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天线辐射电磁波的原理

发布时间:2022/12/10 18:02:14
天线辐射电磁波的原理 

1.天线的作用

导线载有交变电流时,就会辐射电磁波,其辐射能力与导线的长短和形状有关。若两导线的距离很近,电场被束缚在两导线之间,因而辐射很微弱;将两导线张开,电场就散播在周围空间,因而辐射增强。当导线的长度远小于辐射电磁波的波长 ,辐射很微弱;当导线的长度可与辐射的电磁波波长相比拟时,导线上的电流就大大增加,形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子,振子就是一个简单的天线。

半波振子天线

半波振子天线

电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。发射电磁波时,天线将电路中的高频电流或馈电传输线上的导行波有效地转换成某种极化的空间电磁波,向规定的方向发射出去;接收电磁波时,则将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或传输线上的导行波。

天线的接收和发射是互易的。根据电磁学中的互易原理可以证明,只要天线和馈电网络中不含非线性器件(如铁氧体器件),同一副天线用作发射和接收时,其基本特性保持不变。因此,在分析接收天线的特性时,可以采用分析发射天线的方法。

天线有以下四个方面的作用:

(1) 能量转换

对于发射天线,天线应将电路中的高频电流能量或传输线上的导行波能量尽可能多地转换为空间的电磁波能量辐射出去。对于接收天线,天线应将接收的电磁波能量最大限度地转换为电路中的高频电流能量输送到接收机。这就要求天线与发射机源或与接收机负载尽可能好的匹配。一副好的天线,就是一个好的能量转换器。

(2) 定向辐射或接收

对于发射天线,辐射的电磁波能量应尽可能集中在指定的方向上,而在其它方向不辐射或辐射很弱。对于接收天线,只接收来自指定方向上的的电磁波,在其它方向接收能力很弱或不接收。

雷达的任务是搜索和跟踪特定的目标。如果雷达天线不具有尖锐的方向性,就无法辨别和测定目标的位置。而且如果天线没有方向性,或方向性弱,对发射天线来说,它所辐射的能量中只有一少部分到达指定方向,大部分能量浪费在不需要的方向上。对接收天线来说,在接收到所需要信号的同时,还将接收到来自其它方向的干扰信号或噪声信号,致使所需信号完全淹没在干扰和噪声中。因此,好的天线应该具有完成某种任务而要求的方向性。

如果我们要接收卫星电视等信号,由于距离远,则必须采用定向性好,增益很高的天线,如旋转抛物面天线、卡塞格仑天线、阵列天线等。

(3) 极化

天线发射或接收的是规定极化的电磁波。例如一个垂直极化的天线,不能接收水平极化的来波,反之亦然;一个左旋圆极化的天线不能接收右旋圆极化的电磁波,反之亦然。用一个圆极化的天线对线极化的来波,将有一半能量损失。

(4) 频带宽度

任何天线都有一定的工作频带。在这个频带范围之外就没有相应的作用了。

2.天线的分类

按工作性质可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。

按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线、测向天线等。

按天线特性分类:

* 从方向性分:有强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线等。

* 从极化特性分:有线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化天线又分为垂直极化和水平极化天线。

* 从频带特性分: 有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。

按天线上电流分布可分为行波天线、驻波天线。

按使用波段可分为长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线。

按载体可分为车载天线、机载天线、星载天线、弹载天线等。

按天线外形可分为鞭状天线、T 形天线、Γ形天线、V 形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。

另外,还有八木天线、对数周期天线、阵列天线。阵列天线又有直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。

从便于分析和研究天线的性能出发,可以将大部分天线按其结构形式分为两大类:一类是由金属导线构成的线天线,一类是由尺寸远大于波长的金属面或口径面构成的面状天线,简称口面天线。此外还有一类特殊的介质天线。

3.天线的主要技术参数

3.1 方向图

方向图

如果把天线在各方向辐射的强度用从原点出发的矢量来表示,则连接全部矢量端点所形成的曲面就是天线的方向图。

天线方向图是天线辐射特性与空间坐标之间的函数图形,因此,分析天线的方向图就可分析天线的辐射特性,即天线在空间各个方向上所具有的发射(或接收)电磁波的能力。

大多情况下,天线方向图是在远场区确定的,所以又叫做远场方向图。辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位和极化。因此,天线方向图又分为场强方向图、功率方向图、相位方向图和极化方向图。常用的是场强和功率方向图,相位和极化方向图在特殊应用中采用。例如,在天线近场测量中,既要测量场强方向图,也要测量其相位方向图。天线的辐射特性可采用三维和二维方向图来描述。三维方向图可分为球坐标三维方向图和直角坐标三维方向图;二维方向图是由其三维方向图取某个剖面而得到的,又分为极坐标方向图和直角坐标方向图。

