天线技术教案.docx

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1、1.11.2绪论天线的分类一、天线的作用无线电播送，通信，遥测，遥控以及导航等无线电系统都是利用无线电波来传递信号的.而无线电波的发射和接收都通过天线来完成.因此天线设备是无线电系统中重要的组成局部.由发射机产生的高频振荡能量，经过发射天线变为电磁波能量，并向预定方向辐射，通过媒质传播到达接收天线附近.接收天线将接收到的电磁波能量变为高频振荡能量送入接收机,完成无线电波传输的全过程.可见天线设备是将高频振荡能量和电磁波能量作可逆转换的设备，是一种“换能器。天线设备在完成能量转换的过程中，带有方向性，即对空间不同方向的辐射或接收效果并不一致,有空间方向响应的问题其次天线设备作为一个单口元件，在输

2、入端面上常表达为一个阻抗元件或等值阻抗元件。与相连接的馈线或电路有阻抗匹配的问题。天线的辐射场分布或接收来波场效应，以及与接收机,发射机最正确的贯穿，就是天线工程所最关心的问题。无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一局部功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线的主要作用：1/完成换能2/与源或负载进行良好的匹配3/具备足够的工作频率范围二、天线的分类天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情

3、况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。1.3电波的传播（MaXWeIl方程）几个重要的人物：菱克斯多：1831年6月出生于英国爱丁堡。麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次

4、大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的根底。赫兹,德国物理学家，生于汉堡。赫兹对人类最伟大的奉献是用实验证实了电磁波的存在。1888年1月，赫兹将他的研究成果总结在论动电效应的传播速度一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义,它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪TC赫兹对人类文明作出了很大奉献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于1894年元旦因血中毒逝世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用

5、他的名字来命名各种波动频率的单位，简称“赫。马可尼:人类无线电通信的创始人意大利的马可尼(Marconi,G.W.,18741937)与俄国的波波夫(11onoB,A.C.18591906)成功地进行了世界上最早的无线电通讯活动，开创了人类通讯的新纪元。无线电通讯是利用电磁波的辐射和传播、经过空间传送信息的通信方式。1831年，英国法拉第发现电流可以产生磁场。1865年，英国麦克斯韦从理论上预言了电的任何波动可以在远处产生感应即电磁波的存在、并且电磁波能够从产生的地方以光的速度辐射出去，但他本人未能亲自作出实验验证。1887年，德国物理学家赫兹(HertzJLR.,18571894)利用静电的

6、火花放电实验，证明了电磁波的存在，激起了人们利用电磁波的念头，而赫兹却英年早逝，未能在电磁波的应用技术方面开展科研工作。敏感的创造家们已经意识到电磁波可以用于无线电通讯。以意大利的马可尼和俄国的波波夫为代表的科学家、创造家，在前人已掌握的电磁学和电磁波知识的根底上，大胆探索、奋勇实践，开启了电磁波应用的大门并开创了无线电通信这门新技术。马可尼：人类无线电通信的创始人意大利的马可尼(Marconi,G.W.,18741937)与俄国的波波夫(11oo,A.C.18591906)成功地进行了世界上最早的无线电通讯活动，开创了人类通讯的新纪元。无线电通讯是利用电磁波的辐射和传播、经过空间传送信息的通

7、信方式。1831年，英国法拉第发现电流可以产生磁场。1865年，英国麦克斯韦从理论上预言了电的任何波动可以在远处产生感应即电磁波的存在、并且电磁波能够从产生的地方以光的速度辐射出去，但他本人未能亲自作出实验验证。1887年，德国物理学家赫兹(HertZ,H.R.,18571894)利用静电的火花放电实验，证明了电磁波的存在，激起了人们利用电磁波的念头，而赫兹却英年早逝，未能在电磁波的应用技术方面开展科研工作。敏感的创造家们已经意识到电磁波可以用于无线电通讯。以意大利的马可尼和俄国的波波夫为代表的科学家、创造家，在前人已掌握的电磁学和电磁波知识的根底上，大胆探索、奋勇实践，开启了电磁波应用的大门

