天线原理与设计讲义课件.ppt

天线原理与设计天线原理与设计绪论绪论 0.1 天线在无线电工程中的作用天线在无线电工程中的作用 一切无线电设备都离不开天线。一切无线电设备都离不开天线。无线电通讯无线电通讯 无线电广播无线电广播 电视电视 雷达雷达导航导航制导制导无线电探测等系统无线电探测等系统天线的作用是：天线的作用是：作发射时，它将电路中的高频电作发射时，它将电路中的高频电流或传输线上的导行波转换为某种极化的空间电磁流或传输线上的导行波转换为某种极化的空间电磁波，向规定的方向发射出去；作接收时，则将来自波，向规定的方向发射出去；作接收时，则将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转换为电空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或或传输线上的导行波。路中的高频电流或或传输线上的导行波。(1)(1)能量转换能量转换(2)(2)定向辐射或接收定向辐射或接收 简言之：简言之：天线的功能主要有两点：天线的功能主要有两点：无线电通讯线路中的辐射和接收天线示意：无线电通讯线路中的辐射和接收天线示意：发射系统等效电路：发射系统等效电路：天线等效电路中最主要的一个参数天线等效电路中最主要的一个参数辐射电阻辐射电阻Rr。可以认为天线辐射的电磁波能量全部由可以认为天线辐射的电磁波能量全部由Rr吸收。吸收。发射天线空间辐射方向图。发射天线空间辐射方向图。典型的空间三维方向图典型的空间三维方向图典型的二维方向图典型的二维方向图各种各样的方向图是由各种各样的天线实现的。各种各样的方向图是由各种各样的天线实现的。0.2 天线的分类天线的分类 按工作性质分类按工作性质分类 可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。按用途分类按用途分类 有通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航有通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线、测向天线等。天线、测向天线等。按天线特性分类按天线特性分类 从方向性分从方向性分：有强方向性天线、弱方向性天线、定向：有强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等。天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等。从极化特性分从极化特性分：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极：有线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线。化天线。线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线。从频带特性分从频带特性分：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频：有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。带天线。按天线上电流分布分类按天线上电流分布分类 有行波天线、驻波天线。有行波天线、驻波天线。按使用波段分类按使用波段分类 有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线和毫米波天线。天线、微波天线和毫米波天线。按载体分按载体分 有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。按天线外形分类按天线外形分类 有鞭状天线、有鞭状天线、T T形天线、形天线、形天线、形天线、V V形天线、菱形天形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。喇叭天线、反射面天线等。另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。面的共形阵列天线等。