微波技术与天线 第6章.ppt

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1、信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.1第6章 天线辐射与接收的基本理论6.1 概论概论6.2 基本振子的辐射基本振子的辐射6.3 天线的电参数天线的电参数6.4 接收天线理论接收天线理论第第6章天线辐射与接收的基本理论章天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.2第6章 天线辐射与接收的基本理论6.1 概概 论论通信的目的是传递信息,根据传递信息的途径不同,可将通信系统大致分为两大类:一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息,即所谓的有线通信,如电话、计算机局域网等有线通信系统;一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息,即所谓的无线通信,如电视、广播、雷达、

2、导航、卫星等无线通信系统。在如图6-1所示的无线通信系统中,需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波,或者将无线电波转换为导波能量,用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.3第6章 天线辐射与接收的基本理论图61无线电通信系统框图发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线,通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量,并向所需方向辐射出去。到达接收点后,接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量,经馈线输送至接收机输入端。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.4第6章 天线辐射与接收的基本理论天线

3、的基本功能天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统,其次要求天线与发射机或接收机匹配。天线具有方向性:天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上,或对确定方向的来波最大限度的接受,即天线具有方向性。天线能发射或接收规定极化的电磁波,天线有适当的极化。天线应有足够的工作频带工作频带。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.5第6章 天线辐射与接收的基本理论通信的飞速发展对天线提出了许多新的要求,天线的功能也不断有新的突破。除了完成高频能量的转换外,还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理,如信号处理天线、单脉冲天线、自适应天线和智能天线等。1997

4、年以来,第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点,而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技术之一。天线的种类很多，按用途可将天线分为：通信天线广播电视天线雷达天线等信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.6第6章 天线辐射与接收的基本理论按工作波长,可将天线分为：长波天线中波天线短波天线超短波天线微波天线等按辐射元的类型可将天线分为两大类:线天线：所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成,主要用于长波、中波和短波波段;面天线：面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的,主要用于微波波段,超短波波段则两者兼用。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.7第6章 天线辐射与接

5、收的基本理论把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。馈线的形式随频率的不同而分为：双导线传输线同轴线传输线波导微带线等由于馈线系统和天线的联系十分紧密,有时把天线和馈线系统看成是一个部件,统称为天线馈线系统,简称天馈系统。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.8第6章 天线辐射与接收的基本理论天线馈线系统信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.9第6章 天线辐射与接收的基本理论解析法：求解电磁场方程并满足边界条件,但这往往十分繁杂,有时甚至是十分困难的。在实际问题中,往往将条件理想化,进行一些近似处理,从而得到近似结果,这是天线工程中最常用的方法。数值法：在某些情况下,如果需要

6、较精确的解,可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。天线的研究方法天线的研究方法信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.10第6章 天线辐射与接收的基本理论各种类型的天线各种类型的天线信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.11第6章 天线辐射与接收的基本理论手机拉杆电视天线天线无线公话天线天线35厘米卫星天线路由器天线信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.12第6章 天线辐射与接收的基本理论雷达天线阵美军装备的“铺路爪”相控阵雷达小日本的FPS-XX警戒管制雷达美国SBX海基X波段反导雷达AN_FPS-117型远程对空监视雷达信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.13第6章 天线辐

7、射与接收的基本理论美国空军F-15C战斗机装载的(AESA)有源相控阵雷达美军地勤人员检修F-15C战斗机APG-63雷达信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.14第6章 天线辐射与接收的基本理论中国的天线阵？信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.15第6章 天线辐射与接收的基本理论中国空警200型预警机空警200的雷达盘子地空导弹系统的地面制导设备信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.16第6章 天线辐射与接收的基本理论6.2 基本振子的辐射基本振子的辐射1.电基本振子电基本振子电电基基本本振振子子是是一一段段长长度度l远远小小于于波波长长,电电流流I振振幅幅均均匀匀分分布布、相

8、相位位相相同同的的直直线线电电流流元元,它它是是线线天天线线的的基基本本组组成成部部分分,任任意意线线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。下面首先介绍电基本振子的辐射特性。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.17第6章 天线辐射与接收的基本理论图62电基本振子的辐射信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.18第6章 天线辐射与接收的基本理论(6-2-1)式中,，是媒质中电磁波的波数电基本振子的辐射场在电磁场理论中,已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电基本振子(图6-2)在周围空间产生的场为信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.19第6章

9、天线辐射与接收的基本理论(6-2-2)信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.20第6章 天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.21第6章 天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.22第6章 天线辐射与接收的基本理论电基本振子的远区场为对式（6-2-5）进行分析可知:(6-2-5)信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.23第6章 天线辐射与接收的基本理论在远区,电基本振子的场只有和两个分量,它们在空间上相互垂直,在时间上同相位,所以其玻印廷矢量是实数,且指向r方向。这说明电基本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波,所以远区场又

