【精品】天线基本理论（可编辑.ppt

天线基本理论微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回4.5 发射天线的电参数发射天线的电参数 4.5.1 天线的方向性及方向性参数天线的方向性及方向性参数 1、方向性、方向性 所谓所谓方向性方向性是指在是指在相同距离相同距离的条件下天线辐射场的条件下天线辐射场的的相对值与空间方向的关系。相对值与空间方向的关系。目前绝对没有方向性的天线是不存在的，认为目前绝对没有方向性的天线是不存在的，认为理理想点源是无方向性天线。想点源是无方向性天线。2、归一化方向图函数和方向图参数、归一化方向图函数和方向图参数 （1）归一化方向图函数）归一化方向图函数 定义定义4-14-1 如果令空间方向图的如果令空间方向图的最大值等于最大值等于1，则则此方向图称为此方向图称为归一化方向图。归一化方向图。相应的方向图函数称为相应的方向图函数称为归一化振幅方向图函数。归一化振幅方向图函数。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 定理定理4-1称为称为功率方向图。功率方向图。方向图也常用分贝表示。方向图也常用分贝表示。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 例例4-1 对称振子方向图函数对称振子方向图函数 当当l/0.5时，时，=90是它的最大辐射方向即是它的最大辐射方向即 对于半波振子（对于半波振子（2l=/2，k=2/，kl=/2）：）：微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）方向图参数）方向图参数 天线方向图中最强的辐射区称为天线方向图中最强的辐射区称为主波束（主瓣）。主波束（主瓣）。主瓣主瓣Emax后瓣后瓣E第一副瓣第一副瓣E2 与主波束分离的与主波束分离的较弱的较弱的辐射区称为辐射区称为副波束副波束(副瓣副瓣)。设天线设天线最强辐射方向为最强辐射方向为=0，其余方向用，其余方向用。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 天线的零功率波瓣宽度（天线的零功率波瓣宽度（FNBW）（）（20）最大辐射方向两侧的第一个零值的夹角。最大辐射方向两侧的第一个零值的夹角。令令0为主波束两侧零辐射方向，则天线的零功率为主波束两侧零辐射方向，则天线的零功率波瓣宽度为波瓣宽度为20E和和20H。2020.5 副瓣电平副瓣电平sll 副瓣电平副瓣电平是指最大副瓣的最大值是指最大副瓣的最大值P2与主瓣最大值与主瓣最大值Pmax之比的分贝数，则之比的分贝数，则 Fsll称为第一副瓣电平。称为第一副瓣电平。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 背瓣电平（前后辐射比）背瓣电平（前后辐射比）Bll 后瓣最大值后瓣最大值E与主瓣最大值与主瓣最大值Emax之比称为之比称为前后辐前后辐射比。射比。通常，通常，天线在某一平面的主瓣宽度与天线在这一天线在某一平面的主瓣宽度与天线在这一平面的电长度成反比。平面的电长度成反比。波长越短，天线就能做得越大（与波长相比），波长越短，天线就能做得越大（与波长相比），天线方向图的主瓣宽度也越小。天线方向图的主瓣宽度也越小。所以所以在超短波和波长更短的波段内天线的方向性在超短波和波长更短的波段内天线的方向性较强。较强。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 3、方向系数、方向系数 天线在天线在最大辐射方向上最大辐射方向上的功率密度的功率密度Smax和和总辐射总辐射功率相同功率相同的无方向性天线（且效率为的无方向性天线（且效率为100），在），在同同一距离一距离处的功率密度处的功率密度S0的比值，称为该天线的的比值，称为该天线的最大辐最大辐射方向的方向系数射方向的方向系数D。设该天线和无方向天线的辐射功率分别为设该天线和无方向天线的辐射功率分别为Pr和和Pr0，且，且Pr=Pr0，则该天线的方向系数为，则该天线的方向系数为微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 若天线立体方向图是若天线立体方向图是轴对称的轴对称的，则有，则有微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 例例4-3 理想无方向性天线的方向系数理想无方向性天线的方向系数D=1。电流元：电流元：半波对称振子：半波对称振子：D=1.5。D=1.64。