三维带图 焦永昌 一种有效的天线三维辐射方向图计算方法
第23卷 第2期2008年4月
电 波 科 学 学 报
CH INESE JO URNAL OF RADIO SCIENCE
Vol.23,N o.2April,2008
m E -ma il:ychjiao@x https://www.wendangku.net/doc/695938056.html,
229
文章编号 1005-0388(2008)02-0229-06
一种有效的天线三维辐射方向图计算方法
*
焦永昌
m
文 园张福顺
(西安电子科技大学,天线与微波技术国家重点实验室,陕西西安710071)
摘要提出了一种根据已知的天线E 面和H 面方向图计算天线的三维辐射方向
图的近似算法。以全向和定向天线为例,仿真比较了此算法和两种已有算法计算得到的天线三维辐射方向图与理论结果之间的误差。结果表明,该算法误差较小,可以有效地计算天线的三维辐射方向图。根据生成的三维辐射方向图,计算了天线的方向性系数,所得结果与理论值吻合良好。
关键词 天线;三维辐射方向图;算法;方向性系数中图分类号 TN820 文献标志码 A
An efficient algorithm for calculating three -dimensional
radiation patterns of antennas
JIAO Yong -chang WEN Yuan ZHANG Fu -shun
(N ational L abor ator y of A ntennas and M icr ow av e T echnology ,
X idian Univer sity ,X i c an S haanx i 710071,China)
Abstract This paper presents an approx imatio n alg orithm fo r calculating the thr ee -dim ensional (3D)radiatio n patterns of antennas based on their H -plane and E -plane patterns.By using the proposed algo rithm,the 3D radiation patterns of the omn-i dir ectional antenna and the directional antenna are calculated,and the absolute er -rors o f the obtained results from the theoretical patterns ar e then co mpar ed w ith those prov ided by o ther techniques.T he com parison results indicate that the pro -po sed algo rithm exhibits low appro ximation erro rs,w hich can be used to calculat -ing the 3D r adiation patterns of antennas efficiently.According to the g enerated
three -dimensional radiatio n patterns,the directivities o f the antennas ar e also calcu -lated,w hich are in g ood agr eement w ith the theo retical values.
Key words antenna;thr ee -dimensio nal radiation patterns;algo rithm;dir ectiv ity
1 引 言
随着现代移动通信网络的发展,基站数目增多,蜂窝网覆盖范围减小,基站到用户的辐射角不能笼统地近似为零度,仅仅了解水平面和垂直面辐射特性已不能满足设计需求,因此需要对天线在全空间的辐射特性进行描述。采用实验的方法获取天线的近似三维(3D)辐射方向图不仅工作量大,而且往往
也只能得出有限多个面上的辐射方向图,因此有必
要提出新的算法,对天线的3D 辐射方向图进行近似计算。
天线测量时通常仅测量其E 面和H 面辐射方向图。根据E 面和H 面方向图计算方向性系数,准确度往往受所选择的经验公式制约。如能获得天线的3D 辐射方向图,则可根据3D 方向图精确计算出天线的方向性系数。
*
收稿日期::2006-09-01. 项目基金:国家自然科学基金资助项目(N o.60171045)
SA算法是目前最常用的3D方向图近似算法[6],该算法简便易行,对于全向天线有很好的近似效果。从目前国内外发表的相关论文来看,目前天线3D辐射方向图近似计算主要存在以下的问题:一是没有给出近似结果与理论结果间的误差数据,如文献[1]使用几何方法生成3D方向图,但是并未对其精确性做出评价,文献[2]采用典型的数学插值方法由有限多个平面上的实测方向图近似计算3D 方向图,只在近似结果间进行了比较而未与实测结果进行比较;二是近似效果不够理想,如文献[3,4]利用分别位于水平面和垂直面上的四个已知取样点对3D方向图进行插值计算,对于半波对称振子3D 方向图的计算误差最高为12dB,文献[5]提出的有理逼近和M BPE相结合的算法在计算半波对称振子方向图时仍然存在一定误差,文献[6]提出的近似算法在计算场强值较小点时误差较大,不利于天线方向性系数的计算[1~10]。
本文提出一种新的近似算法,利用E面和H面方向图来计算全向和定向天线的3D辐射方向图,给出了其所得结果与理论3D辐射方向图之间的误差,并与SA算法、文献[6]中提出的近似算法所得结果与理论3D方向图之间的误差进行了比较。结果表明,本文所提出的算法对全向和定向天线的3D 方向图的计算精度均优于SA算法,而在计算场强较弱点时近似效果明显优于文献[6]所提出的近似算法。根据生成的3D辐射方向图,计算得到的最大辐射方向上的方向性系数也与理论值吻合良好。
2新计算方法
天线的E面和H面方向图可通过测量或理论计算获得。令E面和H面分别与水平面和垂直面重合,水平面为H=90b平面,垂直面为U=90b平面,如图1(a)所示。将三维空间划分为360@180个网格,如图1(b)所示。下面根据水平面和垂直面归一化天线辐射方向图(分别记为hor(U)和ver t(H))重构天线的3D辐射方向图。当考察点位于右半空间(0b G V(H)= 20lg ver t c(H) 。对于任意点P(U,H),天线的三维dB辐射方向图G^(U,H)可近似为: 当v21+v22X0时, G^(U,H)= G H(U)#v1+G v(H)#v2 v21+v22 #(1-u)+ (G H(U)+G v(H))#u, 式中: v1(U,H)=w1#[1-w2] v2(U,H)=w2#[1-w1] , w1=cos2(U)#sin2(H) w2=cos2(H) , u= 1 U=90b,270b or H=90b 1-hor(U)else 。 当v21+v22=0时,w1=w2=1或w1=w2=0,而w1与w2不可能同时为1,故仅需考虑w1=w2=0情况。此时观察点位于y轴上。为简便起见,取v1 (U,H)=1,v2(U,H)=0,则G^(U,H)=G H(U)。 在新算法中,采用天线的E面和H面方向图来共同确定天线的3D辐射方向图,而E面和H面方向图对取样点处场强值的影响受其与取样点间的距离的制约。本文中将使用此算法对天线的3D辐射方向图进行近似计算。根据生成的3D辐射方向图计算天线的方向性系数,最大辐射方向上的方向性系数为: D^=4P Q2P0Q P0F2(U,H)sin H d H d U, 230电波科学学报第23卷 式中F(U ,H )=10 G ^(U ,H )/20 。 3 计算结果比较 为验证文中算法的精确性,引入误差函数:L (U ,H )=G ^(U ,H )-G(U ,H ),其中G ^为近似算法所得到的三维dB 方向图,G 为三维理论dB 方向图或由标准软件仿真得到的三维dB 方向图。