【正文】 εA,即 rAin r LPPP P P? ?? ?(7― 4― 1) 第 7章 天線 式中 PL為損耗功率 。 第 7章 天線 圖 7―3―5 第 7章 天線 7―4 天線特性參量 一 ,天線效率 天線是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量的 “ 換能器 ” 。 所謂對稱振子的諧振長度是指輸入阻抗為純電阻的天線長度 。 因此容易實現(xiàn)寬頻帶阻抗匹配 ,實際上常采用降低天線特性阻抗的辦法來加寬天線的工作頻帶 。 其中圖 (a)為輸入電阻 Rin～ l/λ關(guān)系曲線圖 (b)為輸入電抗 Xin～ l/λ關(guān)系曲線 。 具體方法不作介紹 ,這里僅給出結(jié)果 。 線狀的對稱振子天線的結(jié)構(gòu)可以看成是終端開路的均勻雙線傳輸線張開的結(jié)果 。 圖 7― 3― 4給出了對稱振子輻射電阻 Rr和 l/λ的關(guān)系曲線 。 在工程上 ,一般把二倍的天線輻射功率對電流波腹處的電流強度振幅值平方 (Im2)之比值 ,稱為輻射電阻 Rr。 第 7章 天線 圖 7―3―3 第 7章 天線 二 , 對稱振子的輻射電阻和輸入阻抗 (一 )對稱振子的輻射電阻 Rr 對比元電輻射體可以引出對稱振子的阻抗概念 。 5,0。 由于觀察點 P(r,ζ,φ)在遠區(qū) ,可認為 r1線 ,r2線和 r線相互平行 ,因此認為 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??????? ????于是這對元電輻射體在遠區(qū)的合成場強為 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?????? ? ????????? 對稱振子天線的輻射場為許多元電輻射體對的 輻射場的疊加 ,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。 在對稱振子天線上以中心位置為對稱的 177。 第 7章 天線 圖 7―3―1 第 7章 天線 一 , 對稱振子的輻射場 工程上計算對稱振子的輻射場的近似方法是 :把對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瞬間可認為各處相同 ,即把每個小段看作一個元電輻射體 ,于是空間任一點的場強是許多元電輻射體在該點產(chǎn)生場強的疊加 。 由于它結(jié)構(gòu)簡單 ,所以被廣泛用于無線電通信 ,雷達等各種無線電設(shè)備中 ,也可作為電視接收機最簡單的天線設(shè)備 。 平面 (H面 )內(nèi)極坐標的方向圖和立體方向性圖 。 由于方向性函數(shù)是坐標 ζ和 φ的函數(shù) ,因此三維坐標系統(tǒng)中的方向性圖為立體圖 。 為了說明輻射體本身的特性 ,我們引入另一個參量 —— 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 。 (5)輻射功率與輻射電阻 。 (3)遠區(qū)場的相位隨 r的增加不斷滯后 ,其等相位面為r等于常數(shù)的球面 。 故遠區(qū)的電磁場可近似表示為 000000sin sin4200sin sin42rejkr jkrrjkr jkrEEI l I lE j e jrrEHHI l EE j e jrr????? ? ???? ??? ? ?? ? ??????????????????????? ? ????第 7章 天線 由此可見遠區(qū)場具有下列特點 : (1)遠區(qū)空間內(nèi)任意一點電場和磁場在空間方向上相互垂直 ,在時間相位上同相 。 因接收點在很遠處 ,我們這里只討論遠區(qū)場 。 在 Er,Eζ和 Hφ分量中都含有 r1,r2和 r3三項或其中二項 。 P點的球坐標是 (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 ,元電輻射體的電場有 r和 ζ方向兩個分量 ,而磁場只有 φ方向分量 。 將元電輻射體的中心放在坐標系原點 ,如圖 7― 2― 1所示 。 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際意義 。本章側(cè)重討論天線的輻射場空間分布問題 。 與相連接的饋線或電路有阻抗匹配的問題 。第 7章 天線 第 7章 天線 7―1 引言 7―2 元電輻射體 7―3 對稱振子天線 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 ,遙控以及導航等無線電系統(tǒng)都是利用無線電波來傳遞信號的 .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?,并向預定方向輻射 ,通過媒質(zhì)傳播到達接收天線附近 .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 ,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)射機和接收機 .當天線與發(fā)射機接通時 ,此天線作發(fā)射天線用當天線與接收機接通時 ,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)備作為一個單口元件 ,在輸入端面上常體現(xiàn)為一個阻抗元件或等值阻抗元件 。 天線的輻射場分布或接收來波場效應(yīng) ,以及與接收機 ,發(fā)射機最佳的貫通 ,就是天線工程所最關(guān)心的問題 。 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線 ,導線全長 lλ,導線直徑 dl,線上的電流振幅是相等的 ,線上各點的電流相位亦認為是同相的 。 對元電輻射體的分析 ,我們采用球坐標系 。 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點的場強 。 而且電場矢量和磁場矢量相互垂直 。 現(xiàn)根據(jù)觀察點 P離元電輻射體的遠近可分為三個區(qū)域 :近區(qū) (kr1),遠區(qū) (kr1)和中間區(qū)域 。 第 7章 天線 在遠區(qū)范圍內(nèi) kr1,即 λ/r1,因此式 (7― 2― 1)中 r1項起主要作用 ,而 r2和 r3項均很小 ,可以忽略不計 。 (2)遠區(qū)場縱向分量 ErEζ,而磁場分量只有橫向分量 Hφ,故遠區(qū)場近似為 TEM波 。 (4)遠區(qū)場的電場與磁場的幅度｜ E｜與｜ H｜之比ε0為自由空間的波阻抗 。 第 7章 天線 天線通過輻射場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) ,電尺寸以及激勵電流有關(guān) 。 由式 (7― 2― 2)可以看出 ,元電輻射體的輻射場強值在等 r距離的球面空間各個方向上是不相同的 ,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 。 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。 第 7章 天線 7―3 對稱振子天線 對稱振子的結(jié)構(gòu)如圖 7― 3― 1所示 ,它由兩段同樣粗細和相等長度的直導線構(gòu)成 ,在中間兩個端點之間進行饋電 ,且以中間饋電點為中心而左右對稱的 。 它既可作為最簡單的天線使用 ,也可作為復雜天線陣的單元或面天線的饋源 。 對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 l為對稱振子一臂的長度 。 z位置處 ,一對元電輻射體 dz1與 dz2的輻射場分別為 11201 111102 22()si n2si n[ ( ) ]si n