1、第八章 天线基础,8.1 天线导引 定义： Websters字典：用来发送或接受无线电波的金属棒或电线。 IEEE：一种用来发送或接受无线电波的工具。,图8.1.1 天线,8.1.1 天线的类型 1、线形天线,2、口径天线3、微带天线 4、阵列天线,5、反射器天线6、透镜天线,8.1.2 辐射机理 取一导线，很薄，则电流又可以表示成则电流公式可写为假如导线的长度为l,则,这个公式简单地说明要产生辐射就必须有一个时变的电流或者具有加速度的电荷。我们经常谈到的电流是在时谐状态下的，而电荷往往是讨论其瞬间的情况。为了使电荷产生加速度，必须使导线弯曲或者使其成V形，还可将其表面制成非连续型或使其具有终
2、端。当在时谐条件下振荡时，电荷就会产生周期性的加速度，或者产生时变电流。时域，可以得到如下结论：,1.假如没有电荷运动，就不可能产生电流，也不会有辐射。2. 假如电荷在导线内作匀速运动：a.如果导线是笔直无限长的，就不会有辐射。b.如果导线被弯曲或制成V形，使其具有终点或将其截断，以及将其表面制成非连续型都将产生辐射。3.假如电荷在瞬时状态下振动，即便导线是笔直的也将产生辐射。,8.2 电偶极子的辐射 在几何长度远小于波长的线元上载有等幅同相的电流，这就是电偶极子。关于电偶极子产生的电磁场的分析计算，是线形天线工程计算的基础。 设线元上的电流随时间作正弦变化，表示为如图8.2.1所示，电偶极子
3、沿z轴放置，中心在坐标原点。元的长度为l、横截面积为 ，故有则 用 替换，载流线元在点P产生的矢量位为,电偶极子考虑到lr，故式（8.2.1）可近似为,它在球坐标系中的三个坐标分量为点p的磁场强度 电场强度为,8.2.1 电偶极子的近区场 (1) 的区域称为近区，在此区域中 且得,由式（8.2.6）和（8.2.7）计算近区场的 平均功率流密度矢量此结果表明电偶极子的近区场没有电磁功率向外输出。应该指出，这是忽略了场表示式中的次要因素所导致的结果，而并非近区场真的没有净功率向外输出。 (2) 的区域称为远区，在此区域中 整理得,8.2.2 电偶极子的远区场Kr1的区域称为远区。则有此特点：,8.
4、3 磁偶极子的辐射磁偶极子又称磁流元，其实际模型是一个小电流圆环，它的周长远小于波长，且环上载有的时谐电流处处等福同相，表示为,8.3.1 小电流环及其等效磁矩,磁荷为：磁极间的假象电荷为根据电磁对偶原理，自由空间的磁偶极子与自由空间的电偶极子取如下的对偶关系：,8.4 天线的基本参数 通常是以发射天线来定义天线的基本参数的，这些参数将描述天线把高频电流能量转换成电磁波能量并按要求辐射出去的能力。 1. 方向性函数和方向性图 天线辐射特性与空间坐标之间的函数关系式称为天线的方向性函数.根据方向性函数绘制的图形则称为天线的方向性图。定义天线的方向性函数：在离开天线一定距离处，描述天线辐射场的相对
5、值与空间方向的函数关系，称为方向性函数，表示为 。,为便于比较不同天线的方向特性，通常采用归一化方向性函数。定义为式中的 为指定距离上某方向 的电场强度值， 为同一距离上的最大电场强度值； 为方向性函数的最大值。 实际应用的天线的方向性图要比电偶极子的方向性复杂，出现很多波瓣，分别称为主瓣和副瓣，有时还将主瓣正后方的波瓣称为后瓣。,图8.4.1 典型的功率方向图,通常考虑以下几个参数： （1）主瓣宽度主瓣轴线两侧的两个半功率点（即功率密度下降为最大值的一半或场强下降为最大值的 ）的矢径之间的夹角，称为主瓣宽度，表示为 （E面）或 （H面）。主瓣宽度愈小，说明天线辐射的能量愈集中，定向性愈好。电
6、偶极子的主瓣宽度为 。 2）副瓣电平 最大副瓣的功率密度S1和主瓣功率密度S0之比的对数值，称为副瓣电平表示为通常要求副瓣电平尽可能低。,（3）前后比 主瓣功率密度S0与后瓣功率密度Sb之比的对数值，称为前后比。表示为通常要求前后比尽可能大。2方向性系数 在相等的辐射功率下，受试天线在其最大辐射方向上某点产生的功率密度与一理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度的比值，定义为受试天线的方向性系数。表示为,式中的Pr和Pr0分别为受试天线和理想的无方向性天线的辐射功率。故,而理想的无方向性天线的辐射功率为故则上式为计算天线方向性系数的公式。,则,而即 对于无方向性天线，D=1,得比较上两式可看出