3.1 全向天线 全向天线的理论辐射方向图关于z 轴对称。对 于任意U 值,其水平面归一化辐射方向图hor (U )均为1(G H =0dB)。 以半波对称振子天线为例,其归一化场强方向图为F(H )=cos( P 2 cos (H ))/sin H ,最大辐射方向上的方向性系数为D U 2115dB [11] 。采用SA 算法、文献[6]算法和本文算法得到的三维方向图的误差函数L 均为0。根据本文算法得到的3D 方向图计算出的最大辐射方向上的方向性系数为D ^U 2115dB ,与理论结果完全一致。考虑到实际中全向天线水平面方向图不可能为理想圆形,故对由标准软件仿真得到的半波对称振子天线3D 方向图进行了计算,结果如图2(a ) 所示。 利用该标准软件仿真得到半波对称振子的E 面和H 面方向图,再采用三种算法分别计算了天线的3D 辐射方向图,它们的误差函数L (U ,H )如图2(b)、(c)、(d)所示。表1分别给出了采用三种近似算法重构的天线3D 方向图与仿真得到的3D 方向图之间的误差数据的最小值L min 、最大值L max 、平均值L a vr 、绝对值平均数L a bs 和绝对值标准差R 。结果表明,计算全向天线3D 方向图时本文方法的精度略优于SA 算法和文献[6]算法。 表1 半波对称振子天线误差数据统计结果对比 (单位:dB) L min L max L av r L ab s ?R SA 算法-9.23 6.08-0.200.31?0.67文献[6]算法-9.20 6.30-0.160.29?0.66 本文算法 -7.17 4.32-0.140.18?0.33 3.2定向天线 下面分别对微带天线(宽波束)和喇叭天线(窄 231 第2期 焦永昌等:一种有效的天线三维辐射方向图计算方法 波束)的3D辐射方向图进行了近似计算。 3.2.1微带天线 以频率为3.1GH z,参数为W=10mm,L= 3015mm的微带天线为例,其理论3D辐射方向图如图3(a)所示[12]。微带天线理论方向图仅计算其在前向的辐射,故这里仅对其前向3D方向图进行近似计算和比较。采用三种算法得出的3D辐射方向图的误差函数L(U,H)如图3(b)、(c)、(d) 所示。 (d)本文算法误差 图3 表2给出了三种近似算法的误差的数据统计结 果,数学符号的含义同表1,可以看出本文算法对于 近似宽波束定向天线3D辐射方向图的精确度优于 SA算法和文献[6]算法。根据理论方向图计算出 的该天线最大辐射方向上的方向性系数D U6146 dB。而根据本文算法得到的3D方向图算出的该微 带天线的方向性系数为D^U6137dB,与理论值吻合 良好。 表2微带天线误差数据统计结果对比(单位:dB) L min L max L av r L ab s?R SA算法-5.210-1.28 1.28?1.45 文献[6]算法-3.209.54E-7-0.860.86?0.93 本文算法-0.580.45 3.02E-20.14?0.13 3.2.2角锥喇叭天线 以中心频率为2.4GH z,参数为A=36815 m m,B=272197mm,a=109122mm,b=54161m m 的角锥喇叭天线为例,其理论3D辐射方向图如图4 (a)所示[13],采用三种算法得出的3D方向图误差函 数L(U,H)如图4(b)、(c)、(d)所示。根据理论3D 辐射方向图计算出的最大辐射方向上的方向性系数 为D U15179dB,而根据本文算法得到的3D辐射 方向图计算出的该喇叭天线的方向性系数为D^U 15146dB,两者吻合良好。 表3给出了三种近似算法的误差在前向和后向 的数据统计结果(喇叭天线后向辐射较小,故将前向 和后向误差数据分别进行统计和比较),可以看出: 本文算法在近似窄波束定向天线的3D辐射方向图 时的精确度优于SA算法;当取样点处场强较小时, 本文算法的精确度优于SA算法和文献[6]算法。232电波科学学报第23卷 上面给出的计算结果表明,本文提出的新算法近似计算宽波束和窄波束定向天线的3D辐射方向图的精度优于SA算法,在近似计算场强值较小的取样点时,精确度优于SA算法和文献[6]算法。 4结论 本文提出了一种新的近似算法,根据已知E面和H面方向图计算天线的3D辐射方向图。新算法计算量小,易于编程计算。与SA算法以及文献[6]算法的对比结果表明,在计算全向天线3D辐射方向图时,三种算法的误差均很小,理想情况下甚至为0,而在计算定向天线3D辐射方向图时,本文算法的误差小于SA算法和文献[6]所提出的算法;当取样点处场强较低时,本文算法的精确度优于SA算法和文献[6]算法。根据本文算法生成的3D方向图计算得到的全向和定向天线的方向性系数均与理论值吻合良好,说明本文算法可以有效地计算一般天线的全空间辐射特性及其方向性系数。 表3喇叭天线误差数据统计结果对比(单位:dB) 前向(0b L min L max L av r L abs?R L min L max L avr L ab s?R SA算法-27.21 1.14E-05-5.93 5.93?8.93-294.38 1.14E-05-17.8217.82?29.66文献[6]算法-14.98 3.79-1.50 2.37?3.87-271.13 4.10-8.669.51?22.97本文算法-3.177.80 1.55 2.19?2.89-40.13 4.20-2.62 3.06?5.11 参考文献 [1]W T A Lo pes,G G lio nna,and M S de A lencar.G ener- atio n of3-D radiation patterns:A g eometrica l a ppro ach [C].in P roc.IEEE Vehicular T ech.Conf.,V T C Spring,2002,2:741-744. [2]F M ikas and P Pechac.T he3-D appro ximat ion o f an- tenna r adiatio n patt erns[C].in P ro c.I nst.Elect. Eng.12th Int.Conf.Antennas P ro pag at.,ICA P, 2003:751-754. [3]F G il,A R Clar o,J M F err eira,et al..A3-D ex tra p- o lation model for base stat ion antennas'radiatio n pat-ter ns[C].in P roc.IEEE V ehicular T ech.Conf., 233 第2期焦永昌等:一种有效的天线三维辐射方向图计算方法 V T C Fall,1999,3:1341-1345. [4]F G il,A R Claro,J M Fer reir a,et al..A3-D inter po- lat ion method for base-statio n-antenna r adiat ion pat- terns[J].IEEE Antennas Pr opag.M ag.,2001.43 (2):132-137. [5]蒋鸿林等.基于有理逼近和M BP E结合恢复天线方向 图[J].