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 推论推论1 方向系数方向系数D的物理意义：在相同辐射功率下，方的物理意义：在相同辐射功率下，方向系数为向系数为D的天线所产生的场为无方向性天线场强的的天线所产生的场为无方向性天线场强的D1/2倍。倍。推论推论2微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 方向系数也可定义为：在最大辐射方向的同一接方向系数也可定义为：在最大辐射方向的同一接收点、收点、电场强度相同电场强度相同的条件下，无方向性天线的辐射的条件下，无方向性天线的辐射功率与有方向性天线的辐射功率的比，即功率与有方向性天线的辐射功率的比，即PrD称为天线的称为天线的等值辐射功率。等值辐射功率。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.5.2 天线效率与增益系数天线效率与增益系数 1、天线效率、天线效率 定义：天线的辐射功率定义：天线的辐射功率Pr与输入到天线的功率与输入到天线的功率Pin的比值，的比值，天线的损耗有天线系统中的热损耗、介质损耗、天线的损耗有天线系统中的热损耗、介质损耗、感应损耗等。感应损耗等。若用若用Rin和和Rr 分别表示归于输入电流分别表示归于输入电流I0的输入电阻的输入电阻和辐射电阻，和辐射电阻，Rl表示归于同一电流的损耗电阻。表示归于同一电流的损耗电阻。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 对于中、长波天线，由于波长较长，而天线的长对于中、长波天线，由于波长较长，而天线的长度不可能取得很长，因此度不可能取得很长，因此l/较小，它的辐射能力自然较小，它的辐射能力自然很低，天线效率也较低。很低，天线效率也较低。此外，它和馈电系统间的匹配也较差，通常长波此外，它和馈电系统间的匹配也较差，通常长波天线效率天线效率A=1040。中波天线效率中波天线效率A=7080。对于超高频天线，天线效率对于超高频天线，天线效率接近于接近于1。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、增益系数、增益系数 在在相同输入功率相同输入功率的条件下，天线在某个方向上某的条件下，天线在某个方向上某点产生的功率密度点产生的功率密度S1与理想点源在同一点产生的功率与理想点源在同一点产生的功率密度密度S0的比值，即为该方向的增益系数，即的比值，即为该方向的增益系数，即（相同输入功率相同输入功率）增益系数还可定义为：在某点产生的增益系数还可定义为：在某点产生的相等电场强相等电场强度度的条件下，理想点源输入功率的条件下，理想点源输入功率Pin0与某天线输入功与某天线输入功率率Pin1的比值，即的比值，即（相同电场强度相同电场强度）微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 要求满足：要求满足：（1）观察点与天线和理想点源）观察点与天线和理想点源等距离；等距离；（2）无方向性天线是理想的，效率为）无方向性天线是理想的，效率为1，并位于，并位于自由空间。自由空间。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 最大辐射方向最大辐射方向的增益系数为的增益系数为微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.5.3 天线的极化特性天线的极化特性 天线极化定义为天线极化定义为：在最大辐射方向上：在最大辐射方向上电场矢量电场矢量的的空间取向随时间的变化方式。空间取向随时间的变化方式。分为分为线极化线极化、圆极化圆极化和和椭圆极化椭圆极化。线极化分为水平极化和垂直极化。线极化分为水平极化和垂直极化。圆极化圆极化可看成可看成由两个正交且具有由两个正交且具有90相位差的等幅相位差的等幅线极化产生。线极化产生。圆极化可分为右旋和左旋。圆极化可分为右旋和左旋。规定：规定：顺着传播方向看去，电场矢量端点旋转方顺着传播方向看去，电场矢量端点旋转方向是顺时针的，则称为右旋极化；向是顺时针的，则称为右旋极化；反之称为左旋极化。反之称为左旋极化。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 发射天线在某方向的极化是指天线在该方向所辐发射天线在某方向的极化是指天线在该方向所辐射电波的极化。射电波的极化。接收天线在某方向的极化是指天线在该方向接收接收天线在某方向的极化是指天线在该方向接收获得最大接收功率（极化匹配）时入射平面波的极化。