《微波技术与天线》第8章课件.ppt

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1、微波技术与天线第8章8.1 对称振子天线对称振子天线则细振子天线的辐射场为则细振子天线的辐射场为（8-1-4）（8-1-5）|F()|是对称振子的是对称振子的E面方向函数面方向函数式中,当电长度趋近于当电长度趋近于3/23/2时时,天线的最大辐射方向将偏离天线的最大辐射方向将偏离90,90,而当电长度趋近于而当电长度趋近于2 2时时,在在=90=90平面内就没有辐射了。平面内就没有辐射了。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静化简后得化简后得 根据式（根据式（6-3-7）,对称振子的辐射功率为对称振子的辐射功率为（8-1-6）（8-1-7）（8-1-8）（8-1-7）（8-1-8）

2、（8-1-7）对称振子的辐射电阻为对称振子的辐射电阻为对称振子的辐射电阻与对称振子的辐射电阻与h/的关系曲线的关系曲线h=2h/=/2即得半波振子的即得半波振子的E面方向图函数为面方向图函数为 R=73.1()（8-1-9）（8-1-10）2.2.半波振子的辐射电阻及方向性半波振子的辐射电阻及方向性 D=1.64 主瓣宽度为78 1)特性阻抗特性阻抗 由传输线理论知由传输线理论知,均匀双导线传输线的特性阻抗沿线不变均匀双导线传输线的特性阻抗沿线不变,取取 r=1，则，则 D D为两导线间距；为两导线间距；a a为导线半径为导线半径。而对称振子两臂上对应元之间的距离是可调的而对称振子两臂上对应元

3、之间的距离是可调的,设对应元之间的距离为设对应元之间的距离为2z,则对称振子在则对称振子在z处的特性阻抗为处的特性阻抗为(8-1-12)(8-1-13)式中式中,a为对称振子的半径。为对称振子的半径。2.2.振子天线的输入阻抗振子天线的输入阻抗将将Z0(z)沿沿z轴取平均值即得对称振子的平均特性阻抗轴取平均值即得对称振子的平均特性阻抗 :式中式中,2,2为对称振子馈电端的间隙。为对称振子馈电端的间隙。可见可见,随随h/a变化而变化变化而变化,在在h一定时一定时,a越大越大,则则 越小。越小。(8-1-14)双线传输线几乎没有辐射双线传输线几乎没有辐射,而对称振子是一种辐射器而对称振子是一种辐射

4、器,它它相当于具有损耗的传输线。相当于具有损耗的传输线。根据传输线理论根据传输线理论,长度为长度为h h的有耗的有耗线的输入阻抗为线的输入阻抗为 式中式中,Z Z0 0为有耗线的特性阻抗为有耗线的特性阻抗;和和分别为对称振子上等效分别为对称振子上等效衰减常数和相移常数。衰减常数和相移常数。(8-1-15)2)对称振子上的输入阻抗对称振子上的输入阻抗对对于于对对称称振振子子而而言言,损损耗耗是是由由辐辐射射造造成成的的,所所以以对对称称振振子子的的单单位位长长度度电电阻阻即即是是其其单单位位长长度度的的辐辐射射电电阻阻,记记为为R R11,根根据据沿沿线线的的电电流流分分布布I I(z z),)

5、,可可求求出出整整个个对称振子的等效损耗功率为对称振子的等效损耗功率为(1)对称振子上的等效衰减常数对称振子上的等效衰减常数对称振子的辐射功率为对称振子的辐射功率为R R1 1为传输线的单位长度电阻为传输线的单位长度电阻(8-1-16)有耗传输线的衰减常数有耗传输线的衰减常数为为:(8-1-17)PL=P 由传输线理论可知由传输线理论可知,有耗传输线的相移常数有耗传输线的相移常数为为导导线线半半径径a a越越大大,L L1 1越越小小,相相移移常常数数和和自自由由空空间间的的波波数数k k=2/=2/相相差差就就越越大大,令令n n1 1=/k k,由由于于一一般般情情况况下下L L1 1的的

6、计计算算非非常常复复杂杂,因因此此n n1 1通常由实验确定。通常由实验确定。(8-1-22)(2）对称振子的相移常数对称振子的相移常数R R1 1和和L L1 1分别是对称振子单位长度的电阻和电感分别是对称振子单位长度的电阻和电感n1=/k与与h/的关系曲线的关系曲线 对对称称振振子子上上的的相相移移常常数数大大于于自自由由空空间间的的波波数数k,k,亦亦即即对对称称振振子子上上的的波波长长短短于于自自由由空空间间波波长长,这这是是一一种种波波长长缩缩短短现现象象,故故称称n n1 1为波长缩短系数。为波长缩短系数。式中式中,和和a a分别为自由空间和对称振子上的波长分别为自由空间和对称振子