电波科学学报,2005,20(6):753-757. Jiang H L,et al..Co mbinat ion rat ional approach and M BPE technolog y to resume antenna radiat ion patter ns [J].Chinese Journal of Radio Science,2005,20(6): 753-757. [6]T heo do re G Vasiliadis,Antonis G Dimit rio u,and Geor ge D Ser giadi.A No vel T echnique fo r the A p- pro x imatio n of3-D Antenna Radiatio n Patter ns[J]. IEEE T rans.A ntennas Pr opag.,2005,53(7):2212- 2219. [7]Doug las H Wer ner,Rene J A llard.T he Simultaneo us Inter po lat ion of Antenna Radiatio n Patt erns in Both the Spatial and Fr equency Do mains U sing M ode-l Based P arameter Estimation[J].IEEE T r ans.Anten- nas Pr opag.,2000,48(3):383-392. [8]R J A llard,D H Wer ner,J S Zmyslo,et al..Spectr al doma in inter po lation of antenna radiatio n patter ns u- sing mode-l based pa rameter estimat ion and genetic a-l g or ithms[C].in14th A nnnu.Rev.Pr og ress A ppl. Co mputat.Electro magn.,M o nter ey,CA,1998: 964-971. [9]R J Alla rd,D H W erner.T he mode-l based par ameter estimation of antenna r adiat ion patterns using w in- dow ed interpo latio n and spher ical harmonics[J]. IEEE T r ans.Antennas P ro pag.,2003,51(8):1891- 1906.[10]R Ro ber ts and D A M cN amara.Inter polat ing radia- tio n patter ns using Pro ny's method[C].in P roc. Symp.A ntennas P ro pag at.M icr ow ave T heo ry T ech..Stellenbosch,South Af rica,1994:151-154. [11]魏文元,宫德明,陈必森.天线原理[M],北京:国防工 业出版社,1985. [12]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科 技大学出版社,1991. [13]江贤祚.天线原理[M].北京:北京航空航天大学出版 社, 1993. 焦永昌(1964-),男,山西 人,西安电子科技大学教授、博士生 导师,长期从事天线理论、设计、工 程与测量方面的科研和教学工作。 先后应邀赴日本、香港做高级访问 学者。近年来,共发表学术论文70余篇,其中40余篇被SCI、EI检索,主持和参加国家自然科学基金等多个科研项目,曾获国家级和省部级科技奖4项。 文园(1982-)女,陕西人,西安电子科技大学电磁场与微波技术专业硕士研究生,主要研究兴趣为天线分析与设计 。 张福顺(1960-),男,陕西 人,西安电子科技大学教授,博士导 师,博士。主要研究方向为天线理 论与工程及测量,发表学术论文50 余篇,其中,30余篇被EI收录,出 版了专著5天线工程手册6和5天线测量6,编写了5天线近场测量误差分析与系统6。 234电波科学学报第23卷 实验题目：天线辐射的方向特性 实验目的：理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识，测定右手螺旋天 线的方向特性。 实验原理：任何实用天线的辐射都具有方向性。通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示 出来，称为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F （θ，φ）|。天线的立体方向图一般难以画出，通常只画出E 面和H 面的方向图。 天线的方向图及其相关参数： 将方向图函数F （θ，φ）进行归一化后所绘制的方向图称为归一化方向图。 1）主瓣宽度 当天线E 面和H 面具有多瓣形状时，通常将天线最 大辐射方向所在的波瓣称为主瓣。如图中2θ0.5称为主瓣宽度。 2）副瓣电平 估计天线副瓣的强弱，一般用副瓣电平表示 3）前后比 天线最大辐射方向电平与其反方向电平之比。 4）方向性系数 天线在远场区最大辐射方向上某点的平均辐射功率密度与平均辐射功率相同的无方向性天 线在同一点的平均辐射功率密度之比： ?? = ππ ? θθ?θπ 20 2 sin ),(4d d F D 如果方向图与θ无关，那么有 ? = π θ θθπ 2 sin )(4d F D 效率： 天线的辐射功率P r 与输入功率P in 之比。 增益系数： 天线在远场最大辐射方向上某点的平均功率密度与平均功率相同的无方向性天线在同一点的 平均功率密度之比，记为G 。 等效高度： 在保持实际天线最大辐射方向上场强值不变条件下，假设天线上电流为均匀分布时无线的等效 高度。 实验内容：1、检查仪器，确保程序和机器的正常工作，调整接收天线和被测天线，使两者在初始状态时 在同一直线上； 2、启动程序和工作仪器，计算机将自动绘制方向图（平面）； 3、进行归一化处理； 4、根据作出的图象读出相关读数，并计算天线的相关参数。 天线辐射的方向特性 一实验目的 1、理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有 一定的认识。 2、测定右手螺旋天线的方向特性。 二实验仪器 ①旋转天线盘；②喇叭形天线；③微波吸收器；④右手螺旋天线；⑤波导式天线；⑥计算机及测试软件。 三实验原理 辐射方向图： 任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图； 方向图函数： 将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它与|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。 为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度与场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像 汽车轮胎。如图1（a）所示。天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H面方向图。电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即与磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。 (a) 立体方向图；(b) E面方向图；(c) H 面方向图 图1 电流元的方向图 二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。在极坐标系中绘制的电流元的E面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90?方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0?和θ=90?）上其值为零。在H面（θ=90?）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。 而天线设计是用来有效辐射电磁能的一种装置，实际中没 实验报告：天线辐射的方向特性 一、实验题目： 天线辐射的方向特性 二、实验目的： 1 理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。 2 测定右手螺旋天线的方向特性。 三、实验仪器: 旋转天线盘、喇叭形天线、微波吸收器、右手螺旋天线、波导式天线、计算机及测试软件。 