21通信技术基础天线资料.pptx

通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第1页一种简单的表述一种简单的表述时变磁场产生时变电场，时变电场产生时变磁场。当空间存在一个时变场源时，由于时变电磁场的相互转换，必然会产生离开源以一定速度向外传播的电磁扰动，这种电磁扰动就是电磁波。随时间变化的电荷或电流产生电磁波。z(传播传播方向方向)xyxyz1.1.1.1.电磁波的辐射机理电磁波的辐射机理电磁波的辐射机理电磁波的辐射机理通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第2页 较高的工作频率较高的工作频率产生有效辐射电磁波的条件产生有效辐射电磁波的条件1.1.1.1.电磁波的辐射机理电磁波的辐射机理电磁波的辐射机理电磁波的辐射机理电尺寸-相对信号波长的尺寸：d/，其中为信号波长，d为几何尺寸。开放的结构开放的结构结构逐渐开放，电磁辐射能力越来越强。当张开成180度角度，则称为对称振子天线。适当的电流分布适当的电流分布当结构开放的导线上的电流分布不同，辐射能力也不同。如：导线上电流都为同向的，则辐射能力强；导线上电流有反向的，则辐射能力减弱。通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第3页2、天线的基本概念、天线的基本概念天线的基本概念天线的基本概念天线：有效地发射和接收电磁波的装置。天线的作用：能量转换器件 终端匹配器件 极化器件 聚焦器件 扫描器件发射机接收机通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第4页天线的主要电参数天线的主要电参数方向特性天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。要求所设计或使用的天线具有与工作任务相适应的方向性。阻抗特性要求天线与馈线有良好的匹配，才能更有效地将信号转换为电磁波，所以对天线输入阻抗有一定的要求。带宽特性为了实现无线信息传递系统的要求，在某一规定的频带范围内，要求天线的性能变化不大，满足给定的要求。极化特性天线的极化是指在最大辐射方向上远区电磁波的极化，而后者为电场矢量的运动方向 3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第5页天线的主要电参数天线的主要电参数 方向特性方向特性方向特性方向特性方向特性方向特性方向特性方向特性：在相同距离 r 的条件下，天线辐射场与空间方向的关系描述描述描述描述：方向函数：通过数学函数全面描述天线的辐射特性。方向图：通过图形直观反映天线的方向特性。3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第6页天线的主要电参数天线的主要电参数 方向特性方向特性方向特性方向特性方向函数：方向函数是指以天线的相位中心为球心、r为半径的球面上计算天线的电场强度，以电场强度为因变量，以方向角(,)为自变量，构成的一个空间分布函数。以 f(,)的最大值进行归一化，称为归一化方向函数Or例：方向函数的问题：严密但不直观。3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第7页天线的主要电参数天线的主要电参数 方向特性方向特性方向图：是方向函数的图示，简称方向图。例:方向图形象、直观，弥补了方向函数的不足。复杂的天线系统往往找不到较准确的方向函数表达式，此时必须借助测量得到的数据绘出方向图，以了解天线的辐射特性。3、天线的主要电参数、天线的主要电参数三维立体方向图二维平面方向图通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第8页天线的主要电参数天线的主要电参数 方向特性方向特性方向特性方向特性方向图参数主瓣、主波束：最大辐射方向所在的波瓣。旁瓣、副瓣：其余的波瓣，依照和主瓣的远近，分别称为第一旁瓣、第二旁瓣，通常第一旁瓣的电平最大。后瓣：和主瓣方向相反的波瓣。主瓣主瓣主瓣主瓣旁瓣旁瓣旁瓣旁瓣后瓣后瓣后瓣后瓣3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第9页天线的主要电参数天线的主要电参数 方向图参数半功率波瓣宽度：在主瓣最大值两侧，功率下降到最大值的1/2（场强下降到最大值的0.707倍）的两个方向间的夹角，称为半功率波瓣宽度。记为：HP或BW0.5主瓣最大辐主瓣最大辐主瓣最大辐主瓣最大辐射方向射方向射方向射方向半功率半功率半功率半功率点点点点(右右右右)1.01.00.50.5 0.50.5右右右右BWBW0.50.5半功率半功率半功率半功率点点点点(左左左左)0.50.5左左左左 有时E、H平面上的波瓣宽度不相等，为了区分E面H面方向性，可以分别记作：BW0.5E和BW0.5H 例例:圆口面天线，如微波、卫星通信使用的面天线圆口面天线，如微波、卫星通信使用的面天线方向特性方向特性方向特性方向特性为信号波长，d为口面直径3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第10页3.3.3.3.天线的主要电参数天线的主要电参数天线的主要电参数天线的主要电参数举例：半波对称振子的举例：半波对称振子的E平面归一化方向函数为平面归一化方向函数为 ，求半功率波瓣宽度。求半功率波瓣宽度。解：解：通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第11页天线的主要电参数天线的主要电参数 方向特性方向特性天线的增益rPinP0EmaxE0定向天线无方向性天线Pin:定向天线输入功率输入功率输入功率输入功率;P0:无方向性天线总的辐射功率辐射功率辐射功率辐射功率。天线的增益：用无方向性天线达到原天线最大辐射方向相同场强情况下的辐射功率与天线输入功率之比。P为天线的效率天线的效率天线的效率天线的效率。Ae称为天线的有效口径面积有效口径面积有效口径面积有效口径面积 3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第12页天线的主要电参数天线的主要电参数 方向特性方向特性方向特性方向特性计算举例一直径为 5m 的圆口面抛物面天线，辐射效率为65%，确定在频率为 6GHz 时的有效口径面积和增益，并给出半功率波瓣宽度。