7、上的波长(8-1-23)造成上述波长缩短现象的主要原因有造成上述波长缩短现象的主要原因有:对对称称振振子子辐辐射射引引起起振振子子电电流流衰衰减减,使使振振子子电电流流相相速速减减小小,相移常数相移常数大于自由空间的波数大于自由空间的波数k k,致使波长缩短致使波长缩短;由由于于振振子子导导体体有有一一定定半半径径,末末端端分分布布电电容容增增大大（称称为为末末端端效效应应）,末末端端电电流流实实际际不不为为零零,这这等等效效于于振振子子长长度度增增加加,因因而而造造成成波波长长缩缩短短。振振子子导导体体越越粗粗,末末端端效效应应越越显显著著,波波长长缩缩短短越严重越严重。对称振子的输入阻抗与

8、对称振子的输入阻抗与h h/的关系曲线的关系曲线 对称振子的输入阻抗很繁琐对称振子的输入阻抗很繁琐,对于半波振子对于半波振子,在工程上可在工程上可按下式作近似计算按下式作近似计算:例例设对称振子的长度为2h=1.2(m),半径a=10(mm),工作 频率为f=120(MHz),试近似计算其输入阻抗。所以所以查图 8-4 得R=65 解解:对称振子的工作波长为对称振子的工作波长为对称振子的平均特性阻抗为对称振子的平均特性阻抗为由h/a=60查图 8-6 得 n1=1.04相移常数为相移常数为 将以上R、及一并代入输入阻抗公式，即 8.2 阵列天线阵列天线设设天天线线阵阵是是由由间间距距为为d d

9、并并沿沿x x轴轴排排列列的的两两个个相相同同的的天天线线元元所所组组成成,假假设设天天线线元元由由振振幅幅相相等等的的电电流流所所激激励励,天天线线元元2 2的的电电流流相相位位超超前前天天线线元元1 1的的角角度度为为,它它们们的远区电场是沿的远区电场是沿方向的方向的,于是有于是有 1.1.二元天线阵二元天线阵F(,)是是各各天天线线元元本本身身的的方方向向图图函函数数；Em是是电电场场强强度度振振幅幅。将将上上面面两两式式相相加得二元阵的辐射场为加得二元阵的辐射场为r2=r1-dsincos(8-2-3)基于基于得得二元阵辐射场的电场强度模值为二元阵辐射场的电场强度模值为（1）元因子表示

10、组成天线阵的单个辐射元的方向图函数元因子表示组成天线阵的单个辐射元的方向图函数,其值其值 仅取决于天线元本身的类型和尺寸。它体现了天线元的仅取决于天线元本身的类型和尺寸。它体现了天线元的 方向性对天线阵方向性的影响。方向性对天线阵方向性的影响。结论：结论：（3）在各天线元为相似元的条件下在各天线元为相似元的条件下,天线阵的方向图函数是单天线阵的方向图函数是单 元因子与阵因子之积。元因子与阵因子之积。这个特性称为方向图乘积定理。这个特性称为方向图乘积定理。（2）阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性,其值取其值取 决于天线阵的排列方式及其天线元上激励

11、电流的相对振决于天线阵的排列方式及其天线元上激励电流的相对振 幅和相位幅和相位,与天线元本身的类型和尺寸无关。与天线元本身的类型和尺寸无关。天线阵由两个沿沿x轴排列且平行于轴排列且平行于z轴放置的半波振轴放置的半波振子所组成,二元阵的电场强度模值:令=0,即得二元阵的E面方向图函数:令=/2，得到二元阵的H面方向图函数:二元阵的二元阵的E面和面和H面的方向图函数与单个半波振子是不同面的方向图函数与单个半波振子是不同的的,特别在特别在H面面,由于单个半波振子无方向性由于单个半波振子无方向性,天线阵天线阵H面方向面方向函数完全取决于阵因子。函数完全取决于阵因子。例例 画出两个沿画出两个沿x x方向

12、排列间距为方向排列间距为/2/2且平行于且平行于z z轴放轴放 置的振子天线在等幅同相激励时的置的振子天线在等幅同相激励时的H H面方向图。面方向图。解解:由题意知由题意知,d=/2,=0,将其代入式（将其代入式（8-2-11）,H面面 方向图得到二元阵的方向图得到二元阵的H面方向图函数为面方向图函数为 最大辐射方向在垂直于天线阵轴（即最大辐射方向在垂直于天线阵轴（即=/2）方向。最大）方向。最大辐射方向在垂直于阵轴方向的天线阵称为边射式直线阵。这是辐射方向在垂直于阵轴方向的天线阵称为边射式直线阵。这是由于在垂直于天线阵轴（即由于在垂直于天线阵轴（即=/2）方向）方向,两个振子的电场正好两个振

