《天线基础知识》PPT课件.ppt

第1章 天线基础知识,1.1 天线的电参数1.2 天线辐射基础1.3 常见天线分类1.4 阵列天线1.5 智能天线,1.1 发射天线的电参数,描述天线工作特性的参数称为天线电参数(Basic Antenna Parameters)，又称电指标。它们是定量衡量天线性能的尺度。我们有必要了解天线电参数，以便正确设计或选择天线。大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及定向辐射的能力。下面介绍发射天线的主要电参数，并且以电基本振子为例说明之。,1.1.1 方向函数天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波，但却不是均匀球面波，因此，任何一个天线的辐射场都具有方向性。所谓方向性函数，就是在相同距离r的条件下天线辐射场的相对值与空间方向（俯仰角、方位角）的关系f(,)，如图1所示。,图 1 基本电振子,1.1.2 方向图 将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图(FileldPattern)。方向图就是与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图。变化及得出的方向图是立体方向图。对于电基本振子，由于归一化方向函数F(,)=|sin|，因此其立体方向图如图2所示。,图2 基本振子立体方向图,在实际中，工程上常常采用两个特定正交平面方向图。在自由空间中，两个最重要的平面方向图是E面和H面方向图。E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；H面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。方向图可用极坐标绘制，角度表示方向，矢径表示场强大小。这种图形直观性强，但零点或最小值不易分清。方向图也可用直角坐标绘制，横坐标表示方向角，纵坐标表示辐射幅值。由于横坐标可按任意标尺扩展，故图形清晰。如图3所示，对于球坐标系中的沿z轴放置的电基本振子而言，E面即为包含z轴的任一平面，例如yOz面，,此面的方向函数FE()=|sin|。而H面即为xOy面，此面的方向函数FH()=1，如图4所示，H面的归一化方向图为一单位圆。E面和H面方向图就是立体方向图沿E面和H面两个主平面的剖面图。,图3 电基本振子E平面方向图,图4 电基本振子H平面方向图,有时还需要讨论辐射的功率密度（坡印廷矢量模值）与方向之间的关系，因此引进功率方向图（Power Pattern）(,)。容易得出，它与场强方向图之间的关系为(,)=F2(,)电基本振子E平面功率方向图也如图3所示。,1.1.3 方向图参数 实际天线的方向图要比电基本振子的复杂，通常有多个波瓣，它可细分为主瓣、副瓣和后瓣，如图5所示。用来描述方向图的参数通常有：(1)零功率点波瓣宽度（Beam Widthbetween FirstNulls,BWFN)20E或20H(下标E、H表示E、H面，下同）：指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。,图5 天线方向图的一般形状,(2)半功率点波瓣宽度（HalfPower Beam Width,HPBW）20.5E或20.5H:指主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707倍（或等于最大功率密度的一半）的两辐射方向之间的夹角，又叫3分贝波束宽度。如果天线的方向图只有一个强的主瓣，其它副瓣均较弱，则它的定向辐射性能的强弱就可以从两个主平面内的半功率点波瓣宽度来判断。,(3)副瓣电平（Side Lobe Lever,SLL）:指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般以分贝表示，即,（128）,式中，Sav,max2和Sav,max分别为最大副瓣和主瓣的功率密度最大值；Emax2和Emax分别为最大副瓣和主瓣的场强最大值。副瓣一般指向不需要辐射的区域，因此要求天线的副瓣电平应尽可能地低。（4）前后比:指主瓣最大值与后瓣最大值之比，通常也用分贝表示。,1.1.4 方向系数 上述方向图参数虽能从一定程度上描述方向图的状态，但它们一般仅能反映方向图中特定方向的辐射强弱程度，未能反映辐射在全空间的分布状态，因而不能单独体现天线的定向辐射能力。为了更精确地比较不同天线之间的方向性，需要引入一个能定量地表示天线定向辐射能力的电参数，这就是方向系数(Directivity)。,方向系数的定义是：在同一距离及相同辐射功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax（或场强|Emax|2的平方）和无方向性天线(点源)的辐射功率密度S0（或场强|E0|2的平方）之比，记为D。