7、，受试天线的方向性系数，表征该天线在其最大辐射方向上比无方向性天线而言将辐射功率增大的倍数。,例8.4.1 计算电偶极子的方向性系数 解：电偶极子的归一化方向性函数为故若用分贝表示，则为D=10lg1.5=1.76dB. 3.效率 天线的效率定义为天线的辐射功率Pr与输入功率Pin的比值，表示为,式中的PL为天线的总损耗功率，通常包括天线导体中的损耗和介质材料中的损耗。 若把天线向外辐射的功率看作是被某个电阻吸收的功率，该电阻称为辐射电阻Rr。同样，把总损耗功率也看作电阻上的损耗功率，该电阻称为损耗电阻。则有故天线的效率可表示为可见，要提高天线的效率，应尽可能增大辐射电阻和降低损耗电阻。,4增
8、益系数 在相同的输入功率下，受试天线在其最大辐射方向上某点产生的功率密度与一理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度的比值，定义为该受试天线的增益系数。表示为式中的Pin和Pin0分别为受试天线和理想的无方向性天线的输入功率 . 考虑天线效率的定义可得:以及,对于无方向性天线， 故G=1,则例如，为了在空间一点M处产生某特定值的场强，若采用无方向性天线来发射需输入10W的功率；但采用增益系数G=10的天线发射，则只需输入1W的功率。 5输入阻抗 天线的输入阻抗定义为天线输入端的电压与电流的比值，表示为,式中的Rin表示输入电阻，Xin表示输入电抗。 天线的输入端是指天线通过馈线与发射机（或接收
9、机）相连时，天线与馈线的连接处。天线作为馈线的负载，通常要求达到阻抗匹配。6.有效长度天线的有效长度是衡量天线辐射能力的又一个参数，它的定义是：在保持实际天线最大辐射方向上的场强不变的条件下，假设天线上的电流为均匀分布，电流的大小等于输入端的电流，此假想天线的长度le即称为实际天线的有效长度，,7极化 天线的极化特性是天线在其最大辐射方向上电场矢量的取向随时间变化的规律。正如在波的极化中已讨论过的，极化就是在空间给定上，电场矢量的端点随时间变化的轨迹。按轨迹形状分为线极化、圆极化和椭圆极化。,通常，偏离最大辐射方向时，天线的极化将随之改变。 8频带宽度 线极化天线又分为水平极化和垂直极化天线。
10、圆极化天线又分为右旋圆极化和左旋圆极化天线。 天线的所有电参数都与工作频率有关，当工作频率偏离设计的中心频率时，往往要引起电参数的变化。例如，工作频率改变时，将会引起方向图畸变、增益系数降低、输入阻抗改变等等。天线的频带宽度的一般定义是：当频率改变时，天线的电参数能保持在规定的技术要求范围内，将对应的频率变化范围称为该天线的频带宽度，或简称带宽。,8.5 对称天线 对称天线由两臂长各为l、半径为a的直导线或金属管构成，如图8.5.1所示，它的两个内端点为馈电点。对称天线是一种应用广泛的基本线形天线，它既可单独使用，也可作为天线阵的组成单元。,对称天线上的电流分布,故对称天线的辐射场为可见，对称
11、天线的归一化方向性函数为,图8.5.3 绘出不同长度的对称天线的归一化方向图（E面）。由于结构的对称性，方向图与 无关，即H面方向图是圆。,8.5.3 半波对称天线 半波天线是对称天线中应用最广的。将 代入式(8.5.4)即得到半波天线的归一化方向性函数.方向性图如图8.5.3(a)所示，主瓣宽度为 。 半波天线的辐射场可由式(8.5.3)取 得到,半波天线的辐射功率为故得半波天线的辐射电阻为半波天线的方向性系数为,用分贝表示则为8.6 天线阵天线阵是将若干个天线按一定规律排列组成的天线系统。利用这种天线系统可以获得所期望的辐射特性，诸如更高的增益、需要的方向性图等。组成天线阵的独立单元称为阵
12、元，排列的方式有直线阵、平面阵等.。天线阵的辐射特性取决于阵元的型式、数目、排列方式、间距以及各阵元上的电流振幅和相位等。方向图相乘原理 最简单的天线阵是由两个相距较近、取向一致的阵元组成的二元阵。图8.6.1表示两个沿z轴取向、沿x轴排列的对称天线构成的二元阵，间距为d。设阵元1的激励电流为I1,阵元2的激励电流为,式中的m是两阵元激励电流的振幅比， 是两阵元激励电流的相位差。,观察点P的合成电场为取其模式中,称为阵因子，它仅与各阵元的排列、激励电流的振幅和相位有关，而与阵元无关。 称为元因子，它只与阵元本身的结构和取向有关。 8.6.2 均匀直线阵 均匀直线阵是指天线阵的各阵元结构相同，并