13、子的电场正好同相相加同相相加,而在而在=0和和=方向上方向上,由天线元的间距所引入的波程由天线元的间距所引入的波程差为差为/2,相应的相位差为相应的相位差为180,致使两个振子的电场相互抵消致使两个振子的电场相互抵消,因因而在而在=0和和=方向上辐射场为零。方向上辐射场为零。结论：结论：解解:由题意知由题意知,d=/2,=,将其代入式（将其代入式（8-2-11）,得到得到 二元阵的二元阵的H面方向图函数为面方向图函数为 例例画出两个沿画出两个沿x x方向排列间距为方向排列间距为/2/2 且平行于且平行于z z轴放置的轴放置的 振子天线在等幅反相激励时的振子天线在等幅反相激励时的H H面方向图。

14、面方向图。等幅反相二元阵等幅反相二元阵(端射阵端射阵)例例画画出出两两个个平平行行于于z轴轴放放置置且且沿沿x方方向向排排列列的的半半波波振振子子,在在d=/4、=-/2时的时的H面和面和E面方向图面方向图。解解:将将d=/4、=-/2 代入式（代入式（8-2-11），得到），得到H面方向图函数为面方向图函数为 将将d=/4、=/2代入式（代入式（8-2-10），得到，得到E面方向图函数为面方向图函数为天线阵的天线阵的H面方向图面方向图天线阵的天线阵的E面方向图面方向图 单单个个振振子子的的零零值值方方向向在在=0和和=180处处,阵阵因因子子的的零零值值在在=270处处,所所以以阵阵方方向向

15、图图共共有有三三个个零零值值方方向向,即即=0、=180、=270,阵方向图包含了一个主瓣和两个旁瓣。阵方向图包含了一个主瓣和两个旁瓣。结论：结论：例例 由三个间距为由三个间距为/2的各向同性元组成的三元阵的各向同性元组成的三元阵,各元激励的相位各元激励的相位相同相同,振幅为振幅为1 2 1,试讨论这个三元阵的方向图。试讨论这个三元阵的方向图。（8-2-16）解解:这个三元阵可等效为由两个间距为这个三元阵可等效为由两个间距为/2的二元阵组成的二元阵的二元阵组成的二元阵,元因子元因子和阵因子均是一个二元阵和阵因子均是一个二元阵,元因子、阵因子均由式（元因子、阵因子均由式（8-2-12）给出。）给

16、出。根根据方向图乘积定理，可得三元阵的据方向图乘积定理，可得三元阵的H面方向图函数为面方向图函数为三元二项式阵的三元二项式阵的H H面方向图面方向图（1 1）将将其其与与二二元元阵阵的的方方向向图图比比较较,显显然然三三元元边边射射阵阵的的方方向向图图较尖锐较尖锐,即方向性强些即方向性强些,但两者的方向图均无旁瓣。但两者的方向图均无旁瓣。（2 2）上上述述三三元元阵阵是是天天线线阵阵的的一一种种特特殊殊情情况况,即即这这种种天天线线阵阵没没有有旁旁瓣瓣,称称为为二二项项式式阵阵。在在N N元元二二项项式式阵阵中中,天天线线元元上上电电流流振振幅幅是是按按二二项项式式展展开开的的系系数数 分分布

17、布的的,其其中中n n=0,=0,1,1,N-N-1 1。结论：结论：2.均匀直线阵均匀直线阵均匀直线阵均匀直线阵类似二元阵的分析，可得类似二元阵的分析，可得N元均匀直线的辐射场元均匀直线的辐射场：（8-2-17）令令=/2,得到得到H平面方向图函数即阵因子方向函数为平面方向图函数即阵因子方向函数为式中（8-2-18）（8-2-19）式（式（8-2-18）右边的多项式是一等比级数）右边的多项式是一等比级数,其和为其和为（8-2-20）图图 8 16 五元阵的归一化阵因子图五元阵的归一化阵因子图 例例 8-6间距为/2的十二元均匀直线阵(图 8-17):求归一化阵方向函数;求边射阵的主瓣零功率波

18、 瓣宽度和第一旁瓣电平,并画出方向图;此天线阵为端射阵时,求主瓣的零功率波瓣宽 度和第一旁瓣电平,并画出方向图。解解:十二元均匀直线阵函数为其中：=kd cos+其第一零点发生在将阵间距d=/2代入上式得 =cos+图 8 18 十二元均匀边射阵方向图 对于端射阵,=,所以,=cos-。第一零点的位置为 主瓣零功率波瓣宽度为第一旁瓣电平为 20 lg 0.212=13.5 dB 可见,十二元均匀直线阵的第一旁瓣电平（13.5dB）比五元均匀直线阵的第一旁瓣电平（12dB）仅降低了1.5dB。图 8 19 十二元均匀端射阵方向图8.3 8.3 直立振子天线与水平振子天线直立振子天线与水平振子天线

