天線的特性值、天線增益和方向性

由于天線的特殊設計，輻射密度可以集中在一定的空間方向上。無損天線方向性的衡量標準是天線增益。它與天線的方向性密切相關。與僅描述天線方向特性的方向性相反， 天線增益還考慮了天線的效率。

因此，它表示實際輻射功率。這通常小于發射器提供的功率。但是，由于該功率比方向性更容易測量，因此天線增益比方向性更常用。在考慮無損天線的假設下，方向性可以設置為等于天線增益。

參考天線用于定義天線增益。在大多數情況下，參考天線是無損假設的全向輻射器 （各向同性輻射器或天線） 向各個方向均勻輻射，或者一個簡單的偶極子天線，至少在所考慮的平面中也可以作為參考。

對于要測量的天線，輻射密度（每單位面積的功率） 在一定距離處的點處確定并與使用參考天線獲得的值進行比較。天線增益是兩種輻射密度的比值。

例如，如果定向天線產生的輻射密度是各向同性天線的 200 倍 在一定的空間方向上，天線增益G的值為200或 23分貝。

天線方向圖

天線方向圖是天線輻射能量空間分布的圖形表示。根據應用的不同，天線應僅從某個方向接收， 但不應接收來自其他方向的信號（例如電視天線、雷達天線）， 另一方面，汽車天線應該能夠接收來自所有可能方向的發射器。

天線輻射方向圖是天線輻射特性元素的圖形表示。天線方向圖通常是天線方向特性的圖形表示。它表示能量輻射的相對強度或電場或磁場強度的量 作為天線方向的函數。天線圖由計算機上的模擬程序測量或生成，例如， 以圖形方式顯示雷達天線的方向性，從而估計其性能。

與在飛機各個方向均勻輻射的全向天線相比， 定向天線偏愛一個方向，因此 以較低的傳輸功率在這個方向上實現更長的范圍。天線輻射方向圖以圖形方式說明了通過測量確定的偏好。由于互惠性，保證了天線相同的發射和接收特性， 該圖將定向分布的傳輸功率顯示為場強 以及接收過程中天線的靈敏度。

所需的方向性是通過天線的目標機械和電氣結構來實現的。方向性表示天線在某個方向上接收或發射的程度。它以圖形表示形式表示 （天線方向圖） 作為方位角（水平圖）和仰角（垂直圖）的函數。

使用笛卡爾坐標系或極坐標系。圖形表示中的測量值可以具有線性或對數值。

使用許多顯示格式。笛卡爾坐標系， 以及極坐標系，很常見。主要目標是顯示水平（方位角）具有代表性的輻射圖 對于完整的 360° 表示或垂直（仰角）大多僅適用于 90 或 180 度。在笛卡爾坐標系中，天線的數據可以更好地表示。由于這些數據也可以打印成表格， 通常首選在極坐標系中描述性更強的軌跡曲線表示。與笛卡爾坐標系相反，這直接指示方向。

為了易于操作、透明和最大的多功能性， 輻射圖通常歸一化為坐標系的外邊緣。這意味著測量的最大值與 0° 對齊并繪制在圖表的上邊緣。輻射圖的進一步測量值通常相對于該最大值以dB為單位顯示 （分貝）。

圖中的比例可以變化。常用的繪圖比例尺有三種類型; 線性 線性對數和 修正對數。線性刻度強調主輻射束，通常抑制所有旁瓣， 因為它們通常不到主葉的百分之一。但是，線性對數刻度可以很好地代表旁瓣，當所有旁瓣的水平很重要時，它是首選。但是，它給人的印象是天線不好，因為主瓣相對較小。修正的對數刻度（圖4）在壓縮時強調了主梁的形狀 朝向模式中心的極低電平 （<30 dB） 旁瓣。因此，主瓣是最強旁瓣的兩倍，這對于視覺呈現是有利的。然而，這種形式的表示很少在技術中使用，因為很難從中讀取準確的數據。

水平輻射圖

水平天線圖是天線電磁場的平面圖， 表示為以天線為中心的二維平面。

這種表示的興趣在于簡單地獲取天線的方向性。通常，值 -3 dB 在刻度上也以虛線圓圈的形式給出。主瓣和這個圓之間的交叉點導致天線的所謂半功率波束寬度。其他易于讀取的參數是前進/后退比率， 即主瓣和后瓣之間的比率， 以及旁瓣的大小和方向。

對于雷達天線，主瓣和旁瓣之間的比例很重要。該參數直接影響雷達抗干擾度的評估。

垂直輻射圖

垂直圖案的形狀是三維圖形的垂直橫切。在所示的極坐標圖（圓的四分之一部分）中，天線位置為原點， X 軸是雷達范圍，Y 軸是目標高度。天線測量技術之一是使用Intersoft Electronics的測量工具RASS-S的太陽頻閃記錄。The RASS-S （Radar Analysis S upport S ystem for S ites）是一個獨立于雷達制造商的系統，用于評估雷達的不同元素 通過連接到已經可用的信號，這在操作條件下。

