3.2 天线的基本参量（下）在线视频

下面介绍天线的另外一个重要参量

天线的极化

天线的极化跟光的偏振

是完全对应的物理概念

来看电磁波极化的定义

在电磁波的传播方向上任意一点

电场瞬时矢量尾端随时间的运动轨迹

注意是电场矢量

而不是磁场

如果它是在一根直线上来回振荡

那就是线极化

如果轨迹是圆的

那就是圆极化

如果轨迹画得不太圆

那就是椭圆极化

椭圆极化可以认为是

线极化和圆极化之间的过渡形式

对于线极化也有区别

叫做垂直极化和水平极化

因为天线通常要放到室外

所以在工程上多参照地平线来确定

如果极化方向与地平线平行

则称为水平极化

如果与地平线正交

就称为垂直极化

圆极化可以分为左旋圆极化和右旋圆极化

这个该怎么判断呢

四指弯向电磁波矢端轨迹的旋转方向

大拇指指向传播方向

如果符合右手螺旋就叫右旋圆极化

如果符合左手螺旋就是左旋圆极化

这里有一个问题想提给大家

左旋圆极化和右旋圆极化

与顺时针极化和逆时针极化是怎么对应的

希望大家可以自己判断

这里给出了平面电磁波的经典表达式

上式是电场的复矢量

下式是磁场的复矢量

可以看到磁场和电场之间是正交的

k的方向实际上就是电磁场的传播方向

在传播方向上电场和磁场两两正交

而且跟传播方向正交

所以说

平面电磁波在空间里传播的模式是TEM波

叫做横电磁波

通过电场这个公式

我们也可以看到几个部分

一部分是电场的幅值

然后是电场的相位

后面我们讲圆极化的时候

会知道幅值和相位是有关系的

再强调一下

这个关系式

只有在平面电磁波的时候才存在

在导行电磁波里

电场和磁场不是这个关系式

这些都是麦克斯韦方程组

加上自由空间的边界条件导出的式子

下面这几幅图

是典型的线极化振荡和圆极化振荡

先看上面这两幅

首先这个绿色的和红色的都是线极化

它俩相对于现在的坐标来说

绿色的是垂直极化

而红色的是水平极化

在这个点上进行观察

发现电场

瞬时矢量尾端轨迹是在一个直线上振荡

它们在做简谐振荡

再观察左下的这张图

可以看到

矢端轨迹的大小随时间变化

在不停地画圆

通过矢量分解可以看到

瞬时有一个绿色的和一个红色的分量

它们分别就是上面的那两个简谐振荡

对不对

但是仔细观察红色曲线跟绿色曲线

它们从相位上不是同步的

这说明如果控制好两个线极化的相位

就可以合成一个圆极化

但是通过下面这两幅图可以看到

如果红色曲线跟绿色曲线的相位不同

那么

二者合成的蓝色曲线的旋转方向也不一样

一个是左旋

一个是右旋

这里给出了一个典型的线极化天线的截面

截面处有很多矢量线

在同一条直线上进行振荡

增强

减弱

反向增强 反向减弱

形成一个周期

做简谐振荡

下面再详细地讲一下右旋圆极化和左旋圆极化

在什么条件下两个线极化

才能合成一个圆极化呢

可以看到ψx-ψy=±π/2

而且两个线极化波的幅值是相同的时候

矢端的方程就简化成了下面这个方程

这是典型的圆函数

所以矢端的合成轨迹也就是一个圆

从代数上怎么来区分左旋还是右旋呢

可以看到

当ψx-ψy=π/2时

即x相位超前于y相位九十度

四指由超前相位的方向

弯向滞后相位的方向

假设电磁波现在是由纸面向外传播的

四指由x弯向y

大拇指正好指向传播方向

这个情况下就是右旋圆极化

反之如果ψx-ψy=-π/2

也就是说x的相位滞后于y的相位

这时候是左旋圆极化

这是一个典型的圆极化

微带贴片天线表面的电场

可以看到 如果盯住一个点

这个点矢端的轨迹在画圆

不同的颜色代表场强的强弱

红色是场强最强的地方

增益最大处

向边缘越来越弱

右图展示了一个椭圆

长轴是a

短轴是b

如果矢量合成的时候

两个矢量模值不是等大的

那它

转的轨迹就是一个椭圆形

简单说就是非理想条件下都是椭圆

这里要强调一个推论

一个椭圆极化

可以分解为两个正交圆极化的矢量合成

强调一下

一个椭圆极化可以分解成“两个”圆极化

没有更多

是正交的圆极化

一个左旋加一个右旋

两个合在一起

就可以

有一个典型的线极化与圆极化的总结

“两线变一线”