19、直立振子天线与水平振子天线直立振子天线与水平振子天线1.直立振子天线直立振子天线 垂直于地面或导电平面架设的天线称为直立振子天线垂直于地面或导电平面架设的天线称为直立振子天线,它它广泛地应用于长、中、短波及超短波波段。广泛地应用于长、中、短波及超短波波段。2.水平振子天线水平振子天线 水平振子天线经常应用于短波通信、水平振子天线经常应用于短波通信、电视或其它无线电电视或其它无线电系统中系统中,这主要是因为这主要是因为:水平振子天线架设和馈电方便水平振子天线架设和馈电方便;地面电导率的变化对水平振子天线的影响较直立天线小地面电导率的变化对水平振子天线的影响较直立天线小;工业干扰大多是垂直极化波工

20、业干扰大多是垂直极化波,因此用水平振子天线可减小因此用水平振子天线可减小 干扰对接收的影响干扰对接收的影响水平振子天线结构 引向天线又称八木天线引向天线又称八木天线,由一个有源振子及若干个无源由一个有源振子及若干个无源振子组成。在无源振子中较长的一个为反射器振子组成。在无源振子中较长的一个为反射器,其余均为引其余均为引向器向器,它广泛地应用于米波、分米波波段的通信、雷达、电它广泛地应用于米波、分米波波段的通信、雷达、电视及其它无线电系统中。视及其它无线电系统中。引向天线引向天线移动通信基站天线移动通信基站天线 移动通信是指通信双方至少有一方在移动中进行信息传输和交换。其通信的运行环境十分复杂,

21、多径效应、衰落现象及传输损耗等都比较严重;而且移动通信的用户由于受使用条件的限制,只能使用结构简单、小型轻便的天线。为尽可能避免地形、地物的遮挡,天线应架设在很高的地 方,这就要求天线有足够的机械强度和稳定性;为使用户在移动状态下使用方便,天线应采用垂直极化;根据组网方式的不同,如果是顶点激励,采用扇形天线;如果是中心激励,采用全向天线;为了节省发射机功率,天线增益应尽可能的高;为了提高天线的效率及带宽,天线与馈线应良好地匹配。螺螺旋旋天天线线是是用用导导电电性性良良好好的的金金属属做做成成的的螺螺旋旋形形导导线线天天线线,常常用用同同轴轴线线激激励励,同同轴轴线线外外导导体体张张开开为为反反

22、射射屏屏。螺螺旋旋天天线线可可工工作作于于多多种种模模式式,但但在在超超高高频频波波段段,最最为为常常用用的的是是轴轴向向辐辐射射的的工工作作模模式式,讨讨论论螺螺旋旋天天线线为为辐辐射射场场时时,不不能能只只讨讨论论E E分分量量了了,这这是是因因为为波波源源分分布布在在立立体体的的螺螺旋旋线线上上,它它的的辐辐射射场场既既有有E E分分量还有量还有E E分量分量(E(Er r分量可忽略分量可忽略)。螺旋天线螺旋天线 菱菱形形天天线线是是现现代代短短波波通通信信中中使使用用最最广广,最最主主要要的的定定向向天天线线。它它是是由由一一个个水水平平菱菱形形导导线线悬悬挂挂在在四四根根支支柱柱上上

23、形形成成的的。在在菱菱形形的的一一个个锐锐角角上上接接入入电电源源,另另一一个个锐锐角角接接入入与与菱菱形形特特性性阻阻抗抗相相等等的的电电阻阻,这这便便构构成成了了行行波波天天线线。其其最最大大辐辐射射方方向向在在通通过过菱菱形形两两锐锐角角顶顶点点的的垂直平面内。垂直平面内。引引向向反反射射天天线线又又称称为为波波渠渠天天线线,它它是是由由一一根根有有源源振振子子和和几几根根无无源源振振子子组组成成的的。其其中中1 1为为支支撑撑杆杆,2,2为为反反射射器器,3,3为为有有源源振振子子,4,4为为馈馈线线,5,5为为三三元元引引向向器器。它它的的优优点点是是结结构构简简单单,馈馈电电方方便便,体体积积不不大大且且便便于于转转动动等等,缺缺点点是是调调整整和和匹匹配配困困难难,频频带带较较窄窄。引向反射天线引向反射天线 微微波波波波长长短短,经经常常采采用用根根据据反反射射、折折射射和和绕绕射射原原理理所所构构成成的口径面天线的口径面天线,如喇叭天线、透镜天线和反射面天线。如喇叭天线、透镜天线和反射面天线。微波天线微波天线MMDSA型微波天线MMDSC型微波天线