微波天线的方向性和方向性系数分析

2020-05-29 14:40:28 42

天线的基本功能是将馈线传输的电磁波变为自由空间传播的电磁波,天线的方向图是表征天线辐射时电磁波能量(或场强)在空间各点分布的情况,它是描述天线的主要参数之一。


天线的方向性图是一个立体图形,它的特性可以用两个互相垂直的平面(E平面和H平面)内方向性图来描述。天线方向性图能直观地反映出天线辐射能量集中程度、方向性图越尖锐,表示辐射能量越集中,相反则能量分散。若天线将电磁能量均匀地向四周辐射,方向性图就变成一球面,称作无方向性,这就是一理想点源在空中辐射场。天线方向性图可通过测试来绘制,如测得的是功率,即可绘出功率方向性图,如测得的是场强,则绘出场强方向性图,但两者图形形状是完全一样的。通常图形方向性图有多个叶瓣,其中最大辐射方向的是叶瓣,称主瓣,其余称副瓣(或旁瓣)。在方向性图中主瓣信息是我们最关心的。

 

(1)方向性图主瓣宽度

方向性图主瓣宽度是指半功率点(功率下降为最大辐射方向功率一半之点)之间宽度,它是由主瓣最大值“1”下降到“0.5”处两点与零点连接形成的夹角,用2θ0.5来表示,如下图所示。


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(2)方向性图主瓣零点角


如上图所示,方向性图主瓣零点角是指主瓣两侧零辐射方向之间夹角,用2θ0来表示。


(3)方向性图副瓣零电平

方向性图副瓣功率电平表示副瓣功率电平相对于主瓣功率电平的比值,一般用分贝(dB)来表示,即:


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一般希望副瓣电平越低(即负值越大)越好。

 

※方向性系数

方向性图虽然一定程度上反映了天线辐射状态,但它是一个相对值,为了定量描述天线集中辐射程度,引进了方向性系数这一概念。

 

方向性系数定义是:在同一距离及相同辐射条件下,某一天线最大辐射方向性上辐射功率密度Smax(或场强平方Emax)与无方向天线(点源)辐射功率密度S0(或场强平方E20)之比,用D来表示:

 

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可见,方向性越尖锐的天线D越大,相反则D越小,若D=1,则表示为无方向性天线,是一个理想点源辐射场。

 

天线效率

一般来说构成天线的导体和绝缘介质都有一定的能量损耗,输入天线的功率不可能全部转化为自由空间电磁波的辐射功率,我们把天线辐射功率Pr与天线输入功率之比称作天线效率,即:

 

ηa=Pr/Pi

 

通常微波天线的效率都很高,ηa接近于1.另外需要值得提出的是这里定义的天线效率并没有包含因天线与馈线传输系统失配引起的损耗,如考虑到天线输入端的反射系数Г,则天线总效率为:


ηA=1-|Г2|)ηa

 

增益系数(增益)

增益系数简称增益,它的定义是:在同一距离及相同输入功率的条件下,某一天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax(或场强平方E2max)与无方向天线(理想点源)的辐射功率密度S0(或场强平方E20)之比,用G来表示。


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即G=ηaD


可见,增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向性的参数,它是方向性系数与天线效率的乘积。在实际应用中,天线增益系数与方向系数为重要的参量,尽管它们之间密切相关。对于微波面式天线,它们的转换效率都很高,ηa=1,因此G=D。分析证明,对于微波面式天线,它的增益系数与天线口径大小有如下关系:

 

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式中:S为天线辐射口面的实际面积;ηe为口面利用系数,或称口径效率,它主要是由口面上电磁场振幅分布和相位分布决定的。当口面分布均匀且同相时,ηe=1,可获得最大增益,由上式可见:Se=S﹒ηSe称为天线口径有效面积),对于无方向天线(理想点源)来说,G=D=1,它的有效面积为:


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增益系数一般用分贝来表示:GdB=10lgG(dB)


天线阻抗

天线阻抗是指天线输入端口向天线辐射口方向看过去的输入阻抗,它取决于天线结构和工作频率。只有天线的输入阻抗与馈线阻抗良好匹配时,天线的转换效率才最高,否则将在天线输入端口上产生反射,在馈线上形成驻波,从而增加了传输损耗。大多数天线输入阻抗的匹配是在工程设计中采用近似计算,然后通过实验测量,修正来确定的。


天线极化

天线极化是指天线最大辐射方向上的电场强度(E)矢量的取向。线极化是一种比较常用的极化方式,线极化由可分为“垂直极化和水平极化”,前者电场矢量与地面垂直,后者则与地面平行。


频带宽度

天线所有的电参数都与工作频率有关,当工作频率偏离中心频率f0时,天线的电参数将变差。天线的频带宽度是指天线可以正常工作的频率范围,在这范围内天线的方向性图、增益、阻抗等技术参数都在指标允许的范围内变化。


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CTEAN-Vi-2060 Vivaldi天线


我们来看一组测试用例,以上图CTEAN-Vi-2060 Vivaldi天线来说:


CTEAN-Vi-2060 Vivaldi天线是专用于无线局域网和WIFI测试系统的测试天线;支持IEEE 802.11a/b/g/n和2.4/5.8 GHz无线局域网还有WiFi系统测试。


今天的测试我们主要来看看天线在方向性测试上,部分方向性系数有怎么样的变化。


通过测试,我们得到以下数据:

在2400-2500频段的方向性测试时,天线效率和增益系数的变化,其增益最大可达7.23dBi,天线效率最大可达92.79%;而在5500-5900频段进行方向性测试时,增益最大可达7.79dBi,天线效率最大可达68.08%。


测试方向图例举

 

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Phi=0 方向图


增益,效率,方向图测试场景


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以上便是今天要介绍的全部内容,结合测试用例,相信我们可以更清楚的了解天线方向性的含义、结构及其系数。