三维方向图

二维方向图

在方向图中,包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣,也称天线波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣、边瓣,主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣、尾瓣,全向天线方向图外形为圆柱型,定向天线方向图外形为板状。

极坐标图多用于表征中低增益,即波瓣较胖的方向图,直角坐标图易于表示窄波瓣和低副瓣性能,多用于绘制高增益和低副瓣天线的方向图。

功率方向图表示天线的辐射功率在空间的分布情况,往往采用分贝刻度表示。如果采用分贝刻度表示,则功率方向图与场强方向图是一样的。直角坐标分贝表示的方向图放大了副瓣,更易于分析天线的辐射特性,所以工程上多采用这种形式的方向图。

在线性天线中,由于地面影响较大,都采用垂直面和水平面作为主平面。在面型天线中,则采用E平面和H平面作为两个主平面。E 面指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面;H 面指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面,E 面和 H 面是相互正交的。

天线方向图的绘制有两个途径:一是由理论分析得到天线远区辐射场,从而得到方向图函数,通过计算并绘制出方向图;一是通过实验测得天线的方向图数据并绘出方向图。

对不同的用途,要求天线有不同的方向图。例如,广播电视发射天线,移动通讯基站天线等,要求在水平面内为全向方向图,而在垂直面内有一定的方向性以提高天线增益;对微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星接收等用途的天线,要求为笔形波束方向图;对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束。

分析方向图时需要关注以下参数:

* 主瓣宽度,即半功率点波瓣宽度,指功率下降到最大值的0.707倍(即下降3dB)处两点之间的夹角,记作[Math Processing Error]2θ0.5,表征了天线波束在空间的覆盖范围,可据此设计口径天线和阵列天线的结构尺寸。对于低副瓣天线来说,主瓣宽度愈窄,方向图愈尖锐,天线辐射能量就愈集中,或接收能力愈强,其定向作用或方向性就愈强。

* 副瓣电平,指副瓣最大模值和主瓣最大模值之比,工程上,副瓣电平指所有副瓣中最大的那一个副瓣的电平,记作[Math Processing Error]SLL。天线副瓣电平愈低,表明天线在不需要的方向上辐射或接收的能量愈弱,抗干扰能力就愈强。

* 零功率波瓣宽度,指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。

* 前后比,指主瓣和尾瓣最大电平之比。

3.2 天线增益

增益是天线系统的最重要参数之一,理解增益首先要掌握“分贝”这个度量单位。

分贝(dB,decibel)是以发明电话的亚历山大格雷厄姆贝尔命名的,用来表征两个相同单位数值的比例,由于“贝尔(B,bel)”太大,人们常用1贝尔的十分之一为单位,即分贝。1贝尔的两个场量比值为[Math Processing Error]10:1,1贝尔的两个功率量比值为10:1,因此,场量和功率量分贝值的计算方法是不同的,对于场量而言:

[Math Processing Error]LdB=10lg⁡(Ai2A02)=20lg⁡(AiA0)

对于功率量而言:

[Math Processing Error]LdB=10lg⁡(PiP0)

简而言之,分贝是倍数值的对数化,可以更方便直观地表征两个数值的大小关系,而且,多部件的系统整体增益可以直接把各部件的增益分贝相加而不是相乘,简化了计算。(此外,人对声音和亮度的感知,更接近与这些量的对数值成正比而不是这些量本身,因此分贝值可用于描述感知级别或级差。)

天线增益通常以输入相同功率的全向天线或半波振子天线在某方向的辐射强度为参考值,以全向天线为参考时记作dBi (i-isotropic),以半波振子(对称振子)天线为参考时记作dBd(d-dipole)。半波对称振子的增益为2.15dBi=0dBd。4 个半波对称振子沿垂线上下排列,构成一个垂直四元阵,其增益约为8.15dBi=(8.15 –2.15)dBd=6dBd。

