的各个特性指
35、标（均是工作频率的函数）随频率变化的方式不同，所以天线的频带宽度不是惟一的。对应于天线的不同特性，有不同的频带宽度，在实际中应根据具体情况而定。通常可将它分为两类：根据天线方向性的变化确定的叫“方向性频宽”，根据天线输入阻抗的变化确定的叫“阻抗频宽”。例如，全长小于或接近于半波长的对称振子天线，它的方向图随频率变化得很缓慢，但它的输入阻抗的变化非常剧烈，因而它的频带宽度常根据输入阻抗的变化确定；对于几何尺寸远大于波长的天线或天线阵，它们的输入阻抗可能对频率不敏感，天线的频带宽度主要根据波瓣宽度的变化、副瓣电平的增大及主瓣偏离主辐射方向的程度等因素确定；对于圆极化天线，其极化特性常成为限制频宽的
36、主要因素。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 对宽频带天线来说，天线的频带宽度常用保持所要求特性指标的最高与最低频率之比表示。例如10 1的频带宽度表示天线的最高可用频率为最低的10倍。对于窄频带天线，常用最高、最低可用频率的差2f与中心频率f0之比，即相对带宽的百分数表示，即%10020ff第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2.3 接收天线的基本原理接收天线的基本原理 2.3.1 天线接收无线电波的基本原理天线接收无线电波的基本原理 图 2-13 天线接收原理示意图 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 传来的电磁波的入射电场可分为两个分量：一
37、个是垂直于入射天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。只有与天线轴线平行的电场切线分量Ez=E2sin才能在天线上激起电流，在这个平行分量的作用下，天线元dz上将感应电动势Ezdz，该电动势在负载Z中产生的电流为dI。感应电动势是分布在整个天线导体上的，如果能将每个基本元感应的电动势在Z中产生的电流dI叠加，则通过积分而得到在Z中产生的总电流即为 dII(2-3-1）第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 这一分析过程称为感应电动势法。应当指出的是，在天线各基本元上电场的切线分量Ez的相位是不同的，这是由于到达各基本元的射线有行程差，而射线的行程差又是波传
38、来方向（，）的函数，这说明接收天线也是有方向性的。由于天线的几何形状、尺寸等的不同，各基本元感应的电动势又是分布在整个天线上的，它们在负载中产生的电流也不同，因此，负载中的总电流必然和天线的形状及尺寸有密切关系。除了一些简单形状的直线天线外，对于复杂的天线，如果用感应电动势法来分析，其过程也将很复杂。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2.3.2 接收天线与发射天线的互易性接收天线与发射天线的互易性 接收天线和发射天线的作用是一个可逆过程，也就是说发射天线与接收天线具有互易性。互易原理是线性电路的一个定理。互易定理指出：如图2-14所示，如果在线性无源二端网络的端口1-1上加电
39、动势e1，设在接收端口2-2的负载Z2中所产生的电流为I12；如果把电动势e2加到端口2-2上，设在接于端口1-1的负载上产生的电流为21，则依据网络中的互易定理，e、e和12、21间有如下关系 212121IeIe当e1=e2 时，I12=I21。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图 2-14 网络理论中的互易定理 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 设两个任意相同或不相同的天线1和2，安放在任意的相对位置，且相距很远，如图2-15所示，其中一个作发射天线，另一个作接收天线。假设两天线间没有其他场源，空间的媒质为线性且各向同性，则两天线满足互易定理的条件，下
40、面讨论两种情况:（1）天线1是发射天线，天线2是接收天线，如图2-15（a）所示。把电动势e接在天线1的输入端，则天线1的输入端电流为 111inZZeI式中：Z1是e1的内阻；Zin1是天线1的输入阻抗。这时在天线2处产生的电场为E12。在电场E12的作用下，在接收天线负载Z2L上产生的电流为I12。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 （2）天线2是发射天线，天线1是接收天线，如图 2-15（b）所示。把电动势e加在天线2的输入端，在天线2输入端的电流为 2222inZZeI式中：Z2是e2的内阻，Zin2是天线2的输入阻抗。这时在天线1处产生的电场为E21。同理，在电场E2
41、1的作用下，在接收天线负载Z1L上产生的电流为I21。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图 2-15 用互易定理法分析天线 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 根据互易定理可以得出：同一个天线既可以用作发射，也可以用作接收。对同一天线不论用作发射或用作接收，性能都是相同的，即天线的特性参数不变，如方向特性、阻抗特性、极化特性、通频带特性、等效长度、增益等都相同。例如，天线用作发射时，某一方向辐射最强；反过来用作接收时，也是该方向接收最强。因此，利用互易定理由天线的发射特性去分析天线的接收特性是分析接收天线的一个最简易的方法。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论