8、并开创了无线电通信这门新技术。意大利人马可尼1901年向新来临的20世纪奉献上的珍贵礼品是一项科技创新与创造成功地进行了首次无线电通讯，无线电技术的大开展从而成为20世纪的热门事情。1906年，美国物理学家费森登创造无线电播送，使无线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。1.3电波的传播（MaxWeIl方程）1.3电波的传播电波传播的根本知识一、无线电波传播发射天线或自然辐射源所辐射的电磁波，在自由空间通过自然条件下的各种不同媒质（如地表、地球大气层或宇宙空间等）到达接收天线的传播过程。二、误码、误信电波/射、笳j、被传播媒质吸收、衰减一一引起误码、误信的原因。三、电波传播方式视距传播、

9、空间波传播、地面波传播四、无线电波段划分频率从几十Hz（甚至更低）到3000GHz左右（波长从几十Mm到左右）频谱范围内的电磁波，称为无线电波。电波旅行不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播。无线电波波段划分波段名称波长范围（m）频段名称频率范围超长波1,000,000-10,000甚低频3-30KHz长波10,000-1,000低频30-300KHz中波1,000-100中频300-3,OOOKHz短波100-10高频3-30MHz米波10-1甚高频30-300MHz超短波特高频超图频300-3,OOOMHz3-30GHz毫米波极高频30-300GHz其中分米波、厘米波、毫米波

10、统称为微波。视距传播视距传播,又称直接波传播，是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。电磁波可直接从发射天线传送到接收天线，也可由地面反射后到达接收天线。所以接收天线处的场强是直接波和反射波的合成场强。直接反射地面发射天线由于地球外表是曲面，发射天线和接收天线如果距离太远会被地面遮挡，因此天线架设高度要足够高，视距距离最远可达50KNL举例：微波天线，需中间无遮挡，勘测有时需借助望远镜。1 .视线距离的计算将地面上高架天线直射线到达的最大距离&称为视线距离，见图l-20图1-2球形地面上的视距由于0M,O2,那么4=d2由直角三角形三边关系可得G处算公式（考虑大气不均匀性）

11、八=4.12（加+弧）义1。3（根）由上式观察可得，视线距离只与发射和接收天线的高度有关。通信距离d阴影区*d0半阴影区2 .光滑平地面上的视距波场强光滑平地面意即不计地面因素对天线的影响图1-4直射波与反射波接收点的场强为接收点场强E=E.+Er直射波场强反射波场强夕是衰减因子。是合成场强与自由空间场强的比值。入一电波波长，Ar反射波和入射波的波程差d通信距离由此式可看出接收点合成场具有如下一些根本性质：（1）当工作波长和收、发天线间距不变时，接收点场强（衰减因子与场强成正比）随天线高度hl和Hl的变化而在零值与最大值之间波动，如图1-5所示。图-5接收点场强随天线高度变化的曲线（2）当工作

12、波长久和两天线比阚Tb和榨都伸由懑叫点场强随两天线间距的增大而呈波动变化，间距或、/瘁动声中减小,。/：图1-6接收照嗨M天检附Md点W的曲线（3）当两天线高度讥、波和W距卜本变寸改恸.作波长也会得到类似的结果。接收点场强随工作波型用波动W化的W线女蝌1-7-听示。图1-7接收,酬强随作作波M人的悌化曲我总之，在微波视距通信设讣I,为年接收4场强制定，希望反射波的成分愈小愈好。所以在设计和选择通信宿道船lilW11起伏不平的地形或地物，使反射波场强削弱或改变反射波的传播好，使其不能到达接收点，以保证接收点场强的稳定。3 .低空大气层对视距波的影响视距波除了受地面的影响以外，还受到低空大气层即对

