天线原理--天线基本参数.pptx

天线与微波技术国防科技重点实验室西安电子科技大学第三章 天线基本参数西安电子科技大学第三章 天线基本参数 u1、方向性函数u2、方向图（Radiation Pattern）u3、方向图参数u4、方向系数（Directivity）u5、天线效率u6、增益（Gain）u7、极化（Polarization）u8、有效长度u9、输入阻抗（Input Impedance）u10、辐射阻抗（Radiation Resistance）u11、频带宽度（Bandwidth)西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线方向图的定义：天线方向图的定义：天线辐射方向图或天线方向图定义为“天线的辐射参量随空间坐标的变化图形”，辐射参量包括天线辐射的功率通亮密度、场强、相位和极化。通常天线方向图在远场区确定，并表示为空间方向坐标的函数方向（图）函数，此时方向图的形状就与距离无关。一般我们最关心的是功率方向图功率方向图和场强方向图场强方向图。辐射方向图西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.1 方向性函数方向性函数 任何天线辐射的电磁波都不是均匀平面波，其辐射场都具有方向性。所谓的方向性函数，就是在相同距离的条件下天线的辐射场的相对值与空间方向 的关系，一般用 来表示。天线在空间任意方向 的电场强度 的大小可以表示为：与方向无关的常数与方向无关的常数就是场强方向图函数，并且只是 的函数西安电子科技大学第三章 天线基本参数 方向性函数定义为：以基本电振子为例，其辐射电场强度可以表示成：分量表达式对称振子的方向图函数为对称振子的方向图函数为 西安电子科技大学第三章 天线基本参数 为便于比较，通常采用归归一一化化方方向向性性函函数数 来表示，即：对于一个理想的点源，其辐射场是无方向性的，在相同距离处，任任何何方方向向场场强强大大小小均均相相等等，归归一一化化方方向向性性函函数数 。基本电振子的归一化方向性函数为：基本振子西安电子科技大学第三章 天线基本参数 归一化功率方向图归一化功率方向图功率通量密度功率通量密度 也就是复坡印廷矢量的幅值也就是复坡印廷矢量的幅值显然可得功率归一化方向图与场强归一化方向图的关系：显然可得功率归一化方向图与场强归一化方向图的关系：西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.2 方向图（方向图（Radiation Pattern）将方向性函数以曲线方式描绘出来，称之为方向图。它是描述天线辐射场在空间相对分布随方向辐射场在空间相对分布随方向 变化变化的图形。通常指归一化方向图。1.方向图分类三维方向图 二维方向图 极坐标方向图 直角坐标方向图 主平面：E面方向图、面方向图、H面方向图面方向图幅度分贝球坐标方向图 直角坐标方向图 西安电子科技大学第三章 天线基本参数 2.立体方向图（三维）变化 和 得到的方向图为立体方向图，它综合描述了天线在各个方向上的辐射情况。下图是基本电振子的立体方向图。基本电振子的3D方向图半波对称振子与基本电振子的方向图区别？(a)7元八木天线(b)三维球坐标 场强方向图(c)三维直角坐标 场强方向图西安电子科技大学第三章 天线基本参数 基本电振子的3D方向图(a)7元八木天线(b)三维球坐标 场强方向图(c)三维直角坐标 场强方向图西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.E面、面、H面方向图面方向图 E面包含最大辐射方向最大辐射方向的电场矢量电场矢量所在的平面。用E面去截取立体方向图，则得到E面方向图面方向图。H面包含最大辐射方向最大辐射方向的磁场矢量磁场矢量所在的平面。用H面去截取立体方向图，则得到H面方向图面方向图。圆极化天线没圆极化天线没有有E面和面和H面面？对于基本电振子，E面是包含z轴的任一平面，例如XOZ平面，此面上 ，方向函数为 。而H面为XOY 平面，此面上 ，方向函数为 。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.3 方向图参数方向图参数 实际天线或者阵列天线的方向图比较复杂，通常有多个波瓣，包括主主瓣瓣（主波束）、多个副副瓣瓣（旁瓣）和后后瓣瓣（尾瓣），如图所示。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 1.半功率波瓣宽度（Half-power Beamwidth）半功率波瓣宽度又称主瓣宽度或3dB波瓣宽度，是指主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707倍（最大功率密度下降一半）的两辐射方向之间的夹角，通常用 表示。3.副瓣电平（Side Lobe Level）定义：副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般用分贝表示，即：2.