为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下为便于分析和研究天线性能出发，天线可以分为如下几大类：几大类：(1)线天线线天线(Wire Antennas)(16)章章(2)口径天线口径天线(Aperture Antennas)(810章章)(3)阵列天线阵列天线(Array Antennas)(1章部分，章部分，5章章)(4)透镜天线透镜天线(Lens Antennas)(10章部分章部分)(5)反射器天线反射器天线(Reflector Antennas)(1112章章)(6)微带天线微带天线(Microstrip Antennas)(14章章)0.3 天线的发展天线的发展 自自1886年德国物理学家年德国物理学家Hertz在实验室采用一在实验室采用一个长度为半波长的偶极子传送一个电火花脉冲，个长度为半波长的偶极子传送一个电火花脉冲，并在附近的谐振圆环内检测，证实了并在附近的谐振圆环内检测，证实了Maxwell方方程以来，天线的发展已经历了程以来，天线的发展已经历了120多年的时间。多年的时间。但是，天线一直在新技术的推动下发展着。但是，天线一直在新技术的推动下发展着。在在1940以前，天线的发展是在广播、电视和以前，天线的发展是在广播、电视和通信技术的推动下发展的，那时候有关长波、中通信技术的推动下发展的，那时候有关长波、中波和短波线形天线的理论大体上已经成熟。一些波和短波线形天线的理论大体上已经成熟。一些主要天线形式直到现在还在使用。主要天线形式直到现在还在使用。在第二次世界大战期间，随着电子技术和雷在第二次世界大战期间，随着电子技术和雷达技术的发展，超短波与微波天线得到了飞速的达技术的发展，超短波与微波天线得到了飞速的发展。如喇叭天线、反射面天线、透镜天线、介发展。如喇叭天线、反射面天线、透镜天线、介质棒天线、波导缝隙天线、阵列天线等。质棒天线、波导缝隙天线、阵列天线等。第二次世界大战之后，无线电技术的发展更第二次世界大战之后，无线电技术的发展更加迅速，微波中继通信、散射通信、广播、电视加迅速，微波中继通信、散射通信、广播、电视技术的发展对天线提出了许多新的要求。技术的发展对天线提出了许多新的要求。上世纪五十年代提出了非频变天线理论，相上世纪五十年代提出了非频变天线理论，相继出现了对数周期、等角螺旋、阿基米德螺旋等继出现了对数周期、等角螺旋、阿基米德螺旋等宽带天线。宽带天线。五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现后，五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现后，人类进入了宇宙空间时代，航空航天技术的发展人类进入了宇宙空间时代，航空航天技术的发展对天线的研究又提出了许多新的课题，这时要求对天线的研究又提出了许多新的课题，这时要求解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速扫描解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速扫描和精密跟踪等问题。和精密跟踪等问题。六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用方面都在突飞猛进的发展。方面都在突飞猛进的发展。(1)(1)在天线理论方法方面在天线理论方法方面 几何绕射理论几何绕射理论平面波谱展开法平面波谱展开法矩量法矩量法有限元法有限元法时域有限差分法时域有限差分法时域积分方程法时域积分方程法天线近场测量理论天线近场测量理论阵列分析与综合理论阵列分析与综合理论 这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础，这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础，随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自动随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自动化设计软件。化设计软件。HFSS软件软件 CST软件软件 IE3D软件软件 FIDELITY软件软件 FEKO软件软件(2)(2)在天线技术应用方面在天线技术应用方面 卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面天线馈源。天线馈源。雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发展，于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发展，其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频谐振其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频谐振等。