天线原理与设计讲义课件.ppt

1、天线原理与设计天线原理与设计绪论绪论 0.1 天线在无线电工程中的作用天线在无线电工程中的作用 一切无线电设备都离不开天线。一切无线电设备都离不开天线。无线电通讯无线电通讯 无线电广播无线电广播 电视电视 雷达雷达导航导航制导制导无线电探测等系统无线电探测等系统天线的作用是：天线的作用是：作发射时，它将电路中的高频作发射时，它将电路中的高频电流或传输线上的导行波转换为某种极化的空间电流或传输线上的导行波转换为某种极化的空间电磁波，向规定的方向发射出去；作接收时，则电磁波，向规定的方向发射出去；作接收时，则将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转换为

2、电路中的高频电流或或传输线上的导行波。转换为电路中的高频电流或或传输线上的导行波。(1)(1)能量转换能量转换(2)(2)定向辐射或接收定向辐射或接收 简言之：简言之：天线的功能主要有两点：天线的功能主要有两点：无线电通讯线路中的辐射和接收天线示意：无线电通讯线路中的辐射和接收天线示意：发射系统等效电路：发射系统等效电路：天线等效电路中最主要的一个参数天线等效电路中最主要的一个参数辐射电阻辐射电阻Rr。可以认为天线辐射的电磁波能量全部由可以认为天线辐射的电磁波能量全部由Rr吸收。吸收。发射天线空间辐射方向图。发射天线空间辐射方向图。典型的空间三维方向图典型的空间三维方向图典型的二维方向图典型的

3、二维方向图各种各样的方向图是由各种各样的天线实现的。各种各样的方向图是由各种各样的天线实现的。0.2 天线的分类天线的分类 按工作性质分类按工作性质分类 可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。按用途分类按用途分类 有通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航有通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线、测向天线等。天线、测向天线等。按天线特性分类按天线特性分类 从方向性分从方向性分：有强方向性天线、弱方向性天线、定向：有强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等。天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等。从

4、极化特性分从极化特性分：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线。化天线。线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线。从频带特性分从频带特性分：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。带天线。按天线上电流分布分类按天线上电流分布分类 有行波天线、驻波天线。有行波天线、驻波天线。按使用波段分类按使用波段分类 有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线和毫米波天线。天线、微波天线和毫米波天线。按载体分按载体分 有车载天线、机载天线、星

5、载天线，弹载天线等。有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。按天线外形分类按天线外形分类 有鞭状天线、有鞭状天线、T T形天线、形天线、形天线、形天线、V V形天线、菱形天形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。喇叭天线、反射面天线等。另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。面的共形阵列天线等。为便于分析和研究天线性能出发，天线可以

6、分为如下为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下几大类：几大类：(1)线天线线天线(Wire Antennas)(16)章章(2)口径天线口径天线(Aperture Antennas)(810章章)(3)阵列天线阵列天线(Array Antennas)(1章部分，章部分，5章章)(4)透镜天线透镜天线(Lens Antennas)(10章部分章部分)(5)反射器天线反射器天线(Reflector Antennas)(1112章章)(6)微带天线微带天线(Microstrip Antennas)(14章章)0.3 天线的发展天线的发展 自自1886年德国物理学家年德国物理学家Hertz在实

7、验室采用一在实验室采用一个长度为半波长的偶极子传送一个电火花脉冲，个长度为半波长的偶极子传送一个电火花脉冲，并在附近的谐振圆环内检测，证实了并在附近的谐振圆环内检测，证实了Maxwell方方程以来，天线的发展已经历了程以来，天线的发展已经历了120多年的时间。多年的时间。但是，天线一直在新技术的推动下发展着。但是，天线一直在新技术的推动下发展着。在在1940以前，天线的发展是在广播、电视和以前，天线的发展是在广播、电视和通信技术的推动下发展的，那时候有关长波、中通信技术的推动下发展的，那时候有关长波、中波和短波线形天线的理论大体上已经成熟。一些波和短波线形天线的理论大体上已经成熟。一些主要天线

