电磁场电磁波 天线.doc

课程综述

课程名称 电磁场电磁波
任课教师 李翠花
班级 09通信工程一班
姓名
学号 0905071004
日期 2012-5-28

天线的电参数
天线是无线电通信或广播不可缺少的组成部分。因此，在设计或选用一副天线时，必须应用若干个特性参量来评价它的技术性能。同一副天线在用作反射时和用作接收时，其特性参数是相同的，只是具体含义有所不同。
发射天线有两个主要功能：
(1)把经馈线从发射机输送过来的信号能量以电磁波形式向周围空间辐射出去。
(2)定向辐射，即是将能量集中在一定立体角内辐射出去。
1.方向性函数和方向图
天线的方向性函数是描述天线辐射场的大小与空间方向之间关系的函数，也就是天线的辐射作用在空间的相对分布情况的数学表达式。把方向性函数用图形表示出来就是方向图，也就是方向性函数的图解形式。
场强振幅的方向性函数是表示在以天线为中心，远区场某以恒定半径的球面上辐射场强的相对分布情况。场强振幅的归一化方向性函数一般表示为：

式中，为天线在任意方向上的辐射场强，为天线在其最大辐射方向上的辐射场强。
单元偶极子的方向图

辐射的方向性用两个相互垂直的主平面上的方向图表示，E 平面(电场所在平面) 和 H 平面(磁场所在平面)。E 平面与H 平面的归一化方向函数分别为：

（b）H 平面方向图

（a）E 平面方向图

（c）立体方向图

实际天线比上图复杂，方向图可能包括多个波瓣，分别称为主瓣、副瓣和后瓣。如图所示某天线的极坐标形式方向图：
主瓣
x
z
副瓣
1.0
后瓣
天线方向图的波瓣
0.707
说明：主瓣最大辐射方向两侧的两个半功率点（即功率密度下降为最大值的一半，或场强下降为最大值的 ）的矢径之间的夹角，称为主瓣宽度，表示为 ，主瓣宽度愈窄，说明天线辐射的能量愈集中，定向性愈好。方向图的副瓣和后瓣是指不需要辐射的区域，所以应尽可能小。
2.方向性系数
某一天线的方向系数是它在最大辐射方向上某一距离处的辐射功率密度和辐射功率相同的无方向性天线在同一距离处的辐射功率密度之比值，用D表示 。
在同一距离及相同辐射功率下，某天线在最大辐射方向上的功率流密度Smax和无方向性天线的功率流密度S0的比值。

D的第一表达式
(Pr=Pr0)

在同一距离处产生相同的辐射场，某天线在辐射功率和无方向性天线辐射功率之比。
(|Emax|=|E0|)
D的第二表达式

由方向性系数定义，可以得到方向性系数计算公式
D的第三表达式

3.辐射效率
天线的辐射效率表征天线能否有效的转换能量，定义为天线的辐射效率与输入到天线上的功率(输入功率)之比：

4.增益系数
在定义天线的方向性系数时，我们使用的是天线辐射功率，由于辐射功率通常由理论计算得出，这就在实际应用中带来一些不便。采用天线的输入功率作类似定义，则得出的对应参数称为天线的增益。它是天线的重要指标之一。
天线增益是这样定义的。即输入功率相同时，某天线在某一方向上的远区产生的功率流密度S1与理想点源（无方向性）天线在同一方向同一距离处产生的功率流密度S0的比值，称为该天线在该方向上的增益系数，简称增益，常用G表示。天线增益在不加特别说明时，指天线在最大辐射方向上的增益系数。上述定义可用数学形式表示为
或
(E1=E0时)
（Pin1=Pin0）

Pin0和Pin1分别为理想点源天线和实际天线的输入功率。
5.天线的极化特性
天线的极化特性是以天线辐射的电磁波在最大辐射方向上电磁强度矢量的空间取向来定义的，分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化和垂直极化；圆极化又分为左旋极化和右旋极化。
天线不能接收与其正交的极化分量，线极化天线不能接收来波中与极化方向垂直的线极化波；圆极化天线不能接收来波中与其旋转方向相反的圆极化分量。
6.输入阻抗
天线通过传输线与发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻抗匹配的问题。
天线与传输线连接处称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗，用Zin表示
输入电阻，对应有功功率，以辐射和损耗两种方式耗散掉

输入电抗，对应无功功率，贮存在近区中

天线的输入阻抗决定于天线的结构、工作频率以及周围的环境。输入阻抗的计算是比较困难的，因为它需要知道天线上的激励电流，除了少数天线外，大多数天线的输入阻抗在工程中采用近似计算或实验测定
7.天线的辐射阻抗
将计算辐射功率的封闭面设置在天线的近区，用天线的近区场进行计算，则求出的的辐射功率将包含有功功率和无功功率两部分。
引入归算电流，可定义辐射阻抗

输入实功率为辐射功率和损耗功率之和，当所有功率都归于输入电流时，有

8.频带宽度
窄带天线 百分之几

当工作频率发生变化时，天线的有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
宽带天线 百分之几十

超宽带天线 几个倍频程

绝对带宽

天线的带宽都是就某个参数而言的，不同的天线参数，如最大辐射方向、波瓣宽度、副瓣电平、增益、极化等往往有不同的带宽。
通常方向图和输入阻抗随频率的变化具有很大区别，因而使用方向图带宽和阻抗带宽以示分别。与方向图带宽有关的参数包括最大辐射方向、波瓣宽度、旁瓣电平、方向性系数和增益。与阻抗带宽有关的是输入阻抗和辐射效率。若对方向图带宽和阻抗带宽同时提出要求，取其窄的做为整个天线的带宽。
参考文献：
孟庆鼐. 2009. 微波技术.合肥：合肥工业大学出版社
王家礼.朱满座.路宏敏. 2011.电磁场电磁波.西安电子科技大学出版社