天线的基本参数.docx

1.1天线的基本参数从左侧的传输线的角度看，天线是一个阻抗(impedance )为Z的2终端 电路单元(2-terminal circuit element)，其中Z包含的电阻部分(resistive component)被称为辐射电阻(radiation resistance，Rr);从右侧的自由空 间角度来看，天线的特征可以用辐射方向图(radiation pattern)或者包含场量 的方向图Rr不等于天线材料自己的电阻，而是天线、天线所处的环境(比如温 度)和天线终端的综合结果影响辐射电阻Rr的还包括天线温度(antenna temperature，TA)O对于无 损天线来说，天线温度TA和天线材料本身的温度一点都没有关系，而是与自由 空间的温度有关确切地说，天线温度与其说是天线的固有属性，还不如说是一 个取决于天线“看到”的区域的参数从这个角度看，一个接收天线可以被视作 能遥感测温设备辐射电阻Rr和天线温度TA都是标量另一方面，辐射方向图包括场变量或 者功率变量(功率变量与场变量的平方成正比),这两个变量都是球体坐标和① 的函数1.2天线的方向性(D , Directivity )和增益(G, Gain )D=4n/QA,其中Qa是总波束围(或者波束立体角)。

QA由主瓣围(立体角) Qm+副瓣围(立体角)Qm如果是各向同性的(isotropic)天线，则QA=4n，因此D=1各向同性天 线具有最低的方向性，所有实际的天线的方向性都大于1如果一个天线只对上半空间辐射，则其波束围Q A=2n，因此D=4n/2n =2 = 3.01dBi简单短偶极子具有波束围QA=2.67n sr,和定向性D=1.5( 1.76dBi )o如果一个天线的主瓣在平面和①平面的半功率波束宽度HPBW都是20 度，则 D=4n sr/QA sr=41000 deg2/(20 deg)*(20 deg)必103必20dBi(dB over isotropic)这意味着，当输入功率相同时，该天线在主瓣方向的辐射功率 是各向同性天线的103倍天线增益G既考虑天线的方向性，又考虑天线的效率G = kD只要天线不 是100%损耗，那么G就小于Dk是天线的效率因子(0

例如，当天线的FNBW为2°时，它的分辨率就是1°这 样的天线了区分位于Clarke对地静止轨道上相距1°的两颗卫星的发射机当天线的最大波束对准一颗卫星时，另一颗卫星正好位于第一零点天线能够分辨出天空中均匀分布的无线电发射机或者点辐射源的数目得近 似值N=4n/QA因此，天线能够分辨的点源数在数值上等于该天线的方向性D1.4 天线的口径（Aperture ）引入天线口径这个概念在讨论接收天线显得特别简便假设接收天线是浸没 在均匀平面波中的电磁喇叭设平面波的Poynting矢量（或者功率密度）为，（瓦/平方米）；设喇叭的 开口面积是A平方米如果喇叭经由其全部开口面积从平面波中提取功率，那 么，吸收到的总功率P=S*A （瓦）这样，就可以只关注这个电磁喇叭的开口， 而它从经过的波中摄取的总功率和口径（或者开口的面积）成正比1.5 Friis传输公式口径的概念有助于解释著名的Friis传输公式l-ansmiuincj WeMng^nt€nr

先暂时 假定发射天线是各向同性的，则在接收天线的位置的功率密度(Power per unit area )是：Sr = P/4nr2 ( W/米 2)若发射天线有增益Gt,则接收天线的位置的功率密度(Power per unit area )按比例增加到:Sr = GtPt/4nr2 ( W/M2)因为接收天线的有效口径是Aer，所以它截取到的功率是：Pr = Sr*Aer= Aer 堕/4皿因为发射天线的增益公式为：Gt=4nAet/入2因此，Pr/Pt= AerAet/ r2入2 (无量纲，入是无线电的波长) 这就是著名的Friis传输公式1.6天线的两重性天线既可以被看成电路设备(circuit device )，又可以被看成空间设备(space device)相应的电路参数和空间参数如下图所示：Circuit o-u-a ntmcsAntennaAntennafield□ai ternsField □ai ternsSpaceCu-reitCu-reit d stnbJtiDnT ibri^iiiun regionEtam satirl finrjl^. Directivity^. D Qa n, Q EH&ctiveScanaring ^criurfi.JlEtam satirl finrjl^. Directivity^. D Qa n, Q EH&ctiveScanaring Maim,孔T ibri^iiiun regionAnte；m^temperature. TyRadieiticn-L rc&istan2«. R,1.7电磁辐射怎么产生的？当电荷静止不动时，没有辐射。

