微波天線的方向性和方向性系數(shù)分析

●方向性

※方向性圖

天線的基本功能是將饋線傳輸?shù)碾姶挪ㄗ優(yōu)樽杂煽臻g傳播的電磁波，天線的方向圖是表征天線輻射時(shí)電磁波能量(或場強(qiáng))在空間各點(diǎn)分布的情況，它是描述天線的主要參數(shù)之一。

天線的方向性圖是一個(gè)立體圖形，它的特性可以用兩個(gè)互相垂直的平面(E平面和H平面)內(nèi)方向性圖來描述。天線方向性圖能直觀地反映出天線輻射能量集中程度、方向性圖越尖銳，表示輻射能量越集中，相反則能量分散。若天線將電磁能量均勻地向四周輻射，方向性圖就變成一球面，稱作無方向性，這就是一理想點(diǎn)源在空中輻射場。天線方向性圖可通過測試來繪制，如測得的是功率，即可繪出功率方向性圖，如測得的是場強(qiáng)，則繪出場強(qiáng)方向性圖，但兩者圖形形狀是完全一樣的。通常圖形方向性圖有多個(gè)葉瓣，其中最大輻射方向的是葉瓣，稱主瓣，其余稱副瓣(或旁瓣)。在方向性圖中主瓣信息是我們最關(guān)心的。

(1)方向性圖主瓣寬度

方向性圖主瓣寬度是指半功率點(diǎn)(功率下降為最大輻射方向功率一半之點(diǎn))之間寬度，它是由主瓣最大值“1”下降到“0.5”處兩點(diǎn)與零點(diǎn)連接形成的夾角，用2θ0.5來表示，如下圖所示。

(2)方向性圖主瓣零點(diǎn)角

如上圖所示，方向性圖主瓣零點(diǎn)角是指主瓣兩側(cè)零輻射方向之間夾角，用2θ0來表示。

(3)方向性圖副瓣零電平

方向性圖副瓣功率電平表示副瓣功率電平相對于主瓣功率電平的比值，一般用分貝(dB)來表示，即：

一般希望副瓣電平越低(即負(fù)值越大)越好。

※方向性系數(shù)

方向性圖雖然一定程度上反映了天線輻射狀態(tài)，但它是一個(gè)相對值，為了定量描述天線集中輻射程度，引進(jìn)了方向性系數(shù)這一概念。

方向性系數(shù)定義是：在同一距離及相同輻射條件下，某一天線最大輻射方向性上輻射功率密度Smax(或場強(qiáng)平方Emax)與無方向天線(點(diǎn)源)輻射功率密度S0(或場強(qiáng)平方E20)之比，用D來表示:

可見，方向性越尖銳的天線D越大，相反則D越小，若D=1，則表示為無方向性天線，是一個(gè)理想點(diǎn)源輻射場。

●天線效率

一般來說構(gòu)成天線的導(dǎo)體和絕緣介質(zhì)都有一定的能量損耗，輸入天線的功率不可能全部轉(zhuǎn)化為自由空間電磁波的輻射功率，我們把天線輻射功率Pr與天線輸入功率之比稱作天線效率，即：

ηa=Pr/Pi

通常微波天線的效率都很高，ηa接近于1.另外需要值得提出的是這里定義的天線效率并沒有包含因天線與饋線傳輸系統(tǒng)失配引起的損耗，如考慮到天線輸入端的反射系數(shù)Г，則天線總效率為：ηA=(1-|Г2|)x ηa

●增益系數(shù)(增益)

增益系數(shù)簡稱增益，它的定義是：在同一距離及相同輸入功率的條件下，某一天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax(或場強(qiáng)平方E2max)與無方向天線(理想點(diǎn)源)的輻射功率密度S0(或場強(qiáng)平方E20)之比，用G來表示。

即G=ηa﹒D

可見，增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換效率和方向性的參數(shù)，它是方向性系數(shù)與天線效率的乘積。在實(shí)際應(yīng)用中，天線增益系數(shù)與方向系數(shù)為重要的參量，盡管它們之間密切相關(guān)。對于微波面式天線，它們的轉(zhuǎn)換效率都很高，ηa=1，因此G=D。分析證明，對于微波面式天線，它的增益系數(shù)與天線口徑大小有如下關(guān)系：

式中：S為天線輻射口面的實(shí)際面積;ηe為口面利用系數(shù)，或稱口徑效率，它主要是由口面上電磁場振幅分布和相位分布決定的。當(dāng)口面分布均勻且同相時(shí)，ηe=1，可獲得最大增益，由上式可見：Se=S﹒ηe (Se稱為天線口徑有效面積)，對于無方向天線(理想點(diǎn)源)來說，G=D=1，它的有效面積為：

增益系數(shù)一般用分貝來表示：GdB=10lgG(dB)

●天線阻抗

天線阻抗是指天線輸入端口向天線輻射口方向看過去的輸入阻抗，它取決于天線結(jié)構(gòu)和工作頻率。只有天線的輸入阻抗與饋線阻抗良好匹配時(shí)，天線的轉(zhuǎn)換效率才最高，否則將在天線輸入端口上產(chǎn)生反射，在饋線上形成駐波，從而增加了傳輸損耗。大多數(shù)天線輸入阻抗的匹配是在工程設(shè)計(jì)中采用近似計(jì)算，然后通過實(shí)驗(yàn)測量，修正來確定的。

●天線極化

天線極化是指天線最大輻射方向上的電場強(qiáng)度(E)矢量的取向。線極化是一種比較常用的極化方式，線極化由可分為“垂直極化和水平極化”，前者電場矢量與地面垂直，后者則與地面平行。

●頻帶寬度

天線所有的電參數(shù)都與工作頻率有關(guān)，當(dāng)工作頻率偏離中心頻率f0時(shí)，天線的電參數(shù)將變差。天線的頻帶寬度是指天線可以正常工作的頻率范圍，在這范圍內(nèi)天線的方向性圖、增益、阻抗等技術(shù)參數(shù)都在指標(biāo)允許的范圍內(nèi)變化。

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