【正文】 第 7章 天線 第 7章 天線 7―1 引言 7―2 元電輻射體 7―3 對(duì)稱振子天線 7―4 天線特性參量 7―5 天線陣方向性分析示例 7―6 行波直導(dǎo)線天線 7―7 陣方向性分析方法應(yīng)用示例 7―8 面狀天線 7―9 一些常用的天線設(shè)備 7―10 電波傳播 第 7章 天線 7―1 引言 無線電廣播 ,通信 ,遙測(cè) ,遙控以及導(dǎo)航等無線電系統(tǒng)都是利用無線電波來傳遞信號(hào)的 .而無線電波的發(fā)射和接收都通過天線來完成 .因此天線設(shè)備是無線電系統(tǒng)中重要的組成部分 .圖 7― 1― 1和圖 7― 1― 2指出了天線設(shè)備在兩種典型的無線電系統(tǒng)中的地位 ,其中圖 7― 1― 1為無線電通信系統(tǒng)的基本方框圖 . 第 7章 天線 由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻振蕩能量 ,經(jīng)過發(fā)射天線變?yōu)殡姶挪芰?,并向預(yù)定方向輻射 ,通過媒質(zhì)傳播到達(dá)接收天線附近 .接收天線將接收到的電磁波能量變?yōu)楦哳l振蕩能量送入接收機(jī) ,完成無線電波傳輸?shù)娜^程 . 第 7章 天線 圖 7―1―1 第 7章 天線 圖 7― 1― 2 第 7章 天線 圖 7― 1― 2為無線電定位系統(tǒng)的基本方框圖 .發(fā)射天線和接收天線常合用一副天線 .利用天線開關(guān)的轉(zhuǎn)換作用 ,分別接入發(fā)射機(jī)和接收機(jī) .當(dāng)天線與發(fā)射機(jī)接通時(shí) ,此天線作發(fā)射天線用當(dāng)天線與接收機(jī)接通時(shí) ,此天線作接收天線用 . 第 7章 天線 可見天線設(shè)備是將高頻振蕩能量和電磁波能量作可逆轉(zhuǎn)換的設(shè)備 ,是一種 “ 換能器 ” 。 天線設(shè)備在完成能量轉(zhuǎn)換的過程中 ,帶有方向性 ,即對(duì)空間不同方向的輻射或接收效果并不一致 ,有空間方向響應(yīng)的問題其次天線設(shè)備作為一個(gè)單口元件 ,在輸入端面上常體現(xiàn)為一個(gè)阻抗元件或等值阻抗元件 。 與相連接的饋線或電路有阻抗匹配的問題 。 天線的輻射場(chǎng)分布或接收來波場(chǎng)效應(yīng) ,以及與接收機(jī) ,發(fā)射機(jī)最佳的貫通 ,就是天線工程所最關(guān)心的問題 。本章側(cè)重討論天線的輻射場(chǎng)空間分布問題 。 第 7章 天線 7―2 元電輻射體 所謂元電輻射體是指一段載有高頻電流的短導(dǎo)線 ,導(dǎo)線全長(zhǎng) lλ,導(dǎo)線直徑 dl,線上的電流振幅是相等的 ,線上各點(diǎn)的電流相位亦認(rèn)為是同相的 。 元電輻射體是線狀天線的基本單元 ,因此討論元電輻射體具有重要的實(shí)際意義 。 對(duì)元電輻射體的分析 ,我們采用球坐標(biāo)系 。 將元電輻射體的中心放在坐標(biāo)系原點(diǎn) ,如圖 7― 2― 1所示 。 第 7章 天線 設(shè)元電輻射體上電流分布為 Iejωt,則利用矢量位 A不難求得空間 P點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng) 。 P點(diǎn)的球坐標(biāo)是 (r,ζ,φ),這里僅寫出結(jié)果 : 022320 2301si n ( )42c o s( )411si n ( ( )40rjk rjk rrjk rHHI l kH j errI l k kE j errI l k kE j j er r rE????? ???? ?????? ??????????????? ? ??????(7―2―1) 第 7章 天線 圖 7―2―1 第 7章 天線 由上式可見 ,元電輻射體的電場(chǎng)有 r和 ζ方向兩個(gè)分量 ,而磁場(chǎng)只有 φ方向分量 。 而且電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量相互垂直 。 在 Er,Eζ和 Hφ分量中都含有 r1,r2和 r3三項(xiàng)或其中二項(xiàng) 。 現(xiàn)根據(jù)觀察點(diǎn) P離元電輻射體的遠(yuǎn)近可分為三個(gè)區(qū)域 :近區(qū) (kr1),遠(yuǎn)區(qū) (kr1)和中間區(qū)域 。 