HFSS天线设计高级培训教程第三章接收天线理论

HFSS天线设计高级培训教程第三章接收天线理论 第三章 接收天线理论 天线接收电磁能量的物理过程是：天线在外场作用下激励起感应电动势，并 在导体表面产生电流，该电流流进天线负载ZL (接收机)，使接收机回路中产生电 流。所以，接收机是一个把空间电磁波能量转换为高频电流能量的能量转换装置。 其工作过程恰好是发射天线的逆过程，如图 3-1 所示。 图 3-1 接收天线示意图 一般情况下，接收天线与发射天线相距很远，作用在接收天线上的电磁波可 认为是平面波。设来波方向与振子轴夹角为θ ，来波电场E 可分解为 和 两 个分量，其中 垂直于振子轴不起作用，只有 感应流 I，这个感应电流将产生散射场Es (I) ，它是以感应电流 I 为未知的函数。 来波电场Ei 与感应电流产生的散射场Es (I) 形成的总场在天线金属表面应满足 切向电场为零的边界条件： ( ) 0 s i z z E I + E = (3.1) 由此可确定感应电流 I。这个感应电流流过负载 ZL将被其接收。上式实际上是一 个含未知电流的积分方程，可采用矩量法等方法求解。对于细线对称接收振子天 线，其上感应电流分布也近似为正弦分布。采用上述方法分析接收天线，数学计 算复杂。通常采用互易原理方法，它是利用收发天线的互易性，从发射天线的性 能直接导出接收天线的性能。这种方法是分析接收天线的最简洁、最有普遍意义 的方法。这里主要介绍这种方法。 3.1 采用互易定理方法分析接收天线 设有两个任意放置的天线 1 和 2，彼此之间相距足够远，处于各向同性的 无界均匀媒质中，除两天线外没有其它场源，如图 3-2 所示 这一公式是在假定接收天线的极化与来波极化匹配，且接收天线的的阻抗与负载 阻抗共轭匹配情况下得到的。实际上这两种匹配均难以做到，这就使接收天线接 收的功率降低，对应的有效面积减小。 引入阻抗失配和极化失配因子µ 和 v，则接收天线实际接收功率为 2、极化失配因子 v 为了使接收天线能从外来电磁波中吸收最大能量，它的极化应与外来电 磁波的极化相同。例如用垂直极化天线接收垂直极化天线发射的信号；用水平极 化天线接收水平极化天线发射的信号；用右旋圆极化天线接收右旋圆极化天线发 射的信号等。 极化失配因子的计算需视天线极化与来波极化的具体情况而定，总的原则 是：天线不能接收与其极化正交的来波极化分量。如线极化天线不能接收来波中 与其极化方向垂直的极化分量；圆极化天线不能接收来波中与其旋向相反的圆极 化分量。例如 (1) 如图 3-4 为线极化接收天线，当线极化来波的极化与天线极化间的夹角为α 时，因 i cos E E ′ = α ，故v = cos 2 α ；而对圆极化来波，天线只能接收其中与 天线极化平行的线极化分量，故 v=1/2。按互易定理，圆极化天线接收线极 化来波时也有 v=1/2。 3.4 接收天线的噪声温度 对于发射功率有限的远距离通讯、雷达、射电天文设备等，接收信号将很弱， 需要灵敏度很高的天线—接收机系统，但这时各种噪声将很明显。无线电设备接 收信号的质量是由接收机的功率信噪比 PS /PN 决定的。PS 为接收机输入端的信 号功率；PN 为各种干扰源产生的噪声功率。无线电设备接收的噪声又分内部噪 声和外部噪声。 ■ 外部噪声(干扰)包括：雷电引起的大气噪声；电气设备产生的工业噪声；其 它无线电设备引起的干涉噪声；来自宇宙天体如太阳、银河系等产生的宇宙 噪声，地球及大气气体的热辐射产生的噪声等； 内部噪声：自由电子在该无线电设备的各元、器件中以及天线和馈线中的热 运动所引起。 在长波和中波波段，外部噪声的功率远大于接收设备的内部噪声。因此在求 PS /PN时可忽略内部噪声。在这个波段内主要是工业噪声和大气噪声。在短波和 超短波波段，内部噪声功率和外部噪声功率接近，内部噪声不能忽视。 (2) 天线等效噪声温度 TiA 天线等效噪声温度 TiA 不是天线本身的物理温度，而是表示由外部源噪声功 率所对应的等效噪声温度，它取决于外部噪声源的强度。外部噪声包括银河系辐 射、地球大气层和地表面辐射以及天电干扰和其它人为干扰等。设各噪声源的强 度用亮度噪声温度 T(Ko )表示。 若亮度温度T( , θ ϕ) 表示某方向上所有外部噪声总和的强度，则可导出天线 等效噪声温度 TiA的表示式。 由此式可见，要降低天馈系统的等效噪声温度 TA，就必须降低天馈系统的 物理温度 T0A和提高其传输效率ηa 。 在低噪声接收系统中，如卫星地面接收站，即使是 0.1dB 的馈线损耗，也将 产生 7o K 的噪声温度，因此应尽量减少天馈系统的损耗，并把低噪声放大器尽量 靠近天线安装。如果把天馈系统置于低温容器里，就可大大降低其物理温度 T0A。 如果天线尺寸太大，则可考虑将馈线系统中功率损耗大的元、器件如衰减器、匹 配器等置于低温容器中。 3.5 环天线 根据收发天线的互易性，任何形式的天线都可以既用作发射，也可用作接收， 但由于电气性能和结构上的原因，有的天线较适合用于发射，而有的较适合用于 接收。环天线就是接收装置中用得较多一种天线形式。 环天线是将一根金属导线绕成一定形状，如圆形、方形、三角形等，以导体 两端作为输出端的结构如图 3-7 所示。绕制多圈(如螺旋状或重叠绕制)的称为多 圈环天线。根据环的周长 L 相对于波长的大小，可分为电大 电小环天线是实际应用最多的，如收音机中的天线，便携式电台接收天线， 无线电导航定位天线、场强计的探头天线等。电大环天线主要用作定向阵列天线 的单元等。 对于电小环天线，有时为了提高其效率，除采用多圈外，可在环中放置磁芯 (即绕制在铁氧体棒上)。 书上采用接收的观点导出了矩形电小环天线的有效长度、辐射电阻。在此， 我们从发射的观点来讨论矩形电小环天线问题。