8、形式直到现在还在使用。主要天线形式直到现在还在使用。在第二次世界大战期间，随着电子技术和雷在第二次世界大战期间，随着电子技术和雷达技术的发展，超短波与微波天线得到了飞速的达技术的发展，超短波与微波天线得到了飞速的发展。如喇叭天线、反射面天线、透镜天线、介发展。如喇叭天线、反射面天线、透镜天线、介质棒天线、波导缝隙天线、阵列天线等。质棒天线、波导缝隙天线、阵列天线等。第二次世界大战之后，无线电技术的发展更第二次世界大战之后，无线电技术的发展更加迅速，微波中继通信、散射通信、广播、电视加迅速，微波中继通信、散射通信、广播、电视技术的发展对天线提出了许多新的要求。技术的发展对天线提出了许多新的要求。

9、上世纪五十年代提出了非频变天线理论，相上世纪五十年代提出了非频变天线理论，相继出现了对数周期、等角螺旋、阿基米德螺旋等继出现了对数周期、等角螺旋、阿基米德螺旋等宽带天线。宽带天线。五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现后，五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现后，人类进入了宇宙空间时代，航空航天技术的发展人类进入了宇宙空间时代，航空航天技术的发展对天线的研究又提出了许多新的课题，这时要求对天线的研究又提出了许多新的课题，这时要求解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速扫描解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速扫描和精密跟踪等问题。和精密跟踪等问题。六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这六十和七十年代

10、是天线发展的鼎盛时期。这个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用方面都在突飞猛进的发展。方面都在突飞猛进的发展。(1)(1)在天线理论方法方面在天线理论方法方面 几何绕射理论几何绕射理论平面波谱展开法平面波谱展开法矩量法矩量法有限元法有限元法时域有限差分法时域有限差分法时域积分方程法时域积分方程法天线近场测量理论天线近场测量理论阵列分析与综合理论阵列分析与综合理论 这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础，这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础，随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自动随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子

11、自动化设计软件。化设计软件。HFSS软件软件 CST软件软件 IE3D软件软件 FIDELITY软件软件 FEKO软件软件(2)(2)在天线技术应用方面在天线技术应用方面 卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面天线馈源。天线馈源。雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚

12、毫米波半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发展，于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发展，其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频谐振其方向包括

13、阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频谐振等。等。有源天线的发展形成了现在非常先进的有源相控阵雷有源天线的发展形成了现在非常先进的有源相控阵雷达天线。二维有源相控阵已装备在最先进的猛禽达天线。二维有源相控阵已装备在最先进的猛禽F22第四第四代战机上。值得一提的是相控阵天线，因为相控阵雷达技代战机上。值得一提的是相控阵天线，因为相控阵雷达技术含量最高，功能最强。术含量最高，功能最强。到了到了80年代，由于电子计算机和超大规模集年代，由于电子计算机和超大规模集成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束器等日趋成熟及成

14、本的大幅降低，以及数字波束形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及智能化理论和技术的不断发展，使得智能化理论和技术的不断发展，使得80年代成为年代成为国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国也不例外，到也不例外，到1993年，我国的相控阵雷达不仅在年，我国的相控阵雷达不仅在军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经从军用扩展到了民用。从军用扩展到了民用。0.4 天线的基本参数天线的基

15、本参数 天线性能需要一套电气指标来衡量，这些电天线性能需要一套电气指标来衡量，这些电气指标由天线的特性参数来描述。这些参数包括：气指标由天线的特性参数来描述。这些参数包括：方向图形状方向图形状 主瓣宽度主瓣宽度 副瓣电平副瓣电平 增益增益 极化极化 输入阻抗输入阻抗 工作频率和频带宽度工作频率和频带宽度 天线有效长度、有效面积天线有效长度、有效面积 口径效率和波束效率等口径效率和波束效率等0.4.1 天线的方向图天线的方向图 0.4.1.1 方向图函数及方向图方向图函数及方向图 天线方向图是指天线方向图是指天线天线辐射特性辐射特性与空间坐标之与空间坐标之间的函数图形。大多情况下，天线方向图是在

16、远间的函数图形。大多情况下，天线方向图是在远场区确定的，所以又叫做远场方向图。场区确定的，所以又叫做远场方向图。天线天线辐射特性辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相包括辐射场强、辐射功率、相位和极化。因此，天线方向图又分为：位和极化。因此，天线方向图又分为：场强方向图场强方向图 功率方向图功率方向图 相位方向图相位方向图 极化方向图极化方向图 天线方向图形式天线方向图形式三维方向图三维方向图 二维方向图二维方向图 极坐标方向图极坐标方向图 直角坐标方向图直角坐标方向图 球坐标方向图球坐标方向图 直角坐标方向图直角坐标方向图 幅度幅度分贝分贝幅度幅度分贝分贝绘制天线方向图的两个途径绘制天线方向图的