13、流层的影响。在大气层中，高度越高，大气密度越低，气温和湿度也越低。大气会对电波产生衰减，主要来自两个方面。一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。另一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的散射.降雨引起的衰减最为严重，因此在工程建设设计中都要考虑由降雨引起的衰减一一雨衰。举例：如微波、红外线设备等都要面对这个问题，因此它们都有稳定性不好的缺陷，在工程建设中，有线传输是首选。但微波、红外线具有安装快速便捷的特点，在光缆条件不具备的情况下可用。空间波传播(电离层传播和外层空间传播)一、电离层传播即电波经电离层反射后到达接收点。1 .电离层对电波的折射与反射原理电离层会使

14、电波产生反射、折射与散射等现象。假设将电离层分成假设干薄层，每一薄层的电子浓度是均匀的，但彼此是不等的。由低到高各层折射率分别为/71,成，那么因为各薄片电离层的电子浓度随着高度的增加而变大，即NKMM71727各薄层间的界面上连续应用折射定律可得如下关系：当电波进入电离层后，由于电子浓度随高度的增加而逐渐变大，各薄层的折射率依次变小，因此电波将连续地向下偏折，直到到达某一薄层处的入射角0炉90时，电波开始回返，那么称此点为反射点。图-8电离层对电波的连续折射情况2 .最高可用频率电离层反射电波的能力与电波频率有关。当入射角。0一定时，电离层能把电波反射回来的最高可用频率为加ax电离层的最大曲

15、济檄8NniSec%频率f越高，反射条件要求的加越大，所以要在较高处才能回返；加越大,电波反射后所到达的距离越远。通信距离远，最高可用频率低；通信距离近，最高可用频率高。当ffmax时，电波无法反射回来。图1-9夕0一定而频率不同时电波的轨迹3 .最正确工作频率分,理论上讲，f越大越好，但f太大，Nrl值很高，电波传送的高度越高，传送距离越远，经过路程越长，衰减越大，所以最正确频率取值：/Vinax4 .最小入射角当电波频率一定时，电离层能把频率为F的电波反射回来的最小入射角0min为Sin函数在(-I2,I2)为增函数，所以入射角60越小，反射条件要求的用越大，那么需在较高处才能反射。当夕(

16、90in时，电波无法反射回来。5 .电离层通信特点(1)频率的选择很重要，频率太高，电波将穿透电离层射向太空；频率太低,电离层吸收太大，以至不能保证必要的信噪比。因此，通信频率必须选择在最正确频率附近。(2)电离层传播的随机多径效应(传输信号并非通过单一的直接路径到达接收器，而是经过了多个不同路径。信号从发射器到接收器所经历的每条路径长度都不同，因此每个信号的延迟都有所不同。最终接收到的信号实际上是个屡次迭加而产生的信号，每个迭加信号都在不同时刻到达接收器，每个迭加信号的强度均不相同。)严重，多径时延较大，信道带宽较窄。因此在接收时必须采用相应的抗多径措施。(3)电离层传播不太稳定，衰减严重，

17、在设计电路时必须考虑衰减的影响。(4)电离层所能反射的频率范围是有限的，一般是短波范围。由于波段范围较窄，因此干扰较严重。(5)由于电离层传播是靠高空电离层的反射进行的，因而受地面的吸收及障碍物的影响较小，也就是说这种传播方式传输损耗较小，因此能以较小功率进行远距离通信Q(6) E离层通信，特别是短波通信，建立迅速，机动性好，设备简单，是短波、天波传播的优点之一。二、外层空间传播电磁波由地面发出(或返回)，经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播方式称为外层空间传播，如卫星传播，宇宙探测等均属于这种远距离传播。地面波传播1 .地面波传播：电磁波沿着地球外表传播的情况。当天线架设长度比波长小得多

18、且最大辐射方向沿地面时，电波是地面波传播。由于地面对水平极化波吸收大，因此为使外表波传播效率更高，多采用垂直极化波，需要采用垂直于地面的直立天线。在理想情况下，一直立天线辐射的垂直极化波沿地面传播到达接收天线时，接收到的仍是垂直极化波(如图1-11所示)。但是实际上，由于大地是非理想的导电媒质，垂直极化波的电场沿地面传播时，地面对吸收电波；并沿地外表形成较小的电场水平分量，致使波前倾斜，并变为椭圆极化波，如图1-12所示。显然，波前的倾斜程度反映了大地对电波的吸收程度。越倾斜，大地对电波的吸收越历害。图1-11理想导电地面的场结构图1-12非理想导电地面的场结构从以上内容可以得到如下结论：(D

