第二部分天線理論與技術第六章天線基本原理與技術

在無線通信系統中，需要將來自發射機的導波能量轉變為無線電波（發射），或者將無線電波轉換為導波能量（接收）,用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線應具有以下性能：一、天線的功能①盡可能多地將導波能量互相轉電磁波能（高效率）②具有適當的方向性③有適當的極化④有足夠的工作頻帶⑤對傳遞的信息進行一定的加工和處理（未來發展趨勢）二、天線的分類按用途：通信天線、廣播電視天線、雷達天線等按工作波長：長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等按輻射元的類型：線天線、面天線線天線：由半徑遠小于波長的金屬導線構成，主要用于長波、中波和短波波段面天線：由尺寸大于波長的金屬或介質面構成的，主要用于微波波段二、天線的分析方法

天線問題實質上是求解電磁場方程并滿足邊界條件

工程上往往將條件理想化，通過近似處理得到近似結果

利用電磁場理論的數值計算方法

電流元也稱電基本振子，它是一段長度遠小于波長,電流I振幅均勻分布、相位相同的直線電流。6.2電流元的輻射場一、電流元

注：電流元線天線的基本組成部分,任意線天線均可看成是由一系列電基本振子構成的。二、電流元的輻射場

在天線遠區（r>>λ）則：

說明：1）遠區場電場、磁場相互正交，相位相同：橫電磁(TEM)波2）電磁波沿徑向傳播3）遠區場為球面波4）電流元的輻射是有方向性的三、電流元輻射方向特性

方向函數：描述天線輻射場與方位角的關系。

電流元的方向函數：

方向圖：由方向函數作出的圖形，即為天線方向圖。

依據方向函數作出電流元的方向圖為：6.4天線的電參數6.4.1天線方向性特性參數一、方向函數

方向函數：描述天線的輻射強度與空間坐標之間的函數關系，分場強方向函數和功率方向函數。

場強方向函數：由輻射場電場表達式中與方位有關的表達式組成。如電流元場強方向函數為：

功率方向函數：由坡印廷矢量表達式，知

歸一化方向函數：為便于對不同天線方向性進行比較，往往將方向函數對其最大值進行歸一化，即：歸一化方向函數的最大值等于1。

用于描述天線輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的曲線或曲面圖。二、方向圖電流元方向圖

微波天線方向圖通常由與場矢量相平行的兩個平面表示：E平面：通過最大輻射方向，與電場矢量平行的平面；H平面：通過最大輻射方向，與磁場矢量平行的平面；E平面H平面

方向圖可由極坐標表示，也可用直角坐標表示：極坐標直角坐標電流元方向圖三、主瓣寬度

主瓣寬度是衡量天線的最大輻射方向的能量集中程度的物理量。

半功率主瓣寬度：功率方向圖中兩個半功率點之間的角寬度，或場強方向圖中最大場強的兩點之間的角寬度；零功率波瓣寬度：方向圖由最大值點兩邊第一個零點間的角寬。半功率主瓣寬度零功率主瓣寬度四、旁瓣電平SLL1

離主瓣最近且電平最高的波瓣電平與主瓣電平的比值,一般以分貝表示。主瓣：其方向為天線輻射主向第一副瓣注：副瓣電平反映了天線方向性的好壞6.4.2天線的極化天線的極化與其輻射的電磁波的極化方式相同。

天線的極化包括：垂直極化、水平極化，圓極化。

注：實際工程中，不存在理想圓極化天線，一般為橢圓極化天線通信系統中，發射天線和接收天線的極化方式必須要匹配6.4.3天線效率與輻射電阻

天線效率：天線輻射功率與輸入功率之比，即：式中：為天線輻射功率，為天線歐姆損耗功率。輻射電阻RΣ：

輻射電阻定義:某電阻上通過電流等于天線上的最大電流，若其損耗的功率等于天線的輻射功率，則該電阻值即為該天線的輻射電阻。天線的輻射電阻表示了天線輻射電磁波的能力，與饋電電流的大小無關，是天線自身具有的屬性。6.4.4天線方向系數與增益一、方向系數D

定義：設天線輻射功率為Pr，最大輻射方向電場為Em,則：

在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度Smax，與相同輻射功率在理想無方向性天線在同一位置處的輻射功率流密度S0之比：即二、增益G方向系數D未考慮天線效率的影響。

增益定義:在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度Smax，與相同輸入功率在理想無方向性天線在同一位置處的輻射功率流密度S0之比。

由上式可得一個天線最大輻射方向上的場強為由方向系數及增益定義，有：輸入功率例確定沿z軸放置的電基本振子的方向系數。

解:電基本振子的歸一化方向函數為:

代入方向系數的表達式得分貝數表示為：6.4.5輸入阻抗注：輸入阻抗取決于天線本身的結構與尺寸、工作頻率以及鄰近天線周圍物體等的影響。

天線有效長度定義：在保持實際天線最大輻射方向上的場強值不變的條件下,假設天線上電流分布為均勻分布時天線的等效長度。6.4.6有效長度輸入阻抗和輸入電壓和電流的關系是天線的有效長度愈長,輻射能力愈強。6.4.7工作帶寬f0——頻帶的中心頻率fmax——是某天線參數不超過規定變化范圍的最高頻率fmin——是某天線參數不超過規定變化范圍的最低頻率窄帶：寬帶：6.5接收天線接收天線接收電磁波的物理過程：

與導體表面長度方向相切的電場分量能在天線上產生感應電動勢及感生電流：接收天線電參數

當把接收天線置于電磁波環境中，接收天線就可以感應出電流，由于天線本身的阻抗，接收天線的輸出端會產生感應電動勢。在無線系統中，接收天線的功能就是接收電磁波能量并轉化為高頻電流的能量。其輸出的感應電動勢就通過饋線輸送電流到接收機。6.5.1收發天線的互易性一副無源天線作發射時的方向圖和作接收時的方向圖是相同的

天線的阻抗也不因它作接收或發射工作方式而改變

天線的其他輻射特性（如方向性系數﹑增益﹑極化等）也與天線的收﹑發工作方式無關

同一天線用于接收時，方向函數、阻抗、有效長度、增益等參數都與發射時相同——天線的互易定理。6.5.2天線的有效接收面積

定義：接收天線與某方向的來波極化一致時，天線的匹配接收功率與來波能流密度之比可以推得，天線的有效面積可表示為：式中：為天線的方向系數。6.5.3阻抗失配及極化失配6.5.4接收天線的噪聲溫度到達接收機的噪聲功率：

如果饋線的損耗因子是LF：饋線上損耗的功率為：損耗的功率將以噪聲形式再輻射：

AntennaNoiseAntennanoisepower,antennanoisetemperatureBackgroundnoisesources:groundnoise,skynoise,manmadenoises….Gr,B,TrNANoAntennareceivednoiseAntennathermalnoiseBrightnesstemperatureAntennaphysicaltemperature(skyto