10、称辐射场;/=120（）是一常数,即等于媒质的本征阻抗,因而远区场具有与平面波相同的特性;辐射场的强度与距离成反比,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,辐射能量分布到更大的球面面积上;在不同的方向上,辐射强度是不相等的。这说明电基本振子的辐射是有方向性的。远区场的特点远区场的特点信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.24第6章 天线辐射与接收的基本理论磁基本振子是一个半径为b的细线小环,且小环的周长满足条件：2b)中心馈电的短振子,其电流分布为:,其中I0为输入电流,也等于波腹电流Im试求:短振子的辐射场（电场、磁场）；辐射电阻及方向系数；有

11、效长度。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.62第6章 天线辐射与接收的基本理论图67短振子的辐射信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.63第6章 天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.64第6章 天线辐射与接收的基本理论则因为h,所以F1+F2h因而有令积分信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.65第6章 天线辐射与接收的基本理论辐射功率为将E和H 代入上式,同时考虑到短振子的辐射电阻为方向系数为信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.66第6章 天线辐射与接收的基本理论由此可见：(1)当短振子的臂长h时,电流三角分布时的辐射电阻和方向系数与电流正

12、弦分布的辐射电阻和方向系数相同,也就是说,电流分布的微小差别不影响辐射特性。(2)在在分分析析天天线线的的辐辐射射特特性性时时,当当天天线线上上精精确确的的电电流流分分布布难难以以求求得得时时,可可假假设设为为正正弦弦电电流流分分布布,这这正正是是后后面面对对称称振振子子天天线线的分析基础。的分析基础。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.67第6章 天线辐射与接收的基本理论现在我们来讨论其有效长度。根据有效长度的定义,归于输入点电流的有效长度为这就是说,长度为2h、电流不均匀分布的短振子在最大辐射方向上的场强与长度为h、电流为均匀分布的振子在最大辐射方向上的场强相等,如图6-8所示。由于

13、输入点电流等于波腹点电流,所以归于输入点电流的有效长度等于归于波腹点电流的有效长度，但一般情况下是不相等的。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.68第6章 天线辐射与接收的基本理论图图 6 8 天线的有效长度天线的有效长度信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.69第6章 天线辐射与接收的基本理论6.4 接收天线理论接收天线理论1.天线接收的物理过程及收发互易性天线接收的物理过程及收发互易性图6-9所示为一接收天线，它处于外来无线电波Ei的场中,发射天线与接收天线相距甚远,因此,到达接收天线上各点的波是均匀平面波。设入射电场可分为两个分量:一个是垂直于射线与天线轴所构成平面的分量E1,

14、另一个是在上述平面内的分量E2。只只有有沿沿天天线线导导体体表表面面的的电电场场切切线线分分量量Ez=E2sin才才能能在在天天线线上上激激起起电电流流,在这个切向分量的作用下,天线元段dz上将产生感应电动势 =-Ezdz。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.70第6章 天线辐射与接收的基本理论2lqqEiEiE1EzE2dzz图69天线接收原理信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.71第6章 天线辐射与接收的基本理论设在入射场的作用下,接收天线上的电流分布为I(z),并假设电流初相为零,则接收天线从入射场中吸收的功率由上述分析得整个天线吸收的功率为式中,因子ejkzcos是入射场到

15、达天线上各元段的波程差。根据电磁场的边值理论,天线在接收状态下的电流分布应和发射时相同。因此假设接收天线的电流分布为I(z)=Im sink(l-|z|)（6-4-1）（6-4-2）信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.72第6章 天线辐射与接收的基本理论因此接收天线输入电动势为根据上节有效长度的定义,有将式（6-4-5）代入式（6-4-4）得接收天线的表达式为（6-4-3）（6-4-4）（6-4-5）则根据式（6-4-1）得接收功率为信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.73第6章 天线辐射与接收的基本理论E=E2heinF()=EicosheinF()式中,是入射场Ei与的夹角;是

16、方向角的单位矢量；hein是接收天线归于输入电流的有效长度。F()是接收天线的归一化方向函数,它等于天线用作发射时的方向函数。可见,接收电动势E和天线发射状态下的有效长度成正比,且具有与发射天线相同的方向性。如果假设发射天线的归一化方向函数为F(i),最大入射场强为|Ei|max,则接收天线的接收电动势为E=|Ei|maxF(i)cosheinF(i)（6-4-6）（6-4-7）信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.74第6章 天线辐射与接收的基本理论当两天线极化正交时,=90,=0,天线收不到信号。上述分析清楚地介绍了接收的物理过程并得出了方向性收发互易的结论。天线接收的功率可分为三部分

17、，即P=P+PL+Pl(6-4-8)其中,P为接收天线的再辐射功率;PL为负载吸收的功率;Pl为导线和媒质的损耗功率。接收天线的等效电路如图6-10所示。图中Z0为包括辐射阻抗Z0和损耗电阻Rl0在内的接收天线输入阻抗,ZL是负载阻抗。可见在接收状态下,天线输入阻抗相当于接收电动势的内阻抗。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.75第6章 天线辐射与接收的基本理论图610天线的等效电路信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.76第6章 天线辐射与接收的基本理论2.有效接收面积有效接收面积有有效效接接收收面面积积是是衡衡量量一一个个天天线线接接收收无无线线电电波波能能力力的的重重要要指指标

