【正文】 區(qū)域內(nèi)，電r??2基本振子的電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化外，場(chǎng)振幅與靜態(tài)電場(chǎng)表達(dá)完全相同，故近區(qū)場(chǎng)也稱準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)。另一個(gè)重要特點(diǎn)是在能量關(guān)系上，電場(chǎng)滯后磁場(chǎng) 的相位差，波印亭矢2?量的實(shí)部為零，表明近區(qū)內(nèi)只有電能和磁能的交換和振蕩，似乎不能向外輻射能量，實(shí)際上是由于忽略了 r/ 高次項(xiàng)的近似結(jié)果，實(shí)際上，單元偶極子天線?向遠(yuǎn)處輻射電磁場(chǎng)能量正是依賴這些高次項(xiàng)（2）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) 當(dāng) kr 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 l 即 r 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)，遠(yuǎn)場(chǎng)的性質(zhì)如下?2 ① ， 均與距離 r 成反比，波的傳播速度為 ， 和 中都?EH01???c?EH含有相位因子 ，說(shuō)明輻射場(chǎng)的等相位面為 r 等于常數(shù)的球面，所以稱為球jke?面波．E、H 和 相互垂直，且符合右手螺旋定則。avS ②傳播方向上電磁場(chǎng)分量為零，為橫電磁波，記為 TEM 波。 ③在空間上，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波傳播方向三者相互垂直，且在自由空問中 （410）????????120HE當(dāng)討論天線輻射場(chǎng)時(shí)，只要掌握其中一個(gè)場(chǎng)量，另外一個(gè)場(chǎng)量可由上式求出，電場(chǎng)強(qiáng)度一般作為分析的主體． ④電場(chǎng) E 和磁場(chǎng) H 的振幅不僅與距離 r 有關(guān)，還與觀察點(diǎn)所處的方位有關(guān)，與 成正比，說(shuō)明在不同方向上，場(chǎng)強(qiáng)大小均不相同，這就是天線輻射的方?sin向性，電基本振子輻射的電磁波具有一定方向性。天線的方向性是天線的重要電參數(shù)，下面會(huì)繼續(xù)介紹。 天線的主要特性參量針對(duì)某一用途對(duì)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，天線設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)整個(gè)工程系統(tǒng)的質(zhì)量有很大影響，天線設(shè)計(jì)不好，將使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作。一個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)中的天線設(shè)計(jì)，其合理與否，需要有一套電氣指標(biāo)來(lái)衡量。這些電氣指標(biāo)由天線的特性參量來(lái)描述。例如，要設(shè)計(jì)一副雷達(dá)天線，往往需要給出這樣一些電氣指標(biāo)：方向圖形狀、主瓣寬度、副瓣電平、增益、極化、工作頻率和頻帶寬度等。由這些指標(biāo)指導(dǎo)設(shè)計(jì)者進(jìn)行天線的設(shè)計(jì)。（1）方向圖、天線方向圖的定義為：天線輻射特性與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)圖形。一般情況下，天線方向圖是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)確定的，因此，又叫做遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。輻射特性包括輻射場(chǎng)強(qiáng)、強(qiáng)度(場(chǎng)強(qiáng)的平方)、相位和極化。因此，天線方向圖又分為場(chǎng)強(qiáng)方向圖、功率方向圖、相位方向圖和極化方向圖。功率方向圖用得不是很普遍，大多采用場(chǎng)強(qiáng)方向圖。工程上可把場(chǎng)強(qiáng)方向圖繪制成四種形式：場(chǎng)強(qiáng)方向圖可分為直角坐標(biāo)圖和極坐標(biāo)圖，它們又分為分貝標(biāo)注幅度標(biāo)注和分貝標(biāo)注。