天线辐射及镜像天线分析

天线辐射及镜像天线分析

石利民

西南空管局设备维修中心 四川成都 610200

摘要：天线的辐射原理是建立在空间电磁场理论基础上的，复杂的天线系统也是由简单天线构成的。本文主要通过对简单天线的辐射和镜像天线的辐射方式进行分析来了解复杂天线的工作原理和工作机制。

关键词：天线、镜像、反射

天线是任何无线电通信系统都离不开的重要器件，近年来无线电通信技术的迅速发展、通信内容及通信环境的日益复杂，促使了各式各样的天线的发展，天线的构造和用途各不相同，但其最基础的理论都是基本一致的。

1.理想点源和基本振子

“点成线，线成面，面成体”，在很多物理及数学模型分析中，我们都用到了“点”这个理想的概念，在天线分析中也是一样，最理想的天线就是理想无方向性天线（理想点源），它是一个在各个方向辐射相同信号的点。而基本振子则是一小段理想的甚高频电流直导线，其上所有点的电流的振幅和相位都认为是恒定的，可以把它看做无限个理想点源的集合体。

基本振子是构成复杂天线系统的基本单元。

2.天线的电参数

2.1天线的效率

在实际的工作的中，天线的输入的能量和实际的输出能量并不是一致的，天线本身及连接处会有一定的损耗，传输效率的定义就是天线的输入功率和辐射功率的比值。

2.2天线的输入阻抗

天线的输入阻抗定义为天线输入端和输出端的电压与电流的比值。天线的输入阻抗与天线的结构和尺寸、工作频率、环境温度影响等温度有关，实际工作中天线应该与相连接的馈线做到阻抗匹配，阻抗失匹会导致部分输入功率被反射。

天线的输入阻抗与天线的工作频率息息相关，同一个天线在不同的工作频率下的输入阻抗往往不一致，所以往往大多天线只能在在某个频率范围内正常工作。

2.3天线的方向性

天线的方向性是相对于理想点源的无方向性而言的，指的是在辐射功率相同的情况下，以天线为中心，在远端距离天线振子R处的辐射功率密度与理想点源在同一辐射功率和距离的条件下在该点的辐射功率密度的比值。这也是天线最为重要的一个特性，因为我们在实际的使用过程中往往期望天线辐射的功率聚集在某个方向，以达到该方向上信号的长距离传输或者有效覆盖。天线的方向性可以用方向性函数和方向性图来表示，方向性图是根据方向性函数绘制的图形。

方向性函数是一个归一化函数，其对比标准就是理想点源，我们取理想点源的方向性函数为：

则天线基本振子的方向性函数为：

，其中L表示基本振子的长度，λ为波长。

而我们常见的对称振子的方向性函数为：

，其中L为对称天线的半臂长，k是与信号频率有关的系数，取值是2π/λ。

对称天线中最为广泛运用的半波振子的方向性函数为：

从公式不难看出，简单单个天线的方向性跟天线本身的结构（长度）和所馈的信号的频率有关，当然复杂单个天线的方向性远不局限于此。

2.3.1天线阵

单个天线虽然具有其本身的方向性，但是能达到的程度十分有限，为了提高信号辐射的方向性和形成特定的辐射特性，可以采用多个天线单元按一定空间位置排列组合成天线阵列的方式，通过不同阵元的信号辐射形成空间调制以达到目的辐射特性。常见的天线阵列有直线阵、圆形阵、喇叭阵等，其中又以直线阵最为多见。

从天线阵的构成进行分析，可以发现天线阵的方向性与天线阵元的方向性、

阵元数目、空间位置、阵元上所馈信号的幅度相位等因素有关。二元天线阵就是最简单的天线阵列，通过对简单二元阵的分析可以探索天线阵列的基本工作机制。

2.3.2简单二元天线阵的阵因子

简单二元天线阵就是两个相同阵元构成的天线阵列，其方向性由阵元的方向性 和天线阵的阵因子 组成，为二者的乘积。天线阵的阵因子与天线阵的空间排列和阵元的馈电情况有关。