42、及主要特性参数 2.3.3 接收天线的某些特殊要求接收天线的某些特殊要求 1 天线的有效面积天线的有效面积 有效接收面积是接收天线的一个特殊的参数。与前述的有效长度相类似，在面式天线中常使用有效接收面积来表示接收天线接收空间中电磁波的能力。设天线以最大接收方向对准来波方向，天线与负载完全匹配且无损耗时，天线的最大接收功率为Pmax。设想此功率是由一块与来波方向成垂直的面积所接收，则称此面积为接收天线的有效面积Ae，定义为 SPAemax即Ae是接收的最大功率Pmax和接收点功率通量密度S之比。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 应注意的是，有效接收面积是天线处于最大接收方向且负
43、载与天线相匹配时计算得到的结果。Ae既称作有效面积，也称作有效孔径。根据Ae的定义，可以导出有效面积Ae与方向性系数D之间的关系为 42DAe该式表明，如果已知天线的方向性系数D，就可知道天线的有效接收面积Ae。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2 等效噪声温度等效噪声温度 接收天线的另一特殊参数是噪声温度。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，因此天线接收的无线电信号电平很弱，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。
44、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。不同波源发出的能量被天线截取后，在它的输入端呈现为天线的噪声功率。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 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的过程。因此，接收天线等效为一个温度为Te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 fKTPben或 fKPTbne(2-3-3）式中，Kb=1.3810-23(J/K)，为玻耳兹曼常数，而f为与天线相连的接收机的带宽。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 噪声源分布在天
45、线周围的空间，天线的等效噪声温度为 ddFTDTesin),(),(22020(2-3-3）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。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 显然，Te愈高，天线送至接收机的噪声功率愈大;反之愈小。Te值取决于天线周围空间的噪声源的强度和分布及天线架设时的指向，也与天线的方向性有关。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。要降低馈电系统的等效噪声温度，就必须降低环境温度和提高馈线的传输效率。为降低馈线系统的损耗，除提高传输效率外，还应尽可能缩短馈线的长度，例如低噪
46、声放大器应尽可能安装在靠近天线处。为了降低环境温度T0，可采用致冷装置，如将天馈系统中损耗大的元件置于低温容器中。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 3 接收天线的方向性接收天线的方向性 从以上分析可以得出，收、发天线具有互易性。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：(1)主瓣宽度尽可能窄，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，当来波方向处于变化时，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
47、体情况而定。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 (2)副瓣电平尽可能低。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，造成跟踪目标的错误。因此，在任何情况下都希望旁瓣电平尽可能地低。(3)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。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 习习 题题 2 2-1 简述天线的功能。2-2 天线的特性参数有哪些？分别是怎样定义的?2-
48、3 按极化方式划分，天线有哪几种？2-4 从接收角度讲，对天线的方向性有哪些要求？2-5 设某天线的方向图如图 2-16所示，试求主瓣零功率波瓣宽度、半功率波瓣宽度和第一旁瓣电平。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 图 2-16 题2-5用图 第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2-6 长度为2h(h)、沿z轴放置的短振子，中心馈电，其电流分布为I(z)=Imsin(h-|z|)式中,=2/。试求短振子的如下参数：(1)辐射电阻；(2)方向系数；(3)有效长度（归于输入电流）。第 2 章 天线辐射与接收的基本理论及主要特性参数 2-7 有一个位于xOy平面的很细的矩形小环，环的中心与坐标原点重合，环的两边尺寸分别为a和b，并与x轴和y轴平行，环上电流为i(t)=I0 cos(t)。假设a、b，试求小环的辐射场及两主平面的方向图。2-8 有一长度为dl的电基本振子，电流载有振幅为I0、沿y轴正方向的时谐电流，试求其方向性函数，并画出在xOy面、xOz面和yOz面的方向图。