用公式表示如下：,（1）,1.1.5 天线效率 一般来说,载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会产生损耗，因此输入天线的实功率并不能全部地转换成电磁波能量。可以用天线效率(Efficiency)来表示这种能量转换的有效程度。天线效率定义为天线辐射功率Pr与输入功率Pin之比，记为A，即,1.1.6 增益系数 方向系数只是衡量天线定向辐射特性的参数，它只决定于方向图；天线效率则表示了天线在能量上的转换效能；而增益系数(Gain)则表示了天线的定向收益程度。增益系数的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax(或场强|Emax|2的平方）和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度S0（或场强|E0|2的平方）之比，记为G。用公式表示如下：,式中Pin、Pin0分别为实际天线和理想无方向性天线的输入功率。理想无方向性天线本身的增益系数为1。考虑到效率的定义，在有耗情况下，功率密度为无耗时的A倍，,由此可见，增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数。,1.1.7 天线的极化 天线的极化(Polarization)是指该天线在给定方向上远区辐射电场的空间取向。一般而言，特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向。实际上，天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变，天线不同辐射方向可以有不同的极化。,所谓辐射场的极化，即在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹，按其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化，其中圆极化还可以根据其旋转方向分为右旋圆极化和左旋圆极化。就圆极化而言，一般规定：若手的拇指朝向波的传播方向，四指弯向电场矢量的旋转方向，这时若电场矢量端点的旋转方向与传播方向符合右手螺旋，则为右旋圆极化，若符合左手螺旋，则为左旋圆极化。,图6显示了某一时刻，以+z轴为传播方向的x方向线极化的场强矢量线在空间的分布图。图7和图8显示了某一时刻，以+z轴为传播方向的右、左旋圆极化的场强矢量线在空间的分布图。要注意到，固定时间的场强矢量线在空间的分布旋向与固定位置的场强矢量线随时间的旋向相反。椭圆极化的旋向定义与圆极化类似。,图6 某一时刻x方向线极化的场强矢量线在空间的分布,图7 某一时刻右旋圆极化的场强矢量线在 空间的分布图(以z轴为传播方向),图8 某一时刻左旋圆极化的场强矢量线在空 间的分布图(以z轴为传播方向),天线不能接收与其正交的极化分量。例如，线极化天线不能接收来波中与其极化方向垂直的线极化波；圆极化天线不能接收来波中与其旋向相反的圆极化分量，对椭圆极化来波，其中与接收天线的极化旋向相反的圆极化分量不能被接收。极化失配意味着功率损失。为衡量这种损失，特定义极化失配因子p（Polarizationmismatch Factor），其值在01之间。,1.1.8 输入阻抗与辐射电阻;天线通过传输线与发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻抗匹配问题。天线与传输线的连接处称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗(Input Resistance)，即天线的输入阻抗Zin为天线的输入端电压与电流之比：,其中，Rin、Xin分别为输入电阻和输入电抗，它们分别对应有功功率和无功功率。有功功率以损耗和辐射两种方式耗散掉，而无功功率则驻存在近区中。天线的输入阻抗决定于天线的结构、工作频率以及周围环境的影响。输入阻抗的计算是比较困难的，因为它需要准确地知道天线上的激励电流。除了少数天线外，大多数天线的输入阻抗在工程中采用近似计算或实验测定。,辐射电阻,将天线辐射功率等效为一个电阻吸收的功率，这个等效电阻就称为天线的辐射电阻。辐射功率与辐射电阻之间的关系辐射电阻可以作为天线辐射能力的表征。,1.1.9 频带宽度 天线的所有电参数都和工作频率有关。任何天线的工作频率都有一定的范围，当工作频率偏离中心工作频率f0时，天线的电参数将变差，其变差的容许程度取决于天线设备系统的工作特性要求。当工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度(Bandwidth)。根据天线设备系统的工作场合不同，影响天线频带宽度的主要电参数也不同。,根据频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。若天线的最高工作频率为fmax，最低工作频率为fmin，对于窄频带天线，常用相对带宽，即(fmax-fmin)/f0100%来表示其频带宽度。