19、垂直极化波沿非理想导电地面传播时，由于大地对电波能量的吸收作用，产生了沿传播方向的电场纵向分量a1,因此可以用及1的大小来说明传播损耗的情况。(2)地面波的波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有实用意义。在地面上采用直立天线接收较为适宜。(3)地面波由于地外表的电性能及地貌、地物等并不随时间很快地变化，并且根本上不受气候条件的影响，因此信号稳定，这是地面波传播的突出优点。应该指出的是，只有垂直极化波才能进行地面波传播。多径传播及衰落问题1 .多径传播图1-13多径传输效应多径传播是指无线电波在传播时通过两个以上不同长度的路径到达接收点，接收天线检测的信号是几个不同路径传来的电场强度之和。多径

20、传输也会引起信号畸变。原因如前。2 衰落所谓衰落，一般是指信号电平随时间的随机起伏。根据引起衰落的原因分类，大致可分为吸收型衰落和干预型衰落。吸收型衰落主要是由于传输媒质的电参数发生变化，使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。干预型衰落主要是由随机多径干预现象引起的。2.1 天线辐射的根本原理电根本振子的辐射一长度无限小或非常小的线性电流元，IZZo如其上电流等幅同相，可称其为理想电根本振子，它本身不能独立存在，可认为是实际天线上电流分布的一小段，是线天线的根本组成局部。因为任一线天线可分割成一系列电根本振子。所以如果掌握了电根本振子的辐射特性，就可以它为根底来讨论线天线的辐射特性。电

21、根本振子是一段载有高频电流的短导线，其长度/远远小于波长久。同时，沿振子各点的电流Tei的振幅均匀分布，相位相同。任何线式天线都可以看成是由许多根本振子组成的，因此，要研究各种天线的特性，首先应了解电根本振子的辐射特性。（证明方法：设电根本振子上电流分布为i=Ld,那么利用矢量位A不难求得空间P点的场强。由于电流元的直径很小，可忽略，所以电流元上的电流可视为线电流，即W=Imdl这是由：位函数与场源之间满足非齐次波动方程其中求解上述方程，可得由此可求）电磁场电磁波理论中已给出的在球坐标原点。沿Z轴放置的电根本振子IL（如图2T所示）在各向同性理想均匀无限大的自由空间产生的各个电磁场分量为（2-

22、1-1）式中：为相移常数，=2厂为坐标原点。至观察点的距离；即电根本振子至观察点的距离。6为射线与振子轴（即Z轴）之间的夹角；0为加在XQK平面上的投影/与X轴之间的夹角，如图2-2所示；/是振子上的电流，单位是A。上式中的电磁场分量均为复振幅，如需写出它们的瞬时值，应乘以因子eM,再取其实部。从上式看出，电根本振子的电场有沿r、。方向的两个分量，磁场只有沿0方向的一个分量，电场和磁场是相互垂直的，如果用电力经一，磁力线形象的描绘电场和磁场，那么电力线落在经线平面上，磁力线落在纬线平面上。从式中还可看出，每个不为零的场分量都由假设干项组成，每一项都随距离r的增大而减小，但各项随r增大而减小的速

23、率不同，分别与lr.lrlr3成正比，即在不同距离的区域内各项的相对大小也不同，因此可根据距离电根本振子的远近，将周围空间划分为不同的区域，从而得到不同区域内的场强简化表达式。(1) rl,远区(2) rl,近区图2-1电根伊、的精与球坐标系统1.近区场即距离电根本振子很近的场,rl时，r2,电磁场主要由E项决定，厂和项可忽略。由式(2-1-1)可得式(2-1-3)：(2-1-3)这里是同时将2二如=2f=2c/,C为光速即3X108ms,O=(I/36冗)xl(法/米代入式(2-1-1)而得到式(2-1-3)的。分析式(2-1-3),可以看出电根本振子的远区场具有如下特点：(1)在远区场，只