17、两个途径由理论分析计算并绘制得到方向图由理论分析计算并绘制得到方向图;通过实验测得天线的方向图数据绘出方向图。通过实验测得天线的方向图数据绘出方向图。天线的方向图函数天线的方向图函数 大多线极化天线的远区辐射电磁场一般可表示大多线极化天线的远区辐射电磁场一般可表示为如下形式：为如下形式：j0(,)reEEfr(0.1)(0.1)0EH(0.2)(0.2)式中，式中，E为电场强度的为电场强度的分量，单位为分量，单位为V/m；H为磁场强度的为磁场强度的 分量，单位为分量，单位为A/m；E0为与激励有关但与坐标无关的系数；为与激励有关但与坐标无关的系数；r为以天线上某点为原点到远区某点的距离；为以天

18、线上某点为原点到远区某点的距离；0=120 为自由空间波阻抗；为自由空间波阻抗；=2/为相位常数；为相位常数；f(,)为天线的为天线的方向图函数方向图函数。返回 可见，天线方向图是在远区球面上的场强分布。可见，天线方向图是在远区球面上的场强分布。归一化方向图归一化方向图(,)(,)(,)mmfFf (0.3)(0.3)式中，式中，(m,m)为天线最大辐射方向；为天线最大辐射方向；f(m,m)为方向图函数的最大值。为方向图函数的最大值。由归一化方向图函数绘制出的方向图称为归由归一化方向图函数绘制出的方向图称为归一化方向图。由式一化方向图。由式(0.1)和和(0.2)可以看出，可以看出，天线远天线

19、远区辐射电场和磁场的方向图函数是相同的区辐射电场和磁场的方向图函数是相同的，因此，因此，由方向图函数和归一化方向图函数表示的方向图由方向图函数和归一化方向图函数表示的方向图统称为天线的辐射场方向图。统称为天线的辐射场方向图。三维方向图三维方向图 一个典型的七元八木天线的三维方向图如下：一个典型的七元八木天线的三维方向图如下：(a)7元八木天线元八木天线(b)三维球坐标三维球坐标 场强方向图场强方向图(c)三维直角坐标三维直角坐标 场强方向图场强方向图二维方向图二维方向图 E面和面和H面方向图定义面方向图定义 天线方向图一般是三维空间的曲面图形，但工程天线方向图一般是三维空间的曲面图形，但工程上

20、为了方便，常采用通过最大辐射方向的两个正交上为了方便，常采用通过最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图来描述天线的方向图。这两个相互平面上的剖面图来描述天线的方向图。这两个相互正交的平面称之为主面，对于线极化天线来说通常正交的平面称之为主面，对于线极化天线来说通常取为取为E面和面和H面。面。E E面面：指通过天线最大辐射方向并平行于：指通过天线最大辐射方向并平行于电电场矢量的平面。场矢量的平面。H H面面：指通过天线最大辐射方向并平行于：指通过天线最大辐射方向并平行于磁磁场矢量的平面。场矢量的平面。H面E面H面E面表表0-1 上上图所示的八木天线和角锥喇叭天线的图所示的八木天线和角锥喇叭天线的E

21、面和面和H面面 及其方向图函数表示及其方向图函数表示 七元八木天线的七元八木天线的H面方向图面方向图(a)极坐标幅度方向图极坐标幅度方向图(b)直角坐标幅度方向图直角坐标幅度方向图 返回(a)极坐标分贝方向图极坐标分贝方向图(b)直角坐标分贝方向图直角坐标分贝方向图 图中是以八木天线的图中是以八木天线的H面归一化方向图函数面归一化方向图函数 FH()F(,)|=90计算并绘制的。计算并绘制的。天线方向图一般呈花瓣状，称之为波瓣或波束。天线方向图一般呈花瓣状，称之为波瓣或波束。其中包含最大辐射方向的波瓣称之为主瓣，其它的称其中包含最大辐射方向的波瓣称之为主瓣，其它的称为副瓣或旁瓣，并分为第一副瓣

