微波技术与天线第5章-天线课件.ppt

1、5.1.2天线的分类天线的分类 1.全向天线 2.定向天线 3.机械天线 4.电调天线 5.双极化天线 5.2 电基本振子电基本振子 5.2.1电基本振子的辐射场电基本振子的辐射场图 5-1 电基本振子场及坐标系场解场解0)(sin14)(cos242230230EerjkrkrjIlEerkrjIlEjkrjkrr忽略项 ，保留项 和 项，1）近区场随距离的增大而迅速减小,即离天线较远时,近区场可认近似为零。2）电场与磁场相位相差90,说明玻印廷矢量为 虚数,每周期平均辐射功率为零。电磁能量在场源和场之间来回振荡,没有能量向外辐射,所以近区场又称为感应场。HES21r121r31r近 区 场

2、近 区 场0sin4sin14cos2420303EHHrIlHrIljErIljErr(2)远区场00sin4sin402HHEEerIlkjHerIlkjErrjkrjkr120sin2sin60EreIljHreIljEjkrjkr5.3.1小电流环的辐射场小电流环的辐射场图 5-2 磁基本振子（b）磁基本振子（a）小电流环 小圆环电流的远区场为 0sin2sin120sin240sin222rrjkrmjkrjkrmjkrHHEEerlIjreIsEerlIjreIsH5.4 天线的电参数天线的电参数5.4.1天线方向性函数和方向图天线方向性函数和方向图 天线方向性函数是描述天线的辐射

3、场的相对强度的数学表示式，方向图则是相应的图解表示，天线的方向图是一个立体图，通常只画出两个相互垂直的两个平面方向图，通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面，称为E面；通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面，称为H面。归一化方向性函数为 maxmax),(),(),(),(EEffF5.4.3天线效率天线效率天线辐射功率与输入功率之比,称为天线效率 inrAPP5.4.4增益系数增益系数ADG5.4.5极化极化 所谓天线的极化就是电场矢量在空间的取向。通常指该天线在最大辐射方向上的电场空间取向。极化一般可分为线极化、圆极化和椭圆极化，其中圆极化还可以根据电场矢量旋转方向分为右旋圆极化和

4、左旋圆极化。5.4.6频带宽度频带宽度 天线的电参数（如方向特性、极化特性及阻抗特性等）都与频率有关,这些电参数都是针对某一工作频率设计的，实际天线并不是工作在一个频点上的,而是有一定的频率范围。当工作频率变化时,天线的相关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为天线的频带宽度,简称天线带宽。5.4.7 输入阻抗输入阻抗定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。即00IUZin5.4.8 有效长度有效长度 它是把天线在最大辐射方向上的场强和电流联系起来的一个参数,有效长度是衡量天线辐射能力的又一个重要指标。5.5 接收天线理论接收天线理论图5-6 接收天线5.6 对称振子天

5、线对称振子天线图5-7 对称振子天线 5.6.3 对称振子天线的输入阻抗对称振子天线的输入阻抗 对称振子输入阻抗普遍采用等效传输线法，该方法是将对称振子看作由一段开路双线张开而成，由传输线理论来近似计算其输入阻抗，经过近似处理后，公式简便且便于实际应用。但对称振子与传输线不能完全等效，即两者之间存在一定的差别，主要表现在：第一，传输线不是辐射系统，而对称振子是一个辐射系统，若把振子辐射功率看作是一种损耗，则对称振子应等效为一有耗传输线。第二，均匀传输线上对于线元之间的距离处处相等，而对称振子上的对应线元即对称分布中心轴两侧的线元，对应线元的距离随离轴心距离不同而不同，因此，对称振子的分布参数及

6、特性阻抗沿线也是不均匀分布的。由于这些差别，由等效传输线法获得的对称振子的特性阻抗公式要做适当的修正。5.7 均匀直线天线阵均匀直线天线阵 为了增强天线的方向性，提高天线的增益系数，或者为了得到所需要的辐射特性，可以把若干个相同的天线按一定的规律排列起来，并给予适当激励，这样组成的天线系统称为天线阵(a)同轴排列(b)平行排列图5-14 对称振子组成的直线阵5.7.1 二元阵二元阵图 5-15 二元阵2cos),(21FrEEm二元阵辐射场的电场强度模值为5.8 均匀直线天线阵的方向性均匀直线天线阵的方向性5.8.1 均匀直线天线阵均匀直线天线阵图 5-19 均匀直线阵归一化的阵因子2sin2