等。有源天线的发展形成了现在非常先进的有源相控阵雷有源天线的发展形成了现在非常先进的有源相控阵雷达天线。二维有源相控阵已装备在最先进的猛禽达天线。二维有源相控阵已装备在最先进的猛禽F22第四第四代战机上。值得一提的是相控阵天线，因为相控阵雷达技代战机上。值得一提的是相控阵天线，因为相控阵雷达技术含量最高，功能最强。术含量最高，功能最强。到了到了80年代，由于电子计算机和超大规模集年代，由于电子计算机和超大规模集成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及智能化理论和技术的不断发展，使得智能化理论和技术的不断发展，使得80年代成为年代成为国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国也不例外，到也不例外，到1993年，我国的相控阵雷达不仅在年，我国的相控阵雷达不仅在军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经从军用扩展到了民用。从军用扩展到了民用。0.4 天线的基本参数天线的基本参数 天线性能需要一套电气指标来衡量，这些电天线性能需要一套电气指标来衡量，这些电气指标由天线的特性参数来描述。这些参数包括：气指标由天线的特性参数来描述。这些参数包括：方向图形状方向图形状 主瓣宽度主瓣宽度 副瓣电平副瓣电平 增益增益 极化极化 输入阻抗输入阻抗 工作频率和频带宽度工作频率和频带宽度 天线有效长度、有效面积天线有效长度、有效面积 口径效率和波束效率等口径效率和波束效率等0.4.1 天线的方向图天线的方向图 0.4.1.1 方向图函数及方向图方向图函数及方向图 天线方向图是指天线方向图是指天线天线辐射特性辐射特性与空间坐标之与空间坐标之间的函数图形。大多情况下，天线方向图是在远间的函数图形。大多情况下，天线方向图是在远场区确定的，所以又叫做远场方向图。场区确定的，所以又叫做远场方向图。天线天线辐射特性辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相包括辐射场强、辐射功率、相位和极化。因此，天线方向图又分为：位和极化。因此，天线方向图又分为：场强方向图场强方向图 功率方向图功率方向图 相位方向图相位方向图 极化方向图极化方向图 天线方向图形式天线方向图形式三维方向图三维方向图 二维方向图二维方向图 极坐标方向图极坐标方向图 直角坐标方向图直角坐标方向图 球坐标方向图球坐标方向图 直角坐标方向图直角坐标方向图 幅度幅度分贝分贝幅度幅度分贝分贝绘制天线方向图的两个途径绘制天线方向图的两个途径由理论分析计算并绘制得到方向图由理论分析计算并绘制得到方向图;通过实验测得天线的方向图数据绘出方向图。通过实验测得天线的方向图数据绘出方向图。天线的方向图函数天线的方向图函数 大多线极化天线的远区辐射电磁场一般可表示大多线极化天线的远区辐射电磁场一般可表示为如下形式：为如下形式：(0.1)(0.1)(0.2)(0.2)式中，式中，E为电场强度的为电场强度的分量，单位为分量，单位为V/m；H为磁场强度的为磁场强度的 分量，单位为分量，单位为A/m；E0为与激励有关但与坐标无关的系数；为与激励有关但与坐标无关的系数；r为以天线上某点为原点到远区某点的距离；为以天线上某点为原点到远区某点的距离；0=120 为自由空间波阻抗；为自由空间波阻抗；=2/为相位常数；为相位常数；f(,)为天线的为天线的方向图函数方向图函数。返回 可见，天线方向图是在远区球面上的场强分布。可见，天线方向图是在远区球面上的场强分布。归一化方向图归一化方向图(0.3)(0.3)式中，式中，(m,m)为天线最大辐射方向；为天线最大辐射方向；f(m,m)为方向图函数的最大值。为方向图函数的最大值。由归一化方向图函数绘制出的方向图称为归由归一化方向图函数绘制出的方向图称为归一化方向图。由式一化方向图。由式(0.1)和和(0.2)可以看出，可以看出，天线远天线远区辐射电场和磁场的方向图函数是相同的区辐射电场和磁场的方向图函数是相同的，因此，因此，由方向图函数和归一化方向图函数表示的方向图由方向图函数和归一化方向图函数表示的方向图统称为天线的辐射场方向图。统称为天线的辐射场方向图。