本文給出了天線的18個(gè)參量和求解方法，分別為：天線的定義，天線的求解過程，方向圖，E面和H面定義，方向性系數(shù)，任意方向方向性系數(shù)，主瓣寬度，副瓣電平定義，輻射效率，反射效率，總效率，天線的增益，輸入阻抗，極化，有效長(zhǎng)度，有效面積，口徑效率，帶寬。
1.天線的定義
天線是一種發(fā)射和接收電磁波的裝置。下圖是天線作為發(fā)射裝置的情形，可看到天線可以實(shí)現(xiàn)電磁波從傳輸系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)波到空間自由波的相互轉(zhuǎn)換。
天線也可以通過微波電路來(lái)建模，如下圖：天線可以看作微波電路中的負(fù)載的一部分。其中，RL為負(fù)載電阻，Rr為輻射電阻，XA為輻射電抗。
2.天線的求解過程
天線輻射的機(jī)理就是電荷的振蕩。天線的求解過程就是根據(jù)麥克斯韋方程組，用源求解到場(chǎng)。
其中源包括，電型源和磁型源。電型源的參量為電流密度J和電荷密度ρ。磁型源的參量為磁流密度JM和電荷密度ρM。
場(chǎng)包括，電場(chǎng)E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H。
求解的方法包括直接法和間接法兩種。直接法就是根據(jù)J、ρ、JM、ρM，再通過亥姆霍茲方程，求解出E和H。間接法就是根據(jù)J、ρ、JM、ρM，求得一個(gè)矢量磁位A作為中間量，再通過A求出E和H。
3.天線的輻射方向圖
將天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的振幅與方向之間的關(guān)系用曲線表示出來(lái)，這種曲線圖稱為天線的輻射方向圖。
將離開天線一定距離R處的天線遠(yuǎn)區(qū)的輻射電場(chǎng)與角度坐標(biāo)等參數(shù)的關(guān)系式稱為天線的方向圖函數(shù)，記作|F(θ，φ)|。
將方向圖|F(θ，φ)|關(guān)于它的最大值進(jìn)行歸一化，得到的函數(shù)稱為歸一化方向圖函數(shù)，記為|f(θ，φ)|。
天線的方向圖分為場(chǎng)強(qiáng)方向圖、功率方向圖、相位方向圖和極化方向圖。通常所說的方向圖是我們上面所表示的場(chǎng)強(qiáng)方向圖。
4.方向圖的E面和H面
E面就是電場(chǎng)所在的面，電場(chǎng)線不會(huì)穿透的面。
H面就是磁場(chǎng)所在的面，磁場(chǎng)線穿不透的面。
5.天線的方向性系數(shù)
天線的方向性系數(shù)定義為天線在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)最大輻射方向上，某點(diǎn)的平均輻射功率密度與輻射功率相同的各項(xiàng)同性天線在同一點(diǎn)的輻射密度之比，記為D0。
其中，某點(diǎn)的輻射功率密度記為(Sav)max，各向同性天線的輻射密度記為(S0)av,下式中η0 =120π為自用空間的波阻抗。
總輻射功率Pr等于功率流密度矢量Sav沿著球面的面積分。
另外，按照上面的天線微波電路圖，總輻射功率也等于被輻射電阻Rr吸收的功率。由此一般通過兩個(gè)總輻射功率的式子可以求出天線的輻射電阻Rr。
對(duì)于無(wú)方向性的天線（也就是各項(xiàng)同性天線），它的輻射密度 (S0)av和方向性系數(shù)等于下式，公式中的R是指離開天線的距離：
對(duì)于任意一個(gè)天線，方向性系數(shù)的計(jì)算式為下式：
6.任意方向的方向性系數(shù)D
上面所講到的D0是最大輻射方向上的方向性系數(shù)。那么，任意方向的方向性系數(shù)，可用D來(lái)表示：
另外，上式也可寫作：
方向性系數(shù)D0、輻射電阻Rr、方向性函數(shù)|F(θ，φ)|，三者之間的關(guān)系為：
7.方向圖的主瓣寬度