零功率波瓣宽度（First Null Beamwidth）主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角，通常用 表示。主瓣宽度又称为半功率波束宽度或3dB波束宽度。一般情况下，天线的E面和H面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为20.5E和20.5H。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 通常，最靠近主瓣的第一个副瓣是所有副瓣中最大的，为衡量辐射功率集中于主瓣的程度，引入第一副瓣电平（First Side Lobe Level）的概念，它是第一副瓣最大值与主瓣最大值之比。副瓣电平通常指第一副瓣电平。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。因此，在天线设计中常有低副瓣设计要求如基站的上旁瓣、雷达天线。4.前后比 主瓣最大值与后瓣最大值之比，用分贝表示。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 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(a)；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，见下图(b)；对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束。(a)水平全向方向图(b)笔形波束方向图(c)余割平方波束方向图 西安电子科技大学第三章 天线基本参数 基站板状天线基本技术指标：基站板状天线基本技术指标：频率范围频率范围824-960 MHz频带宽度频带宽度70MHz增益增益14 17 dBi极化极化垂直垂直端口阻抗端口阻抗50 Ohm电压驻波比电压驻波比 1.4前后比前后比25dB下倾角（可调）下倾角（可调）3 8 半功率波束宽度半功率波束宽度水平面水平面 60 120 垂直面垂直面 16 8 垂直面上旁瓣抑制垂直面上旁瓣抑制 -12 dB西安电子科技大学第三章 天线基本参数 立体角单位，立体弧度球面的面积 对应的立体角为4sr。在球坐标系中，球面的面积元：所对应的立体角元：天线在某方向的辐射强度是该方向单位立体角的辐射功率天线在某方向的辐射强度是该方向单位立体角的辐射功率。3.4 3.4 方向系数（方向系数（DirectivityDirectivity）辐射强度U(,)定义：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。它是一个远场远场参数。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 半径为r的球面面积为S=4r2，其立体角为=4，在给定方向上的辐射强度U(,)表示为 由定义：所有立体角上的辐射功率，即为西安电子科技大学第三章 天线基本参数 复坡印亭矢量流出的总功率平均辐射强度：理想点源天线的辐射强度与方向角无关。即U0(0,0)=U0，它可由所讨论天线在4 4立立体体角角内内辐辐射射功率的平均值功率的平均值来表示，即 天线的辐射功率西安电子科技大学第三章 天线基本参数 方向性系数是用来表征天线辐射能量集中程度表征天线辐射能量集中程度的一个参数。在相同辐射功率相同辐射功率Pr条件下，某天线在给定方向的辐射强度U(0,0)与理想点源天线在同一方向的辐射强度U0(0,0)之比(平均辐射强度)。即 由式可见，辐射强度与电场强度的平方成正比，因此上式也可以表述为 (相同Pr)(相同Pr)式中，E(0,0)为天线在指定方向上的电场强度，E0为理想点源天线在同一方向的电场强度。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 为波束立体角波束立体角,定义为定义为:波束立体角就是这样一个立体角，假如单位立体角的功率(辐射强度)等于波束区的最大值,全部功率将会从该立体角中辐射出去。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 通过把辐射功率指向预期方向，可将该方向的辐射强度比同样功率用于各向同性时增加D倍。方向性完全取决于方向图的形状方向性完全取决于方向图的形状。方向图系数是空间坐标空间坐标的函数。一般方向系数指最大辐射方向最大辐射方向的方向系数。方向性系数方向性系数西安电子科技大学第三章 天线基本参数 可以得到计算方向系数的公式为：任一方向上的方向系数与最大方向系数的关系：方向系数与波束宽度之间的关系：（条件 ）无方向性天线的方向系数为多少?主瓣越窄，方主瓣越窄，方向系数越大向系数越大D=1西安电子科技大学第三章 天线基本参数 通信距离与场强的关系通信距离与场强的关系天线的方向性为(最大方向的方向性系数)可得出通信距离与场强的关系所以，任意方向的场强也可求出来例例：发射天线工作频率1GHz，辐射功率为30W，方向系数为2，在距天线1km远处空间电场强度的大小为0.06V/m；若将天线的辐射功率提高到60W，则电场强度的大小增加 3dB。