方向性与方向图85 线天线与天线阵

理解相控阵天线的方向图考虑一维阵列天线，由一排间隔很近的发射单元组成，每个阵元在所有方向上发射一个振幅、相位和频率相同的波。

为了测量这些波在不同方位角下的总强度，我们把一个场强探测器放在足够远的地方，使得从探测器到所有发射单元的视线几乎平行。

从阵列垂直平分线上的一个点开始，我们将场强探测器沿固定半径的弧线从阵列中心移动。

在任何一点上，场强取决于接收波的相对相位，而相对相位又取决于发射单元之间的距离差。

如果我们从阵列的一端画一条垂直于视线到探测器的直线(AB)，那么这些差异就能很好地显示出来。

这条线与阵列的夹角等于探测器的方位角θ。

现在，如果θ为零，并且探测器远离阵列，则探测器到所有发射器的距离基本上是相同的。

这些波是同相位的，它们的场强叠加成一个很大的值。

但是，如果θ大于零，那么探测器到发射单元的距离就会逐渐增大。

因此，接收波的相位都略有不同，场强之和没有θ为零时那么大。

随着方位角的增大，距离差增大。

最终达到了一个点，如探测器至第一发射器(第1号)的距离与至中心发射器(第7号)距离之差为半波长。

那么，1号接收波与7号接收波相互抵消。

从2号和8号收到的波也是如此。

以此类推，从所有发射器接收到的波强度之和为零。

探测器已经到达了天线辐射强度总和为零的方位角。

如果θ进一步增加，阵列末端发射器的波将不再完全抵消，并且之和会增加。

当探测器到阵列首末两端的距离之差为1.5个波长时，会达到另一个峰值。

3到10发射单元发出的波依然对消，但两头发射器发出的波，1和2以及11和12，相加能够产生一个可观的结果。

探测器的位置位于阵列第一旁瓣的中心。

如果θ进一步增加，发生对消的部分就会增加，并且重复上述过程。

场强与方位角的关系如图所示，可由下列方程表示。

其中E是场强，x与θ成正比。

这被称为sinx/x或sinc函数。

实际上，x=π(L/λ)sinθ。

其中是波长。

所以只有当θ值比较小时，x与θ成正比。

随着θ的增加，逐渐小于θ，导致高阶旁瓣的幅度逐渐减小。

天线方向性天线方向性 (from互动百科)天线向各个方向辐射或接收电磁波相对强度的特性。

对发射天线来说，天线向某一方向辐射电磁波的强度是由天线上各点电流元产生于该方向的电磁场强度相干合成的结果。

如果把天线各个方向辐射电磁波的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则将全部矢量终点连在一起所构成的封闭面称为天线的立体方向图，它表示天线向不同方向辐射的强弱。

任何通过原点的平面与立体方向图相截的轮廓线称为天线在该平面内的平面方向图。

工程上一般采用主平面上的方向图来表示天线的方向性，而主平面一般是指包含最大辐射方向和电场矢量或磁场矢量的平面。

例如图1表示电流均匀分布的元天线的方向图。

图1a是立体方向图，图1b、图c分别是包含天线轴和垂直于天线轴的两个主平面上的方向图。

天线方向性不同天线有不同的方向图。

有些天线的方向图呈现许多花瓣形状（图2）,一般由一个主瓣和若干个旁瓣（或称副瓣）组成。

天线方向性用电场或磁场强度来表示辐射强度的方向图称为场强方向图；用功率密度的大小来表示的称为功率方向图。

在功率方向图的主瓣中，功率降到主瓣最大值一半的两点所张的夹角称为主瓣的半功率点宽度(简称主瓣宽度)，用它可以表示天线集中辐射的程度。

主瓣宽度越小，表示天线的辐射能量越集中在天线的最大辐射方向。

方向图中的最大旁瓣(通常是邻近主瓣的第一旁瓣)与主瓣最大值的比值称为旁瓣电平，通常用分贝(dB)来表示。

例如，在功率方向图中另外一个表示天线集中辐射程度的参量是天线的方向性系数或天线增益。

向各方向均匀辐射的理想点源天线称为均匀辐射器并用作比较基准。

天线方向性系数的定义是：在总辐射功率相同的情况下，天线在最大辐射方向的辐射功率密度P与均匀辐射器在该方向的辐射功率密度P0的比值，通常以D来表示天线增益的定义是:在总输入功率相同的情况下,天线在最大辐射方向的辐射功率密度P与均匀辐射器在该方向的辐射功率密度P0的比值，通常以G来表示天线的辐射效率η是总辐射功率与总输入功率之比,所以如果理想均匀辐射器辐射效率为100％，则天线的增益与其方向性系数的关系为G＝ηD。

实验四、电波天线特性测试一、实验原理天线的概念无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。

电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。

可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。

天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。

对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。

选择合适的天线天线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响通信系统的指标，用户在选择天线时必须首先注重其性能。

具体说有两个方面，第一选择天线类型；第二选择天线的电气性能。

选择天线类型的意义是：所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求；选择天线电气性能的要求是：选择天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统设计要求。

天线的方向性发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。

天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。

衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。

全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。

定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。

垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。

立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。

天线的增益增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。

八木天线的方向图及阻抗匹配和极化匹配一、实验原理（1）八木天线是由一个有源振子(一般用折合振子)、两个无源振子：反射器（长的）和若干个无源引向器（短的）平行排列而成的端射式天线。

主瓣方向由有源振子指向引向器。

引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。

此时，引向器对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°;引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后于从空中直接到达主振子的信号90，恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。

反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了180，起到了抵消作用。

一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。

发射状态作用过程亦然。

（2）阻抗匹配天线的一个重要特征，那就是“输入阻抗”。

在谐振状态，天线如同一只电阻接在馈线端。

常用馈线阻抗为50Ω，如果天线输入阻抗也是50Ω，那就达到了“匹配”，电台输出的信号就能全部从天线上发射出去；如果不“匹配”，一部分功率就会反射回电台的功放电路。

阻抗完全匹配才能达到最大功率传输。

不匹配时，发射机发射的电波将有一部分反射回来，在馈线中产生反射波，反射波到达发射机，最终产生为热量消耗掉。

接收时，也会因为不匹配，造成接收信号不好。

完全匹配，将不产生反射波，这样，在馈线里各点的电压振幅是恒定的。

阻抗完全匹配才能达到最大功率传输。

（3）极化匹配收、发信双方保持相同"姿势"为好。

振子水平时，发射的电波其电场与大地平行，称"水平极化波"，振子与地垂直时发射的电波属"垂直极化波"。

收发双方应该保持相同的极化方式。

二、实验目的1、学习测量八木天线方向图方法2、测量八木天线在阻抗匹配条件下的反射系数3、研究在不同极化方式下的八木天线的功率变化。