获得最大接收功率（极化匹配）时入射平面波的极化。未规定方向时，极化为最大增益方向（即最大辐未规定方向时，极化为最大增益方向（即最大辐射方向或最大接收方向）的极化。射方向或最大接收方向）的极化。天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线。天线辐射预定极化的电磁波称为天线辐射预定极化的电磁波称为主极化主极化。不需要的辐射称为不需要的辐射称为交叉极化交叉极化或或寄生极化寄生极化。线极化天线线极化天线的交叉极化方向和主极化方向相垂直。的交叉极化方向和主极化方向相垂直。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 圆极化天线圆极化天线的交叉极化可以看成是与主极化旋转的交叉极化可以看成是与主极化旋转方向相反的分量。方向相反的分量。收发共用天线或双频共用天线是利用主极化和交收发共用天线或双频共用天线是利用主极化和交叉极化特性，达到收发隔离或双频隔离。叉极化特性，达到收发隔离或双频隔离。极化失配：极化失配：接收天线的极化与来波方向的极化不接收天线的极化与来波方向的极化不同。同。极化匹配：极化匹配：接收天线的极化与来波方向的极化相接收天线的极化与来波方向的极化相同。同。匹配时，天线从来波中截获的功率达到最大。匹配时，天线从来波中截获的功率达到最大。在天线架设时要注意发射天线和接收天线的极化在天线架设时要注意发射天线和接收天线的极化匹配。匹配。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.5.4 天线的工作频带宽度天线的工作频带宽度 天线的各种特性参数不超过规定变化范围的频率天线的各种特性参数不超过规定变化范围的频率范围称为天线的范围称为天线的频带宽度频带宽度或简称或简称天线带宽天线带宽。影响因素：影响因素：方向图的形状或最大辐射方向的改变，方向图的形状或最大辐射方向的改变，副瓣膜或后瓣电平的增大，增益的降低，极化特性的副瓣膜或后瓣电平的增大，增益的降低，极化特性的改变或阻抗特性的变坏等。改变或阻抗特性的变坏等。窄带天线窄带天线常用相对带宽来表示，即常用相对带宽来表示，即(f/f0)100f=fmax-fmin，f0为频带的中心频率。为频带的中心频率。宽带天线宽带天线常用倍频来表示，即常用倍频来表示，即fmax/fmin。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.5.5 天线的有效长度天线的有效长度 天线的有效长度对天线的有效长度对线天线线天线而言是一重要参数，而言是一重要参数，表表明线天线辐射和接收电磁波能力的大小，明线天线辐射和接收电磁波能力的大小，用用le表示。表示。它的定义是：它的定义是：某天线的有效长度是一某天线的有效长度是一等效的天线长度等效的天线长度le。此等效天线上的此等效天线上的电流分布为均匀分布。电流分布为均匀分布。电流大小等于该实际天线的波腹电流电流大小等于该实际天线的波腹电流（或馈电点（或馈电点电流）。电流）。并且此等效天线并且此等效天线在最大辐射方向产生的场强等于在最大辐射方向产生的场强等于该实际天线在最大辐射方向的场强。该实际天线在最大辐射方向的场强。在保持实际天线最大辐射方向上场强值不变的条在保持实际天线最大辐射方向上场强值不变的条件下，假设天线上电流为均匀分布时天线的有效长度。件下，假设天线上电流为均匀分布时天线的有效长度。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 实际天线在最大方向产生的电场为实际天线在最大方向产生的电场为 根据天线有效长度的定义，得根据天线有效长度的定义，得 对比以上两式，得对比以上两式，得 即有效长度即有效长度le与所归算的电流与所归算的电流I的乘积等于电流分的乘积等于电流分布曲线与天线长度布曲线与天线长度l之间之间所包含的面积。所包含的面积。均匀分均匀分布布微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 若以波腹点电流若以波腹点电流Imax为参考电流，则其有效长度为参考电流，则其有效长度 如果以馈电点电流如果以馈电点电流I0为参考电流，则其有效长度为参考电流，则其有效长度微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 由于由于z=0为馈入点，所以为馈入点，所以I0=Imsinkl 对于对称振子：对于对称振子：微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 对于对于2l=/2的半波振子：的半波振子：微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.5.6 天线的输入阻抗天线的输入阻抗 按照电路理论，天线的输入阻抗按照电路理论，天线的输入阻抗Zin等于等于馈电点馈电点的的高频电压高频电压U0和该点电流和该点电流I0的比值，即的比值，即 由于天线周围的场不是位场，严格地计算一个辐由于天线周围的场不是位场，严格地计算一个辐射元的阻抗特性是射元的阻抗特性是比较困难的。