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 方向性系数是无量纲的量，工程上一般采用分贝分贝表示 (dB)dBm dBi dBd dB dBc区别dBm是一个考征功率绝对值的值计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。例 2 对 于 40W的 功 率，按 dBm单 位 进 行 折 算 后 的 值 应 为：10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。例1 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm西安电子科技大学第三章 天线基本参数 dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子天线，所以两者略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出要大2.15，即 dBi=dBd+2.15。例3 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi.例4 0dBd=2.15dBi。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 dB 是一个表征相相对对值值的值，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时,按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）例6 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。例7 7/8 英寸馈线的100米传输损耗约为3.9dB。例8 如果甲的功率为46dBm，乙的功率为40dBm，则可以说，甲比乙大6 dB。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 dBc，它也是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方 法 完 全 一 样。一 般 来 说，dBc 是 相 对 于 载 波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰等干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外）以及耦合、杂散等的相对量值。在采用dBc的地方，原则上也可以使用dB替代。dB只是表示一个比值,并不是功率增益的单位。dBic dB(isotropic circular)正向天线增益，比较于圆极化各向同性天线。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 例例：求电基本振子的方向系数及半功率波瓣宽度。半功率波瓣宽度解：方向函数 最大辐射方向上的方向性系数分贝形式为：DdB=10lgD=1.76 dB西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线的效率是用来计及损耗的,表征天线能量转换效能。天线的损耗 欧姆损耗 反射损耗 导体损耗 介质损耗 3.5 天线效率天线效率表面波损耗（微带天线）西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线辐射功率Pr与输入功率Pin 之比称为天线的效率天线的效率，用 表示，即：-损耗功率-损耗电阻-辐射电阻-反射系数-天线输入阻抗-传输线的特性阻抗 如果考虑到馈线与天线失配引入的反射损耗，则天线的总效率应为：西安电子科技大学第三章 天线基本参数 发射机一般是经过一段传输线给天线馈电，设传输线无耗且输入端Tin处的输入实功率为Pin，若天线与传输线失配，则线上存在反射系数，实际在天线输入端TL处的实功率就为PL，如下图所示。显然有：天线吸收的功率PL又分为两部分，一部分由于导体和介质的热损耗吸收，记为 ，一部分向空间辐射出去，记为Pr，即 。因此有 返回西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线总效率为 式中，为反射失配效率；为天线导体和介质损耗效率；为馈电传输线上的反射系数；Zin为天线输入阻抗；Z0为传输线的特性阻抗；根据前图所示的等效电路，有则Im为天线上波腹电流，为损耗电阻，为辐射电阻。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.6 3.6 增益（增益（GainGain）在相相同同输输入入功功率率Pin条件下，某天线在给定方向的辐射强度U(0,0)与理想点源天线在同一方向的辐射强度U0(0,0)之比。