22、、第二副瓣等，与主为副瓣或旁瓣，并分为第一副瓣、第二副瓣等，与主瓣方向相反的波束称为后瓣或尾瓣。瓣方向相反的波束称为后瓣或尾瓣。返回返回10.4.1.1 主瓣宽度主瓣宽度 定义定义：指方向图主瓣上两个半功率点指方向图主瓣上两个半功率点(或场强下降到或场强下降到最大值的最大值的0.707倍处或分贝值从最大值下降倍处或分贝值从最大值下降3dB处对处对应的两点应的两点)之间的夹角。之间的夹角。记为记为20.5。主瓣宽度又称为半功率波束宽度或主瓣宽度又称为半功率波束宽度或3dB波束宽度。波束宽度。一般情况下，天线的一般情况下，天线的E面和面和H面方向图的主瓣宽度不面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为等，

23、可分别记为20.5E和和20.5H。【例例0.1】已知某天线的方向图函数为已知某天线的方向图函数为F()sin，求其主瓣宽度。求其主瓣宽度。解：方向图最大值解：方向图最大值F(m)1，其，其方向角为方向角为m=90o，见图。设方向，见图。设方向角为角为1时，时，F(1)=sin1=0.707，得，得1=45o。所以所以 0.5=m-1=45o。主瓣宽度为：主瓣宽度为：20.5=90o。链接0.4.1.3 副瓣电平副瓣电平 定义定义：指副瓣最大值模值与主瓣最大值模值之比，指副瓣最大值模值与主瓣最大值模值之比，通常用分贝表示。通常用分贝表示。即即 maxmax|20log|iiESLLE(0.4)

24、(0.4)式中，式中，Eimax为第为第i个副瓣的场强最大值，个副瓣的场强最大值，Emax为主瓣为主瓣最大值。这样，对于各个副瓣均可求得其副瓣电平最大值。这样，对于各个副瓣均可求得其副瓣电平值。如前面图中的值。如前面图中的SLL1、SLL2、SLL3和和SLL4。在工。在工程实际中，副瓣电平是指所有副瓣中最大的那一个程实际中，副瓣电平是指所有副瓣中最大的那一个副瓣的电平，记为副瓣的电平，记为SLL。一般情况下，紧靠主瓣的。一般情况下，紧靠主瓣的第一副瓣的电平值最高。第一副瓣的电平值最高。副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。因此，天线副瓣电平愈低，

25、表明天线在不需要方向因此，天线副瓣电平愈低，表明天线在不需要方向上辐射或接收的能量愈弱，或者说在这些方向上对上辐射或接收的能量愈弱，或者说在这些方向上对杂散的来波抑制能力愈强，抗干扰能力就愈强。杂散的来波抑制能力愈强，抗干扰能力就愈强。链接 不同用途要求天线有不同的方向图。例如，不同用途要求天线有不同的方向图。例如，广播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求广播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定在水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定的方向性以提高天线增益，见下图的方向性以提高天线增益，见下图(a)；对微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星对微波

26、中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图，见接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图，见下图下图(b)；对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束，见下图为扇形波束，见下图(c)。(a)水平全向方向图水平全向方向图(b)笔形波束方向图笔形波束方向图(c)余割平方波束方向图余割平方波束方向图 描述功率与电磁场的关系往往采用坡印亭矢描述功率与电磁场的关系往往采用坡印亭矢量，其定义为量，其定义为 0.4.2 辐射功率和辐射强度辐射功率和辐射强度*12WE H(0.5)(0.5)式中，式中，W为坡印亭矢量，单位为为坡印亭矢量

27、，单位为瓦瓦/m2；E为电场强度矢量，单位为为电场强度矢量，单位为V/m；H为磁场强度矢量，单位为为磁场强度矢量，单位为A/m，上标，上标*号表示取复数共轭。号表示取复数共轭。式式(0.5)说明坡印亭矢量是电场和磁场强度矢说明坡印亭矢量是电场和磁场强度矢量的叉积，乘上因子量的叉积，乘上因子1/2后，该式表示为坡印亭矢后，该式表示为坡印亭矢量的时间平均值。量的时间平均值。坡印亭矢量坡印亭矢量W 坡印亭矢量是功率密度矢量。取坡印亭矢量坡印亭矢量是功率密度矢量。取坡印亭矢量W与一个面积元矢量与一个面积元矢量ds的标积就是通过该面积元的的标积就是通过该面积元的辐射功率辐射功率dPr=W ds，沿包围天

