第四讲 天线仿真与接收天线

Ei
有效面积与增益
利用电磁场互易定理可以证明，天线有效面积与增益
South China University of Technology
有如下关系：
2 Ae G 4
例：用上式计算电流元天线的有效面积
解：电流元的增益为1.5，有效面积为
2 3 2 Ae 1.5 4 8
4.3 接收天线的有效面积
有效面积Ae：天线的有效面积等于天线在共轭
South China University of Technology
匹配时的最大接收功率除以天线处来波的能留密 度。 Pr max Ae Si
有效面积反映天线截获电磁波的能力，表示天线 能够把流过面积为Ae的电波功率截获下来。
第4讲内容
South China University of Technology
天线的接收过程 天线的收发互易性
天线的等效面积
通信链路方程和雷达方程 天线的仿真技术
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
4.1 天线接收过程
South China University of Technology
接收过程： 电磁波的交变电磁场在天线上感应交变的电流和电荷 交变的电流传输到天线端口形成射频信号 射频信号传输到接收机接收放大
E1 E2 z

Ez Ei dz

Ei 2l
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
4.4 有效面积的应用—— 通信链路方程
问题：对于下面的无线通信线路，计算接收功率
South China University of Technology
Gt
Pt
r
Gr
Pr
计算：
S Gt i 由增益定义 ： S0 于是：
Pt
, S0 Pt / 4 r 2 全向天线辐射功率密度
与前面结果相同
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
例：求半波振子和全波振子的有效面积。
South China University of Technology
全波振子接收能力更强
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
例：美军战斗机火控雷达AN/APG-69的天线波束宽度
South China University of Technology
* ZL ZS

共轭时 Z s Z L 2 Rr 于是：
2
L
Ur
Pr பைடு நூலகம்i L / 8Rr 3 Ae 2 Si Ei / 240 8
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
为方位4.5度、俯仰7.7度，副瓣电平-30dB，中心点频 率9.3GHz。估算方向系数和有效面积。 解：波束立体角为 4.5 7.7 180 180
方向系数：
4 41253 D 1190 o o HPE HPH HPE HPH
若考虑旁瓣影响，一般修正为：
例：求半波振子和全波振子的有效面积。
South China University of Technology
解：对于无耗半波振子， G 1.64 ，于是：
2 Ae 1.64 0.13 2 4
对于全波振子
G 2.4 ，于是：
2 Ae 2.4 0.191 2 4
Pt
r
Gr
Pr
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
用dB表示：
South China University of Technology
Pr dBm Pt dBm Gt dB Gr dB 20lg r (km) 20lg f (MHz) 32.44 10lgt 10lgr 10lgP
Si Gt
Pt 4 r 2
2 Pt Pr Ae Si GrGt 4 4 r 2
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
得：
Pr t r Gt PG 4 r
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
方向图互易性：
South China University of Technology
V OC Vmax F ,
V OC Vmax F
Gr GT ,
Dr DT
V OC Vmax F
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
输入阻抗互易性：
解：对于无耗半波振子， G 1.64 ，于是：
2 Ae 1.64 0.13 2 4
对于全波振子
G 2.4 ，于是：
2 Ae 2.4 0.191 2 4
全波振子接收能力更强
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
South China University of Technology
ZL
V OC Vmax F ,
ZS VS
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
当天线与接收机实现共轭匹配时，接收功率最 大。 我们在讨论接收天线特性时，都指天线与负载 共轭匹配状态下的特性。
ZS VS
接收机
ZC
ZL
ZC
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
Ei 2 Si 2
接收机
Pr max =Ae Si
ZL Z
ZC
Pr max =Ae Si
Ae
* S
ZS VS
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
o o 对于-30dB旁瓣： D 35000 / HPE HPH 1010
对于-13.5dB旁瓣： D 32600 / HPE o HPH o 941
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
由于副瓣电平-30dB，取
South China University of Technology
G D 1010
有效面积：
c/ f D Ae G 836cm2 4 4
2 2
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
例：计算长度为L的电流元天线的有效面积。
South China University of Technology
解：

设来波垂直于天线入射，入射场强为Ei，感应电动势为：
U r Ei L sin Ei L

2 共轭匹配后负载阻抗实部为 RL Rr 80 L / 接收功率： 2 1 1 Ur Ei 2 Pr I 2 RL R L Si 2 2 Zs ZL 2 2
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
接收天线的等效源阻抗：
South China University of Technology
天线接收时，等效为一个有一定源阻抗的信号 源，接收机等效为负载。