3.1 天线的基本参量（上）在线视频

同学们好

我是本讲的主讲教师刘埇

欢迎大家来到第三讲

天线的基本参量

天线参量是天线的基础知识

如果想学习天线设计

就要学会与天线进行对话

对话最起码要有什么

需要有密码本

本讲实际上就是要把密码本教给大家

天线的本质

我们可以视作

电磁波在电路导行模式和空间

导行模式之间的匹配器

所以

天线的电性能我们就可以

从电路空间以及波的属性

三个方面来考量

一般来说

天线所有的电指标

都是通过这三个方面来配置的

天线作为实际硬件系统的一部分

是具有机械属性的

包括重量尺寸机械接口以及使用环境

高低温冲击震动等

以下我们就通过一个天线的工程实例

来看一下天线主要包括哪些参数指标

这是我们的一个实例

天线工作在30多GHz的单脉冲微带阵列天线

正面可以看到

这是一个微带天线

一个16×8的矩形阵列

这个矩形阵又可以分成两个子阵

分别是两个8×8的子阵

每一个小的方贴片就是一个小天线单元

通过微带馈电网络汇集到

微带-波导转换器

天线背面可以看到

微带-波导转换器之后

传输线变成矩形波导

通过矩形波导汇聚到一个魔T

在魔T出口

分别形成“和口”和“差口”两部分

这是一些天线参数

包括频率带宽极化增益和轴比等指标

3dB波瓣宽度又分别包括

水平角和俯仰的

一般来说

我们希望副瓣电平尽可能低

正常的等幅同相的阵列

它的副瓣是-13.5dB

本要求低于-18dB

这意味着有“低副瓣”的要求

因为是由两个子阵来组成的天线

所以说它有和波束与差波束的一些要求在指标中

和差波束间的隔离度

优于20dB

驻波比

这是天线跟电路之间的匹配的一个参数

电器接口要求是一个BJ320波导

横截面尺寸是7.112×3.556毫米

通过上面的系列指标介绍

可以看到其中一部分是跟电路性能有关的

可以把天线视为一个电路元件

输入功率和效率一般不会直接提

但是其对天线的选型

和设计有很大的关系

此外

增益轴比极化等等

是与空间相关的性能指标

而且还有一些其它的衍生特性

如最大增益副瓣电平波瓣宽度

零点位置差波束零深差波束双峰不平度等等

另外

跟电磁波本身属性有关系的参量

如工作频率和带宽

再就是

对机械接口也有要求

天线结构形式要求是平面天线

这跟天线在平台上的用法有关系的

天线电接口要求BJ320波导标准法兰

一个信号源输入到天线的功率

一般来说包括两部分

一部分是辐射功率

一部分是损耗功率

馈到天线上的总功率

一部分是以无线电磁波发射出去

实际上

并不是理想无损设备

所以会产生一定的损耗

总功率显然是可以写成两部分功率之和

天线效率等于辐射功率比输入功率

输入功率我们刚才知道

它可以分解成辐射和损耗两部分

实际上我们希望天线的效率尽可能的高

也就是说要把损耗降下来

损耗功率

一般分成两种

欧姆损耗和热损耗

欧姆损耗指的是匹配的问题

天线跟电路之间

或者天线内部的馈电网络

匹配做得不好会引起一些电磁波反射

能量没有馈到天线里

被天线反射回去了

也就不会辐射了

另外

热损耗主要是非理想的材料造成的

比如天线材料是绝缘材料

如果材料损耗角正切非常大

材料就会发热

构成热损耗

另外

一个就是金属材料

比如银是10的7次幂数量级的

而铝的电导率更差

所以金属材料也会引起损耗

另外

材料表面的粗糙度平整性

也会引起表面的热效应

另外一个重要参数

驻波比

电压的最大幅值和电压的最小幅值之比

把电磁波震荡描述为正弦波

电压的波峰值跟波谷值之间的比

就是驻波比

它用来描述端口的匹配特性

另一个是概念反射系数

反射波的电压与入射波的电压值之比

这里简单看的话

就是反射电压一定是没有入射电压大的

所以反射系数是在0和1之间的数

反射系数是一个复矢量

反射系数和驻波比之间

有一个对应关系反射系数的模值

在公式里变为标量