三维方向图三维方向图 一个典型的七元八木天线的三维方向图如下：一个典型的七元八木天线的三维方向图如下：(a)7元八木天线元八木天线(b)三维球坐标三维球坐标 场强方向图场强方向图(c)三维直角坐标三维直角坐标 场强方向图场强方向图二维方向图二维方向图 E面和面和H面方向图定义面方向图定义 天线方向图一般是三维空间的曲面图形，但工程天线方向图一般是三维空间的曲面图形，但工程上为了方便，常采用通过最大辐射方向的两个正交上为了方便，常采用通过最大辐射方向的两个正交平面上的剖面图来描述天线的方向图。这两个相互平面上的剖面图来描述天线的方向图。这两个相互正交的平面称之为主面，对于线极化天线来说通常正交的平面称之为主面，对于线极化天线来说通常取为取为E面和面和H面。面。E E面面：指通过天线最大辐射方向并平行于：指通过天线最大辐射方向并平行于电电场矢量的平面。场矢量的平面。H H面面：指通过天线最大辐射方向并平行于：指通过天线最大辐射方向并平行于磁磁场矢量的平面。场矢量的平面。表表0-1 上上图所示的八木天线和角锥喇叭天线的图所示的八木天线和角锥喇叭天线的E面和面和H面面 及其方向图函数表示及其方向图函数表示 七元八木天线的七元八木天线的H面方向图面方向图(a)极坐标幅度方向图极坐标幅度方向图(b)直角坐标幅度方向图直角坐标幅度方向图 返回(a)极坐标分贝方向图极坐标分贝方向图(b)直角坐标分贝方向图直角坐标分贝方向图 图中是以八木天线的图中是以八木天线的H面归一化方向图函数面归一化方向图函数 FH()F(,)|=90计算并绘制的。计算并绘制的。天线方向图一般呈花瓣状，称之为波瓣或波束。天线方向图一般呈花瓣状，称之为波瓣或波束。其中包含最大辐射方向的波瓣称之为主瓣，其它的称其中包含最大辐射方向的波瓣称之为主瓣，其它的称为副瓣或旁瓣，并分为第一副瓣、第二副瓣等，与主为副瓣或旁瓣，并分为第一副瓣、第二副瓣等，与主瓣方向相反的波束称为后瓣或尾瓣。瓣方向相反的波束称为后瓣或尾瓣。返回返回10.4.1.1 主瓣宽度主瓣宽度 定义定义：指方向图主瓣上两个半功率点指方向图主瓣上两个半功率点(或场强下降到或场强下降到最大值的最大值的0.707倍处或分贝值从最大值下降倍处或分贝值从最大值下降3dB处对处对应的两点应的两点)之间的夹角。之间的夹角。记为记为20.5。主瓣宽度又称为半功率波束宽度或主瓣宽度又称为半功率波束宽度或3dB波束宽度。波束宽度。一般情况下，天线的一般情况下，天线的E面和面和H面方向图的主瓣宽度不面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为等，可分别记为20.5E和和20.5H。【例例0.1】已知某天线的方向图函数为已知某天线的方向图函数为F()sin，求，求其主瓣宽度。其主瓣宽度。解：方向图最大值解：方向图最大值F(m)1，其，其方向角为方向角为m=90o，见图。设方向，见图。设方向角为角为1时，时，F(1)=sin1=0.707，得，得1=45o。所以所以 0.5=m-1=45o。主瓣宽度为：主瓣宽度为：20.5=90o。链接0.4.1.3 副瓣电平副瓣电平 定义定义：指副瓣最大值模值与主瓣最大值模值之比，指副瓣最大值模值与主瓣最大值模值之比，通常用分贝表示。通常用分贝表示。即即(0.4)(0.4)式中，式中，Eimax为第为第i个副瓣的场强最大值，个副瓣的场强最大值，Emax为主瓣为主瓣最大值。这样，对于各个副瓣均可求得其副瓣电平最大值。这样，对于各个副瓣均可求得其副瓣电平值。如前面图中的值。如前面图中的SLL1、SLL2、SLL3和和SLL4。在工。在工程实际中，副瓣电平是指所有副瓣中最大的那一个程实际中，副瓣电平是指所有副瓣中最大的那一个副瓣的电平，记为副瓣的电平，记为SLL。一般情况下，紧靠主瓣的。一般情况下，紧靠主瓣的第一副瓣的电平值最高。第一副瓣的电平值最高。副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。因此，天线副瓣电平愈低，表明天线在不需要方向因此，天线副瓣电平愈低，表明天线在不需要方向上辐射或接收的能量愈弱，或者说在这些方向上对上辐射或接收的能量愈弱，或者说在这些方向上对杂散的来波抑制能力愈强，抗干扰能力就愈强。杂散的来波抑制能力愈强，抗干扰能力就愈强。链接 不同用途要求天线有不同的方向图。例如，广不同用途要求天线有不同的方向图。