当电荷沿着直线做匀速运动时，没有辐射当电荷做变速运动时(如曲线运动、往返运动时)，产生电磁辐射功率是单位时间的能量E ；功率密度是单位面积的功率，即单位时间、单位面积的能量1.9脉冲展开的双线天线Pulsed Opened-out Twin-line Antenna s由两根导线组成，每根导线都类似瑞士登山者使用的长柄木号角Vtgurf 2-11 Fuiscd in in-line amenna. No i.ki'.lji* (he uuLfonn section.Howe ver, r^di ition otcurs ilir cur v?J portion ind.话 um the right,迎 su^- ^cstod by the rcinlonxmcnt of the』8tnci field*天线的左边是均匀部分天线的右边部分逐渐弯曲，直到导线之间的距离达 到甚至超过一个波长，而弯曲部分产生的辐射最后形成了一个向右的波束这种 天线是一种基本的宽带天线1.10天线的近场区和远场区围绕着天线的场可以分为两个主要区域：近场区（Fresnel区）和远场区 （Fraunhofer区）两者的边界半径是R=2L2/入，其中L是天线的最大尺寸。

1.11天线形状和阻抗（impedance ）的关系在很多场合，我们能根据天线形状对其进行定性估算在图a中，如果双导线传输线的开口足够大，且满足（1）d远小于入；（2） D2入，则在左侧的输入端呈现为固定的阻抗在b中，弯曲的导线被拉直成锥 形而在c中，两个锥形在一条直线上，形成双锥天线而在d中，锥形退化 成两条直线从a到d,天线的阻抗相对恒定，而带宽则逐渐减少A和b是单 向性天线，波束指向右边；c和d是垂直于线或锥轴的平面上的全向天线T-（日）宽的频带宽度-Did说大辐射卜檀窄的领带宽度E是两个导线向相反方向急剧转弯而形成的螺旋形天线，表现为顺时针旋转的极化特性和最大的垂直于纸面的宽边辐射和a 一样，e也显示出宽频特性d） &窄的频带宽度=1.5/1（园宽的弑带宽度-旧图 2.19从张开的双线（a）演进到细圆柱天 线3）,将导体弯曲成螺捻天线（G上图中的天线都是偶极子天线（dipole ），都是平衡的，即它们都通过（平衡的）双导体传输线来馈电下图是单极子天线（monopole），通过（非平衡 的）同轴传输线来馈电通过让同轴电缆传输线的层导线和外层导线逐渐变细，就得到了一个有很宽 带宽的天线。

天线的外形让人联想起火山口同轴线最大耦射最大辐射"立的频.带宽度=W下图b中，火山口变成了双碟形；而在c中，则成了两个呈宽角度的锥形所有这些天线都是宽频天线，并且是在与轴垂直的平面上的全向天线最大幅射最大辐射髭大辐射最大辐射同轴线同轴线代)，较穹的嘛带霓度将c中的下面锥形增加到180度，并减少上面的锥角，就成7d若上部的同轴线(e)最窄的频带宽度二1.5/1锥体进一步变为细桩，就成了 e所示的极端形式E这种形式的天线的带宽相对 较窄随着天线形状的变异，传输线的不连续性也日益显著，这使得部分能量被反 射回传输线天线越细，天线末端的反射越大具有大且突变的不连续性的天线的反射性比较大，只能在较窄频带上做无反 射的电磁波转换器（在窄频带中，反射被抵消了）；具有小且渐变的不连续性的 天线的反射性比较小，能够在较宽频带做无反射的电磁波转换器。