比较困难的。但输入阻抗又是线天线的一个重要指标，因为它但输入阻抗又是线天线的一个重要指标，因为它直接影响天线馈入（对接收天线而言为输送给接收机）直接影响天线馈入（对接收天线而言为输送给接收机）的效率。的效率。实际工程中常由实际工程中常由实验测量实验测量来确定天线输入阻抗，来确定天线输入阻抗，或采用或采用工程近似计算法工程近似计算法得到天线输入阻抗。得到天线输入阻抗。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回4.6 接收天线理论接收天线理论 接收天线的主要功能是将电磁波能量转化为高频接收天线的主要功能是将电磁波能量转化为高频电流（或导波）能量。电流（或导波）能量。当把接收天线放在外来无线电波的场内，接收天当把接收天线放在外来无线电波的场内，接收天线就感应出电流，并在接收天线输出端产生一个电动线就感应出电流，并在接收天线输出端产生一个电动势。势。此电动势就通过馈线向无线电接收机输送电流。此电动势就通过馈线向无线电接收机输送电流。接收天线是接收机的电源，而接收机是接收天线接收天线是接收机的电源，而接收机是接收天线的负载。的负载。接收天线也有内阻抗。接收天线也有内阻抗。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.6.1 天线接收无线电波的物理过程天线接收无线电波的物理过程 设在空间无线电波的电磁场内沿设在空间无线电波的电磁场内沿z轴放置一个长度轴放置一个长度为为2l的天线。的天线。dz 电波的电场分为两个分量：电波的电场分为两个分量：一个是与射线和天线轴所一个是与射线和天线轴所构成的平面相垂直的分量构成的平面相垂直的分量E1；另一个是在该平面内的分另一个是在该平面内的分量（与来波方向垂直）量（与来波方向垂直）E。E又分与导体表面垂直的又分与导体表面垂直的分量和平行的分量分量和平行的分量Ez=Esin。在天线上很小的一段线元在天线上很小的一段线元dz上。上。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 电场电场Ez所激起的元电动势为所激起的元电动势为Ezdz，Ezdz在负载在负载Z中产生的电流为中产生的电流为dI，则在，则在Z中的总电流为中的总电流为 由于电磁波到达天线上各线元有由于电磁波到达天线上各线元有波程差波程差，即天线，即天线各点电场的切线分量各点电场的切线分量Ez的的相位是不同的。相位是不同的。此波程差又是电波传来方向的此波程差又是电波传来方向的函数，因此接收函数，因此接收电流电流I也是也是的函数，说明的函数，说明接收天线有方向性。接收天线有方向性。由于各元电动势的位置不同，它们在由于各元电动势的位置不同，它们在Z中产生的中产生的电流也不同，因此电流也不同，因此Z中的中的总电流与天线的几何形状及总电流与天线的几何形状及尺寸有关。尺寸有关。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.6.2 用互易原理法分析接收天线用互易原理法分析接收天线线性线性网络网络网络中的互易定理。网络中的互易定理。线性线性网络网络微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回天线天线1为为发射天线发射天线 （1 1）天线天线1受电动势受电动势e1激励时，输入电流为激励时，输入电流为 在接收天线在接收天线2处产生的电场强度为处产生的电场强度为转换转换微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回天线天线2为为发射天线发射天线 （2）天线）天线2受电动势受电动势e2激励时，输入电流为激励时，输入电流为 在接收天线在接收天线1处产生的电场强度为处产生的电场强度为转换转换微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回E12在在Z2中中产生的电流产生的电流仅与天仅与天线线1有关有关仅与天仅与天线线2有关有关微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回接收天线中的感应电动势。