Feko仿真原理与工程应用：天线分类与性能指标参数

2023-10-31 理论教育版权反馈

【摘要】：表1-3 天线分类（续）在天线的分析和设计中，主要关心以下性能指标参数：方向图。一般情况下所关心的均为最大辐射方向的方向性系数。方向性系数是以辐射功率为基点，没有考虑天线的能量转换效率。天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比，即。辐射电阻的大小表示天线辐射和接收能力的强弱，损耗电阻表示天线自身对于微波能量的损耗。与发射机或接收机相连的天线，其输入阻抗则等效为发射机或接收机的负载。

天线在无线电设备中的主要功能有两个：能量转换和定向辐射（或接收）。

能量转换功能是指导行波与自由空间波之间的转换，发射天线是将馈线引导的电磁波（高频电流）转换为向空间辐射的电磁波传向远方，接收天线是将空间的电磁波（高频电流）转换为馈线引导的电磁波送给接收机。

定向作用是指天线辐射或接收电磁波具有一定的方向性，根据无线电系统设备的要求，发射天线可把电磁波能量集中在一定的方向上辐射出去，接收天线可只接收特定方向传来的电磁波。

天线的种类非常多，对其进行分类是十分困难的。不同的分类方法会有不同的结果，如果按照天线辐射方式分类，考虑天线结构、工作频段和应用等因素，可以把天线分为以下几种类型，具体见表1-3。

表1-3 天线分类

（续）

在天线的分析和设计中，主要关心以下性能指标参数：

方向图。天线的空间辐射（或接收）在不同的方向是不同的，可以用方向性函数f(θ,φ)来描述，其归一化方向性函数可记为，式中，f_max是方向性函数f(θ,φ)的最大值。

根据天线方向性函数f(θ,φ)或F(θ,φ)绘制的图形称为天线的方向图，表示辐射（或接收）场强振幅方向特性的称为场强振幅方向图，表示辐射（或接收）功率方向特性的称为功率方向图，表示相位特性的称为相位方向图，表示极化特性的称为极化方向图。通常，我们提到方向图均指场强振幅方向图。天线方向图一般是一个三维空间的曲面图形。但工程上为了方便，常采用两个正交主平面上的剖面图来描述天线的方向性，通常取E平面（即电场矢量与传播方向构成的平面）和H平面（即磁场矢量与传播方向构成的平面）内的方向图。

绘制某一平面的方向图，可采用极坐标或直角坐标，天线方向图一般呈花瓣状，所以也称为波瓣图，其中最大的波瓣称为主瓣，其余的称为副瓣或旁瓣，如图1-5所示。

主瓣宽度是指方向图主瓣上两个半功率电平点（即场强从最大值降到0.707最大值处）之间的夹角，记为2θ_0.5，有时也称主瓣宽度为半功率波束宽度，显然，主瓣宽度越小，说明天线辐射能量越集中（或接收能力越强），定向作用或方向性越强。

图1-5 天线方向图

副瓣电平是指副瓣最大值与主瓣最大值之比，通常用分贝数表示为

由于副瓣方向通常是不需要辐射（或接收）能量的方向，因此，天线副瓣电平越低，表明天线在不需要的方向上辐射的能量越弱，或者在这些方向上对杂散波的抑制能力越强。在很多系统EMC中，许多干扰就是通过副瓣耦合进来的，有效降低副瓣电平是降低干扰的一种方法。

前后比是指最大辐射（或接收）方向（设为0^o方向）的场强值与180^o±60^o方向内最大场强值之比，通常用符号F/B表示，因此，前后比的分贝值为

方向性系数D表示天线辐射的能量在空间分布的集中能力，定义为在相同的辐射功率情况下，天线在给定方向的辐射强度与平均辐射强度之比，即

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式中，E(θ,ϕ)是该天线在(θ,ϕ)方向某点产生的场强，E₀是全方向性点源天线在同一点产生的场强。一般情况下所关心的均为最大辐射方向的方向性系数。对于互易天线，发射天线的方向性系数与接收天线的方向性系数在数值上是相同的，所以，接收天线的方向图可以按照发射天线的仿真流程来得到其性能参数。