13、以相同的取向和相等的间距排列成直线，各个阵元的激励电流振幅相等，相位则沿阵的轴线以相同的比例递增或递减的天线阵，如图8.6.2所示。,图8.6.2 均匀直线阵,N个阵元沿x轴排列，两相邻阵元的间距为d，激励电流相位差为 。图中的 为电波射线与阵轴线之间的夹角。类似于二元阵的分析，相邻两阵元辐射场的相位差为 以阵元1为参考，则阵元2的辐射场的相位差为 ，阵元3的辐射场的相位差为2 ，依此类推，天线阵的辐射场为(8.6.8),利用等比级数求和公式，式(8.6.8)可表示为式中称为N元均匀直线阵的阵因子。而,故N元均匀直线阵的归一化阵因子为可见，均匀直线阵的归一化阵因子 是 的周期函数，周期为 。在
14、 的区间内，阵因子方向图将出现主瓣和多个副瓣。8.7 其他类型天线的简要分析 8.7.1 缝隙天线 在波导管或空腔谐振器的导体壁上适当位置切开一条或数条缝隙以辐射（或接收）电磁波，这就是缝隙天线。,譬如，在高速飞行器上，为减小空腔阻力，就可在金属外壳上切开缝隙作为天线,8.7.2 微带天线 微带天线是由粘贴在带有金属接地板的介质基片上的辐射贴片构成的。贴片导体通常取规则形状，例如矩形、正方形、圆形、椭圆形等，这样便于分析和预期其性能。 微带天线具有很多优点，诸如重量轻、体积小；剖面薄的平面结构，可以做成共形天线，用于飞行器上不会扰动其空气动力学性能；天线的散射截面小；馈线和匹配网络可以和天线同
15、时制作。因此，微带天线在100MHz至50GHz的频段上获得广泛的应用。微带天线也存在频带窄、增益低等缺点。,采用如图8.7.5所示的矩形微带天线来说明其辐射机理 应用传输线模分析法进行分析时，将贴片辐射元、介质基片和接地板看成是一段长度为l的微带传输线 .,8.7.3 反射面天线 与线形天线不同，面形天线所载的电流是分布在构成天线的金属导体表面上，且天线的口径尺寸远大于波长。本节讨论的反射面天线通常由馈源和反射面构成。分析这类天线的辐射场的严格解方法是求解满足麦克斯韦方程组和边界条件的解，这是一个十分复杂的过程。通常采用以下两种近似方法： 感应电流法先求出在馈源照射下反射面上的感应电流分布，
16、然后计算此电流分布在外部空间产生的辐射场。 口径场法先作一个包围天线的封闭面，由给定的馈源求出此封闭面上的场分布（称为解内场问题）；然后根据惠更斯原理，利用该封闭面上的场分布求出外部空间的辐射场（称为解外场问题）。,2平面口径的辐射实际应用中的面天线，其口径面多为平面，例如喇叭天线，抛物面天线等，所以有必要讨论平面口径的辐射。,如图8.7.12所示，平面口径面位于xoy平面上，口径面积为s。远区观察点为 ，面元 至观察点的距离为 。将面元 在E面和H面的辐射场沿整个口径面积分，即得到平面口径面的远区辐射场。由式(8.7.10)和(8.7.11)得对于远区的观察点P，可以认为 与 近似平行，故得
17、 因此，平面口径面的远区辐射场一般表示式为,设口径面上的电场沿y轴方向且均匀分布（即 ），在E面（即yoz平面）上， ，则得在H面（即xoz平面）上， ，则得,1) 矩形口径面如图8.7.13所示，矩形口径面的尺寸为 。设口径面上的电场沿y轴方向且均匀分布（即 ），,则由式(8.7.16)得同样，由式(8.7.17)得,从式(8.7.18) 和(8.7.19)可得到均匀矩形口径面辐射场的归一化方向性函数分别为式中,图8.7.14表示 随 变化的曲线，可见最大辐射方向在 处（即在 处）。可以证明，当 和 都较大是，均匀矩形口径面辐射场能量集中在 角较小的圆锥形,8.8 垂直电偶极子在半空间上的场
18、,图8.8.1表示垂直电偶极子放置在距无限大理想导体平面上方h处。图中的实际源发出的电磁能量是按无界空间的方向特性辐射出去的。在观察点P1,有直射波到达，还有经分界面上的点R1反射的波到达。反射波的方向由反射定律（ ）确定，将反射线向分界以下延伸恰好交会于虚源上。对于另一个观察点P2, 反射点是R2，将反射线延伸仍交会于虚源上。对于上半空间的观察点，都对应于同一个虚源。反射的大小取决分界面上下两侧媒质的电参数。对于理想导体界面，产生全反射，界面以下的场为零。根据边界条件，界面上电场的切向分量必为零。因此，虚源的极性必须与实际源的极性相同，如图8.8.1中实际源和虚源的极性都是垂直向上的。,8.9 水平电偶极子在半空间上的场,对于远区的观察点p，直射场分量和反射场分量分别为而总场为,
