天线原理
13页1、第二章天线的基本参数实际的无线电系统中,天线位于射频前端(发射机或接收机)与自由空间之间。根据天 线的位置,不妨将其定义表述为:将电路中的导行电磁波(简称“导波”)转化成空间中 的自由辐射电磁波(或其逆过程)的装置。由于天线在系统中的特殊位置,它不可避免地 具有一些独特性质:一方面,天线要实现与前端电路的匹配,必然具有常规导波元件的“电 路特性”,如阻抗、匹配等;另一方面,天线又是一个开放结构,完成导行电磁波和自由传 播电磁波的相互转换,具有“辐射特性”。所以必须从“电路特性参数”和“辐射特性参数”两 个方面分别描述天线。2.1 天线的电路特性参数天线的电路特性参数2.1.1 输入阻抗输入阻抗 顾名思义,天线的输入阻抗(Input Impedance)就是天线馈电端输入电压与输入电流的比 值。根据第一章的描述可知,完整的天线输入阻抗由辐射电阻 Rr、损耗电阻 Rloss和电抗 X 三部分组成:(2.1)inrlossininZRRjXRjX辐射电阻表征的是天线辐射电磁波的本领,辐射电阻越大,则辐射能力越强;损耗电 阻主要表征非理想介质、导体等引入的欧姆损耗;辐射电抗则表征没有辐射出去的
2、、以电 抗形式存储在天线近区场内的电磁能量如果电抗值为正数,则呈感性,近区场的磁场 储能占优势;反之呈现容性,近区场的电场储能占优势。 2.1.2 反射系数与驻波比反射系数与驻波比 通常的射频系统的特性阻抗为 50 欧姆或 75 欧姆,因此天线的阻抗如果不是恰好等于 这些数值,与系统相连时,输入到天线上的能量必然会出现反射。如何衡量天线的反射特 性、与系统的匹配特性,就需要引入反射系数(Reflection Coefficient)和驻波比(Standing Wave Ratio,SWR)两个参数。 根据电磁场理论,假定天线的输入阻抗为 ZL,系统的特性阻抗为 Z0,则两者通过特性 阻抗为 Z0的传输线相连后(图 2.1),向天线一侧看进去的反射系数为:图 2.1 天线反射系数的示意图(2.2)00LLZZ ZZ 工程中经常采用对数形式的反射系数,用分贝(dB)来描述,又称为“回波损耗” (Return Loss,简称 RL):(2.3)200()10log|20log|()20log|()LLZZRL dBdBdBZZ 工程中另一种常用的方法是采用“驻波比”来描述部件的匹配特性,其定
3、义为:(2.4)1 | 1 |SWR 从上述指标的描述可知:回波损耗的值在 0 分贝到负无穷大分贝之间,回波损耗越大, 表示匹配越差,反之则越好,0 分贝表示“全反射”,负无穷大分贝表示“完全匹配”。 由于实际测试仪器的动态范围有限,一般认为-40dB 以下的回波损耗已没有太大的实际意 义1;驻波比的数值在 1 到无穷大之间,驻波比为 1,表示完全匹配;驻波比为无穷大表 示全反射即完全失配。 一般工程中,通常要求天线的驻波比低于 1.5(回波损耗低于-14dB),对于某些对反 射特别敏感的系统(如:电视系统),为了保证传输质量,驻波比要求低于 1.2;对于某些 工作频带很宽的情况(比如带宽超过 10:1 的电磁兼容性测量系统),天线的驻波比可以适 当放宽至 2 甚至 2.5。一般情况下,天线驻波比过大意味着系统匹配性能不佳,可能会造成 各种不必要的反射干扰、影响传输质量和系统性能:对于接收机,过大的驻波比会恶化整 机的噪声性能;对于发射机,严重失配时甚至会烧坏末级功率放大器。因此一般情况下总 是希望尽可能降低天线的驻波比。2.2 天线的辐射特性参数天线的辐射特性参数作为电磁波的辐射器或
4、接收器,辐射特性才是天线的主要特性2-3。 2.2.1 方向图与波束宽度方向图与波束宽度 顾名思义,天线的方向图就是天线辐射场的幅度随空间坐标的分布花样。像第一章中 那样在球坐标下考察方向图,方向图是仰角 、方位角 的函数,是一个三维立体图。但 是,三维立体图在工程应用中很不方便,因此绝大多数情况下采用将方向图投影到平面 (水平面或者垂直面,一般还对其峰值进行归一化)上、通过考察其中某个截面的特性来 研究天线的辐射特性,正如图 2.2 所示的那样,这种情形就跟从不同角度切开一只南瓜、 观察其不同截面的形状是一样的道理。因此,如果没有特殊说明,通常所说的方向图都是 指二维平面图。从直观图形上看,平面的方向图如同花瓣一样,因此又叫“波瓣图”。一 般工程应用中,考察天线在两个主工作面(即沿着最大辐射方向“切开”方向图,分别截 取的两个相互垂直的截面)的方向图即可较好地描述天线的辐射特性。 描述方向图最常用的参数就是波束宽度(或“波瓣宽度”,两者是等效的说法),它是 指天线的方向图中,低于峰值电平(归一化为 0dB)一定数值处所成夹角的宽度,通常分 为 3dB 波束宽度和 10dB 波束宽度等
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