任意一个线极化都可以做正交分解

向两个正交的方向做投影

反过来说也可以“一线变两线”

现在一些卫星通信系统就是用一个天线

激励出两个线极化

然后控制它们的幅值或相位

这样就可以在空间中合成任意线极化

这时候就可以实现电调极化

“两线变圆”

任意的一个圆极化

都可以看成两个线极化合成的

实际设计天线时

可以设计一个天线激励出两个线极化

使它们的幅值相等

再控制它们的相位差

就可以形成指定的圆极化

“两线变椭”

这更没问题了

“两圆变线”

“两圆变椭”

我希望大家可以自己考虑一下

这在后面的天线设计中非常重要

下面介绍 “轴比”

和“交叉极化隔离度”这两个概念

首先看“轴比”的概念

长轴和短轴之比

长轴短轴指的是椭圆的参数

如果是圆极化

长轴和短轴一样长的

所以轴比总是1

通常来说

在工程上纯圆极化是很难实现的

总有一些非理想因素在起作用

所以往往是椭圆极化

这时候大家就会说轴比是多少

有的时候轴比也会写成dB的形式

如果轴比是2的话

那正好是3dB

另外一个概念“交叉极化隔离度”

对于线极化

垂直极化和水平极化就是交叉极化

发射一个极化的时候

实际上它不可能是理想的

总还有一些正交的分量

所以说就存在交叉极化

如果是圆极化的话

也有左旋和右旋

椭圆极化又可以分解成两个正交的圆极化

一个天线就会发射两个极化

其中一个是主极化

另外一个就是交叉极化

这两个不同极化的隔离程度

用分别幅度的比值表示

称为“交叉极化隔离度”

通常表示为dB

天线方向图

是天线辐射部分最重要的概念之一

方向图是表示天线的辐射特性与方向

关系的图

电磁波向空间辐射的时候

有一定的方向

这里的辐射特性是哪几个参量呢

典型的一个是场强

一个是功率

这俩的量纲不同

场强是伏特

功率是瓦

场强和功率之间差了一个平方

所以看方向图的时候

要注意它是场强的方向图还是功率的方向图

方向图应是在

三维球坐标系中完全表示的空间方向图

为了完备描述一个天线辐射时波束的情况

严格来说应该是全都描述出来

但是一般工程上采用的是

两个主要平面上的二维方向图

即H面和E面方向图

H面就是观察

平面平行于磁场

而E面就是平行电场的方向图

这两个方向图的观察面完全正交

展示了两个维度的特点

这当然也跟平面电磁波的模式有关系

是TEM模

电场和磁场在空间上本身也是正交

这里展示一个三维方向图

中间有一个很强的主波束

旁边还伴随着几个小旁瓣

这是典型的定向方向图

向一个方向辐射

像手电筒一样

它在一个方向上是最强的

我们管它叫主瓣

它描述了整个空间的特点

这是一个和波束

这是一个差波束的方向图

可以看到有两个等大主瓣

这张图蓝线部分

就是刚才三维方向图从和波束切下来的

红线的是从两个差波束之间切过去的

可以看到两个等高的波束

这时候横坐标是角度

纵向的是增益

二维方向图相对来说容易定量的进行观察

方向图可以分成全向方向图和定向方向图

定向方向图通常

又可以分成笔形波束和扇形波束

笔形波束指的是什么呢

想象一个铅笔

手电筒

典型的笔形波束是圆锥形的

扇形波束

可以想象扇子展开后

有一维 很宽

有一维 很窄

就像手掌

下面展示的是一个全向方向图

它在水平方向上是360°辐射的

这是典型的应答天线方向图

右边是XOZ切面二维方向图

可以看到

辐射的特点会观察得更清楚

刚才给了整体的方向图的描述

但对方向图进行细节解读的时候

有一个概念叫“副瓣电平”