天线增益定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度,从方向图上来看,主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。在工程上,天线增益用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力,增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围,或者在确定范围内增大增益余量。相同的条件下,增益越高,电波传播的距离越远。一般地,GSM定向基站的天线增益为15.5dBi/18.5dBi,全向的为11dBi。

3.3 天线极化

天线的极化是以电磁波的极化来确定的。电磁波的极化方向通常是以其电场矢量的空间指向来描述的,即在空间某位置上,沿电磁波的传播方向看去,其电场矢量在空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。如果这个轨迹是一条直线,则称为线极化,如果是一个圆,则称为圆极化,如果是一个椭圆,则称为椭圆极化。

采用极化特性来划分电磁波,就有线极化波、圆极化波和椭圆极化波。线极化和圆极化是椭圆极化的两种特殊情况。圆极化和椭圆极化波的电场矢量的取向是随时间旋转的。沿着电磁波传播方向看去,其旋向有顺时针方向和逆时针方向之分。电场矢量为顺时针方向旋转的称为右旋极化,逆时针方向旋转的称为左旋极化。

天线的极化定义为:在最大增益方向上,作发射时其辐射电磁波的极化,或作接收时能使天线终端得到最大可用功率方向的入射电磁波的极化。最大增益方向就是天线方向图最大值方向,或最大指向方向。

根据极化形式的不同,天线可分为线极化天线和圆极化天线。在一般的通讯和雷达中多采用线极化天线,在电子对抗和侦察设备中或通讯设备处于剧烈摆动和高速旋转的飞行器上等应用中则可采用圆极化天线。椭圆极化可以分解为两个幅度不同、旋向相反的圆极化波,或分解为两个幅度和相位均不相同的正交线极化波。通常不采用椭圆极化天线,只有在圆极化天线设计不完善时才出现椭圆极化天线。

天线的极化在各个方向并非保持恒定,所以天线的极化在其最大指向方向定义才有意义。如,对线极化天线来说,其辐射电场矢量的取向是随方向角的不同而不同的;对圆极化天线来说,其最大指向方向上可以设计得使其为圆极化,但在其它方向一般为椭圆极化,当远离最大指向方向时甚至可能退化为线极化。

常见的线极化天线有八木天线、角锥喇叭天线和对称振子天线,而平面阿基米德螺旋天线、等角螺旋天线和轴向模圆柱螺旋天线等则是典型的圆极化天线。

若以地面为参考面,线极化又分为垂直极化和水平极化。在其最大辐射方向上,电磁波的电场矢量垂直于地面时,称为垂直极化;平行于地面时,称为水平极化。相应的天线称之为垂直极化天线和水平极化天线。水平极化波传播时贴近地面,会在大地表面形成极化电流,极化电流受大地阻抗的影响,产生热能,使电信号迅速衰落,覆盖距离变短。垂直极化波覆盖距离更远。

只有在收、发天线的极化匹配时,才能获得最大的功率传输,否则会出现极化损失。所谓收、发天线的极化匹配是指:在最大指向方向对准的情况下,收、发天线的极化一致。极化损失系数用 K 来表示,是指接收天线的极化与来波极化不完全匹配时,接收功率损失的多少。它可定义为:接收到的功率 Pre 与入射到接收天线上的功率 Pi 之比。

由于结构等方面的原因,天线可能辐射或接收不需要的极化分量。例如辐射或接收水平极化波的天线,也可能辐射或接收不需要的垂直极化波。这种不需要辐射或接收的极化波称为交叉极化。对线极化天线天线来说,交叉极化与预定的极化方向垂直。对纯圆极化天线来说,交叉极化与预定圆极化旋向相反。对椭圆极化天线来说,交叉极化与预定椭圆极化的轴比相同,长短轴相互正交,旋向相反。交叉极化又称作正交极化。

3.4 其他技术指标

上旁瓣抑制和下倾角

对于移动通信基站天线,人们常常要求它的垂直面(即俯仰面)方向图中,主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制 。基站的服务对象是地面上的移动电话用户,指向天空的辐射是毫无意义的,同时上旁瓣信号如果很强,容易造成对远处基站的干扰。为了使信号更好的到达覆盖区域,需要对天线在机械安装时加一定的角度,使天线的主波瓣方向对着覆盖区域,既加强了覆盖,同时又减少了信号越区覆盖,形成干扰。

双极化天线

把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起,或者,把 +45° 极化和 -45° 极化两种极化的天线组合在一起,就构成了一种新的天线—双极化天线。双极化天线有两个接头。


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