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
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 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
接收天线理论 1.天线接收的物理过程及收发互易性 下图所示为一接收天线，它处于外来无线电波E,的场中， 发射天线与接收天线相距甚远，因此，到达接收天线上各点的 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 内的分量E2。只有沿天线导体表面的电场切线分量 E,=E2sin0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=-E,dz。 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 2
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 2 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Ei的场中, 发射天线与接收天线相距甚远, 因此, 到达接收天线上各点的 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E1 , 另一个是在上述平面 内的分量 E 2 。 只 有 沿 天 线 导 体 表 面 的 电 场 切 线 分 量 Ez=E2 sinθ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=-Ezdz
E 。E E dz E 21 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
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 3 图 ： 天线接收原理 2 l E i Ei E 1 Ez E2 d z z
在入射场的作用下，接收天线上的电流分布为（☑），假设 电流初相为零，则接收天线从入射场中吸收的功率p=-(Z) 由上述分析得整个天线吸收的功率为 p-(=)eEI(=)eo d 式中，因子e jkzcos0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(☑=Im sink(-lz 则接收功率为： STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 4 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 由上述分析得整个天线吸收的功率为 dp I(Z) P I z e E I z e dz l l jkz Z l l jkz cos cos ( ) ( ) 式中, 因子e jkzcosθ 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)=Im sink(l-|z|) 则接收功率为：
p=[EI sink(1-ecod -2E sin esink(1-=)cos(k=k cos0)d 因此接收天线输入电动势为 sinfsink(/)cos(hzcos) Iin In sinkl 根据上节有效长度的定义，有 ksinkl 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 5
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 5 p E I k l z e dz jkz m l l cos 2 sin ( ) 2 sin sin ( )cos( cos ) 2 l m l E I k l z kzk dz 因此接收天线输入电动势为 l m m in k l z k z dz I k l E I I p 0 2 sin sin ( )cos( cos) sin 2 根据上节有效长度的定义, 有 k k l k l l z dz I k l I h l l m m ein sin 1 cos sin( ) sin 得接收天线的表达式为
=E2hcinF(0)=E;coswhcinF(0) 式中，w是入射场E:与0的夹角；0是方向角0的单位矢量； hin是接收天线归于输入电流的有效长度。 F(和)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(0),最大入射场强为Elma,则接收天线的接 收电动势为 E=Elmax F()cosw .heinF() STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 6
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 6 ξ =E2heinF(θ)=Ei cosψheinF(θ) 式中,ψ是入射场Ei与θ的夹角; θ是方向角θ的单位矢量； hein是接收天线归于输入电流的有效长度。 F(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(θi ), 最大入射场强为|Ei |max, 则接收天线的接 收电动势为 E=|Ei |max·F(θi )cosψ·heinF(θi )
当两天线极化正交时，w=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=Px+P+P 其中，P为接收天线的再辐射功率；P为负载吸收的功 率；P为导线和媒质的损耗功率。 接收天线的等效电路如下图所示。图中Z为包括辐射 阻抗乙2和损耗电阻R在内的接收天线输入阻抗，Z是负载 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
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 7 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=PΣ+PL+Pl , PΣ为接收天线的再辐射功率; PL为负载吸收的功 率;Pl为导线和媒质的损耗功率。 接收天线的等效电路如下图所示。图中Z0为包括辐射 阻抗ZΣ0和损耗电阻Rl0在内的接收天线输入阻抗, ZL是负载 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
Z 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 8
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 8 图 ：天线的等效电路 Z0 ZL e
2.有效接收面积 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Pma,并 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 A P感 Sa 式中，S为入射到天线上电磁波的时间平均功率流密度， 其值为 S 1 E2 2门 STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 9
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 9 2. 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PLmax, 并 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Ae , 即有 a v L e S P A max 式中, Sav为入射到天线上电磁波的时间平均功率流密度， 其值为 2 2 1 i a v E S
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 8R20 当天线以最大方向对准来波方向时，接收电动势为 5=E,·1。 k-2roosnaao STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 10
STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 10 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 0 2 max 8 R PL 当天线以最大方向对准来波方向时, 接收电动势为 E l i e F d d R l R ( , ) sin 30 2 2 0 0 0 2 0