7、sin)(NNNfF5.9 引向天线引向天线5.9.1折合半波振子天线折合半波振子天线 折合半波振子天线可以看成是将两个基本半波振子天线的尾部相连而成，即两个半波振子天线的并联，如图5-31所示 图5-31 半波折合振子天线5.10 螺旋天线螺旋天线 金属导线绕制成螺旋状结构的天线称为螺旋天线。通常有两种结构形式：图5-34(a)为圆柱螺旋天线；图5-34(b)为圆锥螺旋天线。由同轴线馈电,同轴线的内导体与螺旋线相接,外导体与接地板相连。(a)圆柱螺旋天线(b)圆锥螺旋天线图5-34 螺旋天线5.11 行波天线行波天线 在天线末端加上匹配负载吸收剩余电磁能量，可以防止反射波的产生。对于很长的线

8、天线，由于电流沿着天线流动时不断地辐射，能量不断地消耗掉，仅仅有很少的电磁能量到达天线末端，也可以看成是行波天线。行波天线是宽带天线的一种类型。最简单的行波线天线是仅仅传输行波的单根长线，如图5-37所示。图5-37行波天线5.11.1行波单导线天线的方向图行波单导线天线的方向图图5-38 时行波天线方向图5.11.2 V形天线和菱形天线形天线和菱形天线图5-39 V形天线(，)5.12 非频变天线非频变天线图5-41 平面等角螺旋天线非频变天线概念是由拉姆西（V.H.Rumsey）于1957年提出的，使天线的发展产生了一个突破，可将带宽扩展到超过40 1，在此之前，具有宽频带方向性和阻抗特性

9、的天线其带宽不超过2 1。我们已经知道，天线的电性能取决于它的电尺寸，所以当几何尺寸一定时，频率的变化导致电尺寸的变化，因而天线 5.13 面天线 前面讨论了常用于米波波段的线型天线，而现代雷达和通信设备不少是工作于厘米波或更高的波段的，由于这个波段的波传播类似于光波，因此天线设备类似于光学系统，常常使用面状结构，故称为面状天线，简称面天线。该类天线在雷达、导航、微波中继、卫星通讯、卫星电视广播及射电天文等方面已有广泛的应用，如图5-46所示的分别是常见的抛物面天线和卡塞格伦天线。5.13.1等效原理等效原理面元上的新波源可由场等效原理求得，即将面元上的磁场和电场分别用等效电流元和磁流元来替代

10、，口径面辐射就由这些电基本振子和磁基本振子产生的场对整个口径面进行积分求得。5-47 等效原理 5.14 微带天线 微带天线有很多优点：（1）剖面薄，体积小，重量轻；（2）具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面相共形的结构；（3）馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产；（4）能与有源器件和电路集成为一体；（5）便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。（6）不需要背腔,适合于组合式设计，易于制作成印刷电路，馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。微带天线的主要缺点有：（1）频带窄；（2）有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；5.14.2 微带

11、天线馈电方式微带天线馈电方式馈线的设计对于天线来说至关重要，因为从发射机到天线以及天线到接收机都是靠馈线来实现的。微带天线通常采用微带线馈电和同轴线馈电两种馈电方式，如图5-63所示。图5-63(a)所示的是微带馈线的天线，微带馈线与贴片的一条辐射边接触，它具有其它的馈电技术不具有的几个优点。因为馈电单元和贴片可以蚀刻在同一块板上，故一个主要优点是制造工艺简单，因此大多数平面阵都采用边馈技术。(a)微带线馈电(b)同轴线馈电 图 5-63 微带天线馈电方式5.14.4微带贴片天线辐射原理微带贴片天线辐射原理为了简单起见，我们以矩形微带贴片天线为例，用传输线法分析它的辐射机理。(a)物理结构图 5-64微带天线结构与场分布(b)电场分布