例如，广播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定的水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定的方向性以提高天线增益，见下图方向性以提高天线增益，见下图(a)；对微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星对微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图，见接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图，见下图下图(b)；对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束，见下图为扇形波束，见下图(c)。(a)水平全向方向图水平全向方向图(b)笔形波束方向图笔形波束方向图(c)余割平方波束方向图余割平方波束方向图 描描述述功功率率与与电电磁磁场场的的关关系系往往往往采采用用坡坡印印亭亭矢矢量，其定义为量，其定义为 0.4.2 辐射功率和辐射强度辐射功率和辐射强度(0.5)(0.5)式中，式中，W为坡印亭矢量，单位为为坡印亭矢量，单位为瓦瓦/m2；E为电场强度矢量，单位为为电场强度矢量，单位为V/m；H为为磁磁场场强强度度矢矢量量，单单位位为为A/m，上上标标*号表示取复数共轭。号表示取复数共轭。式式(0.5)说说明明坡坡印印亭亭矢矢量量是是电电场场和和磁磁场场强强度度矢矢量量的的叉叉积积，乘乘上上因因子子1/2后后，该该式式表表示示为为坡坡印印亭亭矢矢量的时间平均值。量的时间平均值。坡印亭矢量坡印亭矢量W 坡印亭矢量是功率密度矢量。取坡印亭矢量坡印亭矢量是功率密度矢量。取坡印亭矢量W与一个面积元矢量与一个面积元矢量ds的标积就是通过该面积元的的标积就是通过该面积元的辐射功率辐射功率dPr=W ds，沿包围天线的整个表面，沿包围天线的整个表面s的的积分就可得到天线的辐射总功率积分就可得到天线的辐射总功率Pr。其公式为。其公式为(0.6)式式中中，为为闭闭合合面面s的的外外法法线线单单位位矢矢量量，如如果果闭闭合合面面为为一个球面，则一个球面，则 。在球坐标系中，。在球坐标系中，。辐射功率辐射功率P Pr r辐射强度辐射强度U(,)给定方向上的辐射强度定义为天线在单位立体角给定方向上的辐射强度定义为天线在单位立体角内所辐射的功率。内所辐射的功率。它是一个远场参数。它是一个远场参数。半半径径为为r的的球球面面面面积积为为S=4r2，其其立立体体角角为为=4，在给定方向上的辐射强度，在给定方向上的辐射强度U(,)表示为表示为(0.7)天线分析坐标系如下图所示。天线分析坐标系如下图所示。【例例0.2】设某一天线的远区辐射电磁场可由式设某一天线的远区辐射电磁场可由式(0.1)和式和式(0.2)表示，求其坡印亭矢量、辐射功率表示，求其坡印亭矢量、辐射功率和辐射强度。和辐射强度。解：解：该天线的辐射电磁场可写作该天线的辐射电磁场可写作 和和 ,由由式式(0.5)可得坡印亭矢量为可得坡印亭矢量为(0.8)由由式式(0.6)设设闭闭合合积积分分面面为为包包围围天天线线的的一一个个球球面面，则积分面元为则积分面元为 ，得辐射功率为，得辐射功率为 如果如果 ，则，则(0.9)链接由式由式(0.7)可得辐射强度为可得辐射强度为(0.10)式中，式中，为给定方向的电场强度。上式说为给定方向的电场强度。上式说明，辐射强度正比于电场强度的平方。明，辐射强度正比于电场强度的平方。0.4.3 方向性系数方向性系数 方方向向性性系系数数是是用用来来表表征征天天线线辐辐射射能能量量集集中中程程度的一个参数。度的一个参数。0.4.3.1 方向性系数的定义方向性系数的定义 天天线线在在给给定定方方向向上上的的方方向向性性系系数数有有两两种种定定义义方方法法，这这两两种种定定义义方方法法最最终终得得到到的的天天线线方方向向性性系系数结果表达式是一样的。数结果表达式是一样的。返回定义方法定义方法1 1 在相同辐射功率在相同辐射功率Pr条件下，某天线在给定方条件下，某天线在给定方向的辐射强度向的辐射强度U(0,0)与理想点源天线在同一方向与理想点源天线在同一方向的辐射强度的辐射强度U0(0,0)之比。之比。即即 由由式式(0.10)可可见见，辐辐射射强强度度与与电电场场强强度度的的平平方方成成正正比，因此上式也可以表述为比，因此上式也可以表述为(0.11a)(相同相同Pr)(相同相同Pr)(0.11b)式式中中，E(0,0)为为天天线线在在指指定定方方向向上上的的电电场场强强度度，E0为为理想点源天线理想点源天线在同一方向的电场强度。在同一方向的电场强度。