四、实验原理： 任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅和方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量和角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它和|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度和场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像汽车轮胎。如图1（a）所示。天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H 面方向图。电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即和磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。 (a) 立体方向图； (b) E面方向图； (c) H面方向图 图1 电流元的方向图 二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。在极坐标系中绘制的电流元的E 面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90?方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0?和θ=90?）上其值为零。在H面（θ=90?）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。而天线设计是用来有效辐射电磁能的一种装置，实际中没有一种天线能在空间中任何方向辐射，故研究其辐射的方向性可以更好的了解天线特性。 天线的方向图及其有关参数 任何实用天线的远区辐射场都是随空间的位置而变化的，因此在球坐标系中（见图2所示）天线至场点距离r处的远区辐射场量只是角度θ，φ的函数，这个函数就是方向图函数F (θ, φ ) ，通常将方向图函数关于最大值Fmax(θ,φ)进行归一化的函数称为归一化方向图函数，记为F(θ, φ) /Fmax(θ, φ)。按归一化方向图函数绘制的方向图称为天线的归一化方向图。显然，图3中示出的电流元E面和H面方向图也是归一化的方向图（因为其最大辐射方向上的最大值为1）。 天线特性测量实验 一、偶极子天线特性实验 【实验目的】 1、理解半波偶极子天线的基本功能 2、测量半波偶极子天线E面的辐射模式 3、测量半波偶极子天线H面的辐射模式 【实验原理】 图1所示的是半波偶极子天线的结构模型和电流分布图。在图a中，总长度是半个波长，b中，电流的分布为在馈点值为最大，在两端点值为0。半波偶极子天线是一种谐振天线，它的输入阻抗为70+j0Ω。半波偶极子天线的辐射电阻为70Ω与输入阻抗中的电抗大小一样。通过调整天线的长度可以使输入阻抗变成纯电阻。下面的公式将解释长度为λ/2的一个半波偶极子天线的电流。电流流过Z轴，电流的分布由下面的公式（1）进行计算。在方程（1）中，馈点的电流大小为10，端点的大小为0。 电流引起的辐射电场由以下公式进行计算 波函数从公式2到下面的公式3中 功率的计算公式如下 根据公式4可绘出下面的2辐射图。电流从南边流向北，沿着着Z轴的正方向。在这个图中，最大辐射发生在θ=±90°的方向上，而在θ=0°,180°的方向上没有辐射。 在试验中使用的半波偶极子天线为914.5125MHz和2.45GHz，其波长大小如下 频率：914.5125GHz 波长:λ=c/f=3×108/9.15×109=328.04mm 半波长:λ/2=164.02mm 频率：2.45GHz 波长:λ=c/f=3×108/2.45×109=122.45mm 半波长:λ/2=61.22mm 为了将天线的输入阻抗中电抗部分去掉，根据公式，我们只需使天线的长度稍短于半个波长即可。这个比率称为天线的缩短比例，根据相对绝缘比例，波长的缩减比例大小如下所示： 在这个公式中，λ0代表在开阔场地的波长大小，λeff 代表有效波长。这个实验中使用的半波偶极子天线就是印刷在一个绝缘板上的。 图3所示的是对测量的辐射面的定义。这里方便地命名为E面和H面是为了更好的理解，实际的辐射面则在笛卡尔坐标系中定义。 图a在笛卡尔坐标系中的定义，粗的黑线画出的偶极子天线。图b所示的是当φ=00、θ从00到1800旋转时，在xz面测得的正面辐射图。测量结果显示在θ=900时辐射最大，在θ=00或θ=1800时辐射最小。图C显示在xz面上当角固定在θ=900、φ角从00旋转到3600时辐射模式的测量结果。测量结果显示当φ角为任意角时的全方向性特性。 【实验仪器】 微波天线实验系统：主机分别连接发射天线、接收天线和电脑。主机采用微控制器通过电脑采用步进电机控制接收天线的转动，同时采集接收天线的数据，从而绘制和分析天线辐射图、测量各种天线的特性、研究和设计天线、研究移动通信传输特性、移动通信传输环境影响研究等内容。 【实验步骤】 一、E面辐射的测量 1、分别在发射天线支架的一边和接收天线支架的顶端放置天线，保持发射天线和接收天线 天线基础知识介绍 2014-12-28DSRC专用短程通信技术 1.1 什么是天线？ 空间的无线电波信号通过天线传送到电路；电路里的交流电流信号最终通过天线传送到空间中去。因此，天线是空间无线电波信号和电路里的交流电流信号的一种转换装置，如图1所示。 图1 空间电波与电路电流通过天线转换的示意图 1.2 天线有哪些基本参数？ 天线既然是空间无线电波信号和电路中的交流电流信号的转换装置，必然一端和电路中的交流电流信号接触，一端和自由空间中的无线电波信号接触。因此，天线的基本参数可分两部分，一部分描述天线在电路中的特性（即阻抗特性）；一部分描述天线与自由空间中电波的关系（即辐射特性）；另外从实际应用方面出发引入了带宽这一参数。 描述天线阻抗特性的主要参数：输入阻抗。 描述天线辐射特性的主要参数：方向图、增益、极化、效率。 除了带宽之外，后文将对每个参数进行介绍。 图2 天线的一些基本参数 1.3 输入阻抗 天线输入阻抗的意义在于天线和电路的匹配方面。 当天线和电路完全匹配时，电路里的电流全部送到天线部分，没有电流在连接处被反射回去。完全匹配状态是一种理想状态，现实中，不太可能做到理想的完全匹配，只有使反射回电路的电流尽可能小，当反射电流小到我们要求的程度的时候，就认为天线和电路匹配了。 通常，电路的输出阻抗都设计成50Ω或者75Ω，要使天线和电路连接时匹配，那么天线的输入阻抗应设计成和电路的输出阻抗相等。但通常天线的输入阻抗很难准确设计成等于电路的输出阻抗，因此在实际的天线和电路的连接处始终存在或多或少的反射电流，即一部分功率被反射回去，不能向前传输，如图3所示。 描述匹配的参数如表1所示。电压驻波比和回波损耗都是描述匹配的参数，只是表达的形式不同而已。 图3 电流在传输线不连续处产生反射的示意图 表1 描述匹配的一些参数 参数 对参数的一些描述 电压驻波比（VS WR ） 设输入电流大小为1，被反射回去的电流为Γ，那么电压驻 波比为： （1＋Γ）／（1－Γ） 电压驻波比只是个数值，没有单位。 Γ＝1/3，电压驻波比则为2；当电流被全部反射时，Γ＝1，电压驻波比为＋∞；当没有反射电流时，Γ＝0，电压驻波 比为1。 反射功率按Γ2计算，如反射电流是Γ＝1/3，那么反射功率 是Γ2＝1／9。 一些天线基本知识 一、电磁波产生的基本原理? 按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场，而变化的磁场又要产生变化的电场。这样，变化的电场和变化的磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。? 周期性变化的磁场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场。? 