24、有和O两个个量，它们在空间上相互垂直，在时间上同相位，所以其玻印廷矢量S=-EH是实数，且指向2方向；E书檄成右手螺旋关系，这届明电根本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波，电磁能量离开场源向空间辐射，不再返回，所以远区场又称辐射场。玻印廷定理：一封闭面S包围的体积为V,V内的源所发出的复功率Ps等于(1)流出S的功率Pf、(2)V内的时间平均损耗功率Pd、(3)V内的时间平均储存功率之和：Ps=Pf+Pd+j2w(Wm-We)通过封闭面S流出的复功率：Pf=目EX”*/其中2称为玻印廷矢量，因此可以假设玻印廷矢量表示某点的复功率密度，通过任意面S的复功率可由玻印廷矢量在那个面上的积分

25、求出。H*：磁场的共瓶复数。因为玻印廷矢量S是电场和磁场的矢量积，故它垂直于电、磁场矢量所确定的那一三都形成右手坐标系统。(2) EO=A)=060=120(),说明辐射场的电场强度与磁场强度之比是一常数，它具有阻抗的量纲，称为波阻抗，用R来表示。由于两者的比值为一常数，故在研究电根本振子的辐射场时，只需讨论两者中的一个量就可以了。例如讨论夕，由就可得出0。(3)辐射场的强度与距离成反比，即随着距离的增大，辐射场减小。这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的，当距离增大时，辐射能量分布到以r为半径的更大的球面面积上。辐射场的强度与电根本振子的电流强度I成正比。(4)电根本振子在远区的辐射场是有

26、方向性的，其场强的大小与函数Sin夕成正比。在8=0和180方向上，即在振子轴的方向上辐射为零，(因为SirIO=O)而在通过振子中心并垂直于振子轴的方向上(赤道面)，即夕=90(SirI90=1),方向上辐射最强。因此事实说明电根本振子的辐射是有方向性的。设表设表足 假场假场满7 Pu J i 让 GGE(2)在不同区域内的场分布上述说远区是辐射场，近区是感应场，那么是否意味着在远区根本没有感应场而近区不存在辐射场呢？显然是不可能的。正确结论是：在远区不仅有辐射场而且存在着微乎其微的感应场；在近区不仅有感应场而且也存在着辐射场，不过辐射场远小于感应场。事实上，近区的辐射场是相当强的，要是近区

27、没有辐射场，远区的辐射场又是从何而来呢？举例：通信天线安装，900.1800,在城区需安装在住户顶层，住户由于害怕辐射，不愿配合，甚至破坏。(3)远区距离的实际标准r入/2元为远区，r大到具体什么数值呢，这是很实际的问题。远区是辐射场占优势，感应场可忽略不计的区域，假设把任意距离r处的感应场与辐射场大小之比记为Co,那么现在的问题就是具体规定一个CO值，并按这个值示出相应的距离。感应场、辐射场之比Co=入/2nr或Co=201g(2r)分贝假设规定感应场比辐射场20分贝的场区为远区，那么最小远区距离ro入O、4 .中间区的场远区与近区间的区域称为中间区。在中间区，感应场与辐射场不大，哪个场都不

28、能略去不计，必须用式(2-1-1)来表示电根本振子的场。5 .电根本振子的方向性由式(2-1-3)可知，在不同方向、相同距离处电根本振子的辐射是不同的。辐射强度情况可用方向图来表示，方向图是天线方向性的另一个重要的表示方法。它直观地表示出天线在不同方向上、相同距离处辐射场的相对大小。一般说来，方向图是一个立体图形，但画天线的立体方向图很复杂，在大多数情况下也没有必要。通常只需画出两个相互垂直的主平面上的平面方向图。主平面一般是指包含最大辐射方向的平面。对于电根本振子，所取的两主平面，一个是包含振子的面；另一个是与振子正交的面。前者由于与电场矢量相平行，故称为E平面；后者由于与磁场矢量相平行，故