因接收點(diǎn)在很遠(yuǎn)處 ,我們這里只討論遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) 。 第 7章 天線 在遠(yuǎn)區(qū)范圍內(nèi) kr1,即 λ/r1,因此式 (7― 2― 1)中 r1項(xiàng)起主要作用 ,而 r2和 r3項(xiàng)均很小 ,可以忽略不計(jì) 。 故遠(yuǎn)區(qū)的電磁場(chǎng)可近似表示為 000000sin sin4200sin sin42rejkr jkrrjkr jkrEEI l I lE j e jrrEHHI l EE j e jrr????? ? ???? ??? ? ?? ? ??????????????????????? ? ????第 7章 天線 由此可見遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)具有下列特點(diǎn) : (1)遠(yuǎn)區(qū)空間內(nèi)任意一點(diǎn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間方向上相互垂直 ,在時(shí)間相位上同相 。 (2)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)縱向分量 ErEζ,而磁場(chǎng)分量只有橫向分量 Hφ,故遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)近似為 TEM波 。 (3)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的相位隨 r的增加不斷滯后 ,其等相位面為r等于常數(shù)的球面 。 (4)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的幅度｜ E｜與｜ H｜之比ε0為自由空間的波阻抗 。 (5)輻射功率與輻射電阻 。 第 7章 天線 天線通過輻射場(chǎng)向外部空間輻射電磁波 ,其輻射功率即為通過包圍此天線的閉合曲面的功率流的總和 ,即 rsSP S ds? ?(7―2―3) 對(duì)于元電輻射體 202000( sin )12()2 2 2rsrIlaE rS E H a? ?????? ? ? ?(7― 2― 4) ar為 r方向單位矢量 ,將式 (7―2―4) 代入式 (7―2―3) 得到 222 2 2 2000 0( s i n ) s i n 4 0 ( )22r Il r lP d d Ir?? ? ? ? ? ? ?? ? ?????(7― 2― 5) 第 7章 天線 由上式可見輻射功率與天線的結(jié)構(gòu) ,電尺寸以及激勵(lì)電流有關(guān) 。 為了說明輻射體本身的特性 ,我們引入另一個(gè)參量 —— 輻射電阻 Rr,定義為 22 rrPRI?(7― 2― 6) 式中的 I是波源電流的幅值 ,將式 (7― 2― 5)代入上式 ,得 2280 ( )rlR ???(7―2―7) 第 7章 天線 (6) 方向性圖 。 由式 (7― 2― 2)可以看出 ,元電輻射體的輻射場(chǎng)強(qiáng)值在等 r距離的球面空間各個(gè)方向上是不相同的 ,它的方向性 r函數(shù)為 F(ζ,φ)=sinθ (7―2―8) 第 7章 天線 圖 7―2―2 第 7章 天線 方向性函數(shù)的坐標(biāo)圖形稱為方向性圖 ,它形象描寫輻射體向空間不同方向上的輻射能力 。 由于方向性函數(shù)是坐標(biāo) ζ和 φ的函數(shù) ,因此三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的方向性圖為立體圖 。 圖 7― 2― 2(a),(b)和 (c)分別表示元電輻射體在 φ=0平面 (E面 ),ζ=90176。 平面 (H面 )內(nèi)極坐標(biāo)的方向圖和立體方向性圖 。 第 7章 天線 7―3 對(duì)稱振子天線 對(duì)稱振子的結(jié)構(gòu)如圖 7― 3― 1所示 ,它由兩段同樣粗細(xì)和相等長(zhǎng)度的直導(dǎo)線構(gòu)成 ,在中間兩個(gè)端點(diǎn)之間進(jìn)行饋電 ,且以中間饋電點(diǎn)為中心而左右對(duì)稱的 。 由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,所以被廣泛用于無線電通信 ,雷達(dá)等各種無線電設(shè)備中 ,也可作為電視接收機(jī)最簡(jiǎn)單的天線設(shè)備 。 