电磁波不同于机械波，它的传播不需要依赖任何弹性介质，它只靠“变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场”的机理来传播。? 当电磁波频率较低时，主要籍由有形的导电体才能传递；当频率逐渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部反回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能反回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。? 根据以上的理论，每一段流过高频电流的导线都会有电磁辐射。有的导线用作传输，就不希望有太多的电磁辐射损耗能量；有的导线用作天线，就希望能尽可能地将能量转化为电磁波发射出去。于是就有了传输线和天线。无论是天线还是传输线，都是电磁波理论或麦克斯韦方程在不同情况下的应用。? 对于传输线，这种导线的结构应该能传递电磁能量，而不会向外辐射；对于天线，这种导线的结构应该能尽可能将电磁能量传递出去。不同形状、尺寸的导线在发射和接收某一频率的无线电信号时，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必须采用适当的天线才行！研究什么样结构的导线能够实现高效的发射和接收，也就形成了天线这门学问。? 高频电磁波在空中传播，如遇着导体，就会发生感应作用，在导体内产生高频电流，使我们可以用导线接收来自远处的无线电信号。? 二、天线? 在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线，通过天线将转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送到接收机输入端。? 综上所述，天线应有以下功能：? １．天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。? ２．天线应使电磁波尽可能集 微波技术课程考核题目天线阵列辐射方向图的研究 系别物理与电子工程学院专业电子科学与技术班级07(4) 学号050207404 学生姓名牛涛 指导教师范瑜 日期2010-01-05 目录 一、基本概念 (2) 1.1方向图基本概念 (2) 1.2主瓣宽度 (3) 1.2.1主瓣宽度基本概念及特性 (5) 1.3旁瓣抑制 (5) 一、基本概念 1.1方向图基本概念 天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。天线方向图是空间立体图形，但是通常应用的是两个互相垂直的主平面內的方向图，称为平面方向图。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。归一化方向图取最大值为一。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或边瓣，与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣，见图1：全向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为圆柱型；图2：定向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为板状。 图1 全向天线波瓣示意图 图2 定向天线波瓣示意图 1.2主瓣宽度 为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定一些特性参数。主要包括：零功率波瓣宽度、半功率点波瓣宽度、旁瓣电平、前后比、方向系数等。 1.零功率波瓣宽度，指主瓣两侧场强值为0的两个方向之间的夹角，用2表示。许多天线方向图的主瓣是关于最大辐射方向对称的，因此，只要确定零功率主瓣宽度的一半，再取其2倍即可求得零功率主瓣宽度,即2=2。 2. 半功率点波瓣宽度，指方向图主瓣两侧两个半功率点（即场强下降到最大值下降到0.707（或分贝值从最大值下降3dB处对应的两点）之间的夹角，又称为3dB波束宽度或主瓣宽度，记为。对方向 天线的主要特性（一） 天线是微波收发信设备的“出入口”，它既要将发信机的微波沿着指定的方向放射出去，同时还要接受对方传来的电磁波并送到微波收信机。因此，天线性能的好坏将直接影响到整个微波通信系统的正常运行。这里我们将对天线的性能指标及要求作一介绍。 天线的方向性 通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。所谓天线的方向系数是指在某点产生相等电场强度的条件下，无方向性天线总辐射功率PF0与定向天线总辐射功率PF的比值，常用“D”来表示，即 天线方向性图 （3-4） 不难想象，定向天线沿各个方向辐射的电场强度是不相同的，因而定向天线的方向系数也将随着观测点的位置不同而有所不同。其中方向系数最大的地方，即辐射增强的方向，称主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线对各个方向的方向系数大小，如图所示。由图可以看出，天线的方向性图像象花朵的叶瓣，各叶瓣称为方向叶。处于主射方向的方向叶称为主叶，处于主叶反方向位置的方向叶称为后叶，其他方向的方向叶统称为副叶。显然主叶的宽度越窄，说明天线的方向性也好。天线方向性的好坏，工程上常采用半功率角和零功率角两个参量来表示。所谓半功率角是指主叶瓣上场强为主射方向场强的1/√2= 0.707时（即功率下降1/2时），两个方向间的夹角，即为“2θ0.5”；所谓零功率角是指偏离主射方向最近的两个零射方向（辐射场强为零的方向）之间的夹角，记为“2θ0”。半功率角和零功率角越小，表示主叶瓣的宽度越窄，说明天线的方向性越好。 一副方向性良好的天线，除了必须具备上述具有较小的半功率角和零功率角外，还应该包括后叶瓣和副叶瓣尽可能小，以减小可能出现的窜扰。 天线的主要性能指标 表征天线性能的主要参数有方向图，增益,输入阻抗，驻波比,极化，双极化天线的隔离度，及三阶交调等。 1、方向图 天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。以发射天线为例，从不同角度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。一般地，用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立体方向图，分为水平面方向图和垂直面方向图。平行于地面在波束最大场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强最大位置剖开的图形叫垂直面方向图。 描述天线辐射特性的另一重要参数半功率宽度，在天线辐射功率分布在主瓣最大值的两侧,功率强度下降到最大值的一半(场强下降到最大值的0.707倍,3dＢ衰耗)的两个方向的夹角，表征了天线在指定方向上辐射功率的集中程度。一般地,GSM定向基站水平面半功率波瓣宽度为65o，在１20o 的小区边沿，天线辐射功率要比最大辐射方向上低9-1０ｄB。２、方向性参数 不同的天线有不同的方向图，为表示它们集中辐射的程度,方向图的尖锐程度,我们引入方向性参数。理想的点源天线辐射没有方向性,在各方向上辐射强度相等，方向是个球体。我们以理想的点源天线作为标准与实际天线进行比较，在相 同的辐射功率某天线产生于某点的电场强度平方E2与理想的点源天线在同一点产生的电场强度的平方E０2的比值称为该点的方向性参数Ｄ=E2/E02 3、天线增益 增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参数,但两者又不尽相同。增益是在同一输出功率条件下加以讨论的,方向性系数是在同一辐射功率条件下加以讨论的。由于天线各方向的辐射强度并不相等,天线的方向性系数和增益随着观察点的不同而变化，但其变化趋势是一致的。一般地，在实际应用中，取最大辐射方向的方向性系数和增益作为天线的方向性系数和增益。 