解：解：3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第13页天线的主要电参数天线的主要电参数 阻抗特性阻抗特性阻抗特性阻抗特性在发射状态下，天线的端口对于馈线而言，相当一负载阻在发射状态下，天线的端口对于馈线而言，相当一负载阻抗，称为天线的抗，称为天线的“输入阻抗输入阻抗”式中 为进入端口的复数功率，Pin为其实部，Qin为其虚部。根据一般的阻抗定义，有 天线是一个功率转换器件，因此更关心其输入或输出了多少功率，而且在天线的应用中，很多情况下没有明确的电压、电流的概念。因此将上述形式进行转换，形成天线输入阻抗的定义：3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第14页天线的主要电参数天线的主要电参数 阻抗特性阻抗特性阻抗特性阻抗特性Pin：实功率。天线消耗的能量，包括辐射功率与损耗功率；Qin：虚功率。是“来回震荡”的功率，或者是处于电能与磁能间的来回转换的那部分能量；P:辐射功率，即通过天线“发射出去”的功率Pd:天线损耗，由天线本身吸收或泄露的功率前面计算天线增益时用到的天线效率天线效率天线效率天线效率即定义为：3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第15页天线的主要电参数天线的主要电参数 带宽特性带宽特性天线的电参数与频率 f 有关。当工作频率偏离设计频率（一般取工作频率范围的中心频率）时，往往引起各种电参数的变化。主瓣宽度 HP 或 BW0.5 增大第一旁瓣电平 FSLL 增高输入阻抗 Zin 变化等。根据天线系统要求，合理地规定一个天线电参数容许变化电参数容许变化电参数容许变化电参数容许变化的范围的范围的范围的范围。当工作频率变化时，系统关注的几个主要电参数同时满足上述容许值的频率范围，称为天线的工作频带宽度，简称带宽。3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第16页天线的主要电参数天线的主要电参数 带宽特性带宽特性设 fU 和 fL 分别为上限频率和下限频率，中心频率记作 fC相对带宽：倍率带宽：窄带天线：相对带宽只有百分之几的天线；宽带天线：相对带宽达百分之几十的天线；超宽带天线：倍率带宽为几倍，即 fU 是 fL 的几倍。3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第17页天线的主要电参数天线的主要电参数 极化特性极化特性天线的极化是指在最大辐射方向上远区电场的极化。以电场矢量 E 的指向作为天线极化方向。yxOExEyEyxOExEyE线极化线极化圆极化圆极化椭圆极化椭圆极化EExEyxy右旋圆极化、右旋椭圆极化右旋圆极化、右旋椭圆极化右旋圆极化、右旋椭圆极化右旋圆极化、右旋椭圆极化左旋圆极化、左旋椭圆极化左旋圆极化、左旋椭圆极化左旋圆极化、左旋椭圆极化左旋圆极化、左旋椭圆极化极化旋向极化旋向极化旋向极化旋向:3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第18页天线的主要电参数天线的主要电参数 极化特性极化特性进行通信时，收、发天线极化方向应一致，即极化匹配。当两者出现差异时，称为极化失配，极化失配会产生极化损耗。发射天线极化发射天线极化接收天线极化接收天线极化 右圆右圆左圆左圆左圆左圆右圆右圆右圆右圆右圆右圆左圆左圆左圆左圆垂线垂线垂线垂线 水平线水平线 水平线水平线水平线水平线垂线垂线水平线水平线垂线垂线是否可高效接收是否可高效接收3、天线的主要电参数、天线的主要电参数通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第19页4、常用天线分类及性能特点、常用天线分类及性能特点常用天线的分类常用天线的分类按工作性质：发射天线、接收天线、收发共用天线。按工作用途：通信天线、广播天线、雷达天线等。按方向性特征：全向天线、针状波束天线、扇形波束天线、多波束天线等。按工作波段：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线、毫米波天线。按工作原理：相控阵天线、微带天线、自适应天线、智能天线等。按极化特性：圆极化天线、线极化天线。通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第20页几种常用天线的性能特点几种常用天线的性能特点短振子天线如对讲机所使用的天线工作频率数十 MHz 至300MHz尺寸远小于波长尺寸远小于波长，属于“电小天线”特点：很弱的方向性低输入电阻高输入电抗低辐射效率 4、常用天线分类及性能特点、常用天线分类及性能特点通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第21页几种常用天线的性能特点几种常用天线的性能特点鞭状天线鞭状天线属谐振天线，是一种可弯曲的垂直杆状天线，其长度一般为1/4或1/2波长。特点:增益高原理简单成本较低4、常用天线分类及性能特点、常用天线分类及性能特点通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第22页几种常用天线的性能特点几种常用天线的性能特点板状天线采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵在直线阵的一侧加一块反射板水平面垂直面水平面垂直面水平面垂直面半波振子4、常用天线分类及性能特点、常用天线分类及性能特点通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程通信技术基础课程第23页几种常用天线的性能特点几种常用天线的性能特点口径天线有一个供电磁波通过的开放的物理有一个供电磁波通过的开放的物理口径口径特点高增益高增益增益随频率提高而增加增益随频率提高而增加带宽中等带宽中等圆锥喇叭角锥喇叭抛物面天线4、常用天线分类及性能特点、常用天线分类及性能特点