接收天线中的感应电动势。E在轴线在轴线上的分量上的分量 对于长为对于长为2l的电基本振子：的电基本振子：电场切向分量为电场切向分量为Esin；归一化方向函数为归一化方向函数为sin；有效长度为有效长度为2l。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 （1）输入阻抗输入阻抗Zin在发射和接收时相同在发射和接收时相同；（2）接收天线的感应电动势和此天线工作于发）接收天线的感应电动势和此天线工作于发射时的方向函数射时的方向函数F()成正比。成正比。若定义接收天线的方向函数是其感应电动势和来若定义接收天线的方向函数是其感应电动势和来波入射方向波入射方向的关系，则天线的的关系，则天线的方向函数在发射和接方向函数在发射和接收时相同收时相同;（3）接收天线有效长度的定义是：接收的电动）接收天线有效长度的定义是：接收的电动势和最大接收方向来波的电场的比值。势和最大接收方向来波的电场的比值。说明说明有效长度在发射和接收时是相同的。有效长度在发射和接收时是相同的。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.6.3 接收天线的等效电路和有效接收面积接收天线的等效电路和有效接收面积接收天线接收天线 ZL=RL+jXL为接收天线的负载阻抗。为接收天线的负载阻抗。通常它是通常它是接接收机或末端接有接收机的馈线的输入阻抗收机或末端接有接收机的馈线的输入阻抗。当负载与天线共轭匹配时，当负载与天线共轭匹配时，RL=Rin，XL=-Xin时负载上获得最大功率，时负载上获得最大功率，微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 共轭匹配时，共轭匹配时，=1；一般情况下；一般情况下1。Rl0是归算于是归算于IA的损耗电阻。的损耗电阻。若天线是无耗的，则最大接收功率为若天线是无耗的，则最大接收功率为Popt称为接收天线的称为接收天线的最佳接收功率。最佳接收功率。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 当天线以最大接收方向对准来波方向时，当天线以最大接收方向对准来波方向时，F()=1。（Ae=D2/4）称为接收天线的有效接收面积（也）称为接收天线的有效接收面积（也称为有效口径）。称为有效口径）。代表接收天线吸取外来电波的能力代表接收天线吸取外来电波的能力。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 对于电流元：对于电流元：D=1.5,Ae=32/8。对于半波振子天线：对于半波振子天线：D=1.64,Ae=0.1322。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.6.4 接收天线的电参数接收天线的电参数 1、效率、效率 定义为：定义为：天线向负载输出的最大功率天线向负载输出的最大功率Pmax和天线和天线最佳接收功率最佳接收功率Popt之比，则之比，则 Rr0和和Rin是同一天线用做发射时归于输入电流的是同一天线用做发射时归于输入电流的辐射电阻和输入电阻。辐射电阻和输入电阻。接收天线的效率等于它用做发射天线时的效率接收天线的效率等于它用做发射天线时的效率。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、方向系数、方向系数 假定从各个方向传来的假定从各个方向传来的电波场强相同，电波场强相同，天线在某天线在某个方向上接收时向负载输出的功率个方向上接收时向负载输出的功率PR与在各个方向接与在各个方向接收时它输入到负载中的功率平均值收时它输入到负载中的功率平均值Pav之比，称为此接之比，称为此接收天线在该方向上的方向系数，则收天线在该方向上的方向系数，则方向系数也与发射天线的完全相同方向系数也与发射天线的完全相同。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 3、增益系数、增益系数 假定从各个方向传来的电波假定从各个方向传来的电波场强相同场强相同，天线在，天线在某某一方向一方向接收时向负载输出的功率和该天线在所有方向接收时向负载输出的功率和该天线在所有方向接收且接收且无耗时无耗时输入到负载中的功率平均值之比，称为输入到负载中的功率平均值之比，称为此此天线在该方向的增益天线在该方向的增益，则，则 结论：同一副天线用做发射和接收时天线结论：同一副天线用做发射和接收时天线电参数是相同的。