它既可作為最簡(jiǎn)單的天線使用 ,也可作為復(fù)雜天線陣的單元或面天線的饋源 。 第 7章 天線 圖 7―3―1 第 7章 天線 一 , 對(duì)稱振子的輻射場(chǎng) 工程上計(jì)算對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)的近似方法是 :把對(duì)稱振子看成是終端開路的傳輸線兩臂向外張開的結(jié)果 ,并假設(shè)其上的電流分布仍和張開前一樣 ,然后將振子分成許多小段 ,每一小段上的電流在某個(gè)瞬間可認(rèn)為各處相同 ,即把每個(gè)小段看作一個(gè)元電輻射體 ,于是空間任一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是許多元電輻射體在該點(diǎn)產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)的疊加 。 對(duì)稱振子上的電流分布可表示為 ( ) si n [ ( ) ]2si n [ ( ) ]mmI z I k l zI l z??????(7― 3― 1) 第 7章 天線 式中 I(z)為天線上｜ z｜位置的電流 Im為波腹點(diǎn)的天線電流 k=2π/λ為電流波在天線上的相位常數(shù) λ是振子上電流波的波長(zhǎng) l為對(duì)稱振子一臂的長(zhǎng)度 。 在對(duì)稱振子天線上以中心位置為對(duì)稱的 177。 z位置處 ,一對(duì)元電輻射體 dz1與 dz2的輻射場(chǎng)分別為 11201 111102 22()si n2si n[ ( ) ]si n2si n[ ( ) ]si n2jkrjkrmjkrmIzdE j e dzrI k l zj e dzrI k l zdE j e dzr????????????????(7―3―2) (7―3―3) 第 7章 天線 圖 7―3―2 第 7章 天線 式中 ζ為由對(duì)稱振子軸線方向轉(zhuǎn)向觀察點(diǎn)的方位角r1和 r2分別為 dz1和 dz2元電輻射體到觀察點(diǎn)的距離 。 由于觀察點(diǎn) P(r,ζ,φ)在遠(yuǎn)區(qū) ,可認(rèn)為 r1線 ,r2線和 r線相互平行 ,因此認(rèn)為 dEζ1和 dEζ2的方向近乎相同 ,且距離 r1及 r2和 r有如下關(guān)系 : 12c o sc o sr r zr r z??????? ????于是這對(duì)元電輻射體在遠(yuǎn)區(qū)的合成場(chǎng)強(qiáng)為 dEζ=dEζ1+dEζ2 第 7章 天線 若取 dz1=dz2=dz,則 c o s c o s0s i n [ ( )][ ] s i n2s i n [ ( )]s i n [ 2 co s ( co s )]2j k z j k z j k rmj k rmI k l zd E j e e e d zrI k l zj k z e d zr?????? ? ????????? 對(duì)稱振子天線的輻射場(chǎng)為許多元電輻射體對(duì)的 輻射場(chǎng)的疊加 ,即 (7―3―4) 1100000sinsin[ ( ) ] c o s[ c o s ]6 0 c o s( c o s ) c o s[]sinjk rmjk rmIE d E j e k l z k z d zrI k l k ljerEH??????????? ? ??????(7―3―5) (7― 3― 6) 第 7章 天線 圖 7― 3― 3(a),(b),(c)和 (d)分別表示 l/λ=0。 25,0。 5,0。75和 1的對(duì)稱振子在 E平面的方向性圖 ,它們?cè)?H平面內(nèi)的方向性圖為圓 ,而且對(duì)稱振子的兩臂相互對(duì)稱 ,因此其方向性圖亦對(duì)稱于垂直于天線軸的對(duì)稱面 。 第 7章 天線 圖 7―3―3 第 7章 天線 二 , 對(duì)稱振子的輻射電阻和輸入阻抗 (一 )對(duì)稱振子的輻射電阻 Rr 對(duì)比元電輻射體可以引出對(duì)稱振子的阻抗概念 。問題是以天線上哪一點(diǎn)的電流為參考 。 在工程上 ,一般把二倍的天線輻射功率對(duì)電流波腹處的電流強(qiáng)度振幅值平方 (Im2)之比值 ,稱為輻射電阻 Rr。 對(duì)稱振子天線的輻射電阻可仿照元電輻射體求輻射電阻的方法求得 ,即 22201 22 00