接收天线理论

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1、接收天线理论接收天线的主要功能是将电磁波能量转化为高频电流（导波）能量。接收天线在无线电波场内能感应出电流，并在接收天线输出端产生一个电动势。感应电动势通过馈线向无线接收机输送电流。接收天线是接收机的电源，接收机（包括馈线）是接收天线的负载。接收天线的研究内容：1、接收天线的感应电动势和来波方向的关系；2、接收天线的阻抗；3、接收天线输出功率最大的条件；4、接收天线的电参数。STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院1接收天线理论1.下图所示为一接收天线，它处于外来无线电波E的场中,i发射天线与接收天线相距甚远,因此,到达接收天线

2、上各点的波是均匀平面波。设入射电场可分为两个分量:一个是垂直于射线与天线轴所构成平面的分量E,另一个是在上述平面1内的分量E。只有沿天线导体表面的电场切线分量2Ez=E2sinθ才能在天线上激起电流,在这个切向分量的作用下,天线元段dz上将产生感应电动势ε=-Edz。zSTE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院2zE1E2EEdzziEi2l图：天线接收原理STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院3在入射场的作用下,接收天线上的电流分布为I(z),假设电流初相为零,则接收天线从入射场中吸收的功率dpI(Z)由上

3、述分析得整个天线吸收的功率为lljkzcosjkzcosPI(z)eEI(z)edzllZ式中,因子ejkzcosθ是入射场到达天线上各元段的波程差。这说明接收天线有方向性。根据电磁场的边值理论,天线在接收状态下的电流分布应和发射时相同。因此假设接收天线的电流分布为I(z)=Isink(l-

4、z

5、)m则接收功率为：STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院4ljkzcospEIsink(lz)edz2mll2EIsinsin(klz)cos(kzkcos)dz2ml因此接收天线输入电动势为

6、p2EIl2msinsink(lz)cos(kzcos)dzIIsinkl0inm根据上节有效长度的定义,有Il1cosklmhsin(lz)dzeinIsinkllksinklm得接收天线的表达式为STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院5ξ=EhF(θ)=EcosψhF(θ)2einiein式中,ψ是入射场E与θ的夹角;θ是方向角θ的单位矢量；ih是接收天线归于输入电流的有效长度。einF(θ)是接收天线的归一化方向函数,它等于天线用作发射时的方向函数。可见,接收电动势E和天线发射状态下的有效长度成正

7、比,且具有与发射天线相同的方向性。如果假设发射天线的归一化方向函数为F(θ),最大入射场强为

8、E

9、,则接收天线的接iimax收电动势为E=

10、E

11、max·F(θ)cosψ·hF(θ)iieiniSTE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院6当两天线极化正交时,ψ=90°,E=0,天线收不到信号。上述分析清楚地介绍了接收的物理过程并得出了方向性收发互易的结论。天线接收的功率可分为三部分，即P=P+P+PΣLl,P为接收天线的再辐射功率;P为负载吸收的功ΣL率;P为导线和媒质的损耗功率。l接收天线的等效电路如下图所示。图中Z为包括辐射0阻

12、抗Z和损耗电阻R在内的接收天线输入阻抗,Z是负载Σ0l0L阻抗。可见在接收状态下,天线输入阻抗相当于接收电动势E的内阻抗。STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院7Z0ZLe图：天线的等效电路STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院82.有效接收面积是衡量一个天线接收无线电波能力的重要指标。它的定义为:当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时,接收天线传送到匹配负载的平均功率为P,并Lmax假定此功率是由一块与来波方向相垂直的面积所截获,则这个面积就称为接收天线的有效接收面积,记为A,即有ePLmaxAeSav式中

13、,S为入射到天线上电磁波的时间平均功率流密度，av其值为21EiSav2STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院9根据接收天线的等效电路,传送到匹配负载的平均功率（忽略天线本身的损耗）为2PLmax8R0当天线以最大方向对准来波方向时,接收电动势为Elie2230l2RF(,)sindd0R000STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院10将天线的方向系数公式代入上式得天线的有效接收面积为22DAeAe224F(,)sindd00可见,如果已知天线

14、的方向系数,就可知道天线的有效接收面积。有效接收面积也称为有效口径。例如,电基本振子的方向系数为D=1.5,A=0.12λ2。如果e考虑天线的效率,则有效接收面积为2GAe4工程上通常是