即(相同Pin)注意：上式增益的表达式与方向性系数完全一样，但方向性系数和增益定义的基点和条件是不同的。方向性系数的定义是以辐射功率为基点，并以相同辐射功率为条件，没有考虑天线的能量转换效率。增益的定义是以输入功率为基点，并以相同输入功率为条件。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 式中用了关系：。又：方向系数表征天线辐射电磁能量的集束程度。效率表征天线能量转换的效率。将这两者结合起来，用一个数字（增益）表征天线辐射能量集束程度与转换效率的总效益。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线的有效辐射功率可以表示为：得到天线增益与方向系数的关系为：于是天线的场强与增益关系：西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.7 3.7 有效长度有效长度及有效面积及有效面积天线的有效长度和有效面积可以用来表征天线辐射或接收电磁波的能力。有有效效长长度度定定义义：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下，假设天线上的电流为均匀分布时天线的等效长度。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 如果实际天线长度为 ，输入电流为 ，电流分布为 ，由基本电振子远区场（叠加）可得该天线最大辐射方向上的电场强度为：电流以 均匀分布、长度为 的天线，在最大辐射方向产生的电场为：令以上二式相等，得到：西安电子科技大学第三章 天线基本参数 可见，以 为一边，实际电流与等效均匀电流所包围的面积相等。引入等效长度，线天线线天线远区场可表示为：式中 和 归算于同一电流 。有有效效面面积积定定义义：接收天线在某方向的有效接收面积是天线在极化匹配和共轭匹配条件下对该方向来波的接收功率与入射的平面波功率通量密度之比。一般情况下有效接收面积指最大接收方向的有效接收面积。一般情况下有效接收面积指最大接收方向的有效接收面积。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.8 输入阻抗（输入阻抗（Input Impedance）天线输入端电压与电流之比定义为天线的输入阻抗，用 表示。即：天线的输入阻抗决定于天线本身的结构、工作频率，甚至还受周围环境的影响。仅在极少数情况下严格计算天线的输入阻抗。一般有：边值法、传输线法、坡印亭矢量法边值法、传输线法、坡印亭矢量法 由于计算天线上的电流很困难，工程上常采用近似计算或实验测定的方法确定天线的输入阻抗。现在确定天线的输入阻抗大多基于数值计算方法。-输入电阻-输入电抗西安电子科技大学第三章 天线基本参数 连接到发射机或接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机的负载或接收机的源的内部阻抗。因此输入阻抗值的大小可表征天线与发射机或接收机的匹配状况，同时可表示传输线中的导行波与空间电磁波之间能量转换的好坏。故输入阻抗是天线的一个重要电路参数。工程上对天线系统提出的设计要求，一般不是规定所要设计天线的输入阻抗是多少，而是规定在馈线上的电压驻波比的最大允许值。如在x波段1.5，在短波波段3等。但设计人员知道天线输入阻抗之后，就可设计馈电传输线，以便使天线与馈线之间达到良好的匹配，以满足设计要求。天线是一个开放的辐射系统，其输入阻抗不仅与天线型式、尺寸、工作频率有关，而且与其周围物体情况等因素有关。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线驻波比是表示天线与馈源（包括电缆）匹配程度的指标。它的产生是由于入射波能量传输到天线输入端后未被全部辐射出去，产生反射波，迭加而成的。输入功率 10W50同轴电缆反射功率 0.5W辐射功率9.5 W天线电压驻波比天线电压驻波比(VSWR)西安电子科技大学第三章 天线基本参数 由此可算出回波损耗：RLRL10lg(10/0.5)=13dB RL10lg(10/0.5)=13dB RL-20log(-20log(|)功率反射系数：|20.5/100.5/100.050.05 取取dB S11=20log(dB S11=20log(|)与回波损耗区别与回波损耗区别 电压反射系数|0.22380.2238 驻波比定义为 VSWRVSWR(1+|(1+|)/(1-|)/(1-|)1.571.57 一般要求天线的驻波比小于1.5，驻波比是越小越好，但考虑到天线制造成本和批量生产的一致性在工程使用中没有必要追求过小的驻波比。