天线讲义
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天线部分一、天线理论知识天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件,其质量的优良和是否合理使用对无线通信工程的成败起到重要作用。
所以我们必须全面了解天线。
1、天线的方位图:方位图是天线电气性能的最重要指标它直接全面的反映出天线的辐射特性。
定义:天线的辐射电磁场在一定距离上随空间角坐标分布的图形。
由于电磁场的矢量特征包含了幅度、相位、极化方向等信息,因此,对应有:幅度方向图、相位方向图。
而电磁场的幅度可用场强和功率密度表示,所以,幅度方向图又分为场强方向图和功率方向图。
除非特殊说明,在一般情况下,通常天线方向图指的是功率方向图,幅度以dB为单位。
根据定义,天线的方向图是三维立体图,但实际获得完整的三维方向图是非常困难的。
通常根据天线的结构特点,选择两个或多个特征面测得该平面内的二维方向图如:E面方向图:通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面;H面方向图:通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面;水平面方向图(Horizontal):是指与地面平行的平面内的方向图;垂直面方向图(Vertical):是指与地面垂直的平面内的方向图。
当天线为垂直极化时,H面近似为水平面,E面近似为垂直面,如果天线为水平极化则情况正好相反。
E面图和H面图只是描述了天线的功率密度的分布情况,但不能定量的反映天线的主要特征。
为了更好的描述天线的方向图,常使用半功率波束宽度、副瓣电平、前后比、第一上副瓣抑制、第一下零点填充等都是描述方向图特征的指标。
2、波瓣:零功率点波瓣宽度:主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。
半功率点波瓣宽度:在E面或H面的等距线上,主瓣最大值两边场强等于最大场强的0.707倍(或一半功率密度)的两辐射方向之间的夹角。
副瓣电平:在E面或H面的等距线上,副瓣最大值与主瓣最大值之比,通常用dB表示。
后瓣:与主瓣相反方向上的副瓣。
前后比:等距线上,主瓣功率密度最大值和后瓣功率密度最大值之比(dB)在实际应用中由于天线的上副瓣信号不能起到覆盖的作用,且常常造成越区覆盖的问题,所以我们会想方设法抑制这个方向上信号的发射,而一般与主瓣方向夹角较小的第一上副瓣的功率密度最大,影响最坏,所以我们以对它的抑制为考察指标:第一上副瓣抑制(FirstUpper Side Lobe Suppression )。
天线部分一、天线理论知识天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件,其质量的优良和是否合理使用对无线通信工程的成败起到重要作用。
所以我们必须全面了解天线。
1、天线的方位图:方位图是天线电气性能的最重要指标它直接全面的反映出天线的辐射特性。
定义:天线的辐射电磁场在一定距离上随空间角坐标分布的图形。
由于电磁场的矢量特征包含了幅度、相位、极化方向等信息,因此,对应有:幅度方向图、相位方向图。
而电磁场的幅度可用场强和功率密度表示,所以,幅度方向图又分为场强方向图和功率方向图。
除非特殊说明,在一般情况下,通常天线方向图指的是功率方向图,幅度以dB为单位。
根据定义,天线的方向图是三维立体图,但实际获得完整的三维方向图是非常困难的。
通常根据天线的结构特点,选择两个或多个特征面测得该平面内的二维方向图如:E面方向图:通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面;H面方向图:通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面;水平面方向图(Horizontal):是指与地面平行的平面内的方向图;垂直面方向图(Vertical):是指与地面垂直的平面内的方向图。
当天线为垂直极化时,H面近似为水平面,E面近似为垂直面,如果天线为水平极化则情况正好相反。
E面图和H面图只是描述了天线的功率密度的分布情况,但不能定量的反映天线的主要特征。
为了更好的描述天线的方向图,常使用半功率波束宽度、副瓣电平、前后比、第一上副瓣抑制、第一下零点填充等都是描述方向图特征的指标。
2、波瓣:零功率点波瓣宽度:主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。
半功率点波瓣宽度:在E面或H面的等距线上,主瓣最大值两边场强等于最大场强的0.707倍(或一半功率密度)的两辐射方向之间的夹角。
副瓣电平:在E面或H面的等距线上,副瓣最大值与主瓣最大值之比,通常用dB表示。
后瓣:与主瓣相反方向上的副瓣。
前后比:等距线上,主瓣功率密度最大值和后瓣功率密度最大值之比(dB)在实际应用中由于天线的上副瓣信号不能起到覆盖的作用,且常常造成越区覆盖的问题,所以我们会想方设法抑制这个方向上信号的发射,而一般与主瓣方向夹角较小的第一上副瓣的功率密度最大,影响最坏,所以我们以对它的抑制为考察指标:第一上副瓣抑制(FirstUpper Side Lobe Suppression )。
第十一章口径天线基础之前我们讨论的是线状天线,其特点是天线呈直线、折线或曲线状,且天线的尺寸为波长的几分之一或数个波长。
所构成的基本理论称之为线天线理论。
即使开槽缝隙天线,在分析时也是借助了缝隙天线的互补天线—金属线天线来分析。
在实际工作中,还将遇到金属导体或介质构成的口径天线和反射面天线。
有时我们统称为口面天线。
面天线,顾名思义因为这类天线所载的电流是分布在金属面或介质面上的,而且其口径尺寸远大于工作波长,可以是波长的十几到几十倍以上。
主要包括:喇叭天线、透镜天线、抛物面天线、双反射面的卡塞格伦天线等。
天线通常由两部分组成:一是初级源,例如抛物面天线的喇叭馈源;一是形成方向性的部件,例如抛物面反射器。
(a) 喇叭天线(b) 龙伯透镜天线(c) 抛物面天线(d) 卡塞格伦天线图11.1 常见口径天线在微波通信中,由于波长很短,往往采用口径面天线来辐射(或接收)电磁能量。
所有口径面天线都有一个明显的口径面(简称口面),电磁能量通过口面辐射(或接收)。
如图所示喇叭天线的口面为矩形平面,抛物面天线的口面的口面为圆形平面。
对于面天线而言,由于辐射(或接收)的电磁能量都必须经过其口面,因此,有理由将口面看成是面天线辐射场的(等效)源。
口面天线的分析模型如下图所示:图11.2 口径天线分析模型1S 为天线金属导体面,2S 为开口面,1S +2S 构成一个封闭面,封闭面内有一源。
对这样一个分析模型,要求解空间某点p 处的电磁场p p H E v v 、,一般采用两种近似求解方法。
(1)面电流法:以馈源的初级辐射电磁场在金属表面产生的表面电流为依据,计算辐射场。
表面电流密度与馈源的初级辐射场之间近似满足如下关系:i S H nJ v v ×=ˆ (11.1) 式中:S J v 为金属反射面的表面电流密度;i H v 为金属表面处馈源的初级辐射磁场;ˆn为金属表面的法向单位矢量。
上式仅对于平面波入射到无限大金属平面的情况才是精确的,所以面电流法是一种近似方法。