天线的基本电参数.docx

天线的基本电参数天线是无线电设备系统实现能量转换的装置，天线性能的好坏直接影响无 线电设备系统性能的优劣人们用天线的电参数来衡量天线性能的好坏例如， 描述天线能量转换和方向特性的电参数有：天线输入阻抗、天线方向图、天线 增益和天线效率等；描述天线极化特性的电参数有：轴比和极化隔离度等本 章简述这些参数的概念和定义另外，由天线互易定理可知，按照发射天线定 义的电参数，同样适用于接收天线 1.4.1方向图1. 方向图的定义天线方向图是表征天线辐射特性（场强振幅、相位、极化）与空间角度关 系的图形，用来表征天线向一定方向辐射电磁波的能力对于接收天线而言， 是表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力天线的方向性特性曲线 通常用方向图来表示方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能 力2. 方向图的表示法完整的方向图是一个三维的空间图（见图1.4.1（a））它是以天线相位 中心为球心（坐标原点），在半径r足够大的球面上，转动天线方位角或俯仰 角，逐点测定其辐射特性绘制而成的三维空间方向图尽管可以利用已有软件方便地进行测绘，但在实际工程应 用中，一般只需测得水平面H和垂直面E方向图即可（见图1.4.1（b））。

2冲 twp■n m■店百圈■村希ma图1.4.1三维空间图图1.4.2为4种天线的方向图，分别是（a）常规抛物面天线；（b）喇叭天 线；（c）半波振子天线；（d）鞭状天线；以帮助大家对不同的方向图加深了 解3. 方向图的测量坐标绘制天线的平面方向图通常采用极坐标（见图1.4.3（a）、（b））和直角 坐标（见图1.4.3（c））形式，还可以采用3D （见图1.4.3（d））方向图形式 极坐标绘出的方向图形象直观，但对方向性很强的天线难以精确地表示；直角 坐标恰与其相反，它虽不直观，但可以精确地表示强方向性天线的方向图方 向图纵坐标有相对功率、相对场强和对数3种形式，常用的是对数形式方向 图是用波瓣最大值归一的相对方向图方位射前件J，b)昭职天戏S街规抛物而天渔3dB缺戒宽度70X>/t方位方向hl(d)鞭状犬趣°半波振r•犬我图1.4.2典型的天线方向图•三二--二r* i'筷砰j：id> id岫株图1.4.3半波偶极子天线方向图坐标1.4.2副瓣和半功率波束宽度1. 副瓣（旁瓣）电平(141)天线方向图通常有许多波瓣，除了最大辐射强度的主瓣之外，其余均称为 副瓣（或旁瓣），与主瓣相反方向的旁瓣称为背瓣（或后瓣）（参见图1.4.1 （a））。

为了定量表示旁瓣的大小，定义了旁瓣电平，它为旁瓣信号强度的最 大值与主瓣最大值之比，记为丸，通常用分贝表示立=101gP/%ax式中，P和Pmax分别表示旁瓣和主瓣的最大功率值2. 半功率波束宽度波束宽度系指方向图的主瓣宽度，一般是指半功率波束宽度定义为：在归一化功率方向图的主瓣范围内，功率下降到主瓣最大值的一 半（用分贝表示时，也就是功率下降3dB）的两个方向之间的夹角如图1.4.4所示的一个实例，（a）场方向图（正比与电场E），在3=0°方 向上归一化场En（3）=1，由E=0.707电平测得半功率波束宽度（HPBW）=40°（b）功率方向图（正比于电场E2）,在3=0°方向上归一化场Pn 3） =1,由 Pn=0.5电平测得HPBW=40°; （c）场波瓣的分贝（dB）图，在3dB处测得 HPBW=40°半功率波束宽度通常可以采用表1.4.1估算表1.4.1半功率波束宽度估算大线形式HPBWFNBW均匀照射网口径（65 7011）-L44T -均匀网射大域门径D心广A D矩够「作（■或直径降）LI.最优E矩形呵队3U -iiif A诳最伏H知形嘛映h』 们」172° —纯i场方向拇 世 网率方向图M场波甫的分虬图图1.4.4波束宽度示意图| 1.4.3增益1. 增益的定义增益是天线极为重要的一个参数，用它可以衡量天线辐射能量的集中程度。