另外，表征天线增益的参数有dBd和dＢi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的;dＢd相对于对称阵子天线的增益dBｉ=dBd+2．1５。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。 4、入阻输入阻抗 输抗是指天线在工作频段的高频阻抗,即馈电点的高频电压与高频电流的比值,可用矢量网络测试分析仪测量,其直流阻抗为0Ω。一般移动通信天线的输入阻抗为５0Ω。 ５、驻波比 由于天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不可能完全一致,会产生部分的信号反射，反射波和入射波在馈线上叠加形 1- 基准图 1.2 0 1.0000）0.8327.0.9724）0.4 （176.5.0.1965） 0.0 -20020 406080100120140160180200220240260280300320340360 2-手机干扰 1.2 0.1.0000） 0.8325.5.0.9531） absorb 0.4 （176.5.0.1730） 0.0 -20020406080100120140160180200220240260280300320340360 angle 3-穿过圆孔 1.2 （0.1.0000）（326.0.9410）0.8 absorb 0.4 （185.5.0.11580.0 -20020406080100120140160180200 220240260280300320340360 angle 4-穿过纸缝 1.00.1.0000）（326.5.0.9906）absorb0.5 （175.0.2030） 0.0 -20020406080100120140160180200 220240260280300320340360 angle 5-距离拉近一半 1.0（0.1.0000）（327.5.0.9612）absorb0.5 （153.5.0.09825） 0.0 -20020406080100120140160180200 220240260280300320340360 angle 6-无吸收设施（原距离） 1.2 （-327.5.0.9816）（0.1.0000）0.8 absorb 0.4 （-179.5.0.2176） 0.0 -360-340-320-300-280-260-240-220-200-180 -160-140-120-100-80-60-40-20020 angle 26系 06级姓名：王海亮 NO：PB06013232 得分： 实验题目：天线辐射的方向特性 实验目的： 1、理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。 2、测定右手螺旋天线的方向特性。 实验仪器： ①旋转天线盘；②喇叭形天线；③微波吸收器；④右手螺旋天线；⑤计算机及测试软件。 实验原理: 天线辐射的方向性可由电磁波的接收敏感度来验证。实验中接受天线的基座由电机驱动，在绕轴线转动的同时接受由喇叭形天线发射的电磁波，计算机可以记录下在不同转角时测定的信号，并在极坐标中绘出相应图形。任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它与|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度与场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像汽车轮胎。如图1（a）所示。天线的 1 立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H面方向图。电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即与磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。 (a) 立体方向图； (b) E面方向图； (c) H面方向图 图1 电流元的方向图 二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。在极坐标系中绘制的电流元的E 面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90?方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0?和θ=90?）上其值为零。在H面（θ=90?）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。而天线设计是用来有效辐射电磁能的一种装置，实际中没有一种天线能在空间中任何方向辐射，故研究其辐射的方向性可以更好的了解天线特性。天线的方向图及其有关参数 任何实用天线的远区辐射场都是随空间的位置而变化的，因此在球坐 2 标系中（见图2所示）天线至场点距离r处的远区辐射场量只是角度θ，φ的函数，这个函数就是方向图函数F (θ, φ ) ，通常将方向图函数关于最大值Fmax(θ,φ)进行归一化的函数称为归一化方向图函数，记为F(θ, φ) /Fmax(θ, φ)。按归一化方向图函数绘制的方向图称为天线的归一化方向图。显然，图3中示出的电流元E 面和H面方向图也是归一化的方向图（因为其最大辐射方向上的最大值为1）。 周围环境物对天线辐射方向图的影响 罗兵戚少凌 天线方向性图在实际应用中会受到安装环境和安装工艺的影响，其水平和垂直场形因此发生变化，从而改变了原设计场形要求，形成了定向或严重的凹陷，或者垂直波束上下倾斜，造成部分服务区域场强偏弱甚至引起盲区，严重影响节目的收听收视效果。因此，我们在广播电视覆盖规划设计过程中，研究环境周围对天线辐射方向图的影响显得重要起来。一般情况下，由于我们使用的天线都是在简单的理想条件下计算得到的近似值，所以在实际复杂环境运用中不可能达到理论计算中的要求，实际的场形和理论场形就有很大的区别，有的甚至完全不一样。超乎了人的想象也就不足为怪。 成都凌风天线设备有限公司通过在天线领域场形仿真的长期研究，取得了一些重要成果。认为对天线场形影响的主要因素有以下几个方面： 1、铁塔的边宽大小影响天线场形 2、天线层间距的大小直接影响天线垂直方向场形图。 3、相邻天线的相互影响。 4、铁塔平台影响天线场形。 5、附近铁塔及建筑物影响天线场形。 6、周围环境、建筑物等对天线的影响 7、地形因素对天线的影响 由于以上因素实际情况比较复杂，天线场形差异很大，有些是以前传统方法无法计算和预测的。但通过计算机辅助，对其结果进行精确仿 真，可得到天线3D方向图和S参数等重要数据，可把问题得到彻底解决。这在我们多次的实践运用过程中得到很好验证。 计算机仿真的结果和实际测试的结果非常接近。举例如下：例题一：桅杆对半波单偶垂直极化天线的影响 该天线形式目前在调频段和数字电视分米波段运用非常广泛。该天线单元方向图为弱定向，如图一。天线辐射最大方向比最小方向小5－7dB。但是该天线安装在直径为159mm的铁塔桅杆上后，其方向图发生了改变，天线辐射最大方向比最小方向小到19dB。如图二。 引言： 在之前的学习过程中，我们学习了电磁波在无界空间的传播以及电磁波在不同媒质分界面上的折射与反射问题，本次的综述就是针对电磁波的产生与辐射做一些基本的说明。而恰恰天线是电子系统中辐射或接收的基本装置，它是无线电通信、导航、雷达、测控、遥感、电子对抗及信息战等各种军用或民用系统必不可少的组成部分之一，地位十分重要。 空间电磁波场源是天线上的时变电流和电荷。严格的说天线上的电流和由此电流激发的电磁场是相互作用的。天线上的电流激发电磁场，电磁场反过来作用于天线，影响天线上电流的分布，所以求解天线辐射问题本质上就是求解一个边值问题，但根据麦克斯韦方程组求解比较困难，所以在实际问题处理中都是采用近似解法：把她处理成一个分布型问题，即先近似得出天线上的场源分布，在根据场源分布球外场。 