28、线的整个表面，沿包围天线的整个表面s的的积分就可得到天线的辐射总功率积分就可得到天线的辐射总功率Pr。其公式为。其公式为*12rssPddsWsEHn(0.6)式中，式中，为闭合面为闭合面s的外法线单位矢量，如果闭合面为的外法线单位矢量，如果闭合面为一个球面，则一个球面，则 。在球坐标系中，。在球坐标系中，。nnrr辐射功率辐射功率P Pr r辐射强度辐射强度U(,)给定方向上的辐射强度定义为天线在单位立体角给定方向上的辐射强度定义为天线在单位立体角内所辐射的功率。内所辐射的功率。它是一个远场参数。它是一个远场参数。半径为半径为r的球面面积为的球面面积为S=4r2，其立体角为，其立体角为=4，

29、在给定方向上的辐射强度，在给定方向上的辐射强度U(,)表示为表示为 2*()1(,)()2SUr W rEHr(0.7)天线分析坐标系如下图所示。天线分析坐标系如下图所示。【例例0.2】设某一天线的远区辐射电磁场可由式设某一天线的远区辐射电磁场可由式(0.1)和式和式(0.2)表示，求其坡印亭矢量、辐射功率表示，求其坡印亭矢量、辐射功率和辐射强度。和辐射强度。解：解：该天线的辐射电磁场可写作该天线的辐射电磁场可写作 和和 ,由式由式(0.5)可得坡印亭矢量为可得坡印亭矢量为 EEHH2220200|(,)22EEfr Wrr(0.8)由式由式(0.6)设闭合积分面为包围天线的一个球面，设闭合积

30、分面为包围天线的一个球面，则积分面元为则积分面元为 ，得辐射功率为，得辐射功率为 2sindsrd d 如果如果 ，则，则(,)sinf 2008()23rEP2220000(,)sin2rEPdfd (0.9)链接由式由式(0.7)可得辐射强度为可得辐射强度为 222000(,)(,)(,)22EEUf (0.10)式中，式中，为给定方向的电场强度。上为给定方向的电场强度。上式说明，辐射强度正比于电场强度的平方。式说明，辐射强度正比于电场强度的平方。0(,)(,)EE f 0.4.3 方向性系数方向性系数 方向性系数是用来表征天线辐射能量集中程方向性系数是用来表征天线辐射能量集中程度的一个参

31、数。度的一个参数。0.4.3.1 方向性系数的定义方向性系数的定义 天线在给定方向上的方向性系数有两种定义天线在给定方向上的方向性系数有两种定义方法，这两种定义方法最终得到的天线方向性系方法，这两种定义方法最终得到的天线方向性系数结果表达式是一样的。数结果表达式是一样的。返回定义方法定义方法1 1 在相同辐射功率在相同辐射功率Pr条件下，某天线在给定方条件下，某天线在给定方向的辐射强度向的辐射强度U(0,0)与理想点源天线在同一方向与理想点源天线在同一方向的辐射强度的辐射强度U0(0,0)之比。之比。即即 由式由式(0.10)可见，辐射强度与电场强度的平方成正可见，辐射强度与电场强度的平方成正

32、比，因此上式也可以表述为比，因此上式也可以表述为 0000000(,)(,)(,)UDU (0.11a)(相同相同Pr)2200000(,)(,)/DEE (相同相同Pr)(0.11b)式中，式中，E(0,0)为天线在指定方向上的电场强度，为天线在指定方向上的电场强度，E0为为理想点源天线理想点源天线在同一方向的电场强度。在同一方向的电场强度。理想点源天线：理想点源天线：是指无损耗的各向同性的假想是指无损耗的各向同性的假想点源天线，其辐射方向图在空间是一个球面。点源天线，其辐射方向图在空间是一个球面。链接返回 所以理想点源天线的辐射强度与方向角无所以理想点源天线的辐射强度与方向角无关。即关。即

33、U0(0,0)=U0，它可由所讨论天线在，它可由所讨论天线在4立立体角内辐射功率的平均值来表示，即体角内辐射功率的平均值来表示，即 04rPU(0.12a)在相同辐射功率下，在相同辐射功率下，可由可由 在一个球面在一个球面上取平均值得到，即上取平均值得到，即 20E2(,)E 式中，式中，S=4r2是半径为是半径为r的球面面积。的球面面积。220(,)SEdsES (0.12b)这样，由式这样，由式(0.9)Pr、式、式(0.10)U(,)的表示及式的表示及式(0.11a)和式和式(0.12a)可得可得2000022004(,)(,)(,)sinfDdfd (0.13)由式由式(0.12b)和