下面為一副典型的 6 單元八木天線的 H 面歸一化方向圖的幾種形式如下：圖*，********************************************************圖中， 為天線的歸一化方向圖函數(shù)，其中 f(θ, )為非),(),(mfF??? ?歸一化方向圖函數(shù)。 極坐標(biāo)圖直觀，多用于繪制中、低增益天線的方向圖，即多用于繪制波瓣較胖的一類方向圖；直角坐標(biāo)方向圖易于表示窄波瓣和低副瓣性能，多用于繪制高增益和低副瓣天線的方向圖。 功率方向圖表示天線的輻射強(qiáng)度在空間的分布情況，往往采用分貝刻度表示。如果采用分貝刻度表示，則與場(chǎng)強(qiáng)方向圖的分貝表示是一樣的。 天線方向圖一般是一個(gè)三維空間的曲面圖形，但工程上為了方便，常采用通過最大輻射方向的兩個(gè)正交平面上的剖面圖來(lái)描述天線的方向圖。這兩個(gè)相互正 4 交的平面稱之為主面，通常取為 E 面和 H 面。 E 面：指通過天線最大輻射方向并平行于電場(chǎng)矢量的平面。 H 面：指通過天線最大輻射方向并平行于磁場(chǎng)矢量的平面?？臻g中電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量是相互正交的，所以 E 面和 H 面也是相互正交的（2）方向性系數(shù) D 方向圖函數(shù)表示了天線在各個(gè)方向上輻射的相對(duì)大小，它不能明確表示天線輻射場(chǎng)在某個(gè)特定方向上集中的程度，因而必須引進(jìn)方向性系數(shù)(Directivity)這一指標(biāo)參數(shù)。 方向性系數(shù)是用來(lái)表征天線輻射能量集中程度的一個(gè)參數(shù)。它是指：在相同輻射功率 Pr 下，某天線在最大輻射方向的輻射強(qiáng)度 Um 與一理想點(diǎn)源天線在同一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度 U0 的比值。即 (相同輻射功率 Pr)20EDm? 理想點(diǎn)源天線：是指無(wú)方向性的天線，其輻射方向圖在空間是一個(gè)球面。 在此不需導(dǎo)出具體的天線方向性系數(shù)的公式，只需在物理概念上說(shuō)明“天線輻射愈集中，方向性系數(shù)就愈大”的道理。 如上圖所示為某天線和參考的理想點(diǎn)源天線的方向圖。由于輻射功率相同，無(wú)方向性的點(diǎn)源天線是把這個(gè)輻射功率均勻分布在一個(gè)球面上，球面上的輻射場(chǎng)強(qiáng)相等且小為 E0；而有一定方向性的某天線則把這個(gè)輻射功率相對(duì)集中在某個(gè)方向上輻射出去，則這個(gè)方向上的輻射場(chǎng)強(qiáng)就大為 Em。因此，方向性系數(shù)愈大，則天線輻射就愈集中。 值得說(shuō)明的是，無(wú)方向性的理想點(diǎn)源天線實(shí)際是不存在的。它的輻射電場(chǎng)強(qiáng)度的平方可由某天線在各個(gè)方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度平方的平均值表示。（3）增益 方向圖雖能描述空間不同方向上輻射能量的相對(duì)大小，比較直觀、方便，但具體數(shù)量的概念不夠明確，因而需要其他參數(shù)描述天線的方向性性能。無(wú)論是方向性系數(shù)，還是主瓣寬度，與天線的輻射功率和輸入功率都沒有關(guān)系，并未反映出與天線有關(guān)的效率和輸入阻抗等參數(shù)。方向性系數(shù) D 說(shuō)明天線輻射能量的集中程度，在輻射功率相同的情況下，有方向性天線與無(wú)方向性天線相比，等效于把輻射功率提高 D 倍，天線效率則說(shuō)明能量轉(zhuǎn)換的效率，為了更全面表示天線的性能，常常把兩者結(jié)合起來(lái)，引進(jìn)一個(gè)新的參數(shù)即增益（Gain）： 增益的定義是在輸入功率相同的情況下，天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射方向上某點(diǎn)的功率密度與輻射功率相同的無(wú)方向性天線在同一點(diǎn)的功率比之比，如果沒有特殊說(shuō)明則一般指最大方向增益。（相同輸入功率）20),(),(EG??? 同樣，增益也可以定義為某點(diǎn)產(chǎn)生相同電場(chǎng)強(qiáng)度的條件下無(wú)方向性點(diǎn)源天線輸入功率 與某天線的總輸入功率之比0inP（相同電場(chǎng)強(qiáng)度）in0? 若定義天線的效率為輻射功率與輸入功率之比 inrp? 則天線增益與天線方向性系數(shù)有如下關(guān)系 DG? 