驻波比 可以看出是大于1的标量

有一个课堂问题

二端口网络的s11反射系数驻波比

三者之间是什么关系

方向性系数

这是典型的描述电磁波

在空间辐射时的电器参量

我用D来表示

在介绍这个方向系数之前

首先要介绍另外一个概念叫方向性增益

在给定方向的辐射强度

与参考天线的辐射强度之比

大家可以想象一个天线

就类似一个手电筒

一束光照向了前方

这就是我辐射的一个波束

它 描述辐射波束的时候

首先要描述它的辐射强度

辐射强度的相对数值

需要有一个参照天线

已知辐射强度的一个天线

它们之间的比值就叫方向性增益

它定量的描述天线在

某个方向集中的能量

比其他方向的辐射强多少

方向性系数指的是

最大的辐射方向的方向性增益

最大辐射方向

比如说

我们观察手电筒往外辐射的波束

它最大的最强的辐射点在哪

在笔形波束正中心

最中心的最大的辐射强度

我们就把它定义为方向性增益

功率增益

我们用G来来表示

功率增益的定义是什么

给定方向的辐射强度

与无损耗各向同性

参考天线的辐射强度之比

给定方向的辐射强度

想象一波束照上去

有一个方向

它的辐射强度最亮的一点

什么叫各向同性

我们可以认为是一个理想的点源

通常我们把这种理想点源

作为参考天线

若未规定方向

增益通常是指最大辐射方向上的

功率增益值

可以看到

增益和方向系数之间

有个换算的一个公式

比例系数是效率

因为有损耗

效率不等于1

最大增益实际上是

天线辐射电磁波的能力

这时候已经考虑了效率

方向性系数实际上

一般来说我们是不考虑整个馈电网络欧姆损耗和热损的

材料的一些特性

它是理想情况的辐射增益

如果天线的效率很高

增益跟方向性系数两个数值会比较接近

由于方向系数和增益

在数学上都描述为功率

与参考天线之间的比值

这个值跟参考天线之间的

比值可能非常大

所以我们通常以

也就是dB的形式来表示

既乘以10倍的log形式表示

我们通常来说增益因为是比值

相同的量纲比相同量纲

是没有单位的

很多的人会误认为dB本身

就是单位了实际上并不是

下面介绍几个与dB有关的参量

首先是dBm

是功率的一个数值

对毫瓦的一个描述

dBi用来描述天线增益

被测天线与全向方向性天线比较

与理想点源的比较

dBd也是用来描述天线增益

被测天线是与半波振子天线进行比较

因为理想点源实际不存在

所以在工程上最早使用的是

比较好实现的半波振子天线作为

参考天线描述被测天线增益

因此增益就用dBd表示

假设半波振子天线

跟一个各向同性的全向天线比较时候

它的增益应是多少了

经过仔细的运算是2.15dBi

另外就是dBc了

描述载波的一个相对值

3dB波瓣宽度这个概念表示的

是功率下降一半的波束夹角

当能量下降一半或者功率下降一半的时候

取对数约为3dB

波束夹角与增益之间往往

是有一定的对应性

如果波束的角度很小

中间最强的增益值也会相对更大

反之亦然

一般工程上有这么一个估算公式

就26,000~32,000

不同天线可能有些差别

除以二维3dB波瓣宽度的乘积

如果波束宽度越窄

增益就会越大

汇聚性也越好

这里要强调

2theta是波瓣宽度

另外

还要再提一个有效口径面积

与增益之间的一个对应关系

一般来说天线的有效口径

通常比实际天线面积小

如课件所示

它与增益之间有个对应关系

通过这个公式我们可以看到

如果面积越大

增益就越大

如果波长越大

增益就越小

波长越大

也就是频率越低

在相同口径下增益也越低

当已知天线要求的面积的时候

我们就会知道

在相应的工作频率下

天线最大的增益大概能做到多少

如果面积越大

增益也就相对越大

这时候大家要注意

这两个公式是没有取对数的

如果我告诉大家

一个天线增益要求30dB

运用这两个公式的时候

增益的实际数值应是多少

对不是30dB应是1000