《电磁场与电磁波》第三版电子课件009剖析.ppt

(5) 根据有效长度的定义， 归于输入电流的有效长度为 这就是说，电流均匀分布、长度为0.318λ的振子天线与电流正弦分布、长度为 0.5λ的半波振子天线在最大辐射方向上有相同的场强。 9.4 接收天线理论 9.4.1天线接收的物理过程 当发射天线的电磁辐射被其他天线接收时，在接收天线的输出端将感应出信号电压。天线用作接收电磁波时的特性和用来发射电磁波时的相应特性有着密切的关系，如果天线发射时在某一给定方向的增益为G，那么当它接收同一方向上的电磁辐射时也具有相同的增益。 设一线极化接收天线处于外来无线电波的场中，如图9-11所示，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E2。只有沿天线导体表面的电场切线分量Ez=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E=-Ezdz。 设在入射场的作用下，接收天线上的电流分布为I(z), 并假设电流初相为零，则接收天线(Receiving Antenna)从入射场中吸收的功率为dP=-EI(z)。  图 9 – 11 天线接收原理 由上述分析可得，整个天线吸收的功率为 (9-4-1) 式中，因子ejkz cosθ是入射场到达天线上各元段的波程差。  根据电磁场的边界条件，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)=Imsink(l-|z|) (9-4-2) 则根据式(9-4-1)得接收功率为 (9-4-3) 因此接收天线输入电动势为 (9-4-4) 根据上节有效长度(Active Length)的定义，有 (9-4-5) 将式(9-4-5)代入式(9-4-4)，得接收电动势的最大值(在最大接收方向上)为 E=E2hein (9-4-6) 设入射波电场矢量为Ei=aiEi，接收天线的极化方向为ap，定义极化失配因子 (9-4-7) 极化失配因子描述了接收天线与其接收的电磁波极化的匹配程度，其取值范围为0～1，p=0意味着接收天线与其接收的电磁波的极化完全不匹配，此时将造成通信的中断；p=1意味着接收天线与其接收的电磁波的极化完全匹配，这正是工程中所追求的状态。 　　如果接收天线的归一化方向函数为F(θ, φ)，它等于天线用作发射时的方向函数。将式(9-4-6)写成一般表达式：  　　 E=pEiheinF(θ, φ)　　　　　　(7-4-8) 式中，hein是接收天线归于输入电流的有效长度。  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最大辐射场强为|Et|max，归一化方向函数为Ft(θt, φt)，则接收天线的接收电动势为  E=p|Et|maxFt(θt, φt)heinF(θ,φ) (9-4-9) 当两天线极化正交时，E=0，天线收不到信号。  从上述分析我们可以比较清楚地了解接收天线的物理过程。  天线接收的功率实际可分为三部分： 　　　P=PΣ+PL+PLS (9-4-10) 式中，PΣ为接收天线的再辐射功率；PL为负载吸收的功率； PLS为馈线的反射、极化失配等的损耗功率。 接收天线的等效电路如图 9 -12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。 图9 – 12 天线的等效电路 【例 9 - 5】设接收天线为右旋圆极化天线，即ai=aθ-jaφ，求入射波分别为左旋圆极化波、右旋圆极化波和线极化波时的极化失配因子。  　　解 （1）接收天线对入射电磁波来说为左旋圆极化，即 ，其极化失配因子为 因此，左旋圆极化天线不能接收右旋圆极化波。换句话说，如果用左旋圆极化天线去接收右旋圆极化波，会造成通信的中断，所以接收