电参数是相同的。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.6.5 接收天线的方向性与干扰接收天线的方向性与干扰 无线电接收设备的干扰分为无线电接收设备的干扰分为内部噪声内部噪声和和外部干扰。外部干扰。内部噪声内部噪声来源于各种电路、电子管和半导体器件来源于各种电路、电子管和半导体器件以及天线本身的热噪声；以及天线本身的热噪声；外部干扰外部干扰有宇宙噪声、大气噪声以及电气运行产有宇宙噪声、大气噪声以及电气运行产生的噪声等。它们来自四面八方，构成对天线接收的生的噪声等。它们来自四面八方，构成对天线接收的干扰。干扰。若噪声场强为若噪声场强为En0，并假设从各方向传来的干扰场，并假设从各方向传来的干扰场强都相等，则噪声功率为强都相等，则噪声功率为微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 若天线最大接收方向上的场强为若天线最大接收方向上的场强为ES，则接收机输，则接收机输入端的有用信号功率为入端的有用信号功率为 在天线的最大接收方向上在天线的最大接收方向上 要保证正常接收，必须使信号功率和噪声功率的要保证正常接收，必须使信号功率和噪声功率的比值达到一定数值。比值达到一定数值。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 在超短波段，外部干扰场远小于接收机的内部噪在超短波段，外部干扰场远小于接收机的内部噪声电平，如果接收天线的增益较高，则可降低必须的声电平，如果接收天线的增益较高，则可降低必须的信号功率，这时仍能保持一定的信噪比，因此它与信号功率，这时仍能保持一定的信噪比，因此它与D和和A的乘积有密切的关系。的乘积有密切的关系。在长、中波波段，外部干扰电平远大于接收机的在长、中波波段，外部干扰电平远大于接收机的内部噪声电平，天线效率的高低对信噪比并没有什么内部噪声电平，天线效率的高低对信噪比并没有什么影响，此时影响信噪比的主要是方向系数影响，此时影响信噪比的主要是方向系数D。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.6.6 对接收天线方向性的要求对接收天线方向性的要求 对接收天线方向图的要求与该天线的对接收天线方向图的要求与该天线的使用场合有使用场合有关关，从抑制干扰来看，有下面一些要求：，从抑制干扰来看，有下面一些要求：（1）波瓣宽度尽可能窄）波瓣宽度尽可能窄，但这但这要依据工作性质要依据工作性质而定而定。例如通信天线，当来波方向易于变化时，太窄则例如通信天线，当来波方向易于变化时，太窄则很难保证稳定的接收，所以很难保证稳定的接收，所以波瓣太窄是不允许的波瓣太窄是不允许的。如果信号与干扰来自同一方向，即使波瓣很窄，如果信号与干扰来自同一方向，即使波瓣很窄，也没有什么意义。也没有什么意义。因此，因此，采用定向天线来抑制干扰必须是当采用定向天线来抑制干扰必须是当信号方信号方向与干扰方向不同向与干扰方向不同时才有效。时才有效。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）降低边瓣电平。）降低边瓣电平。一般说，当主瓣变窄时，边瓣往往增大。一般说，当主瓣变窄时，边瓣往往增大。如果干扰传来的方向恰与边瓣最大方向相同，即如果干扰传来的方向恰与边瓣最大方向相同，即在此方向上干扰的影响将显著增大。在此方向上干扰的影响将显著增大。对于雷达天线，如果边瓣较大，由主瓣所看到的对于雷达天线，如果边瓣较大，由主瓣所看到的目标可能与由边瓣所看到的目标在显示器上相混淆，目标可能与由边瓣所看到的目标在显示器上相混淆，将主瓣看到的目标掩盖，造成目标失落。将主瓣看到的目标掩盖，造成目标失落。无论在什么场合，都希望无论在什么场合，都希望将边瓣压到最低的程度将边瓣压到最低的程度。（3）要求天线的方向图中最好能有一个或多个）要求天线的方向图中最好能有一个或多个可控制的零值。可控制的零值。这样就可以将此零值对准干扰方向，而且当干扰这样就可以将此零值对准干扰方向，而且当干扰方向变化时，也可随之改变，从而保证可靠的接收。方向变化时，也可随之改变，从而保证可靠的接收。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回4.7 天线阵的方向性、均匀直线阵天线阵的方向性、均匀直线阵 天线阵天线阵是由多个是由多个独立天线独立天线按一定方式排列在一起按一定方式排列在一起组成。组成。目的是为了增强天线的方向性。目的是为了增强天线的方向性。天线阵的辐射由阵内各单元天线的辐射天线阵的辐射由阵内各单元天线的辐射叠加叠加求得。