若不考慮天線自身的損耗，則天線的增益和方向系數(shù)完全相同（4）反射系數(shù)，駐波比(VSWR)與回波損耗(Return loss) 天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時(shí)饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來(lái)衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用哪一個(gè)純屬于個(gè)人習(xí)慣。在我們?nèi)粘＞S護(hù)中，用的較多的是駐波比和回波損耗。 傳輸線（饋線）的導(dǎo)行波到達(dá)天線輸入口，一部分能量被反射回去，一部分繼續(xù)傳輸最后通過天線發(fā)射出去。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，導(dǎo)行波在傳輸過程中遇到不連續(xù)就會(huì)發(fā)生反射，天線輸入端口處發(fā)生的反射是由于天線輸入阻抗 與inZ傳輸線的特性阻抗 不匹配，天線的輸入阻抗 是天線饋電端輸入電壓與輸0ZinZ入電流的比值 反射系數(shù)是反射波電壓（或電流）與入射波電壓（或電流）的比值。由于電壓容易測(cè)試，一般所指的反射系數(shù)都是電壓反射系數(shù)。前面也提及到反射的產(chǎn)生是由于饋線特性阻抗與天線的不匹配引起，因此反射系數(shù)也可以表達(dá)為 從公式中可以清楚看到，天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗（一般微波傳輸 線的特性阻抗為 500Zin????歐姆）,這時(shí)天線輸入端沒有反射，能量完全給天線。 如果 ≠ ，傳輸線反射系數(shù) Γ 一定不為 0，此時(shí)天線輸入端的電壓與inZ0電流均有入射波與反射波疊加引起，定義電壓振幅最大值與振幅最小值為電壓駐波比 VSWR(Voltage Stand Wave Ratio)： ????1minaxUVSWR 由上面的公式同樣可以看出 VSWR 與反射系數(shù)的模 Γ 有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。反射系數(shù) Γ 既有幅度又有相位，是一個(gè)復(fù)數(shù)，一般情況下沒有特殊說(shuō)明，都是指幅度。0≤ ≤1，符合能量守恒定律，發(fā)射波的能量不會(huì)大于入射波。由于反射系數(shù)使用不太方便，人們引入另外一個(gè)量，反射損耗(Return Loss)：ReturnLoss=20log( ) ?反射系數(shù) ，VSWR 與 Return Loss，是用來(lái)衡量天線匹配優(yōu)劣的三個(gè)參量，三個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用哪一個(gè)純屬于個(gè)人習(xí)慣。在天線測(cè)試報(bào)告中，用的較多的是駐波比和回波損耗。 ∈（0～1） ，VSWR∈（?∞dB～0dB）Return Loss(1～∞)天線與饋線的匹配程度直接影響?zhàn)伨€提供給天線的能量，傳輸效率等于饋線輸送給天線的能量除以輸入的能量， ,公式中之所以 而不21???inttP?2?是 ，是因?yàn)楣β收扔陔妷旱钠椒健，F(xiàn)需要指出的是 并不等于天線輻射的? t能量 ,因?yàn)樗徒o天線的能量 中的一部分被損耗（包含導(dǎo)體損耗，介質(zhì)損耗，rPt表面波損耗等等） ，另外一部分被存儲(chǔ)，只有其中的一部分 通過天線發(fā)射出r去。（5）極化(Polarization) 天線向周圍空間輻射電磁波，電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。電磁波的極化是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量隨時(shí)間的變化方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度變化方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度變化方向平行于地面時(shí)，此電波就稱為水平極化波。根據(jù)電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡形狀，電磁波的極化分為三種：線極化，圓極化，和橢圓極化，其中線極化又分為垂直線極化和水平線極化，圓極化分為左旋圓極化與右旋圓極化，橢圓極化分為左旋橢圓極化與右旋橢圓極化。與此相對(duì)應(yīng)，天線也分為三種：線極化天線，圓極化天線和橢圓極化天線。 當(dāng)天線接收電磁波時(shí)，天線的極化特性必須與被接收的電磁波的極化特性一致。否則只能收到部分能量，甚至完全不能接收。垂直極化波要用垂直極化天線來(lái)接收，水平極化波要用水平極化天線來(lái)接收。右旋圓極化波要用右旋圓極化天線來(lái)接收，而左旋圓極化波要用左旋圓極天線來(lái)接收。