34、式和式(0.11b)同样可得方向性系数同样可得方向性系数D的表示式的表示式(0.13)。定义方法定义方法2 2 在给定方向产生相同电场强度下，理想点源在给定方向产生相同电场强度下，理想点源天线的辐射功率天线的辐射功率Pr0与某天线辐射功率与某天线辐射功率Pr之比。之比。即即000(,)rrPDP (相同电场强度相同电场强度)(0.14)由这个定义同样可得方向性系数由这个定义同样可得方向性系数D的表示式的表示式(0.13)。过程如下：。过程如下：辐射功率辐射功率Pr仍由式仍由式(0.9)表示。在给定方向表示。在给定方向(0,0)具有相同电场强度的条件下，点源天线的辐具有相同电场强度的条件下，点源

35、天线的辐射功率为：射功率为：*20000000011(,)(,)(,)22rssPrdsEds EH 由于点源天线无方向性，在球面由于点源天线无方向性，在球面s上的场为常上的场为常数，则得数，则得 2222000000002001(,)(,)(,)422rSEPEdsfrr 由此式及式由此式及式(0.9)的的Pr表示代入式表示代入式(0.14)得方向得方向性系数性系数D的表示式的表示式(0.13)。在式在式(0.13)中分子分母同除以方向图函数的最中分子分母同除以方向图函数的最大值的平方大值的平方f 2(m,m)，可得归一化方向图函数式，可得归一化方向图函数式(0.3)表示的方向性系数表示的方

36、向性系数 2000022004(,)(,)(,)sinFDdFd (0.15)若天线的方向图函数为绕若天线的方向图函数为绕=0的轴旋转对称，的轴旋转对称，则方向图函数与则方向图函数与无关，即无关，即F(,)=F()，则式，则式(0.15)表示的方向性系数可简化为表示的方向性系数可简化为 200202()()()sinFDFd(0.16)工程上一般采用最大辐射方向上的方向性系工程上一般采用最大辐射方向上的方向性系数作为技术指标。此时的方向性系数用数作为技术指标。此时的方向性系数用D表示，表示，归一化方向图函数为归一化方向图函数为F(0,0)=1，由式，由式(0.15)得得 22004(,)sin

37、DdFd (0.17)若方向图旋转对称，则得若方向图旋转对称，则得 202()sinDFd(0.18)任意方向的方向性系数可表示为最大辐射方任意方向的方向性系数可表示为最大辐射方向上的方向性系数与方向图函数平方的积向上的方向性系数与方向图函数平方的积 2(,)(,)DD F (0.19)方向性系数是无量纲的量，工程上一般采用方向性系数是无量纲的量，工程上一般采用分贝表示分贝表示 10lgdBDD(dB)(0.20)【例例0.3】已知某天线的方向图函数为已知某天线的方向图函数为F()=sin,求其最大辐射方向上的方向性系数。求其最大辐射方向上的方向性系数。解：由方向图函数可知，该天线的方向图是关

38、于解：由方向图函数可知，该天线的方向图是关于=0的轴旋转对称的，最大辐射方向为的轴旋转对称的，最大辐射方向为=/2，归，归一化方向图函数一化方向图函数F()|=/2=1。由式。由式(0.18)，可得其，可得其分母的值为分母的值为 23004()sinsin3Fdd 最大辐射方向上的方向性系数为最大辐射方向上的方向性系数为 D=1.5 或或 DdB=10lgD=1.76 dB0.4.3.2 方向性系数两种定义方法的物理解释方向性系数两种定义方法的物理解释 在相同辐射功率条件下在相同辐射功率条件下，各向同性的点源天线，各向同性的点源天线是把整个辐射功率均匀分布在一个球面上，且球是把整个辐射功率均匀

39、分布在一个球面上，且球面上的辐射场强相等为面上的辐射场强相等为E0。而有一定方向性的某。而有一定方向性的某天线则把这个辐射功率相对集中在某个方向上辐天线则把这个辐射功率相对集中在某个方向上辐射出去，则这个方向上的辐射场强为射出去，则这个方向上的辐射场强为Em。由式。由式(0.11b)便知，便知，Em愈大，方向性系数愈大，方向性系数D就愈大，则就愈大，则天线辐射就愈集中。如下图所示。天线辐射就愈集中。如下图所示。2000020(,)(,)EDE 220mEDE在相同电场强度条件下在相同电场强度条件下，取，取E0Em，显然把整，显然把整个辐射功率均匀分布在一个球面上的理想点源天个辐射功率均匀分布在