方向圖的主瓣寬度又要做半功率波束寬度。最大輻射方向上的電場(chǎng)方向圖最大值為Emax，將Emax下降根號(hào)二分之一倍，此時(shí)功率下降為1/2倍，這個(gè)時(shí)候的夾角稱為主瓣寬度，又稱3dB波束寬度，記作2θ0.5。
8.副瓣電平
副瓣電平是指副瓣的最大值與主瓣最大值的比值，通常用dB表示：
副瓣方向通常是不需要輻射或接收能量的方向。所以副瓣電平越低，表示天線在不需要的方向上輻射或接收的能量越低，所以在這些不需要的方向上對(duì)雜散來(lái)波的抑制能力越強(qiáng)，抗干擾能力也越強(qiáng)。
9.天線的輻射效率
天線的輻射效率定義為天線的輻射功率Pr與輸入功率Pin之比，記為ηA。
式中，PL為天線的損耗功率，Im為天線輸入電流的幅值。其中，PL等于：
所以天線的輻射效率也等于下式：
10.天線的反射效率
天線的反射效率定義為天線輸入端的反射效率，記為ηr，等于下式：
其中，
11.天線的總效率
12.天線的增益
將方向性系數(shù)和天線效率聯(lián)系起來(lái)，就得到天線的增益，用G0。
此外，在仿真軟件中有Realized Gain，是我們真正關(guān)心的天線增益，它等于下式：
13.天線的輸入阻抗
14.天線的極化
天線的極化是電場(chǎng)矢量的終端移動(dòng)的軌跡。
接收天線最佳接收條件是：負(fù)載與自身的輸入阻抗共軛匹配，最大接收方向?qū)?zhǔn)來(lái)波方向，天線的極化與來(lái)波的極化匹配。
15.天線的有效長(zhǎng)度
天線作為接收時(shí)，其有效長(zhǎng)度Le定義為：天線上的開路感應(yīng)電壓UA與入射電場(chǎng)Ei之比。相距甚遠(yuǎn)的發(fā)射天線所輻射的電磁波，在接收天線處可等效為均勻平面波，所以天線上的開路電壓為有效長(zhǎng)度乘以入射電場(chǎng)：
如果來(lái)波電場(chǎng)極化方向與接收天線極化不同，開路感應(yīng)電壓寫作以下：
天線作為發(fā)射天線時(shí)，有效長(zhǎng)度有兩種定義方法：
定義一，天線的有效長(zhǎng)度Le等于：物理長(zhǎng)度乘以天線上的電流用輸入端電流來(lái)歸一化后的平均電流。
對(duì)于沿著z軸放置，且原點(diǎn)在天線中心位置的直線天線，其物理長(zhǎng)度假設(shè)為2h，則歸一化的平均電流為：
式中，I(z)為天線上的電流分布，Iin為輸入電流。
定義二：在天線最大輻射方向上產(chǎn)生相同電場(chǎng)的條件下，用一個(gè)長(zhǎng)度Le的假想的基本振子來(lái)代替該天線，其中基本振子上的均勻電流幅度等于該天線輸入端電流Iin，則此時(shí)基本振子的長(zhǎng)度就為該天線的有效長(zhǎng)度。
16.天線的有效面積
天線的有效面積Se定義為：在天線的極化與來(lái)波極化完全匹配，以及負(fù)載與天線阻抗共軛匹配的情況下，天線在某方向上接收并傳輸至負(fù)載的功率Pre(θ,φ)與入射來(lái)的均勻平面波功率密度Wi之比。
天線接收功率最大的方向，有效面積也最大。
17.天線的口徑效率
天線的口徑效率定義為天線的有效面積與物理面積之比。
18.天線的頻帶寬度
天線的性能參數(shù)如輸入阻抗、方向圖、主瓣寬度、副瓣電平、波束指向、極化、增益都是隨頻率的改變而改變。工程中一般要給出天線的頻帶寬度，簡(jiǎn)稱天線的帶寬，其定義為天線某個(gè)性能參數(shù)符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的頻率范圍。頻率范圍的中心處頻率稱為中心頻率f0。
（1）絕對(duì)帶寬
指天線能實(shí)際工作的頻率范圍，即上下限頻率之差：
（2）相對(duì)帶寬
由上下限頻率之差與中心頻率之比來(lái)表示：
（3）比值帶寬
指上下限頻率之比，即f2:f1。
對(duì)于中等以下帶寬的天線，一般用相對(duì)帶寬表示。對(duì)于超寬帶天線，可采用比值帶寬來(lái)表示。
聯(lián)系客服