當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，接收到的信號(hào)會(huì)變小，也就是說(shuō)，發(fā)生極化損失。例如：當(dāng)用+45 度極化天線接收水平極化波時(shí)，由于極化不一致會(huì)使天線接收到的信號(hào)比水平極化天線接受到的信號(hào)電平減少 3dB，意味著只有一半的能量被接收到。圓極化天線可以接收任一線極化波，線極化天線也可以接收任一圓極化波，只是比圓極化天線接收到的信號(hào)電平減少 3dB。當(dāng)接收天線的極化方向與來(lái)波的極化方向完全正交時(shí)，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來(lái)波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來(lái)波時(shí)，天線就完全接收不到來(lái)波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。（6）頻帶寬度天線的所有電參數(shù)都和工作頻率有關(guān)。任何天線的工作頻率都有一定的范圍，當(dāng)工作頻率偏離中心工作頻率時(shí)，天線的電參數(shù)將變差，例如主瓣寬度變大，旁瓣電平增大，輸入阻抗特性變壞等。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，天線有關(guān)電參數(shù)變化的程度在所允許的范圍內(nèi)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍為頻帶寬度(Bandwidth)。根據(jù)天線設(shè)備工作場(chǎng)合不同，影響天線頻帶寬度的主要電參數(shù)也不同。 單極半波振子仿真 在引入車體模型之前，先用 FEKO 仿真一下 100M 的單極半波振子在一個(gè)平面板上的方向圖,并研究其變化規(guī)律，為后面的仿真做基礎(chǔ)及比較的對(duì)象。 首先考慮一個(gè)有限大小金屬平板上的 100M 單極天線。線天線的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=75cm，平面板為 150cm150cm，如下圖 所示 , 利用 FEKO 對(duì)其進(jìn)行仿真得到如下數(shù)據(jù) s11 參數(shù)， VSWR 參數(shù)及遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)圖，方向性圖，增益圖。圖*，**********************************************************平面板上天線的剖分圖 三維電場(chǎng)圖平面板上天線的 s11 參數(shù)平面板上天線的 VSWR 參數(shù) 水平面電場(chǎng)圖 垂直面電場(chǎng)圖 水平面方向性圖 垂直面方向性 從上面得到的數(shù)據(jù)可以看出 s11 參數(shù)在 100M 時(shí)大于10dB，VSWR 大于 2，增益與方向性系數(shù)相同，s11 參數(shù)與 VSWR 不滿足天線的要求，此時(shí)諧振頻率在124M?？梢酝ㄟ^改變天線的長(zhǎng)度來(lái)改變諧振頻率。通過仿真得，當(dāng)平面板不變，L=98cm 時(shí)，s11 ，方向性基本一樣。 金屬面的電尺寸和天線在金屬面上的相對(duì)位置都會(huì)對(duì)天線輻射方向圖產(chǎn)生很大影響，尤其是對(duì)垂直面方向圖, 通過仿真得:當(dāng)金屬面的電尺寸小于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，天線的大部分能量都可以繞射到金屬面下方，當(dāng)電尺寸增大到兩個(gè)波長(zhǎng)后，就只有很小的一部分能量繞射到金屬面下方；金屬面的有限尺寸，會(huì)使天線的垂直面最大增益方向偏離金屬面，一般尺寸越小，偏離越大；水平面的增益圖和理想單極子類似，但會(huì)在距離天線最近的金屬邊緣處有所下降. 本章小結(jié) 由于天線的電磁特性必然會(huì)受到其安裝位置附近有金屬導(dǎo)體的影響，使天線的電參數(shù)特性發(fā)生改變。本章介紹了天線輻射的機(jī)理及表征天線性能的相關(guān)電參數(shù)的基本原理，并對(duì)金屬板上的單極半波振子進(jìn)行了仿真。 第 5 章 汽車天線的電磁仿真近幾年來(lái)，隨著車載娛樂和通訊系統(tǒng)功能的增強(qiáng)及品質(zhì)的提高，特別是GPS 定位系統(tǒng)、因特網(wǎng)通訊、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能的廣泛使用，汽車的移動(dòng)接收技術(shù)開發(fā)的