而对于超宽频带天线，常用绝对带宽，即fmax/fmin来表示其频带宽度。通常，相对带宽只有百分之几的为窄频带天线，例如引向天线；相对带宽达百分之几十的为宽频带天线，例如螺旋天线；绝对带宽可达到几个倍频程的称为超宽频带天线，例如对数周期天线。,互易定理与接收天线的电参数,互易定理 接收天线工作的物理过程是，天线导体在空间电场的作用下产生感应电动势，并在导体表面激励起感应电流,在天线的输入端产生电压，在接收机回路中产生电流。所以接收天线是一个把空间电磁波能量转换成高频电流能量的转换装置，其工作过程就是发射天线的逆过程。,由于天线无论作为发射还是作为接收，应该满足的边界条件都是一样的，因此天线在接收状态下的电流分布也应该和发射时的相同。这就意味着任意类型的天线用作接收天线时，它的极化、方向性、阻抗特性等均与它用作发射天线时的相同。这种同一天线收发参数相同的性质被称为天线的收发互易性，它可以用电磁场理论中的互易定理予以证明。,1.2.2 有效接收面积;有效接收面积(Effective Aperture)是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。接收天线的有效接收面积的定义为：当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时，并且天线的极化与来波极化相匹配，接收天线送到匹配负载的平均功率PLmax与来波的功率密度Sav之比，记为Ae。即,1.2.3 等效噪声温度 天线除了能够接收无线电波之外，还能够接收来自空间各种物体的噪声信号。外部噪声通过天线进入接收机，因此，又称天线噪声。外部噪声包含有各种成分，例如地面上有其它电台信号以及各种电气设备工作时的工业辐射，它们主要分布在长、中、短波波段；空间中有大气雷电放电以及来自宇宙空间的各种辐射，它们主要分布在微波及稍低于微波的波段。天线接收的噪声功率的大小可以用天线的等效噪声温度TA来表示。,1.2 天线辐射基础,本节介绍天线的基本辐射单元电流元、磁流元和惠更斯元的辐射问题。,1.2.1 电基本振子的辐射,电基本振子（Electric Short Dipole）又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l远小于波长，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流I处处等幅同相。用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。,图9 电基本振子远区场,1.2.2 磁基本振子的辐射,磁基本振子（Magnetic Short Dipole）又称磁流元、磁偶极子。尽管它是虚拟的，迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是它可以与一些实际波源相对应，例如小环天线或者已建立起来的电场波源，用此概念可以简化计算，因此讨论它是有必要的。,图10 磁基本振子,1.2.3 等效原理与惠更斯元的辐射,如图11所示，面天线通常由金属面S1和初级辐射源组成。设包围天线的封闭曲面由金属面的外表面S1以及金属面的口径面S2共同组成，由于S1为导体的外表面，其上的场为零，于是面天线的辐射问题就转化为口径面S2的辐射。由于口径面上存在着口径场ES和HS，根据惠更斯原理(Huygens Principle)，将口径面S2分割成许多面元，这些面元称为惠更斯元或二次辐射源。,图 11 等效原理,由所有惠更斯元的辐射之和即得到整个口径面的辐射场。为方便计算，口径面S2通常取为平面。当由口径场求解辐射场时，每一个面元的次级辐射可用等效电流元与等效磁流元来代替，口径场的辐射场就是由所有等效电流元（等效电基本振子）和等效磁流元（等效磁基本振子）所共同产生的。这就是电磁场理论中的等效原理(Field Equivalence Theorem)。,图12 惠更斯辐射元及其坐标,1.3 常见天线分类,按用途：通信天线、广播电视天线、雷达天线等;按工作波长：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等；按辐射元的类型:线天线和面天线。所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成,主要用于长波、中波和短波波段;面天线通常由一个平面或曲面上的口径构成,主要用于微波波段,超短波波段则两者兼用。按带宽：窄带、宽带、超宽带天线,线天线,偶极天线单极天线螺旋天线八木天线对数周期天线行波天线,图14 圆锥形螺旋天线(a)底馈；(b)顶馈,图13 引向天线,图15 对数周期天线,喇叭天线,喇叭天线：结构简单、馈电简便、频带较宽、功率容量 大和高增益喇叭天线由逐渐张开的波导构成。喇叭天线根据口径的形状可分为矩形喇叭天线和圆形喇叭天线等。