40、一个球面上的理想点源天线的辐射功率线的辐射功率Pr0大于某天线的辐射功率大于某天线的辐射功率Pr，见下，见下图。由式图。由式(0.14)可知，可知，Pr0愈大，方向性系数愈大，方向性系数D就愈就愈大。大。000(,)rrPDP 0.4.4 天线效率天线效率a 与增益与增益G 增益是天线的另一个重要参量，它与方向性增益是天线的另一个重要参量，它与方向性系数密切相关，它既考虑了天线的定向能力又计系数密切相关，它既考虑了天线的定向能力又计及了天线的效率。及了天线的效率。0.4.4.1 天线效率天线效率a 天线的效率是用来计及损耗的。天线的效率是用来计及损耗的。天线的损耗天线的损耗 欧姆损耗欧姆损耗

41、反射损耗反射损耗 导体损耗导体损耗 介质损耗介质损耗 天线总效率天线总效率a定义为：天线辐射到外部空间的定义为：天线辐射到外部空间的实功率实功率Pr与天线馈电端输入的实功率与天线馈电端输入的实功率Pin之比。即之比。即 rainPP(0.21)发射机一般是经过一段传输线给天线馈电，发射机一般是经过一段传输线给天线馈电，设传输线无耗且输入端设传输线无耗且输入端Tin处的输入实功率为处的输入实功率为Pin，若天线与传输线失配，则线上存在反射系数若天线与传输线失配，则线上存在反射系数，实际在天线输入端实际在天线输入端TL处的实功率就为处的实功率就为PL，如下图，如下图所示。所示。显然有：显然有：2(

42、1|)LinPP 天线吸收的功率天线吸收的功率PL又分为两部分，一部分由于又分为两部分，一部分由于导体和介质的热损耗吸收，记为导体和介质的热损耗吸收，记为 ，一部分向空间，一部分向空间辐射出去，记为辐射出去，记为Pr，即，即 。因此有。因此有 LrPPPP21|rinPPP(0.22)返回 把式把式(0.22)代入代入(0.21)得天线总效率为得天线总效率为 2(1|)rarcdrPPP(0.23)式中，式中，为反射失配效率；为反射失配效率；21|r 为天线导体和介质损耗效率；为天线导体和介质损耗效率；/()cdrrPPP00()/()ininZZZZ 为馈电传输线上的反射系数；为馈电传输线上

43、的反射系数；Zin为天线输入阻抗；为天线输入阻抗；Z0为传输线的特性阻抗；为传输线的特性阻抗；根据前图所示的等效电路，有根据前图所示的等效电路，有2/2mPI R和和2/2rmrPI R则则/()cdrrRRR Im为天线上波腹电流，为天线上波腹电流，为热损耗电阻，为热损耗电阻，为为辐射电阻。辐射电阻。RrR链接 辐射电阻辐射电阻Rr是指是指“吸收吸收”天线全部辐射功率的天线全部辐射功率的电阻，其上流过的电流为天线上的波腹电流。电阻，其上流过的电流为天线上的波腹电流。0.4.4.2 天线增益天线增益G 天线的增益与天线的方向性系数密切相关，天线的增益与天线的方向性系数密切相关，则天线增益也有两

44、种定义方法。则天线增益也有两种定义方法。定义方法定义方法1 1 在相同输入功率在相同输入功率Pin条件下，某天线在给定方条件下，某天线在给定方向的辐射强度向的辐射强度U(0,0)与理想点源天线在同一方向与理想点源天线在同一方向的辐射强度的辐射强度U0(0,0)之比。之比。即即 200000020000(,)(,)(,)(,)UEGUE (相同Pin)(0.24)注意：注意：上式增益的表达式与式上式增益的表达式与式(0.11b)的方向性系的方向性系数完全一样，但方向性系数和增益定义的基点和数完全一样，但方向性系数和增益定义的基点和条件是不同的。条件是不同的。链接 方向性系数的定义是以方向性系数的

45、定义是以辐射功率辐射功率为基点，并以为基点，并以相同辐射功率相同辐射功率为条件，没有考虑天线的能量转换为条件，没有考虑天线的能量转换效率。增益的定义是以效率。增益的定义是以输入功率输入功率为基点，并以为基点，并以相相同输入功率同输入功率为条件。为条件。定义方法定义方法2 2 在某方向产生相同电场强度的条件下在某方向产生相同电场强度的条件下,理想点源理想点源的输入功率的输入功率Pin0与某天线输入功率与某天线输入功率Pin的比值。即的比值。即 000(,)ininPGP(相同电场强度)(0.25)由式由式(0.25)、(0.13)和和(0.21)得得 000000(,)(,)inrraininr