增益G。方向性系数是以辐射功率为基点，没有考虑天线的能量转换效率。为了更完整地描述天线性能，改用天线输入功率为基点来定义天线增益，即在输入功率相同条件下，天线在某方向某点产生的场强平方与点源天线在同方向同一点产生场强平方的比值，于是，天线的增益为

式中，η为辐射功率与输入功率的比值，称为效率。

天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比，即。

当输入电压与输入电流同相时，输入阻抗呈纯阻性，一般情况下输入阻抗具有电阻和电抗两个部分，Z_i=R_i+jX_i，电阻主要包括辐射电阻和损耗电阻。辐射电阻的大小表示天线辐射和接收能力的强弱，损耗电阻表示天线自身对于微波能量的损耗。

与发射机或接收机相连的天线，其输入阻抗则等效为发射机或接收机的负载。因此，输入阻抗值的大小就表征了天线与发射机或接收机的匹配状况，即表示了导行波与辐射波之间能量转换的好坏，故是天线的一个重要电路参数。

反射系数Γ与驻波系数VSWR：表征天线与馈线匹配情况，由反射系数或驻波比就可以计算出从天线反射回发射机（或接收机）的功率是多少，公式为

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极化天线。极化是描述天线辐射电磁波场矢量空间指向的参数。由于电场与磁场有恒定的关系，故一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。

电场矢量在空间的取向固定不变的电磁波叫线极化，有时以地面为参考。电场矢量方向与地面平行的称为水平极化，与地面垂直的称为垂直极化。电场矢量与传播方向构成的平面称为极化平面。垂直极化波的极化平面与地面垂直；水平极化波的极化平面则垂直于入射波、反射波和入射点地面的法线构成的入射平面。

当电场矢量取向随时间而变化时，其矢量端点在垂直于传播方向的平面内描绘的轨迹是一个椭圆，称为椭圆极化；描绘的是一个圆，则称为圆极化。

椭圆极化波和圆极化波都有左、右旋向特性。工程上规定：沿电磁波传播方向看去，电场矢量随时间向右（即顺时针方向）旋转的称为右旋极化波，向左（即逆时针方向）旋转的称为左旋极化波。

圆极化和线极化都是椭圆极化的特例，描述椭圆极化波的参数有3个：轴比——指极化椭圆长轴与短轴的比；倾角——指极化椭圆长轴与水平坐标之间的夹角；旋向——左旋或右旋。

交叉极化天线可能会在非预定的极化上辐射（或接收）不需要的极化分量能量，如辐射（或接收）水平极化波的天线，也可能辐射（或接收）不需要的垂直极化波，这种不需要的辐射极化波称为交叉极化。对线极化天线来讲，交叉极化与预定的极化方向垂直；对圆极化波来说，交叉极化与预定极化的旋向相反；对椭圆极化波来说，交叉极化与预定极化的轴比相同、长轴正交、旋向相反。所以，交叉极化又称为正交极化。

带宽。每副天线都有其中心工作频率，在偏离中心工作频率时，天线的某些电性能将会下降，电性能下降到容许值的频率范围，就称为天线的频带宽度。

天线带宽的表示方法有两种：一种是绝对带宽，它是指天线能实际工作的频率范围，即高端频率与低端频率之差；另一种是相对带宽，它是绝对带宽与中心频率之比，公式为

对于天线的仿真，大家感到最难的几点是：如何设定端口和激励、该选择什么方法，由于天线的类型很多，因此在本书的第5章给出了不同形式天线的实现方法，并对难点问题做了详细的说明和总结，希望读者能够通过一个例子的学习掌握一类天线的实现方法。

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