理理想想点点源源天天线线：是是指指无无损损耗耗的的各各向向同同性性的的假假想想点点源天线，其辐射方向图在空间是一个球面。源天线，其辐射方向图在空间是一个球面。链接返回 所所以以理理想想点点源源天天线线的的辐辐射射强强度度与与方方向向角角无无关关。即即U0(0,0)=U0，它它可可由由所所讨讨论论天天线线在在4立立体体角角内辐射功率的平均值来表示，即内辐射功率的平均值来表示，即(0.12a)在在相相同同辐辐射射功功率率下下，可可由由 在在一一个个球球面面上上取平均值得到，即取平均值得到，即 式中，式中，S=4r2是半径为是半径为r的球面面积。的球面面积。(0.12b)这这样样，由由式式(0.9)Pr、式式(0.10)U(,)的的表表示示及及式式(0.11a)和式和式(0.12a)可得可得(0.13)由由式式(0.12b)和和式式(0.11b)同同样样可可得得方方向向性性系系数数D的表示式的表示式(0.13)。定义方法定义方法2 2 在给定方向产生相同电场强度下，理想点源在给定方向产生相同电场强度下，理想点源天线的辐射功率天线的辐射功率Pr0与某天线辐射功率与某天线辐射功率Pr之比。之比。即即(相同电场强度相同电场强度)(0.14)由由这这个个定定义义同同样样可可得得方方向向性性系系数数D的的表表示示式式(0.13)。过程如下：。过程如下：辐辐射射功功率率Pr仍仍由由式式(0.9)表表示示。在在给给定定方方向向(0,0)具具有有相相同同电电场场强强度度的的条条件件下下，点点源源天天线线的的辐辐射功率为：射功率为：由由于于点点源源天天线线无无方方向向性性，在在球球面面s上上的的场场为为常常数，则得数，则得 由由此此式式及及式式(0.9)的的Pr表表示示代代入入式式(0.14)得得方方向向性系数性系数D的表示式的表示式(0.13)。在在式式(0.13)中中分分子子分分母母同同除除以以方方向向图图函函数数的的最最大大值值的的平平方方f 2(m,m)，可可得得归归一一化化方方向向图图函函数数式式(0.3)表示的方向性系数表示的方向性系数 (0.15)若若天天线线的的方方向向图图函函数数为为绕绕=0的的轴轴旋旋转转对对称称，则则方方向向图图函函数数与与无无关关，即即F(,)=F()，则则式式(0.15)表示的方向性系数可简化为表示的方向性系数可简化为(0.16)工工程程上上一一般般采采用用最最大大辐辐射射方方向向上上的的方方向向性性系系数数作作为为技技术术指指标标。此此时时的的方方向向性性系系数数用用D表表示示，归一化方向图函数为归一化方向图函数为F(0,0)=1，由式，由式(0.15)得得(0.17)若方向图旋转对称，则得若方向图旋转对称，则得(0.18)任任意意方方向向的的方方向向性性系系数数可可表表示示为为最最大大辐辐射射方方向上的方向性系数与方向图函数平方的积向上的方向性系数与方向图函数平方的积(0.19)方方向向性性系系数数是是无无量量纲纲的的量量，工工程程上上一一般般采采用用分贝表示分贝表示 (dB)(0.20)【例例0.3】已已知知某某天天线线的的方方向向图图函函数数为为F()=sin,求求其最大辐射方向上的方向性系数。其最大辐射方向上的方向性系数。解解：由由方方向向图图函函数数可可知知，该该天天线线的的方方向向图图是是关关于于=0的的轴轴旋旋转转对对称称的的，最最大大辐辐射射方方向向为为=/2，归归一一化化方方向向图图函函数数F()|=/2=1。由由式式(0.18)，可可得得其其分母的值为分母的值为 最大辐射方向上的方向性系数为最大辐射方向上的方向性系数为 D=1.5 或或 DdB=10lgD=1.76 dB0.4.3.2 方向性系数两种定义方法的物理解释方向性系数两种定义方法的物理解释 在在相相同同辐辐射射功功率率条条件件下下，各各向向同同性性的的点点源源天天线线是是把把整整个个辐辐射射功功率率均均匀匀分分布布在在一一个个球球面面上上，且且球球面面上上的的辐辐射射场场强强相相等等为为E0。而而有有一一定定方方向向性性的的某某天天线线则则把把这这个个辐辐射射功功率率相相对对集集中中在在某某个个方方向向上上辐辐射射出出去去，则则这这个个方方向向上上的的辐辐射射场场强强为为Em。由由式式(0.11b)便便知知，Em愈愈大大，方方向向性性系系数数D就就愈愈大大，则则天线辐射就愈集中。如下图所示。天线辐射就愈集中。如下图所示。在在相相同同电电场场强强度度条条件件下下，取取E0Em，显显然然把把整整个个辐辐射射功功率率均均匀匀分分布布在在一一个个球球面面上上的的理理想想点点源源天天线线的的辐辐射射功功率率Pr0大大于于某某天天线线的的辐辐射射功功率率Pr，见见下下图图。