天线的基本原理是什么?

2022-11-24
1、天线的基本原理

天线的基本原理是周围的高频电流产生电场和磁场的变化,根据麦克斯韦的电磁场理论,“电场的变化产生磁场,磁场的变化产生电场”,从而不断激发,实现​​无线信号传播。


2、天线的主要参数及概念

(1) 增益

天线是一种无源器件,这里的增益是指天线在一个辐射方向上的天线辐射方向图强度与参考天线强度之比,一般用对数表示。若参考天线为全向天线,单位为dBi,偶极天线增益为2.14dBi。由于无法实现理想的全向天线(偶极天线H面方向性为一圈),偶极天线(半波长,单振子长度为1/4波长)也常用来做参考天线,当增益单元为分贝。

天线增益用来衡量天线在特定方向上发送和接收信号的能力,是选择天线的重要参数之一。

(2)方向图

辐射方向图是天线发射或接收场强的图形描述,是增益的三维图。由于天线要向三维空间辐射,需要几个图形来描述。一般天线辐射相对于一个轴对称(如偶极子天线、螺旋天线和一些抛物面天线),通常只考虑水平和垂直二维截面的辐射方向图,那么就只有一个方向图。

上图左为常规偶极子天线,中心馈电,经过仿真(右)可以看出:从天线上方看辐射场是圆形的,能量辐射方向垂直于天线轴,使用方向图表示如下。

(3) 光束宽度/襟翼

在功率方向图中,最大功率辐射方向对应成为主瓣,相对最大辐射方向功率下降到最大3dB波束宽度的一半或小于两点之间的夹角称为半功率瓣宽。同样,可以根据需要定义 6dB 波束宽度和 12dB 波束宽度。

天线的增益越高,方向性越好,能量越集中,襟翼越窄。高增益天线的辐射方向图往往伴随着“旁瓣”(side lobe)和后瓣(back lobe)。旁瓣是增益除主瓣(增益最高的“波束”)以外的波束。在诸如雷达等需要确定信号方向的系统中,旁瓣会影响天线的质量,由于配电旁瓣也会使主瓣增益降低。

4多光束

上面的天线方向图只有一个主波束,多波束使用多根天线形成不同的波束指向(雷达应用)或覆盖更广的范围(通信应用),一般通过移相器调整每根天线的相位来实现.


(5)天线极化(Polarization)

极化是电磁波传输的不同方式:一般有线极化(水平、垂直)和圆极化(左旋、右旋)、椭圆极化等。

大多数雷达系统是单极化的。这是因为发射器和接收器在同一个天线上工作,所以无论极化是什么,它都会强烈返回。与透射偏振相同的偏振称为“同偏振”,相反的偏振称为“交叉偏振”。

一个线极化电磁波可以通过 90°分解成两个正交波° 偏振器,使合成的透射矢量沿透射轴旋转成圆偏振透射,左右旋转取决于两个正交波的相移是否为+90° 或-90°.

一般来说,天线的极化方式可以根据应用需求来选择。不同的应用可以从不同的极化方法中获得更好的结果。例如,垂直极化天线在地面移动通信应用中表现更好,因为垂直极化电磁波比水平极化波更容易穿过起伏的地形,而水平极化方法在依赖于电离层且通常是远程通信应用中表现更好。此外,圆极化通常用于卫星通信,因为它通常可以更好地减轻卫星方向偏移引起的衰落。