29、称为H平面。电根本振子在E平面上，在不同方向夕的各点保持距离r不变)处的场强随。按正弦规律变化，在。=0度和180度方向上场强为零，而在。=90度方向上场强值为最大，于是画得电根本振子E平面方向图如2-3(b)所示。电根本振子在H平面上，在不同方向的各点(保持距离r不变)处的场强不随6变化而变化，电根本振子H平面方向图是一个圆，如23(c)所示。图23(a)是电根本振子的立体方向图。23(b)、2-3(c)是用极坐标来画的，称为极坐标方向图。极坐标方向图的特点是特别形象化，它适宜于用来描绘方向性不是特别强的天线的方向图。磁根本振子的辐射图2-4电根本振子和磁根本振子(a)电根本振子；(b)磁根

30、本振子图2-5电根本振子的电流和磁根本振子的磁流(a)电根本振子的电流；(b)磁根本振子的磁流在面天线的分析以及其它一些场合中，引入磁根本振子的概念将给讨论带来极大方便。所以在讨论了电根本振子的辐射情况后，作为根本振子的另一个侧面，有必要讨论磁根本振子的辐射。根据电与磁的对偶性原理，只要将电根本振子场的表达式(2TT)中的E换为H,换为-反并将电偶极矩尸/(j3)换为磁偶极矩W,就可以得到沿Z轴放置的磁根本振子的辐射场：其中，PfIFqmltq加为磁荷。由E6可看出，磁根本振子辐射的电场沿小方向，即电场正方向与磁流正方向成右手螺旋关系；而场值与，角间的关系还是简单的正弦函数关系，即在赤道平面上

31、辐射为Oo注：对磁根本振子而言，与振子垂直的面是E平面，包含振子的面是H平面。磁根本振子的E平面方向图与电根本振子H平面方向图一样；磁根本振子的H平面方向图与电根本振子E平面方向图一样；与电根本振子做相同的近似可得磁根本振子的远区场为(2-1-5):电、磁场的分量比E0力。是媒质的特性阻抗空间，对自由空间77=12011Q,这是平面波特性之一，任何天线的远区电磁场均与此有关。总结：本节主要讲述了电根本振子和磁根本振子的根本辐射原理。课前复习：1 .电根本振子根本辐射原理：2 .磁根本振子根本辐射原理。2.2发射天线的特性参数为了评价一副天线的性能，有必要规定出一套能表示天线各种性能的电参数。根

32、据V电磁场与电磁波理论中的“收发互易原理：同一副天线在用作发射时和用作接收时，其电参数是相同的，只是含义有所不同。所以本节主要讨论发射天线的电参数，至于接收天线的这些参数的含义只给予简单表达。通过前述的学习已经知道，根据天线在无线电技术设备中的地位和作用，发射天线有两个主要功能：一是把经馈线从发射机输送过来的信号能量以电磁波形式向周围空间辐射出去；二是定向辐射，即是将能量集中在一定的立体角内辐射出去。这涉及到发射天线以下几方面的问题：(1)要使天线能从馈线得到最大功率，就必须使天线和馈线良好地匹配，也就是要使天线的输入阻抗等于馈线的特性阻抗。这就需要引入天线的阻抗特性这一电参数。(2)天线从馈

33、线得到的输入功率是否全部由天线辐射出去呢？一般说来，天线从馈线得到的功率，一局部由天线辐射出去，另一局部将由构成天线的导体及介质损耗掉。因此，辐射功率与输入功率的比值，即天线效率，也是人们关心的一个电参数。(3)在定向辐射的能力方面，要求天线具有这样或那样的方向性，为了表示天线的方向性，人们引入了方向图波瓣宽度、方向系数、副瓣电平等电参数。(4)人们还常常把天线效率与方向系数组合在一起，引入另一个电参数：增益。除了上述的根本电参数外，还有极化、频带宽度等电参数。上述从不同侧面引出了一系列的天线电参数，下面对它们作详细的讨论。一、天线方向图及其有关参数所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射