天线的形式可大致分成线天线与面天线两大类。本次只针对天线的参数与对称阵子天线作简要介绍。 一、天线的参数 1.1辐射方向图 1.1.1方向性函数与方向图 天线的方向性函数，是指以天线为中心，在远区相同距离r的条件下，天线辐射场与空间方向的关系，是天线辐射场的相对值，用f(θ，φ)表示。根据方向性函数绘制的图形，称为方向图。 为了便于比较不同天线的方向特性，常采用归一化方向性函数，归一化方向性函数定义为： 上式中，∣E(θ,φ)∣和∣E ∣分别为与天线为同一距离的、指定方向为(θ,φ) 的、 max 为方向性函数的最大值。 电场强度值和电场强度最大值，f(θ,φ)∣ max 例如，电基本振子的电场为，方向性函数为f(θ,φ)=sinθ， f(θ,φ)∣max =1 ，归一化方向性函数为：F(θ,φ)=sin θ。 由此方向性函数绘制的E 面方向图、H 面方向图和立体方向图如下图： 天线的方向图由一个或多个波瓣构成。天线辐射最强方向所在的波瓣称为主瓣，主瓣宽度是衡量主瓣尖锐程度的物理量。 主瓣宽度分半功率波瓣宽度和零功率波瓣宽度。在主瓣最大值两侧，主瓣上场强下降为最大值 的两点矢径之间夹角，称为半功率波瓣宽度，记为 ，半功率波瓣宽度 是主瓣半功率点间的夹角。场强下降为零的两点矢径之间夹角，称为零功率波瓣宽度，记为 。主瓣宽度如图1.5所示： 半功率波瓣宽度越窄，说明天线辐射的能量越集中，定向性越好。电基本振子E 面方向图的半功率波瓣宽度为90°。有些面天线的半功率波瓣宽度小于1°。 旁瓣电平： 主瓣以外其他的瓣，称为旁瓣或副瓣。旁瓣最大值与主瓣最大值之比，称为旁瓣电平， 天线辐射的方向特性 25 系07级李雅筝pb07025011 日期：10月17号一：实验目的 1、理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。 2、测定右手螺旋天线的方向特性。 二：实验仪器及相关术语 ①旋转天线盘；②喇叭形天线；③微波吸收器；④右手螺旋天线；⑤波导式天线；⑥计算机及测试软件。术语：偶极子天线；波导式天线；极坐标；右手螺旋天线。 三：实验原理 任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它与|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度与场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像汽车轮胎。如图1（a）所示。天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H面方向图。电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即与磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。 (a) 立体方向图；(b) E面方向图；(c) H面方向图 图1 电流元的方向图 天线的方向图及其有关参数 任何实用天线的远区辐射场都是随空间的位置而变化的，因此在球坐标系中（见图2所示）天线至场点距离r处的远区辐射场量只是角度θ，φ的函数，这个函数就是方向图函数F (θ, φ ) ，通常将方向 评分： 级学号姓名日期 实验题目：天线辐射的方向特性 实验目的：理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识，测定右手螺旋天 线的方向特性。 实验原理：任何实用天线的辐射都具有方向性。通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示 出来，称为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R处的天线远区的辐射场量与角度坐标 间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F（θ，φ）|。天线的立体方向图一般难以画出，通 常只画出E面和H面的方向图。 天线的方向图及其相关参数： 将方向图函数F（θ，φ）进行归一化后所绘制的方向图称为归一化方向图。 1）主瓣宽度 当天线E面和H面具有多瓣形状时，通常将天线最 大辐射方向所在的波瓣称为主瓣。如图中2θ0.5称为 主瓣宽度。 2）副瓣电平 估计天线副瓣的强弱，一般用副瓣电平表示 3）前后比 天线最大辐射方向电平与其反方向电平之比。 4）方向性系数天线在远场区最大辐射方向上某点的平均辐射功率密度与平均辐射功率相同的无方向性天 线在同一点的平均辐射功率密度之比： D=4π 2π∫∫0π 20F(θ,?)sinθdθd? 如果方向图与θ无关，那么有 D=4π ∫π 0F(θ)sinθdθ2 效率： 天线的辐射功率Pr与输入功率Pin之比。 增益系数： 天线在远场最大辐射方向上某点的平均功率密度与平均功率相同的无方向性天线在同一点的 平均功率密度之比，记为G。 等效高度： 在保持实际天线最大辐射方向上场强值不变条件下，假设天线上电流为均匀分布时无线的等效 高度。 实验内容：1、检查仪器，确保程序和机器的正常工作，调整接收天线和被测天线，使两者在初始状态时 在同一直线上； 2、启动程序和工作仪器，计算机将自动绘制方向图（平面） ； 3、进行归一化处理； 评分： 级学号姓名日期 实验八、天线辐射的方向特性4+ 69组11系PB07210397 王凯强 实验目的 1、理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。 2、测定右手螺旋天线的方向特性。 相关术语 偶极子天线；波导式天线；极坐标；右手螺旋天线。 实验仪器 ①旋转天线盘；②喇叭形天线；③微波吸收器；④右手螺旋天线；⑤波导式天线；⑥计算机及测试软件。 实验原理 任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它与|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度与场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像汽车轮胎。如图1（a）所示。天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H面方向图。电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即与磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。 (a) 立体方向图；(b) E面方向图；(c) H面方向图 图1 电流元的方向图 二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐 标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。在极坐标系中绘制的电流元的E面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90?方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0?和θ=90?）上其值为零。在H面（θ=90?）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。而天线设计是用来有效辐射电磁能的一种装置，实际中没有一种天线能在空间中任何方向辐射，故研究其辐射的方向性可以更好的了解天线特性。 天线的方向图及其有关参数 任何实用天线的远区辐射场都是随空间的位置而变化的，因此在球坐标系中（见图2所示）天线至场点距离r处的远区辐射场量只是角度θ，φ的函数，这个函数就是方向图函数F (θ, φ ) ，通常将方向图函数关于最大值F max(θ,φ)进行归一化的函数称为归一化方向图函数，记为F(θ, φ) /F max(θ, φ)。按归一化方向图函数绘制的方向图称为天线的归一化方向图。