由由式式(0.14)可可知知，Pr0愈愈大大，方方向向性性系系数数D就就愈愈大。大。0.4.4 天线效率天线效率a 与增益与增益G 增增益益是是天天线线的的另另一一个个重重要要参参量量，它它与与方方向向性性系系数数密密切切相相关关，它它既既考考虑虑了了天天线线的的定定向向能能力力又又计计及了天线的效率。及了天线的效率。0.4.4.1 天线效率天线效率a 天线的效率是用来计及损耗的。天线的效率是用来计及损耗的。天线的损耗天线的损耗 欧姆损耗欧姆损耗 反射损耗反射损耗 导体损耗导体损耗 介质损耗介质损耗 天天线线总总效效率率a定定义义为为：天天线线辐辐射射到到外外部部空空间间的的实实功率功率Pr与天线馈电端输入的实功率与天线馈电端输入的实功率Pin之比。即之比。即(0.21)发发射射机机一一般般是是经经过过一一段段传传输输线线给给天天线线馈馈电电，设设传传输输线线无无耗耗且且输输入入端端Tin处处的的输输入入实实功功率率为为Pin，若若天天线线与与传传输输线线失失配配，则则线线上上存存在在反反射射系系数数，实实际际在在天天线线输输入入端端TL处处的的实实功功率率就就为为PL，如如下下图图所所示。示。显然有：显然有：天天线线吸吸收收的的功功率率PL又又分分为为两两部部分分，一一部部分分由由于于导导体体和和介介质质的的热热损损耗耗吸吸收收，记记为为 ，一一部部分分向向空空间间辐射出去，记为辐射出去，记为Pr，即，即 。因此有。因此有(0.22)返回 把式把式(0.22)代入代入(0.21)得天线总效率为得天线总效率为(0.23)式中，式中，为反射失配效率；为反射失配效率；为天线导体和介质损耗效率；为天线导体和介质损耗效率；为馈电传输线上的反射系数；为馈电传输线上的反射系数；Zin为天线输入阻抗；为天线输入阻抗；Z0为传输线的特性阻抗；为传输线的特性阻抗；根据前图所示的等效电路，有根据前图所示的等效电路，有和和则则 Im为天线上波腹电流，为天线上波腹电流，为热损耗电阻，为热损耗电阻，为辐为辐射电阻。射电阻。链接 辐辐射射电电阻阻Rr是是指指“吸吸收收”天天线线全全部部辐辐射射功功率率的的电阻，其上流过的电流为天线上的波腹电流。电阻，其上流过的电流为天线上的波腹电流。0.4.4.2 天线增益天线增益G 天天线线的的增增益益与与天天线线的的方方向向性性系系数数密密切切相相关关，则则天线增益也有两种定义方法。天线增益也有两种定义方法。定义方法定义方法1 1 在在相相同同输输入入功功率率Pin条条件件下下，某某天天线线在在给给定定方方向向的的辐辐射射强强度度U(0,0)与与理理想想点点源源天天线线在在同同一一方方向向的辐射强度的辐射强度U0(0,0)之比。之比。即即(相同Pin)(0.24)注注意意：上上式式增增益益的的表表达达式式与与式式(0.11b)的的方方向向性性系系数数完完全全一一样样，但但方方向向性性系系数数和和增增益益定定义义的的基基点点和和条件是不同的。条件是不同的。链接 方方向向性性系系数数的的定定义义是是以以辐辐射射功功率率为为基基点点，并并以以相相同同辐辐射射功功率率为为条条件件，没没有有考考虑虑天天线线的的能能量量转转换换效效率率。增增益益的的定定义义是是以以输输入入功功率率为为基基点点，并并以以相相同输入功率同输入功率为条件。为条件。定义方法定义方法2 2 在在某某方方向向产产生生相相同同电电场场强强度度的的条条件件下下,理理想想点点源源的输入功率的输入功率Pin0与某天线输入功率与某天线输入功率Pin的比值。即的比值。即(相同电场强度)(0.25)由式由式(0.25)、(0.13)和和(0.21)得得(0.26)式式中中用用了了关关系系：Pin0=Pr0。因因为为理理想想点点源源天天线线无无耗耗，其其输输入入功功率率等等于于辐辐射射功功率率。由由定定义义方方法法1也也可可得得到到式式(0.26)。0.4.5 天线的极化天线的极化 电电磁磁波波的的极极化化方方向向通通常常是是以以其其电电场场矢矢量量的的空空间间指指向向来来描描述述的的。电电磁磁波波的的极极化化是是指指：在在空空间间某某位位置置上上，沿沿电电磁磁波波的的传传播播方方向向看看去去，其其电电场场矢矢量量在在空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。如果这个轨迹是一条直线，则称为线极化；如果这个轨迹是一条直线，则称为线极化；如果是一个圆，则称为圆极化；如果是一个圆，则称为圆极化；如果是一个椭圆，则称为椭圆极化。