求得。天线阵的方向图必与各单元天线的天线阵的方向图必与各单元天线的形式、相对位形式、相对位置和电流分布有关。置和电流分布有关。天线阵根据其排列方法可分为天线阵根据其排列方法可分为直线阵、平面阵和直线阵、平面阵和立体阵。立体阵。相似天线元：相似天线元：组阵的单元天线有相同的组阵的单元天线有相同的结构形式结构形式、相同的相同的空间取向空间取向、相同的、相同的工作波长工作波长。即各单元天线有即各单元天线有相同的方向图函数。相同的方向图函数。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.7.1 直线阵的辐射场和方向性直线阵的辐射场和方向性 1、直线阵的辐射场、直线阵的辐射场 直线阵是由独立的直线阵是由独立的相似单元天线相似单元天线排列在一条直线排列在一条直线上上构成的天线阵。构成的天线阵。d12cos1微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回=f（）微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 式中式中m1i和和1i是第是第i个单元天线与第个单元天线与第1个单元天线电个单元天线电流的幅度比和相位差。流的幅度比和相位差。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、方向图乘积定理、方向图乘积定理=fa（）=E1=f（）称为称为方向图乘积定理。方向图乘积定理。称为称为单元因子。单元因子。称为称为阵因子。阵因子。方向图乘积定理只适用于相似元组成的天线阵。方向图乘积定理只适用于相似元组成的天线阵。方向图乘积定理只适用于相似元组成的天线阵。方向图乘积定理只适用于相似元组成的天线阵。方向图乘积定理只适用于相似元组成的天线阵。方向图乘积定理只适用于相似元组成的天线阵。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.7.2 均匀直线阵的辐射场和方向性均匀直线阵的辐射场和方向性 均匀直线阵是由均匀直线阵是由n个相似天线元排列成一条直线，个相似天线元排列成一条直线，各天线元各天线元等间距等间距d排列，排列，而且各天线元上而且各天线元上电流的幅度电流的幅度相等相等而而相位依次等量递增相位依次等量递增的直线阵。的直线阵。为天线为天线1在观察点产生的辐射场。在观察点产生的辐射场。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 观察点处，天线观察点处，天线2的辐射波相位比天线的辐射波相位比天线1的相位领的相位领先一个相位先一个相位。=kdcos+为在观察点处，后一天线元的辐射波为在观察点处，后一天线元的辐射波与前一天线元的辐射波的相位差。与前一天线元的辐射波的相位差。kdcos为相邻两天线射线的波程差引起的相位差，为相邻两天线射线的波程差引起的相位差，称为空间相差；称为空间相差；是相邻两天线的电流相位差。是相邻两天线的电流相位差。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 数列数列a1，a1r，a1r2，的和为，的和为与各单元天线电流相位和间距有关。与各单元天线电流相位和间距有关。=kdcos+微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回罗必达法则：罗必达法则：微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 阵因子的归一化方向函数阵因子的归一化方向函数 每个周期内有一个最大值为每个周期内有一个最大值为1的大瓣和（的大瓣和（n-2）个）个小瓣（位于两个大瓣之间）。小瓣（位于两个大瓣之间）。大瓣的宽度是大瓣的宽度是4/n，所有小瓣的宽度都是，所有小瓣的宽度都是2/n。=0的大瓣称为的大瓣称为主瓣主瓣。n越大主瓣越窄，方向性越越大主瓣越窄，方向性越强。强。设主瓣的最大值方向（天线阵最大辐射方向）为设主瓣的最大值方向（天线阵最大辐射方向）为M，则，则 =kdcos+微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 的取值范围是：的取值范围是：0180，对应对应的变化范围是：的变化范围是：-kd+，kd+。天线阵的可见区：天线阵的可见区：=（-kd+）（kd+）范围内）范围内的取值范围。的取值范围。=（-kd+）（kd+）范围外对应的）范围外对应的就不在空就不在空间可见区内，称为非可见区。间可见区内，称为非可见区。