46、PP PGDPPP (0.26)式中用了关系：式中用了关系：Pin0=Pr0。因为理想点源天线无耗，。因为理想点源天线无耗，其输入功率等于辐射功率。由定义方法其输入功率等于辐射功率。由定义方法1也可得到也可得到式式(0.26)。0.4.5 天线的极化天线的极化 电磁波的极化方向通常是以其电场矢量的空间电磁波的极化方向通常是以其电场矢量的空间指向来描述的。指向来描述的。电磁波的极化是指：在空间某位电磁波的极化是指：在空间某位置上，沿电磁波的传播方向看去，其电场矢量在置上，沿电磁波的传播方向看去，其电场矢量在空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。如果这个轨迹是一条

47、直线，则称为线极化；如果这个轨迹是一条直线，则称为线极化；如果是一个圆，则称为圆极化；如果是一个圆，则称为圆极化；如果是一个椭圆，则称为椭圆极化。如果是一个椭圆，则称为椭圆极化。下图所示为电磁波电场矢量取向随时间变化的典下图所示为电磁波电场矢量取向随时间变化的典型轨迹曲线。型轨迹曲线。采用极化特性来划分电磁波，就有线极化波、采用极化特性来划分电磁波，就有线极化波、圆极化波和椭圆极化波。线极化和圆极化是椭圆圆极化波和椭圆极化波。线极化和圆极化是椭圆极化的两种特殊情况。圆极化和椭圆极化波的电极化的两种特殊情况。圆极化和椭圆极化波的电场矢量的取向是随时间旋转的。沿着电磁波传播场矢量的取向是随时间旋转

48、的。沿着电磁波传播方向看去，其旋向有顺时针方向和逆时针方向之方向看去，其旋向有顺时针方向和逆时针方向之分。电场矢量为顺时针方向旋转的称为右旋极化，分。电场矢量为顺时针方向旋转的称为右旋极化，逆时针方向旋转的称为左旋极化。逆时针方向旋转的称为左旋极化。0.4.5.1 天线极化概念天线极化概念 天线的极化是以电磁波的极化来确定的。天天线的极化是以电磁波的极化来确定的。天线的极化定义为：线的极化定义为：在最大增益方向上，作发射时在最大增益方向上，作发射时其辐射电磁波的极化，或作接收时能使天线终端其辐射电磁波的极化，或作接收时能使天线终端得到最大可用功率的方向入射电磁波的极化。得到最大可用功率的方向入

49、射电磁波的极化。最最大增益方向就是天线方向图最大值方向，或最大大增益方向就是天线方向图最大值方向，或最大指向方向。指向方向。天线的极化在各个方向并非保持恒定，所以天天线的极化在各个方向并非保持恒定，所以天线的极化在其最大指向方向定义才有意义。线的极化在其最大指向方向定义才有意义。例如，对线极化天线来说，其辐射电场矢量的例如，对线极化天线来说，其辐射电场矢量的取向是随方向角的不同而不同的，见下图取向是随方向角的不同而不同的，见下图(a)。对圆极化天线来说，其最大指向方向上可以设对圆极化天线来说，其最大指向方向上可以设计得使其为圆极化，但在其它方向一般为椭圆极计得使其为圆极化，但在其它方向一般为椭

50、圆极化，当远离最大指向方向时甚至可能退化为线极化，当远离最大指向方向时甚至可能退化为线极化，见下图化，见下图(b)。图图(a)图图(b)前面提到的八木天线、角锥喇叭天线和上图前面提到的八木天线、角锥喇叭天线和上图(a)的对称振子天线都是典型的线极化天线。上图的对称振子天线都是典型的线极化天线。上图(b)所示的平面阿基米德螺旋天线以及后面要介绍的所示的平面阿基米德螺旋天线以及后面要介绍的等角螺旋天线和轴向模圆柱螺旋天线等则是典型等角螺旋天线和轴向模圆柱螺旋天线等则是典型的圆极化天线。的圆极化天线。若以地面为参考面，线极化又分为垂直极化若以地面为参考面，线极化又分为垂直极化和水平极化。在其最大辐射