如果是一个椭圆，则称为椭圆极化。下下图图所所示示为为电电磁磁波波电电场场矢矢量量取取向向随随时时间间变变化化的的典典型轨迹曲线。型轨迹曲线。采采用用极极化化特特性性来来划划分分电电磁磁波波，就就有有线线极极化化波波、圆圆极极化化波波和和椭椭圆圆极极化化波波。线线极极化化和和圆圆极极化化是是椭椭圆圆极极化化的的两两种种特特殊殊情情况况。圆圆极极化化和和椭椭圆圆极极化化波波的的电电场场矢矢量量的的取取向向是是随随时时间间旋旋转转的的。沿沿着着电电磁磁波波传传播播方方向向看看去去，其其旋旋向向有有顺顺时时针针方方向向和和逆逆时时针针方方向向之之分分。电电场场矢矢量量为为顺顺时时针针方方向向旋旋转转的的称称为为右右旋旋极极化化，逆时针方向旋转的称为左旋极化。逆时针方向旋转的称为左旋极化。0.4.5.1 天线极化概念天线极化概念 天天线线的的极极化化是是以以电电磁磁波波的的极极化化来来确确定定的的。天天线线的的极极化化定定义义为为：在在最最大大增增益益方方向向上上，作作发发射射时时其其辐辐射射电电磁磁波波的的极极化化，或或作作接接收收时时能能使使天天线线终终端端得得到到最最大大可可用用功功率率的的方方向向入入射射电电磁磁波波的的极极化化。最最大大增增益益方方向向就就是是天天线线方方向向图图最最大大值值方方向向，或或最最大大指指向方向。向方向。天天线线的的极极化化在在各各个个方方向向并并非非保保持持恒恒定定，所所以以天天线的极化在其最大指向方向定义才有意义。线的极化在其最大指向方向定义才有意义。例例如如，对对线线极极化化天天线线来来说说，其其辐辐射射电电场场矢矢量量的的取向是随方向角的不同而不同的，见下图取向是随方向角的不同而不同的，见下图(a)。对对圆圆极极化化天天线线来来说说，其其最最大大指指向向方方向向上上可可以以设设计计得得使使其其为为圆圆极极化化，但但在在其其它它方方向向一一般般为为椭椭圆圆极极化化，当当远远离离最最大大指指向向方方向向时时甚甚至至可可能能退退化化为为线线极极化，见下图化，见下图(b)。图图(a)图图(b)前前面面提提到到的的八八木木天天线线、角角锥锥喇喇叭叭天天线线和和上上图图(a)的的对对称称振振子子天天线线都都是是典典型型的的线线极极化化天天线线。上上图图(b)所所示示的的平平面面阿阿基基米米德德螺螺旋旋天天线线以以及及后后面面要要介介绍绍的的等等角角螺螺旋旋天天线线和和轴轴向向模模圆圆柱柱螺螺旋旋天天线线等等则则是是典典型型的圆极化天线。的圆极化天线。若若以以地地面面为为参参考考面面，线线极极化化又又分分为为垂垂直直极极化化和和水水平平极极化化。在在其其最最大大辐辐射射方方向向上上，电电磁磁波波的的电电场场矢矢量量垂垂直直于于地地面面时时，称称为为垂垂直直极极化化；平平行行于于地地面面时时，称称为为水水平平极极化化。相相应应的的天天线线称称之之为为垂垂直直极极化化天线和水平极化天线。天线和水平极化天线。0.4.5.2 平面电磁波的极化讨论平面电磁波的极化讨论 天天线线辐辐射射的的电电磁磁波波为为球球面面波波。但但在在以以天天线线上上某某点点为为圆圆心心、远远场场距距离离r为为半半径径的的一一个个球球面面上上，取取天天线线最最大大指指向向方方向向邻邻近近范范围围的的一一小小块块面面积积，在在此此小小块面积上的电磁波可近似为平面波。块面积上的电磁波可近似为平面波。在在球球坐坐标标系系下下，天天线线远远区区辐辐射射电电场场一一般般由由E和和E表表示示，见见下下图图。不不失失一一般般性性可可用用Ex和和Ey表表示示。沿正沿正z方向传播的平面波合成电场可写作方向传播的平面波合成电场可写作(0.27)(0.28)瞬时分量为瞬时分量为(0.29)式中，式中，和和 为单位矢量，为单位矢量，和和 分分别别为为电电场场分分量量Ex和和Ey的的相位，相位，E0 x和和E0y则为其振幅则为其振幅。将将上上式式等等号号两两边边同同乘乘以以时时间间因因子子ejt并并取取其其实实部部，得得瞬瞬时合成电场在时合成电场在z=0处的表示为处的表示为 消去式消去式(0.29)中含中含t 的项，可得方程的项，可得方程(0.30)式式中中，为为两两个个分分量量的的相相位位差差。下下面面根根据据这这一一方方程程讨讨论论在在位位置置z=0处处合合成成电电场场矢矢量量的的取取向向随随时时间间变化的轨迹。变化的轨迹。线极化线极化 当当两两个个分分量量的的相相位位差差为为零零或或的的整整数数倍倍时时，其其合成矢量为线极化。即合成矢量为线极化。即 式式(0.30)方程变成一个线性方程方程变成一个线性方程(0.31)返回圆极化圆极化 当当两两个