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.7.3 几种常见均匀直线阵几种常见均匀直线阵 1、边射直线阵、边射直线阵 最大辐射方向最大辐射方向在垂直于阵直线方向的直线阵称为在垂直于阵直线方向的直线阵称为边射直线阵，即边射直线阵，即M=90的直线阵。的直线阵。即即各单元天线的电流等幅同相各单元天线的电流等幅同相。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、原型端射直线阵、原型端射直线阵 最大辐射方向在阵直线方向的直线阵称为原型端最大辐射方向在阵直线方向的直线阵称为原型端射直线阵，即射直线阵，即M=0或或M=180的直线阵。的直线阵。=-kd（M=0）或或=kd（M=180），），即各电流即各电流元的电流的相位沿最大辐射方向依次滞后元的电流的相位沿最大辐射方向依次滞后kd。=kdcos+微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 3、相位扫描直线阵、相位扫描直线阵 如果如果随时间按一定规律重复变化，天线阵不转随时间按一定规律重复变化，天线阵不转动，最大辐射方向连同整个方向图将在一定空域内往动，最大辐射方向连同整个方向图将在一定空域内往复运行，即实现方向图扫描。复运行，即实现方向图扫描。这种扫描称为这种扫描称为相位扫描相位扫描，相应的天线阵称为相位，相应的天线阵称为相位扫描天线阵或相控阵。扫描天线阵或相控阵。=kdcos+微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 M也与工作频率有关，改变工作频率可以实现方也与工作频率有关，改变工作频率可以实现方向图扫描，称为频率扫描。向图扫描，称为频率扫描。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 4.7.4 栅瓣和间距选择及方向系数栅瓣和间距选择及方向系数 大瓣（最大值）发生在大瓣（最大值）发生在=2m。最大值在最大值在=0的大波瓣称为的大波瓣称为方向图主瓣，方向图主瓣，最大值最大值在其他方向的其它大波瓣称为在其他方向的其它大波瓣称为方向图栅瓣方向图栅瓣。因为因为Fa()的第二个最大值出现在的第二个最大值出现在=kdcos+=2，的取值范围是：的取值范围是：0180，方向图不出现栅瓣，即方向图不出现栅瓣，即-kd+-2kd+2微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 联立求解不等式，得联立求解不等式，得 但但可见区仍可能深入邻近栅瓣区中，使方向图可见区仍可能深入邻近栅瓣区中，使方向图具有大的副瓣。具有大的副瓣。所以，所以，为了消除整个栅瓣，应满足为了消除整个栅瓣，应满足-kd+-（2-0）kd+2-0（0=2/n）为了消除整个栅瓣的间距条件是为了消除整个栅瓣的间距条件是舍去舍去微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 边射阵：边射阵：原型端射阵：原型端射阵：强端射阵：强端射阵：相位扫描阵：相位扫描阵：当当n很大时很大时微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回4.8 二元天线阵二元天线阵 4.8.1 二元天线阵和方向性二元天线阵和方向性 二元天线阵：由两个形式、取向和波长相同的二元天线阵：由两个形式、取向和波长相同的相相似天线元似天线元构成的天线阵列。构成的天线阵列。两单元天线的间距为两单元天线的间距为d。微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 对于均匀直线阵，对于均匀直线阵，即即m=1（等幅分布）、（等幅分布）、n=2，则，则 1、等幅同相（、等幅同相（m=1，=0）微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 【例【例4.4】两个半波对称振子共轴排列，】两个半波对称振子共轴排列，两振子的两振子的电流等幅同相，电流等幅同相，间距为间距为/2。求此二元阵的求此二元阵的E面方向图面方向图函数。函数。解：半波对称振子在解：半波对称振子在E面的方向函数为面的方向函数为 阵因子阵因子微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、等幅反相（、等幅反相（m=1，=）微波技术与天线微波技术与天线上一页上一页下一页下一页返返 回回 3、等幅相位正交（、等幅相位正交（m=1，=/2）