,图16(a)H面喇叭；(b)E面喇叭(c)角锥喇叭；(d)圆锥喇叭,旋转抛物面天线,旋转抛物面天线（Paraboloidal Reflector Antennas）是应用最广泛的天线之一,它由馈源和反射面组成。天线的反射面由形状为旋转抛物面的导体表面或导线栅格网构成，馈源是放置在抛物面焦点上的具有弱方向性的初级照射器，它可以是单个振子或振子阵，单喇叭或多喇叭，开槽天线等。利用抛物面的几何特性，抛物面天线可以把方向性较弱的初级辐射器的辐射反射为方向性较强的辐射。,1.4 阵列天线,单个天线的方向性是有限的，为了加强天线的定向辐射能力，可以采用天线阵(Arrays)。天线阵就是将若干个单元天线按一定方式排列而成的天线系统。排列方式可以是直线阵、平面阵和立体阵。实际的天线阵多用相似元组成。所谓相似元，是指各阵元的类型、尺寸相同，架设方位相同。天线阵的辐射场是各单元天线辐射场的矢量和。只要调整好各单元天线辐射场之间的相位差，就可以得到所需要的、更强的方向性。,1.4.1 二元阵的方向性 1.方向图乘积定理（Pattern Multiplication）顾名思义,二元阵（Two Element Array）是指组成天线阵的单元天线只有两个。虽然它是最简单的天线阵列，但是关于其方向性的讨论却适用于多元阵。如图17所示，假设有两个相似元以间隔距离d放置在y轴上构成一个二元阵，以天线1为参考天线，天线2相对于天线1的电流关系为,图17 二元阵的辐射,由于两天线空间取向一致，并且结构完全相同，因此对于远区辐射场而言，在可以认定它们到观察点的电波射线足够平行的前提下，两天线在观察点P(r1,)处产生的电场矢量方向相同，且相应的方向函数相等。即 E(,)=E1(,)+E2(,)f1(,)=f2(,)式中,若忽略传播路径不同对振幅的影响，则,仍然选取天线1为相位参考天线，不计天线阵元间的耦合，则观察点处的合成场为,在上式中，令r1-r2=r，则,=+k(r1-r2)=+kr,于是 E(,)=E1(,)(1+mej)上式中的代表了天线2在(,)方向上相对于天线1的相位差。它由两部分组成，一是电流的初始激励相位差，是一个常数，不随方位而变；二是由路径差导致的波程差，只与空间方位有关。在图17的坐标系中，路径差 r=dcos 式中为电波射线与天线阵轴线之间的夹角。r在坐标系中的具体表达式，依赖于具体的排阵方式。,天线阵的合成方向函数f(,)写为 f(,)=f1(,)fa(,)其中 fa(,)=|1+mej|表明，天线阵的方向函数可以由两项相乘而得。,第一项f1(,)称为元因子（Primary Pattern），它与单元天线的结构及架设方位有关；第二项fa(,)称为阵因子（Array Pattern），取决于两天线的电流比以及相对位置，与单元天线无关。也就是说，由相似元组成的二元阵，其方向函数（或方向图）等于单元天线的方向函数（或方向图）与阵因子（或方向图）的乘积，这就是方向图乘积定理。它在分析天线阵的方向性时有很大作用。以后我们将会进一步了解到方向图乘积定理仍然适用于由相似元组成的多元阵。,1.4.2 均匀直线阵 1.均匀直线阵阵因子 为了更进一步加强阵列天线的方向性，阵元数目需要加多，最简单的多元阵就是均匀直线阵(Uniform Linear Arrays)。所谓均匀直线阵,就是所有单元天线结构相同，并且等间距、等幅激励而相位沿阵轴线呈依次等量递增或递减的直线阵。如图18所示,N个天线元沿y轴排列成一行，且相邻阵元之间的距离相等都为d，电流激励为In=In-1ej(n=2,3,:,N)，根据方向图乘积定理，均匀直线阵的方向函数等于单元天线的方向函数与直线阵阵因子的乘积。,图18 均匀直线阵坐标图,设坐标原点（单元天线1）为相位参考点，当电波射线与阵轴线成角度时，相邻阵元在此方向上的相位差为()=+kdcos 与二元阵的讨论相似，N元均匀直线阵的阵因子为,此式是一等比数列求和，其值为,图 19 N元均匀直线阵的归一化阵因子,周期为2。在02的区间内，函数值为1发生在=0,2处，对应着方向图的主瓣或栅瓣（该瓣的最大值与主瓣的最大值一样大）；由于阵因子的分母随的变化比分子要慢得多，因此阵因子有N-2个函数值小于1的极大值，发生在分子为1的条件下，即,处，对应着方向图副瓣；有N-1个零点，发生在分子为零而分母不为零时，,处，第一个零点为01=2/N。由于的可取值范围为0180，与此对应的变化范围为-kd+kd+的这个变化范围称为可视区。只有可视区中所对应的F()才是均匀直线阵的阵因子。的可视区的大小与d有关，d越大，可视区越大。可视区内的方向图形状与d和同时有关，d与的适当配合才能获得良好的阵因子方向图。,1.5 智能天线,智能天线是一种信号处理阵列天线。核心部分为波束形成器。在波束形成器中，自适应信号处理器是核心部分，它的主要功能是依据某一种准则实时地求出满足该准则的当前权向量值，我们把这种准则称为波束形成算法，它是实现波束形成的关键技术。,图20 波束形成器结构,波束形成器的数学表述为 阵列最后输出的信号为 根据不同的准则选取加权向量W，达到控制天线阵方向图动态地在有用信号方向产生高增益窄波束，在干扰和无用信号方向产生较深零陷的目的。,