天线增益可分为方向增益和功率增益当辐射功率相同时，把天线在（岫 方向上的辐射强度P （叩）与理想点 源辐射强度之比定义为天线的方向增益D（叩）：7）（ Q0）= 4兀今（142）当输入功率相同时，把天线在（岫 方向上的辐射强度P（叩）与理想点源辐射强度之比定义为天线的功率增益G（叩）："）=气^ （1.4.3）式中，P（叩）为天线在（叩）方向上的辐射强度；Pt为天线的辐射功率；P0为天线的输入功率由式（1.4.2）和式（1.4.3）可得：G（00）二加（&M） 〔144）式中，天线效率〃=天线辐射功率/天线输入功率由此可知，天线增益等于 天线效率乘以方向增益2. 增益的理论计算天线增益可以通过理论计算而得，如口面直径为D的抛物反射面天线的增益可用式（1.4.5）和式（1.4.6）近似计算：\ G =（星）粉 （1-4.5）用对数表示：G （dBi） =9.94+10lgT7+20lgD"在一个频段内，算出中心频率f0的增益G0,计算高低两端频率或任意频点f的增益由式（1.4.7）计算：G （dBi） =G°+201g/仇说明：天线增益单位dBi是相对各向同性天线而言的如果采用半波振子 天线作为标准进行比对增益，其单位是dBd,dBi与dBd的关系：G（dBi） =2.15+G（dBd）。

半波振子天线的增益为2.15dBi3. 波束宽度计算法天线的波束范围通常可近似表示成两个主平面内主瓣半功率波束宽度％AZ 和6»3EL之积，即波束范围RQ片％%EL （sr）用D表示天线定向性，波束范围越小，定向性越高若一个天线仅对上半 空间辐射，其波束范围QA=2n（sr）O = 4兀 / 2兀=2（ * 3.0dBi）若已知某天线的半功率波束宽度，其定向性还可表示为1）=41253/但 az 如 l （149）其中，41253、％AZ、°3EL为球内所张的平方度数，41253=4n（180/n）2；球面积=4nr2,4n表示完整球面所张的立体角，单位为sr；1立体孤度的立体角-3283=（180/兀）2；°3AZ和°3EL分别是方位和俯仰主平面的半功率波束宽度由于在式（1.4.9）中忽略了副瓣，因此可以改用另一种较好的近似式40000/决旧 但el （1.4.10）如果某天线在两个主平面内半功率波束宽度（HPBW）都是20°，其定向性 D=40 000/400=100或20dBi，这意味着天线沿主方向辐射的功率是相同输入功 率下非定向的各向同性天线的100倍定向性波束宽度乘积取值40 000是一种 粗略的近似，对特定的天线通常采用简化公式计算天线增益：IG = 101g—-一 （1411）但 azQelC是常数项（15 000〜40 000），对于大型天线则必须考虑天线馈源网络的 插入损耗和天线表面公差引起的增益损失，详见第6章中波束宽度法测量天线 增益。

1.4.4输入阻抗天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称 为天线的输入阻抗输入阻抗有电阻分量和电抗分量输入阻抗的电抗分量会 减少从天线进入馈线的有效信号功率因此，必须使电抗分量尽可能为零，使 天线的输入阻抗为纯电阻阻抗概念对中、低频天线特别有用，因为中、低频天线中，易于确定一对 输入点，阻抗是单值的且测量不难阻抗概念虽在较高频率上也仍有效，但直 接确定和测量阻抗值却较困难例如在微波频率上，天线大都与波导相联，波 导阻抗具有多值性，因此直接测取天线的阻抗值几乎不可能，而是采用测量驻 波系数或反射损耗的办法来计算天线的输入阻抗 1.4.5电压驻波比、反射系数、回波损耗（RL）1.电压驻波比天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，天线就不 能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量入射波的一部分能量反射回来形成反射波，入射波和反射波合成，形成驻 波驻波波幅电压与波节电压之比称为电压驻波比（VSWR）：(14J2)I并波系数$=驻波波腹电赤帽度最大值退心—1 +尸_驻波波节电压幅度披小值*in " U7根据电压驻波比定义，可知S的取值范围为1MSVs，通常按S的大小可分 3类：SV3为小驻波比；310为大驻波比。

2.反射系数波的反射系数是传输线工作的基本物理现象电压反射系数和电流反射系 数的模相等，相位相反电压反射系数定义为距终端Z处的电压反射波与电压 入射波之比反射波和入射波幅度之比叫作反射系数：反射系数厂二反射波幅度入射波幅度Z-Zoz +久0反射系数模的变化范围为o

如测量出回波损 耗可计算出电压驻波比VSWR：-RLIi+ifprVSWR^ (1.4.15)]一10 顽例如：RL=20dB,VSWR =1 + 0.11-0.1= 1.22电压驻波比与反射系数的关系为:L倦=1滂湍 (⑷6)| Ei \ \Z\ + Zo 5 + ]反射系数、回波损耗、电压驻波比、传输功率及失配损耗列表见表1.4.2 通过该表可以方便地在它们之间进行转换如在用网络分析仪测量和校准时，终端（测试端口）不管是开路或是短路，均为全反射，回波损耗RL=0dB作为 参考（基准）线显然，这是很方便的，然而，我们在说天线技术指标时习惯 采用电压驻波比这一术语，这样可快速、方便地通过表1.4.2查定表1.4.2反射系数、回波损耗、电压驻波比、传输功率及失配损耗列表反射系数回波损耗（dB I电压驻波比传输功率失配损耗AP=ipift（i-r2）1.000.00w[00%0.900.92190031%-7.20 60。