34、场的相对场强(归一化模值)随方向变化的曲线图，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。前面已讨论过根本振子的方向图，由于方向图是用以表示天线在不同方向上辐射场的相对大小，所以画方向图时最用归一化方向函数。所谓归一化方向函数就是在最大辐射方向上方向函数的值等于K除了用极坐标绘制外，还常常用直角坐标来绘制方向图。众所周知，角度是不能放大的，但在直角坐标系中绘制方向图并用横坐标上的角度刻度来表示方向角时，由于横坐标上单位长度可以表示较大的度数值也可以表示较小的度数值，因此，特别适合用来画强方向性天线的方向图。天线的辐射与接收作用分布于整个空间，因而天线的方向性即天线在各方向辐

35、射（或接收）强度的相对大小可用方向图来表示。以天线为原点，向各方向作射线，在距离天线同样距离但不同方向上测量辐射（或接收）电磁波的场强，使各方向的射线长度与场强成正比，即得天线的三维空间方向分布图。这样的方向图是一空间曲面，如图2-6（所示。图2-6天线空间与平面方向图（a）天线空间方向图；（b）平面方向图；（C）平面方向图由于绘制立体方向图比较困难，通常只研究两个互相垂直的主平面上的方向图，这种方向图是空间方向图与这两个平面的交线。1）水平面当仰角。及距离r为常数时，电场强度随方位角6的变化曲线，2）铅垂平面当6及r为常数时，电场强度随仰角O的变化曲线，3）为了便于比较不同天线的方向性，常采

36、用归一化方向函数，用网Of表示，即归一化方向欧甑/汩御脚式修马明因此，电根本振子的归一化方向函数可写为卷式仇（P）EnaXFkOf0）=SinO对于线式天线来说，天线的方向图常用包括天线导线轴的平面及垂直于天线导线轴的平面，即主平面上的图形来表示。在图2-6所示线元（电流源或磁流源的统称）的方向图中，包括导线轴线的平面为XOZ及yz平面，而垂直于导线轴线的平面为才行平面。与地球相比较，前者同时包含有子午线，就称之为子午平面面，而将后者称为赤道平面面。对于架设在地面上的天线，常采用这两个特殊平面（即E平面和H平面）上的方向图；对于面天线，那么常将电场矢量所在的平面称为平面，将磁场矢量所在的平面称

37、为平面。二、主瓣宽度与副瓣电平1 .主瓣宽度对于任一天线而言，无论是E面方向图还是H面方向图，它们一般呈花瓣状，故方向图又称为波瓣图。最大辐射方向所的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，处于主瓣正前方的波瓣称为后瓣。见图27。所谓主瓣宽度通常是指主瓣最大值两侧功率密度等于最大方向上功率密度一半的两个方向间的夹角，以2。表示。当功率密度下降一半，场强那么相应地降至0.707倍。零功率波瓣宽度：主瓣最大值两侧的两个零辐射方向间的夹角，用20。表不O显然主瓣宽度越小，说明天线辐射能量越集中，其定向辐射性能越好，也就是天线的方向性越强。所以主瓣宽度是天线的一个很重要的电参数和电指标。图2-7用极坐标表

38、示的天线方向图图2-8用直角坐标表示的天线方向图2.副瓣电平副瓣(又称旁瓣)电平的定义是：最大副瓣的极大值与主瓣最大值之比的对数值，即式中：S和田分别代表副瓣和主瓣的功率通量密度；力和团分别代表副瓣和主瓣的场强。副瓣代表天线在不需要的方向上的辐射或接收。副瓣一般是不希望有的。显然，副瓣电平的上下也在某种意义上说明天线方向性的好坏。三、方向系数方向图形象地表示出了天线的方向性，波瓣宽度在一定程度上定量地描述了天线的方向性。为了更精确地比较不同天线的方向性，有必要再规定一个表示方向性的电参数：方向系数。它说明天线在空间集中辐射的能力。方向性系数的定义是：设被研究天线的辐射功率PW和作为参考的无方向