当天线的驻波比分别是1.5和1.35时，由上面的公式可计算出功率反射系数分别是4%和2.2%，则由于反射引起的增益损失分别是0.18dB和0.1dB西安电子科技大学第三章 天线基本参数 失配损耗的计算：失配损耗的计算：电缆电缆 50 ohms50 ohms 80 ohms西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.9 辐射阻抗（Radiation Resistance）天线的辐射阻抗 是一个假想的等效阻抗，与归算电流密切相关，归算电流不同，辐射阻抗的数值也不同。如果将输入电流 作为归算电流，天线辐射场强可表示为：辐射功率 可表示成：-辐射电阻-辐射电抗西安电子科技大学第三章 天线基本参数 辐射电阻与方向系数之间的关系：辐射电阻与方向系数之间的关系：由坡印廷矢量可得天线辐射功率为：辐射电阻与方向系数的关系为：于是得到辐射电阻为：西安电子科技大学第三章 天线基本参数 例：求电基本振子的辐射电阻电基本振子只有一个归算电流西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.10 天线天线极化极化（Polarization）辐射场的极化辐射场的极化是指在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹。根据轨迹形状不同，可分为线极化、圆极化和椭圆极化线极化、圆极化和椭圆极化。电磁波的极化是指：在空间某位置上，沿沿电电磁磁波波的的传传播播方方向向看去看去，其电场矢量在空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 线极化线极化：电场矢量沿着一条线做往复运动。线极化分为水平极化和垂直极化。圆极化圆极化：电场矢量的大小不变，其末端做圆周运动。分为左旋圆极化和右旋圆极化。椭圆极化椭圆极化：电场矢量大小随时间变化，其末端运动的轨迹是椭圆。分为左旋椭圆极化和右旋椭圆极化。圆极化方圆极化方向向判断判断：拇指指向电磁波的传播方向，四指指向电场的旋转方向，符合右手定则称为右旋（椭）圆极化，符合左手定则称为左旋（椭）圆极化。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线极化概念 天线的极化是以电磁波的极化来确定的。天线的极化定义为：在最大增益方向上，作作发发射射时时其辐射电磁波的极化，或作接收时能使天线终端得到最大可用功率的方向入入射射电磁波的极化。最大增益方向就是天线方向图最大值方向，或最大指向方向。天线的极化在各个方向并非保持恒定，所以天线的极化在其最大指向方向定义才有意义。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 例如，对线极化天线来说，其辐射电场矢量的取向是随方向角的不同而不同的。对圆极化天线来说，其最大指向方向上可以设计得使其为圆极化，但在其它方向一般为椭圆极化，当远离最大指向方向时甚至可能退化为线极化.西安电子科技大学第三章 天线基本参数 前面提到的八木天线、角锥喇叭天线和对称振子天线都是典型的线极化天线。平面阿基米德螺旋天线以及后面要介绍的等角螺旋天线和轴向模圆柱螺旋天线等则是典型的圆极化天线。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 若以地面为参考面，线极化又分为垂垂直直极极化化和和水水平平极极化化。在其最大辐射方向上，电磁波的电场矢量垂直于地面时，称为垂直极化；平行于地面时，称为水平极化。相应的天线称之为垂直极化天线和水平极化天线。垂直极化垂直极化水平极化水平极化+45 极化极化-45 极化极化EEEE西安电子科技大学第三章 天线基本参数 V/H（垂直（垂直/水平）型水平）型 双双 极极 化化+45/-45 型型 双双 极极 化化下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。极化天线有两个接头。双极化天线辐射（或接收）两个双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互极化在空间相互正交（垂直）的正交（垂直）的波。波。双极化双极化西安电子科技大学第三章 天线基本参数 平面电磁波的极化讨论平面电磁波的极化讨论 天线辐射的电磁波为球面波。但在以天线上某点为圆心、远场距离r为半径的一个球面上，取天线最大指向方向邻近范围的一小块面积，在此小块面积上的电磁波可近似为平面波。在球坐标系下，天线远区辐射电场一般由E和E表示，见下图。不失一般性可用Ex和Ey表示。沿正z方向传播的平面波合成电场可写作 西安电子科技大学第三章 天线基本参数 分别为电场分量Ex和Ey的相位，E0 x和E0y则为其振幅。将上式等号两边同乘以时间因子ejt并取其实部，得瞬时合成电场在z=0处的表示为:瞬时分量为 西安电子科技大学第三章 天线基本参数 消去式上中含t 的项，可得方程 式中，为两个分量的相位差。下面根据这一方程讨论在位置z=0处合成电场矢量的取向随时间变化的轨迹。线极化线极化 当两个分量的相位差为零或的整数倍时，其合成矢量为线极化。