假设二元天线阵的两个阵元相距θ为d，两阵元馈电电流分别为 和 ,且 ，其中m为两电流的幅度比，α为两电流的相位之差。如图1所示：

图1 简单二元天线阵列

当观测点距离天线阵列较远的时候，我们可以认为天线阵元到该观测点的信号传输路径是平行的，假设 在观测点产生的场强为 ,那么 在该点的场强为：

，其中

观测点的总场强为：

,其绝对值为：

从上式子不难得出阵因子 为：

当两个阵元所馈电流一样（幅度相等，相位差为0）时：

当两个阵元所馈电流幅度相等，相位相反时：

从上面的公式可以看出简单二元天线阵列的阵因子与天线的相距位置、阵元所馈信号的电流幅度和相位差、天线阵工作频率有关。

2.4其他电参数

除上述的各种电参数外，还有其他表针天线特性的参数，如增益系数、有效长度、极化方式、频带宽度（正常工作频率范围）等。

3.镜像天线

3.1水平天线的镜像

通常在讨论天线时，我们往往会忽略很多外在的干扰因素，如电磁干扰、环境温度导致的漂移、地面反射等。这些因素当中，地面反射在天线的实际运用中极其重要，地面反射的情况是一个复杂的过程，因为这跟地面的平整度、硬化情况等有很大的关系。

我们在讨论地面反射时，把地面看做是一个无限大的理想导电的平面。水平天线的镜像为负镜像，即当天线辐射的信号与其镜像天线辐射的信号是等幅反向的。

3.2镜像对辐射的影响

在实际的工作中，天线镜像对天线的方向性影响很大，通常人们使用镜像天线来进行辐射信号的空间调制，改变天线的方向性。不难发现其这点特性和天线阵列的作用一致，可以把天线和其镜像构成的天线阵列看作是一种特殊的简单二元天线阵列,假设天线与地面的距离为d，且把地面看做无限大的导电平面，如图2所示：

图2 天线及其镜像

通过二元天线阵阵因子的公式可以得出天线及其镜像的阵因子为：

，通过此公式可以算出天线与地面距离为 时的最大辐射方向 为：

，亦可通过调节天线与地面的距离d来达到 角度上辐射增益最大的目的，此时：

3.3如何让地面有利于水平天线及其镜像的空间调制的讨论

上面的分析是在理想情况下进行的，镜像的实际运用中绕不开的一个话题就是场地的要求，通过上面的理论分析我们不难发现我们对场地要求主要有两点，一是保持天线与地面的距离一定，二是让地面最大程度的近似于一个导电性能佳的平面。这就要求我们在天线的使用过程中要保持场地的平整和场地保护，根据需求进行场地除草、防沉降、硬化、加设金属地网等工作。

4.结语

虽然文中只对简单二元阵列和镜像天线做了分析，但从这些简单分析中可以总结出不少天线的基本特性和工作机制。通过简单天线的分析，我们可以发现天线方向性主要是由其本身的特性结构、长度、工作频率等决定的，而通过对简单二元天线阵列的分析，可以得出天线阵列的方向性与天线阵元、阵元相对的空间位置、阵元间馈电的差异等有关。水平天线及其镜像构成的天线阵列则是一个馈电幅度相等相位相反的简单二元阵列。

参考文献：

1. 闻映红. 《天线与电波传播理论》[J]. 安全与电磁兼容, 2005(06):89.

2. 卢万铮. 天线理论与技术[M]. 西安电子科技大学出版社, 2004.

3. 冉茶宗,王伟斌,孙丹. 中波天线辐射场强分析[J]. 西部广播电视,2013(14).

4. 马烈, 孙保良, 关成斌. 复杂模型线天线辐射分析的MBPE技术[J]. 海军航空工程学院学报, 2009, 24(6):5.