CH.4 輻射和天線

1. CH.4 輻射和天線 吳鳳技術學院 電子工程系 黃仁芬編寫 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

2. 本章內容 • 概論 • 短雙極 • 天線輻射特性 • 半波雙極天線 • 任意長度的雙極天線 • 一個接收天線的有效面積 • Friis傳輸公式 • 大孔徑天線的輻射 • 矩型孔徑有著均勻孔徑分佈 • 天線陣列 • N個陣列有著均勻相位分佈 • 陣列的電子掃描 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

3. 概論(Overview) CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

4. 互易性(Reciprocity) • 天線輻射場型(antenna radiation pattern)或天線場型 (antenna pattern):天線輻射功率的相對分佈函數。 • 等向性(isotropic)天線：天線輻射在各方向都相等。 • 天線是個互易性(reciprocity)裝置，它所發射的輻射場型，也可以接收同樣的場型。 • 並非所有天線都是互易裝置，固態天線若跟半導體或磁性物質在一起就不是互易裝置了。 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

5. 天線的種類 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

6. 天線偏振(antenna polarization) • 天線阻抗(antenna impedance) • 輻射源(radiation source) • 遠場範圍(far-field region) CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

7. CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

8. 9-1短雙極(Short Dipole)~1 • 短的天線長度與波長比較起來非常短，在天線上流動的電流大小可以被當成是均勻分佈。 • 短雙極天線(short dipole)又叫做Hertzian dipole，它的長度l遠小於波長λ。 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

9. 短雙極(Short Dipole)~2 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

10. 短雙極(Short Dipole)~3 • 找位於Q點的電場和磁場，可由向量位(vector potential) A來求。 • A的位置函數是 ，它與電場和磁場之間的關係是 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

11. 短雙極(Short Dipole)~4 • 定義為 • μ0是自由空間的磁化率(the magnetic permeability of free space)=4π×10-7(henry/m) • k是波數(wavenumber)=2π/λ • 是電流密度(current density)，s是雙極線的截 　面積(cross sectional area)。 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

12. 短雙極(Short Dipole)~5 • dv’=sdz • 積分範圍由=-l/2到+l/2 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

13. 短雙極(Short Dipole)~6 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

14. 短雙極(Short Dipole)~7 • 將　　　　　 代入 其中 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

15. 短雙極(Short Dipole)~8 • 從 　得到 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

16. 短雙極的遠場近似值(Far Field Approximation) • 因Ｒ>>λ，所以kR＝2πR/λ>>1，於是 遠場只需要用 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

17. CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

18. 短雙極的功率密度(Power Density)~1 • 功率密度就是波映亭向量(Poynting vector) 的時間平均值。 • 對於短雙極來說， CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

19. 短雙極的功率密度(Power Density)~2 • 將功率密度的最大值定為Smax，於是定義歸一化輻射場(normalized radiation intensity) F(θ, φ)。 • 對於Hertzian Dipole CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

20. CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

21. 9-2 天線輻射特性~1 (Antenna Radiation Characteristics) • 一個接收天線有著相同的指向性天線場型(directional antenna pattern)，如同它操作在傳送模態時的場型。 • 右圖的小面積dA它輻射的功率為 面積dA對應的立體角 (solid angle)定義為 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

22. 9-2 天線輻射特性~2 (Antenna Radiation Characteristics) • 所以一個球面的立體角是 ，半球面的立體角是2。 • 因dA=R2d，所以 總輻射功率 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

23. 天線場型(Antenna Pattern) • 上升平面(Elevation plane)也叫做平面。 • 幅角平面(Azimuth plane)，=90o的平面。 • 主平面(Principle plane)，指上升平面+幅角平面。 • F(dB)=10logF CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

24. 主瓣(main lobe)與旁瓣(side lobe) CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

25. 場型立體角(pattern solid angle) • 場型立體角定義如下： • 對於一個等方向性天線來說， CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

26. 束寬(beamwidth)半功率束寬(half-power beamwidth) CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

27. 天線指向性(Antenna Directivity) • 指向性D定義為 對於等方向天線 • D也可表示成 CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

28. CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)

29. 例9-1 決定下圖的(a)最大輻射方向(b)場型立體角 (c )指向性(d)在y-z平面上的半功率束寬, CH.9 Radiation and Antennas(edited by hjf)