18、标。它它的的定定义义为为:当当天天线线以以最最大大接接收收方方向向对对准准来来波波方方向向进进行行接接收收时时,接接收收天天线线传传送送到到匹匹配配负负载载的的平平均均功功率率为为PLmax,并并假假定定此此功功率率是是由由一一块块与与来来波波方方向向相相垂垂直直的的面面积积所所截截获获,则则这这个个面面积积就称为接收天线的有效接收面积就称为接收天线的有效接收面积,记为记为Ae,即有式中,Sav为入射到天线上电磁波的时间平均功率流密度，其值为（6-4-9）（6-4-10）信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.77第6章 天线辐射与接收的基本理论根据图6-10接收天线的等效电路,传送到匹配负

19、载的平均功率（忽略天线本身的损耗）为当天线以最大方向对准来波方向时,接收电动势为将上述各式代入式（6-4-9）有所以有（6-4-11）（6-4-12）（6-4-13）（6-4-14）信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.78第6章 天线辐射与接收的基本理论可见,如果已知天线的方向系数,就可知道天线的有效接收面积。例如,电基本振子的方向系数为D=1.5,Ae=0.122。如果考虑天线的效率,则有效接收面积为将天线的方向系数公式代入上式得天线的有效接收面积为（6-4-15）（6-4-16）（6-4-17）信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.79第6章 天线辐射与接收的基本理论3.等效噪声

20、温度等效噪声温度接接收收天天线线的的等等效效噪噪声声温温度度是是反反映映天天线线接接收收微微弱弱信信号号性性能能的的重重要要电电参参数数。在卫星通信、射电天文和超远程雷达及微波遥感等设备中,由于作用距离甚远,所以接收的信号电平很低,此时用方向系数已不能判别天线性能的优劣,而必须以天线输送给接收机的信号功率与噪声功率之比来衡量天线的性能。等效噪声温度即是表征天线向接收机输送噪声功率的参数。等效噪声温度即是表征天线向接收机输送噪声功率的参数。接收天线把从周围空间接收到的噪声功率送到接收机的过程类似于噪声电阻把噪声功率输送给与其相连的电阻网络。因此接收天线等效为一个温度为Ta的电阻,天线向与其匹配的

21、接收机输送的噪声功率Pn就等于该电阻所输送的最大噪声功率,即信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.80第6章 天线辐射与接收的基本理论式中,Kb=1.3810-23(J/K)为波耳兹曼常数,而f为与天线相连的接收机的带宽。噪声源分布在天线周围的空间,天线的等效噪声温度为式中,T(,)为噪声源的空间分布函数；F(,)为天线的归一化方向函数。显然,Ta愈高,天线送至接收机的噪声功率愈大,反之愈小。Ta取决于天线周围空间的噪声源的强度和分布,也与天线的方向性有关。（6-4-18）（6-4-19）信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.81第6章 天线辐射与接收的基本理论为了减小通过天线而送入接

22、收机的噪声,天线的最大辐射方向不能对准强噪声源,并应尽量降低旁瓣和后瓣电平。4.接收天线的方向性接收天线的方向性从以上分析可以看出,收、发天线互易。也就是说,对发射天线的分析,同样适合于接收天线。但从接收的角度讲,要保证正常接收,必须使信号功率与噪声功率的比值达到一定的数值。为此,对接收天线的方向性有以下要求:主主瓣瓣宽宽度度尽尽可可能能窄窄,以以抑抑制制干干扰扰。但如果信号与干扰来自同一方向,即使主瓣很窄,也不能抑制干扰;另一方面,当来波方向易于变化时,主瓣太窄则难以保证稳定的接收。因此,如何选择主瓣宽度,应根据具体情况而定。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.82第6章 天线辐射与接

23、收的基本理论 旁旁瓣瓣电电平平尽尽可可能能低低。如果干扰方向恰与旁瓣最大方向相同,则接收噪声功率就会较高,也就是干扰较大;对雷达天线而言,如果旁瓣较大,则由主瓣所看到的目标与旁瓣所看到的目标会在显示器上相混淆,造成目标的失落。因此,在任何情况下,都希望旁瓣电平尽可能的低。天天线线方方向向图图中中最最好好能能有有一一个个或或多多个个可可控控制制的的零零点点,以便将零点对准干扰方向,而且当干扰方向变化时,零点方向也随之改变,这也称为零点自动形成技术。信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.83第6章 天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.84第6章 天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.85第6章 天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.86第6章 天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.87第6章 天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.88第6章 天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.89第6章 天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.90第6章 天线辐射与接收的基本理论信息科学与工程学院孔繁敏Email:No.91第6章 天线辐射与接收的基本理论