副瓣的最大值相对于主瓣最大值的比

称为副瓣电平

通过下面这个公式来定义

一般用分贝来表示

副瓣电平一般不会比主瓣电平大

所以它们的比值是一个小于1的正数

取对数后

就是负数

举一个例子

如果副瓣电平和主瓣最大值相应功率的比值

是0.01

那么副瓣电平就是-20dB

讲几个重要的参数

当等幅同相馈电时

矩形口径的副瓣电平是-13.5dB

如果圆口径

它的副瓣电平是-17.6dB

大家最好记住这两个经验值

还有一个 “低副瓣”的概念

比如雷达制导的时候

就有低副瓣的要求

如果副瓣不低的话

从副瓣灌入的能量就有可能超过主瓣

这时候雷达就失效了

如果天线是矩形口径的话

那么副瓣要低于-13.5dB

如果是圆口径

要低于-17.6dB才算是低副瓣

这是一个刚才展示过的二维方向图

蓝色曲线的最高点是主瓣

主瓣旁边可以看到高高低低

有很多小的峰值

叫作副瓣

每一个副瓣对应不同的角度

靠的最近的叫第一副瓣

再往下第二副瓣等等

副瓣电平通常指的是最高的副瓣

要强调的是

最高的副瓣不一定是第一副瓣

等幅同相的时候第一副瓣是最高的副瓣

但如果做了加权

不见得最高的副瓣就一定是第一副瓣

方向图中的另一个参数叫“波瓣宽度”

俗称“3dB波瓣宽度”

通常说波瓣宽度的时候

都用3dB波瓣宽度来描述

波瓣宽度是在最大辐射方向

功率值一半的功率值点对应角度的夹角

这里给出了一个微带贴片天线的波束

可以看到最大增益点在0°

增益大概是7dB

如果功率下降到一半

取对数的话就是下降3dB

可以看到

4dB这条线和主瓣相交在两个点

左边大概是-40°

右边大概是43°

这时候3dB波瓣宽度

就是两个方向的夹角之和83°

如果知道了3dB波瓣宽度

那么大概也就知道了波束的汇聚情况

前面也给了一个经验公式

3dB波瓣宽度跟增益之间的对应性

26000到32000

比两维的3dB波瓣宽度等于增益

天线带宽

就是天线参数

符合所规定技术要求的工作频率范围

阻抗带宽

比如

要求工作频段内

接入阻抗50Ω

那么所有的接口

为50Ω的频率都是阻抗带宽的范围

轴比带宽

要求频率范围内

轴比要小于多少

一般来说在天线设计的时候

很多初学者容易犯的一个错误

既只看中心频率的结果

而不看高频和低频的情况

往往在中心频率参数指标达到了

但观察高频或低频时

这些参数不达标

带宽也分绝对带宽和相对带宽

绝对带宽是高频和低频的差值

相对带宽一般有两个提法

一个是按照百分比来提的

一个是按照倍频来提的

按照百分比来提的话

它是绝对带宽跟中心频率f0的比值

化成百分数

f0是中心频率

还有一些天线是超宽带的

它的最高频率和最低频率会差很多

比如说现在的超宽带雷达

它典型的工作频率是1GHz到20GHz

是20倍频

这时候就以倍频的形式来说

这样在工程上好描述

更加直观一些

这里还有一个问题

75Ω和50Ω同轴线的由来

大家可以课后自己查一下相关材料

下面

列了典型的八毫米微带阵列天线的一些指标

带宽是500MHz

极化

这是个应答天线

所以它是圆极化

如果分解成线极化

哪个极化超前

哪个极化之后呢

增益

dBi

表示的是跟无方向性的理想点源比的增益

22dBi

定向性比较强

轴比

注意看这里要求是2dB

而不是2

水平维3dB波束角度小于4.8°

俯仰维3dB波束角度大于8°

这是一个定向天线

波束是非对称的

是一个典型的扇形波束

副瓣电平

要求-18dB

这时候要意识到

等幅同相的矩形口面的副瓣电平

是-13.5dB

所以一定要做低副瓣的处理

阵列需要进行加权设计

还有差波束零深

双峰不平度

和差隔离度

这些刚才没有讲

作为大家的课后作业

驻波比≤2

天线形式是平面天线

天线接口是矩形波导

后面大家在设计喇叭天线的时候

会对波导更加熟悉

包括波导的型号 尺寸 激励的模式等等

所有的参数指标也都回顾完了

本节就介绍到这里

谢谢大家