即 上式方程变成一个线性方程 西安电子科技大学第三章 天线基本参数 圆极化圆极化 当两个分量的幅度相等,且相位差为/2的奇数倍时，其合成矢量为圆极化。即 式(3.30)方程变成一个标准圆方程 说明合成矢量的取向随时间变化轨迹为一个圆。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 椭圆极化 当两个分量的相位差为/2的奇数倍，但幅度不等时；或两个分量的相位差不等于/2的倍数且不论幅度相等与否，其合成矢量为椭圆极化.即 此时式可化作一个标准椭圆方程 或 和 为任意值 西安电子科技大学第三章 天线基本参数 此时方程是一个一般的椭圆方程，说明合成矢量的取向随时间变化轨迹为椭圆。对于椭圆极化，在某个给定位置上其极化轨迹曲线一般是一个倾斜的椭圆，见下图。轴比：轴比：极化椭圆的长轴b与短轴a之比称为轴比，记为AR。其表示为 西安电子科技大学第三章 天线基本参数 式中，为椭圆倾角，即椭圆长轴与x轴之间的夹角。其表示为 西安电子科技大学第三章 天线基本参数 当AR1(0dB)时，天线极化为圆极化 当AR时，天线极化为线极化 在圆极化天线设计中，轴比是衡量天线圆极化程度的一个重要技术指标。一般要求在方向图主瓣宽度范围内ARdB3dB。椭圆极化可以看成是由两个旋向相反的圆极化波迭加而成，一个圆极化电场可以分解成两个振幅相等、相位相差 线极化电场.西安电子科技大学第三章 天线基本参数 若波沿若波沿Z方向传播方向传播推广推广西安电子科技大学第三章 天线基本参数 极极化化匹匹配配问问题题：某种极化方式的天线，只能接收与其极化方式相同的电磁波，称谓极化匹配。如水平线极化天线只能接收水平极化的电磁波，右旋极化的天线只能接收右旋极化电磁波。极化失配意味着功率损失，例如用线极化天线接收左旋或右旋圆极化波，用右旋或左旋圆极化天线接收线极化波，均有3dB的功率损耗。主主极极化化与与交交叉叉极极化化：在垂直于矢径 的平面（等相位面）上，可以将电场矢量分解为两个相互正交的极化分量，与设计初衷一致的称为主极化分量，相反的称为交叉极化分量。主极化分量与交叉极化分量的比值，称为极化隔离度，通常用dB表示。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 交叉极化交叉极化 由于结构等方面的原因，天线可能辐射或接收不需要的极化分量。例如辐射或接收水平极化波的天线，也可能辐射或接收不需要的垂直极化波。这种不需要辐射或接收的极化波称为交叉极化。对线极化天线天线来说，交叉极化与预定的极化方向垂直。水平极化水平极化-垂直极化；垂直极化垂直极化；垂直极化-水平极化水平极化 对纯圆极化天线来说，交叉极化与预定圆极化旋向相反。对椭圆极化天线来说，交叉极化与预定椭圆极化的轴比相同，长短轴相互正交，旋向相反。所以，交叉极化又称作正交极化。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 一个线极化波可以分解线极化波可以分解成水平极化分量和垂直极化分量；椭圆极化波可以分解椭圆极化波可以分解成两个幅度不等、旋向相反的圆极化分量。极化隔离度充分大的前提下，同一频率可正交复用，即利用两个相互正交的极化，以实现收发之间的同频隔离。极化损失系数K 在无线电通讯中，只有在收、发天线的极化匹配时，才能获得最大的功率传输，否则会出现极化损失。所谓收、发天线的极化匹配是指：在在最最大大指指向向方方向向对对准准的的情情况况下下，收收、发发天天线线的的极极化化一一致致。极化损失系数用K来表示，是指接收天线的极化与来波极化不完全匹配时，接收功率损失的多少。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 极化损失系数用K的定义为：接收到的功率Pre与入射到接收天线上的功率Pi之比。即线极化天线的极化损失系数 以典型的对称振子为例，如下图所示。虽然两付天线最大指向对准，但接收天线绕y轴旋转了角度，这就使得收、发天线的极化产生了不一致。下面就线极化天线和圆极化天线在最大指向方向对准时，讨论收、发天线极化不一致产生的极化损失系数。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 设 由 发 射 天 线 来 的 入 射 波 电 场 为 ，为平行于z轴的单位矢量，在最大指向方向的入射功率流密度为 。并设接收天线的有效面积为Se(后面介绍)，则入射到接收天线上的功率为 由于存在极化失配，只有平行于接收天线轴的电场分量才能在接收天线上感应电压而被接收。这个电场分量为 ，为平行于接收天线轴的单位矢量，即为其极化方向。天线能接收的功率为 西安电子科技大学第三章 天线基本参数 由极化损失系数的定义式(0.37)可得 可用分贝表示 。由此式可以看出：当=0(极化匹配)时,K=1(0dB),天线将从入射 波吸取最大功率；当=45o时，K=1/2(-3dB)，说明吸收功率损失 了3dB；当收、发天线正交放置时=90o,K=0(-dB)，则天线不能从入射波中吸收功率。