39、性天线的辐射功率220相等，即夕2=P0时，被研究天线在最大辐射方向上产生的功率通量密度(或场强的平方)与无方向性天线在同一点处辐射的功率通量密度之比，称为天线的方向性系数即(2-2-2)由定义可以看出，比较是在两天线的总辐射功率相等，观察点对天线的距离相等的条件下进行的。一个天线的方向性系数的大小，表示为在辐射功率相同的条件下，有方向性天线在它的最大辐射方向上的辐射功率密度与无方向性天线在相应方向上辐射功率密度之比，如式(2-2-2)所示。可以用分贝表示，即(dB)=10lg方向性系数也可以表示在辐射场中同一点要获得相同的场强E=E20时，有方向性天线的辐射功率尸2比无方向性天线的辐射功率尸

40、0节省的倍数，即，方向性系数的定义可得RfJ(2-2-3)O=-F其中，T为空间任意一点距卷辘亮如总结：本节主要讲述了发射天线的毓荣参数：方向图、主瓣电平和副瓣电平、方向系数。1、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(史力CienCy)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4与输入功率0n之比，记为nA,即(2-2-4)辐射功率与辐射电阻之间的联系公式为类似于辐射功率和辐射电阻之间的关系，也可将损耗功率A与损耗电限网联系起来，即这样天线效率可写成：P1=/2号(2-2-8)一般来讲，

41、损耗电阻的计算是隹较困难的，但可由实验确定。从式(2-2-8)可以看出，假设要提高天线效率，必须尽可能地减小损耗电阻和提高辐射电阻。2、增益系数*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；天线效率那么表示了天线在能量上的转换效能；而增益系数(Gain)那么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SIax(或场强)ax2的平方)和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度50(或场强|m|2的平方)之比，记为Go用公式表示如下：式中Pin、/InO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

42、身的增益系数为Io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，它是方向系数与天线效率的乘积。在实际中，天线的最大增益系数是比方向系数更为重要的电参量，即使它们密切相关。利用此式子，可有如下关系：Ie=叵=叵-2)说明由于发射机的输出功率其宥限的7因应在逋信系统的设计中，对提高天线的增益常常抱有很大的期望。频率越高的天线越容易得到很高的增益。3、天线的极化天线的极化(Zblarization)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

43、，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：假设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，这时假设电场矢量端点的旋转方向与传播方向符合右手螺旋，那么为右旋圆极化，假设符合左手螺旋，那么为左旋圆极化。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

44、义极化失配因子VZP(Zblarizationmismatchctor),其值在01之间。4、有效长度一般而言，天线上的电流分布是不均匀的，也就是说天线上各部位的辐射能力不一样。为了衡量天线的实际辐射能力，常采用有效长度(或诧CtiVeLength)o它的定义是：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下，假设天线上的电流分布为均匀分布时天线的等效长度。通常将归算于输入电流Iin的有效长度记为Zein,把归算于波腹电流Tm的有效长度记为7emo如图2T0所示，设实际长度为/的某天线的电流分布为/(z),考虑到各电根本振子辐射场的叠加，此时该天线在最大辐射方向产生的电场为(2-2-14)假

45、设以该天线的输入端电流/in为归算电流，那么电流以Zin为均匀分布、长度为Yein时天线在最大辐射方向产生的电场可类似于电根本振子的辐射电场，即(2-2-15)令上两式相等，得由上式可推出书上的(2-2-17)式，并可看出，以高度为一边，那么实际电流与等效均匀电流所包围的面积相等。在一般情况下，归算于输入电流/in的有效长度与归算于波腹电流面的有效长度不相等。5、输入阻抗与辐射阻抗；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(TnPUtResistance),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，Ain、用n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，而无功功率那么驻存在近区中。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鼓励电流。除了少数天线外