第三章 接收天线理论.pdf

98《天线原理与设计》讲稿王建第三章接收天线理论天线接收电磁能量的物理过程是:天线在外场作用下激励起感应电动势,并在导体表面产生电流,该电流流进天线负载ZL(接收机),使接收机回路中产生电流。所以,接收天线是一个把空间电磁波能量转换为高频电流能量的能量转换装置。其工作过程恰好是发射天线的逆过程,如图3-1所示。图3-1接收天线示意图一般情况下,接收天线与发射天线相距很远,作用在接收天线上的电磁波可iii认为是平面波。设来波方向与振子轴夹角为θ,来波电场E可分解为E
和E⊥两iiii个分量,其中E⊥垂直于振子轴不起作用,只有EEE
==zsinθ才使振子上产生感应流I,这个感应电流将产生散射场Es()I,它是以感应电流I为未知的函数。前面已介绍过,在接收状态下的天线与接收机负载共轭匹配的最佳情况下,传送至接收机的功率是天线感应或截获到的总功率的一半,另一半则被天线散射和热损耗消耗掉了。如果不计天线热损耗,这喻示了要使截获到的功率的一半传送给接收机,则天线必定要将另一半散射掉。这样,接收机接收的功率可用散射功率来等效。具体做法是由来波电场Ei与感应电流产生的散射场Es()I形成的总场在天线金属表面应满足切向电场为零的边界条件siEIzz()+=E0()来确定感应电流I。这个感应电流流过负载ZL将被其接收。上式实际上是一个含未知电流的积分方程(见书上P51式()),可采用矩量法等方法求解。对于细线对称振子接收天线,其上感应电流分布也近似为正弦分布。采用上述方法分析接收天线,数学计算复杂。通常采用互易定理方法,它是利用收发天线的互易性,从发射天线的性能直接导出接收天线的性能。这种方法是分析接收天线的最简洁、最有普遍意义的方法。这里主要介绍这种方法。,彼此之间相距足够远,处于各向同性的无界均匀媒质中,除两天线外没有其它场源,如图3-2所示。当天线1作发射(加有电源ε1,输出电流为I1),天线2作接收时,天线2上99《天线原理与设计》讲稿王建有感应电流I21,形成开路电压U2。由等效电路得UIZZ2212=(in+L2)()当天线2作发射(加有电源ε2,输出电流为I2),天线1作接收时,天线1上有感应电流I12,形成开路电压U1。由等效电路得UIZZ1121=(in+L1)()(a)天线1发射,天线2接收(b)天线2发射,天线1接收图3-2用互易原理分析接收天线式中,Z1in和Z2in分别为天线1和2的输入阻抗,ZL1和ZL2分别为天线1和2的负载阻抗。UU12由互易定理:=←(Z12=Z21)()I21I把式()和()代入式()得I112IZ()(1in+=ZL1IIZ2212in+ZL2)()由书上P13式()可得发射天线1在接收天线2处的电场矢量为30βLIE=e11F(,θϕ)eˆ()21r121rE21可得:I1=()30βθϕLFe11(,)eˆ21rE12同理有:I2=()30βθϕLFe22(,)eˆ12把式()和()代入()得IZ()(++ZEIZZ)E121inL121=212inL212()LFee11(,θϕ)eeˆˆ21LF22(,θϕ)12在上式的等号左边分子分母点乘E12,而等号右边分子分母点乘E21,然后消去相同因子EE12i21后得100《天线原理与设计》讲稿王建Z++ZIZZI1inL1⋅=122inL2⋅21()Lee1FELF1(,θϕ)12′′22(,θϕ)E21式中,E21′=Ee21iˆ12,是天线2作发射时E21在其极化方向的一个分量;E12′=Ee12iˆ21,是天线1作发射时E12在其极化方向的一个分量;考察式(),I21是在E21′作用下在ZL2上产生的电流,即I21∝E21′;同理,I12是在E12′作用下在ZL1上产生的电流,即I12∝E12′。这样一来式()的等号左边完全由表征天线1的参量组成;等号右边完全由表征天线2的参量组成。既然式()等号的两边分别属于某一天线,而该天线又可以是任意的,对任意形式的天线,式()应恒等于一个常数,即ZZI+inL=C()LFe(,θϕ)E′解出接收电流ICLE′F(,θϕ)UI==eA()Zin++ZZLinZL接收电动势UCLEFAe=′(θ,ϕ)()式中,C为常数;E′为入射电场在该天线作发射时的极化方向上的分量;F(,θϕ)、Le和Zin分别为该天线作发射时的归一化方向图函数、有效长度和输入阻抗。由于常数C与天线形式无关,可以用最简单形式的天线——基本振子来确定它。设基本振子长度为l,来波方向与振子轴夹角为θ,