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 圆极化天线的极化损失系数圆极化天线的极化损失系数 圆极化天线的极化损失系数导出过程冗长，这里直接给出结果。假设发射天线极化椭圆的轴比为r1=AR1，倾角为1；接收天线极化椭圆的轴比为r2=AR2，倾角为2；两天线极化椭圆长轴之间的夹角为=1-2。则极化损失系数为 当收发天线的极化椭圆旋向相同时，上式取“+”号，旋向相反时则取“”号。由此式可以看出：西安电子科技大学第三章 天线基本参数 当收发天线为相同旋向的圆极化时，r1=r2=1，取正号可得K=1，说明全部来波均被接收，无极化损失；当收发天线为相反旋向的圆极化时，r1=r2=1，取负号可得K=0，这说明接收不到来波功率；当收发天线的一方为圆极化r1=1，一方为线极化r2=时，得K=1/2，说明只能接收来波功率的一半，损失3dB。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 可得到两个线极化天线之间的极化损失系数；可得到两个圆极化天线或一个为圆极化，一个为线极化天线之间的极化损失系数。典型情况由下表给出。收发天线为各种典型极化时的极化损失系数 发射天线接收天线极化损失系数K垂直极化/水平极化垂直极化/水平极化 1垂直极化/水平极化水平极化/垂直极化 0垂直或水平极化圆极化 1/2左/右旋圆极化左/右旋圆极化 1左/右旋圆极化右/左旋圆极化 0西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.11 通信系统中的天线：通信系统中的天线：一个简单的通信链路如下图。具有阻抗ZA并接有终端阻抗ZL 的接收天线。入射到接收天线的总功率可通过入射到整个接收天线“面积”(称为有效口径)与入射功率密度的乘积求得。一个天线如何把入射功率转化为终端处的可用功率取决于所用天线的类型、指向以及极化。本节将讨论功率计算的基本关系并说明天线在通信链路中的作用。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 通过考察一个无限小偶极子然后归纳即可建立关系式，理想的、无耗的、长度为 的振子，其最大有效口径可以这样求得：把振子指向平行于入射线极化电场 的方向，以得到最大响应，由下式求得开路电压（电动势）接收回路的电流接收机得到平均功率西安电子科技大学第三章 天线基本参数 用一个面积来表示天线的接收能力，即最最大大有有效效口口径径 。接收天线从入射波接收功率，正比于最大有效口：得到的功率最大且为:西安电子科技大学第三章 天线基本参数 例：理想电基本振子(电流元)，这一结论对于任意天线均成立这一结论对于任意天线均成立西安电子科技大学第三章 天线基本参数 用一个面积来表示天线的接收能力，即最最大大有有效效口口径径 。接收天线从入射波接收功率，正比于最大有效口：在实践中，天线不是完全无耗的。发射天线端口的可用功率没有全部变成辐射功率。接收天线接收到的功率降低为无耗天线是的一部分 (辐射效率)。它由定义有效口径来达。而包含天线损耗的可用功率此方程直观地表示出：接收天线起的作用是把入射功率流密度转换成给负载的功率。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 通信链路通信链路(Friss传输方程传输方程)现在来完整的描述图中的通信链路中的功率传递。发射天线参数为：；接收天线参数为：。如果发射天线是各向同性的，在距离处的功率密度为:对于具有方向系数 的发射天线，入射到接收天线的功率密度为 则可用接收功率为西安电子科技大学第三章 天线基本参数 计入天线损耗时：成立的条件为：收收、发发射射天天线线最最大大辐辐射射方方向向对对准准；收收发发天天线线极极化化匹匹配配；收收、发发天天线线与与传传输输线线阻阻抗抗匹匹配配。如如上上述述任任一一条条件件不不满满足足，只只需需校校准准由由极极化化损损耗耗、阻阻抗抗失失配配或或天天线线未未对对准引起的损失。准引起的损失。称为功率传输方程称为功率传输方程Friss。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 1、当收、发天线最大方向没有对准时、当收、发天线最大方向没有对准时 分别为发射、接收天线的最大接收方向与水平连线的夹角，则各自的增益方向图为：西安电子科技大学第三章 天线基本参数 2、当极化不匹配时、当极化不匹配时 当入射波和接收天线从完全失配变为完全匹配时，极化效率（或极化失配因子）从0变到1。接收功率为：p为极化失配因子：其中 为接收天线极化的单位复矢量，为入射波极化的单位复矢量。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 假设以 Z方向为参考方向，入射波、接收天线电场矢量位于xy面内，则 与 均在xy面上。电场与X轴夹角电场与X轴夹角例例：来波是沿Z轴方向传播的线极化波,以+Z轴方向为极化参考方向.