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一、天线功能

天线在无线电设备中的主要功能有两个：第一个是能量转换功能，第二个是定向辐射（或接收）功能。

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转换为馈线引导的电磁波（高频电流）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方向辐射出去，接收天线可只接收特定方向传来的电磁波。

可以看出，发射天线和接收天线之间的关系类似于发电机与电动机之间的关系，前者是在导行波与自由空间波之间往返变换，后者则在机械能和电能之间往返变换，这种相似性表明：收、发天线之间存在着一定的可逆性。第3章中对互易原理的讨论将证明，只要天线中不含有非线性材料（如铁氧体器件），同一副天线用作发射和用作接收时，其基本特性保持不变。因此，本手册中讨论的各种类型天线一般都不特别注明它是发射天线或是接收天线（除特殊应用场合外），都按发射天线处理。

二、天线类型

随着无线电技术的飞速发展和无线电设备应用场合的日益扩展，已出现了适于不同用途、种类繁多的天线，在天线工程设计中选择哪种类型天线在很大程度上取决于特定应用场合系统的电气和机械方面的要求。

对品种繁多的天线进行分类是一件十分困难的事。若按工作性质可分为发射天线和接收天线两大类；若按用途则可分为通信天线、雷达天线、广播天线、电视天线等；若按频段又可分为长波天线、中波天线、短波天线、微波天线等。但这些分类法都显得笼统，不太科学。

因为有的天线既可作发射又可作接收，甚至可收发共用；有的天线既可用于通信又可用于雷达；有的天线既适用于短波又适用于超短波甚至微波。很难将它归属于哪一类。

我们今后将从三个大的方面来讨论天线工程问题，即天线基础、天线设计和天线应用。在天线分类上则按天线辐射方式进行，适当考虑天线结构、工作频段和应用等因素。我们将天线分为四组基本类型：线元天线、行波天线、阵列天线和孔径天线。它们适用的频率范围和天线的大致电尺寸如图1-1所示。如表1-1所示为一些常用天线实例及其归属的天线类别。

当然，将天线类型简单地划分为这四组基本形式也仅是一种近似，不能说它有十分严密的科学性，因为总还能找到一些例外。但这种分类法有利于读者对本手册的查阅。

图1-1天线分类表1天线类型

三、场区划分

假设将一发射天线置于如图1-2所示球坐标系统的原点处，它向周围辐射电磁波，则其周围的电磁波功率密度（或场强）分布一般是距离r及角坐标（C）的函数。

因此，根据离开天线距离的不同，将天线周围的场区划分为感应场区、辐射近场区和辐射远场区。

图1-2球坐标中间的天线

1、感应场区

感应场区是指很靠近天线的区域。在这个场区里，电磁波的感应场分量远大于辐射场，而占优势的感应场之电场和磁场的时间相位相差90°，坡印廷矢量为纯虚数，因此，不辐射功率，电场能量和磁场能量相互交替地储存于天线附近的空间内。如图1-3（a)所示电尺寸小的偶极天线，其感应场区的外边界是1/2x。这里，A是工作波长。无限大孔径天线不存在感应场区。有限大孔径天线，在其中心区域感应场区仍可忽略，只是在孔径边缘附近存在感应场。感应场随离开天线距离的增加而极快衰减，超过感应场区后，就是辐射场占优势的辐射场区了。如图1-3(b)所示电尺寸大的孔径天线的辐射场区又分为近场区和远场区。

图1-3天线周围的场区

2、辐射近场区

在辐射近场区里电磁场的角分布（即方向图）与离开天线的距离有关，即在不同距离处天线方向图是不同的。原因如下：（1)由天线各辐射元所建立的场之相对相位关系是随距离而变的；（2）这些场的相对振幅也是随距离而改变的。在辐射近场区的内边界处（即感应区的外边界处），天线方向图是一个主瓣和副瓣难分的起伏包络。随着离开天线距离的增加，直到靠近辐射远场区时，天线方向图的主瓣和副瓣才明显形成，但零点电平和副瓣电平均较高。

3、辐射远场区

在辐射近场区的外边就是辐射远场区。这个区域里的特点是：（1)场的大小与离开天线的距离成反比；（2）场的角分布与离开天线的距离无关：（3）方向图主瓣、副瓣和零值点已全部形成。

辐射远场区的起始边界通常规定为

（1.1）

式中，R是从观察点到天线的距离：D是天线孔径的最大线尺寸。

在这个距离上，孔径中心与孔径边缘到观察点的行程差为

/16，相应的相位差为

。如果在这个距离上对孔径天线的辐射特性进行测量，其结果与在无穷远距离上测得的结果相差甚微，在工程上是完全可以接受的。

天线通常是用来向远场区传送能量的，因此，天线工作者的主要兴趣也在这一区域上。如图1-4所示，对于孔径线尺寸为D、孔径面上相位恒定的大电尺寸天线而言，远场区的大部分能量集中在

/Drad的角空间内：在靠近天线的地方，能量主要集中在宽度为D的管道内。在近场区的起始部分，可认为辐射大体上是平行的：在R≥

/2

的过渡区域内，场以半角为

/Drad的锥形向外发散，在R≥/2处的孔径中心与边缘行程差为

/4；在R≥

/2

处，则是天线的辐射远场区。

场在近场区域内的细微变化情况是复杂的，它取决于孔径面上的特定振幅分布，但流过任一近场管道截面的功率恒等于总的辐射功率。随着向远场区的接近，功率密度逐渐按1/

规律变化。

图1-4孔径天线的辐射

四、功率传输

若收、发天线相互处于远场区内，相距为R，已知发射功率为

。问：接收天线接收的功率为多少？

这是一个很有实际用途的工程问题，无论通信、雷达或是电视、广播，只要是无线信息传输系统都会面临这一问题，它与天线特性密切相关，因此，下面进行简要讨论。

收、发天线设置的相对坐标如图1-5所示。发射天线输入功率为P，天线效率为n，则辐射功率是

=

(1.2）

该辐射功率在接收天线处产生的功率密度为

(

,

)=

（1.3）

式中，

是发射天线在方向（

)的方向性系数。

图1-5收、发天线的相对坐标

如果接收天线对入射场的极化是匹配的，则接收天线的接收功率为

式中，G（)）是接收天线在方向（)的增益。

根据=以及G（)）=

D（)，故式（1.4）可写为

这就是著名的弗利斯（Fris)传输公式，它将发射天线增益、接收天线增益、发射功率、接收功率及收、发点之间的距离联系了起来，可以根据式中的多个已知量来计算另一个未知量。

在一般情况下，发射和接收天线均以最大增益方向对准，故式（1.5）可写为

基于上述方程，也可以方便地得到雷达中常用的散射截面雷达方程。因为由式（1.2)和式（1.3）可知，离开发射天线距离为R处的功率密度为

目标的雷达散射截面是将入射功率密度和反射功率密度联系起来的一个单位为平方米的参量，用o表示，它是假想目标以一面积o来截获入射波功率，然后全向辐射。因此，雷达接收到的回波功率密度将是

接收到的功率则为

式中，

为接收天线的有效面积，其值为

=

/4

。因此，式（1.9）可写为

由于雷达系统多是收、发共用一副天线，因此，

=G,=G，故式（1.10）变为

这就是雷达方程的简单形式。

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