天线原理与设计讲义ppt课件.ppt

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1、天线原理与设计教师：王建电子工程学院二系第三章接收天线理论天线接收电磁能量的物理过程是：天线在外场作用下激励起感应电动势，并在导体表面产生电流，该电流流进天线负载(接收机)，使接收机回路中产生电流。所以，接收天线是一个把空间电磁波转换为高频电流的能量转换装置。其工作过程恰好是发射天线的逆过程，如下图所示。返回返回1接收天线与发射天线一般相距很远，作用在接收天线上的电磁波可认为是平面波。设来波方向与z轴夹角为θ,来波电场可分解为和两个分量，其中垂直于z轴不起作用，只有才使振子上产生感应流I,这个感应电流将产生散射，它是以感应电流I为未知的函数。前面已介绍过，在接收状态下的天线与接

2、收机负载共轭匹配的最佳情况下，传送至接收机的功率是天线截获到的总功率的一半，另一半则被天线散射和热损耗消耗掉了。如果不计热损耗，这喻示了要使截获到的功率的一半传送给接收机，则天线必定要将另一半散射掉。这样，接收机接收的功率可用散射功率来等效。具体做法是：链接由来波电场与感应电流产生的散射场形成的总场在天线金属表面应满足切向电场为零的边界条件(3.1)来确定感应电流I。这个感应电流流过负载ZL将被其接收。上式实际上是一个含未知电流的积分方程(见书上P51式(2.86))，可采用矩量法等方法求解。对于细线对称振子接收天线，其上感应电流分布也近似为正弦分布。采用上述方法分析接收天线，

3、数学计算复杂。通常采用互易定理方法，它是利用收发天线的互易性，从发射天线的性能直接导出接收天线的性能。这种方法是分析接收天线的最简洁、最有普遍意义的方法。这里主要介绍这种方法。链接3.1采用互易定理方法分析接收天线设有两个任意放置的天线1和2，彼此之间相距足够远，处于各向同性的无界均匀媒质中，除两天线外没有其它场源，如下图所示。(a)天线1发射，天线2接收(b)天线2发射，天线1接收返回当天线1作发射(加有电源ε1，输出电流为I1)，天线2作接收时，天线2上有感应电流I21，形成开路电压U2。由等效电路得(3.2)当天线2作发射(加有电源ε2，输出电流为I2)，天线1作接收时，

4、天线1上有感应电流I12，形成开路电压U1。由等效电路得(3.3)式中，Z1in和Z2in分别为天线1和2的输入阻抗，ZL1和ZL2分别为天线1和2的负载阻抗。由互易定理(3.4)把式(3.2)和(3.3)代入式(3.4)得链接(3.5)由书上P13式(1.21)可得发射天线1在接收天线2处的电场矢量为(3.6)可得：(3.7)同理有：(3.8)把式(3.7)和(3.8)代入(3.5)得(3.9)返回在上式的等号左边分子分母点乘，而等号右边分子分母点乘，然后消去相同因子后得(3.10)式中，,是天线1作发射时其极化方向的分量；,是天线2作发射时其极化方向的分量；考察式(3.10

5、)，I21是在E'21作用下在ZL2上产生的电流，即I21∝E'21；同理，I12是在E'12作用下在ZL1上产生的电流，即I12∝E'12。这样一来式(3.10)等号左边完全由表征天线1的参量组成；等号右边完全由表征天线2的参量组成。既然式(3.10)等号两边分别属于某一天线，而该天线又可以是任意的，则式(3.10)应恒等于一个常数，即链接(3.11)解出接收电流I(3.12)接收电动势(3.13)式中，C为常数；E'为入射电场在该天线作发射时的极化方向上的分量；F(θ,φ)、Le和Zin分别为该天线作发射时的归一化方向图函数、有效长度和输入阻抗。由于常数C与天线形式无关，可

6、以用最简单形式的天线—基本振子来确定它。设基本振子长度为l，来波方向与振子轴夹角为θ，则振子天线表面切向电场为返回则感应电动势为(3.14)当基本振子作发射时有，作发射天线时的电场极化方向与来波极化方向一致，即比较式(3.13)和(3.14)得C=1。所以式(3.12)和(3.13)可写作(3.15)由此式可得出一个重要结论：任意形式的天线用作接收天线时，它的极化、方向性、有效长度和阻抗等，均和它用作发射天线时相同。链接3.2接收天线的电参数与费里斯传输公式与发射天线一样，我们可采用一些参数(如极化、方向性系数、增益、输入阻抗等)来描述接收天线的性能。这些参数和它用作发射天线时

7、是一致的。即天线的收发具有互易性。当然，接收天线也有别于发射天线，如回路承受功率小，结构上的不同特点，以及噪声问题等。1、接收功率Pre与最大接收功率Premax设Zin=Rin+jXin为天线用于接收时源的内阻抗，其数值上等于用作发射时的输入阻抗；ZL=RL+jXL是接入天线端口的负载阻抗，即从天线端口看入的接收机输入阻抗；UA为天线接收电动势。接收天线及等效电路图为当ZL与Zin共轭匹配时，即(3.16)此时为最佳工作状态，接收电流为(3.17)接收功率为(3.18)返回2、方向性系数D