(1)接收天线为x方向的线极化波，极化的单位复矢量入射波极化的单位复矢量西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (2)若来波为左旋圆极化用线极化天线接收圆极化波，极化不匹配使功率损失一半或3dB，同样，用圆极化天线接收线极化波，极化不匹配使功率损失一半或3dB。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 (3)收、发天线均为同一旋向的圆极化天线 （均沿Z轴传播，左旋）极化匹配极化匹配(4)右旋发，左旋收：极化失配极化失配西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3、当阻抗不匹配时 天线的阻抗失配因子q可定义为：在很多情况下，天线阻抗是未知的，可测出电压驻波比作为替代。由于反射系数可由VSWR计算，沿传输线传输的功率部分为：反射损耗为反射损耗为 (dB)西安电子科技大学第三章 天线基本参数 因此，总的功率传输方程可写成：因此，总的功率传输方程可写成：极化失配因子极化失配因子阻抗失配因子阻抗失配因子功率传输方程可以功率传输方程可以得到得到路径损耗路径损耗。最佳接收条件最佳接收条件（1）接收天线的最大方向对准来波方向；（2）接收天线的极化与来波的极化匹配；（3）接收天线的负载与自身的阻抗匹配。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 天线的性能参数如输入阻抗、方向图、主瓣宽度、副瓣电平、波束指向、极化、增益等一般是随频率的改变而变化的，有些参数随频率的改变而变化较大，而使电气性能下降。因此，工程上一般都要给出天线的频带宽度，简称天线的带宽，其定义为：3.11 3.11 频带宽度频带宽度(Bandwidth)(Bandwidth)天线某个性能参数符合规定标准的频率范围。天线某个性能参数符合规定标准的频率范围。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 这个频率范围的中点处频率称为中心频率f0，以此频率范围作为天线的带宽，在此频带宽度内的天线性能参数与中心频率上的值进行比较，均符合规定的标准。不同系统对天线工作频带的要求不同。不同形式的天线以及天线的不同电气性能参数 对频率的敏感程度不同。在一些阵列天线中，方向图带宽成了主要因素。圆极化天线的主要限制因素往往是其极化特性。可见，对不同系统、不同用途的天线，所提出的带宽标准是不同的。有的带宽标准是阻抗或驻波比带宽，有的带宽标准是方向图带宽，有的是增益带宽，有的是极化带宽等等。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 定义：定义：当工作频率变化时，天线的相关电参数变化的程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度。相对带宽：相对带宽：绝对带宽绝对带宽：或者（倍频关系）根据带宽的不同，天线可分为窄带天线、宽带天线和超宽带天线。例如：1710-2170MHz,3-30MHz,3.1-10.6GHz西安电子科技大学第三章 天线基本参数 3.12 对称振子天线对称振子天线 对称振子的应用：对称振子的应用：西安电子科技大学第三章 天线基本参数 对称振子天线求解对称振子天线求解 在中点馈电，两臂对称的直线、曲线和贴片天线等均可叫在中点馈电，两臂对称的直线、曲线和贴片天线等均可叫做对称振子天线，如下图所示。这里主要介绍直线对称振子，做对称振子天线，如下图所示。这里主要介绍直线对称振子，并假设其截面半径远小于工作波长和其长度。对于细线天线来并假设其截面半径远小于工作波长和其长度。对于细线天线来说，只要知道说，只要知道天线上的电流分布及其长度，就可求得其辐射场天线上的电流分布及其长度，就可求得其辐射场，从而可确定天线的各参数。从而可确定天线的各参数。但是，要严格求解线天线上但是，要严格求解线天线上的电流分布是一个较复杂的问题。的电流分布是一个较复杂的问题。工程上可采用近似方法来确定其工程上可采用近似方法来确定其电流分布。电流分布。西安电子科技大学第三章 天线基本参数 1.3.1 对称振子上的电流分布对称振子上的电流分布 对于中点馈电的对称振子天线，其结构可看作是一段开路传输对于中点馈电的对称振子天线，其结构可看作是一段开路传输线张开而成，如下图所示。线张开而成，如下图所示。在图在图(c)坐标系下，单臂长为坐标系下，单臂长为l的对称振子上的电流分布可近似写作的对称振子上的电流分布可近似写作(1.35)西安电子科技大学第三章 天线基本参数 由此电流分布可见：由此电流分布可见：当当z=l 时，天线两端的电流为零时，天线两端的电流为零I(l)=0；当当z=0，即为输入点电流：，即为输入点电流：I(0)=Imsin(l)。如果对称振子的臂长很短如果对称振子的臂长很短(/502l/10)，其上电流分布可近，其上电流分布可近似为三角形分布：似为三角形分布：(1.36)1.3.2 对称振子的远区辐射场和方向图对称振子的远区辐射场