显然，图3中示出的电流元E面和H面方向图也是归一化的方向图（因为其最大辐射方向上的最大值为1）。 图2电流元的电磁场图3 天线方向图的波瓣 1）主瓣宽度 当天线的E面和H面方向图具有如图3所示的多瓣形状时，通常将天线最大辐射方向所在的波瓣称为主瓣，其余瓣称为副瓣（或旁瓣）及后瓣（或尾瓣），在主瓣两侧 1）处的两点，分别取辐射功率（场强）等于最大值方向的辐射功率的1/2（场强的 2 这两点间的夹角称为主瓣半功率点张角，记为(2θ0.5)E，H或(2θ－3dB)E，H，或称半功率波束宽度(或称为主瓣宽度)。从极坐标的坐标原点向主瓣的两侧引射线，这两根射线间的夹角称主瓣零点宽度，记为2θ0。 2）副瓣电平 实际天线的方向图往往不止一个副瓣，而是有若干个副瓣。紧靠主瓣的副瓣称为第一副瓣，依次称为第二，三，…，副瓣。为估计天线副瓣的强弱，通常用副瓣电平来表示，定义为任一副瓣的最大值与主瓣最大值之比，并以dB作单位，由于最靠近主瓣的的第一副瓣其电平最高，因此通常对天线的第一副瓣电平提出要求。天线副瓣的 天线辐射与接收的基本理论 第6章天线辐射与接收的基本理论 6.1 概论 6.2 基本振子的辐射 6.3 天线的电参数 6.4 接收天线理论 返回主目录 第6章天线辐射与接收的基本理论 第6章天线辐射与接收的基本理论 6.1 概论 通信的目的是传递信息, 根据传递信息的途径不同, 可将通信系统大致分为两大类: 一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息, 即所谓的发射机所产生的已调制的高频电流能量(或导波能量)经馈线传输到发射天线, 通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量, 并向所需方向辐射出去.到达接收点后, 接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量, 经馈线输送至接收机输入端.天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备, 它的选择与设计是否合理, 对整个无线电通信系统的性能有很大的影响, 若天线设计不当, 就可能导致整个系统不能正常工作. 综上所述, 天线应有以下功能: ①天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量. 这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与发射机或接收机匹配. ②天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性. ③天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当的极化. ④天线应有足够的工作频带. 以上四点是天线最基本的功能, 据此可定义若干参数作为设计和评价天线的依据.通信的飞速发展对天线提出了许多新的要求,天线的功能也不断有新的突破.除了完成高频能量的转换外, 还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理, 如信号处理天线,单脉冲天线,自适应天线和智能天线等.特别是自1997年以来, 第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点, 而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技术之一. 天线的种类很多,按用途可将天线分为通信天线, 广播电视天线,雷达天线等; 按工作波长, 可将天线分为长波天线, 中波天线, 短波天线, 超短波天线和微波天线等; 按辐射元的类型可将天线分为两大类: 线天线和面天线.所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成, 主要用于长波,中波和短波波段; 面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的, 主要用于微波波段, 超短波波段则两者兼用. 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统. 馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线,同轴线传输线, 波导或微带线等.由于馈线系统和天线的联系十分紧密, 有时把天线和馈线系统看成是一个部件, 统称为天线馈线系统, 简称天馈系统. 研究天线问题, 实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布.空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件, 因此, 求解天线问题实质上是求解电磁 多种天线及其辐射方向图（三） Corner reflector antennaA corner reflector antenna is a type of radar antenna often used for VHF and UHF frequencies transmitters. It consists of a driven element ( could be a dipole or Yagi array ) mounted in front of two flat rectangular reflecting screens joined at an angle, usually 90°.The reflecting screen could be a sheet of metal or grid element (for low-frequency radar) to reduce weight and improve wind resistance of the structure. Corner reflectors antenna have a moderate gain of 10-15 dB and wide bandwidth.Radiating patternLog-periodic Antenna (LPDA)Log-periodic dipole array consists of a number of half-wave dipoles driven elements of gradually increasing length, each consisting of a pair of metal rods. The dipoles are mounted close together in a line, connected in parallel to the feedline with alternating phase. Even though log periodic is similar to multi-element Yagi designs in appearance, they work in very different ways. Adding elements to a Yagi increases its directionality (gain), while adding elements to an LPDA increases its frequency response (bandwidth), extremely wide operating frequency天线辐射的方向特性
天线辐射的方向特性
11天线辐射的方向特性
天线辐射
天线基础知识介绍
一些天线基本知识
天线阵列辐射方向图的研究
天线的主要特性
天线的主要性能指标
天线辐射的方向特性图.
实验八、天线辐射的方向特性概要
周围环境物对天线辐射方向图的影响(戚少凌罗兵)
天线综述
天线辐射的方向特性 (13)
天线辐射的方向特性概要
天线辐射的方向特性 (9)
天线辐射与接收的基本理论概要
多种天线及其辐射方向图(三)