圖 3：具有余割平方特性的垂直天線方向圖

在圖 3 中，測量單位是海里作為范圍，英尺作為高度。由于歷史原因，這兩種測量單位仍然用于空中交通管理。這些單位具有次要意義，只是因為繪制的輻射圖量被定義為相對水平。這意味著視軸已經獲得了在雷達方程的幫助下計算的（理論）最大范圍的值。

圖的形狀僅提供所需的信息！要獲得絕對值，您需要在相同條件下測量的第二個圖。您可以比較這兩個圖，然后實現天線性能的過度增加或減少。

輻射線是仰角的標記，此處為半度步長。x 軸和 y 軸的不等比例（許多英尺與很多海里）會導致仰角標記之間的非線性間距。高度顯示為線性網格圖案。第二個（虛線）網格定向在地球曲率上。

三維表示的天線圖大多是計算機生成的圖像。大多數情況下，它們是由模擬程序生成的，其值驚人地接近實際測量圖。生成真實的測量圖意味著巨大的測量工作，因為圖像的每個像素都代表其自己的測量值。

來自機動車輛的雷達天線的笛卡爾坐標中的天線方向圖的三維表示。
（功率以絕對水平給出！因此，大多數天線測量程序都為這種表示選擇折衷方案。只有通過天線圖的垂直和水平部分可用作實際測量值。

所有其他像素都是通過乘以垂直圖的整個測量曲線來計算的 通過水平圖的單個測量值。所需的計算能力是巨大的。除了在演示文稿中令人愉悅的表示外，其好處值得懷疑， 因為與兩個單獨的圖（水平和垂直天線圖）相比，無法從該表示中獲得新的信息。相反：特別是在外圍區域， 用這種折衷方案生成的圖表應該與現實有很大偏差。

此外，3D 圖可以用笛卡爾坐標和極坐標表示。

雷達天線的波束寬度通常理解為半功率波束寬度。峰值輻射強度在一系列測量中發現（主要是在消聲室中） 然后位于峰值兩側的點，這些點代表峰值強度的一半次方。半功率點之間的角距離定義為 波束寬度。[1]以分貝表示的一半功率是 ?3 dB，因此半功率波束寬度有時稱為 3 dB波束寬度（θ3）或半功率波束寬度（HPBW）。通常同時考慮水平和垂直波束寬度。

為了能夠直接測量示波器波形的參數， 習慣上也使用在半電壓點（?6 dB）測量的寬度 這在變量名θ6 中表示。這些半電壓點在天線方向圖上的位置與半功率點的位置不同。假設阻抗相同，一半的電壓將產生一半的電流。一半的電流乘以一半的電壓得到四分之一的功率，以分貝表示 - 6 dB。如果應使用射頻電壓測量來估計天線的波束寬度， 然后 0.707 個電壓點表征半功率 波束寬度。

近似作為第一個近似值，假設天線的旁瓣可以忽略不計，并且 發射器產生的總功率集中在主瓣中。為了通過理論計算糾正這種近似的影響，引入了術語梁形損失。

第二個近似值是假設總功率在天線的半功率波束寬度內，并且 均勻分布在其中（見圖1，綠色區域）。另一方面，假設在半功率波束寬度之外無法測量任何功率。如果需要在計算距離或信號幅度時校正此近似值的影響 然后可以使用光束寬度因子。

由于這些近似值，可以直接在雷達方程中使用天線的增益和發射器產生的功率作為參數。

光束立體角

立體角是變量名稱為Ω的二維角度測量值。它們的測量單位是輔助單位球面度[Sr]。波束立體角Ω定義為天線的所有功率在輻射強度恒定的情況經的立體角 （并等于最大值）ΩA 內的所有角度。這是一個相當理論值的值，但對于具有非常大的方向性和小旁瓣的天線，可以近似：

有些模型將天線空間角投影到表面上表示為 具有垂直和水平半功率波束寬度（金字塔立體角）邊緣長度的矩形輪廓， 以及將其圓形或橢圓表示到球面（典型立體角）上的模型。

旁瓣衰減

除主瓣外，天線的輻射方向圖還包含多個旁瓣和一個后瓣。這些現象是不希望的，因為它們對方向效應產生不利影響，并且還會從主瓣吸收能量。主瓣和最大旁瓣之間的關系稱為旁瓣衰減。旁瓣衰減應盡可能高。

正向/反向比率前/后比表示主瓣在 0° 處的幅度與 180° 處的后瓣大小之比。 這個比例也應該盡可能大。

有效天線面積（孔徑）

天線的一個重要參數是稱為A e或“天線孔徑”的有效天線面積。在最佳取向和極化條件下， 可以從接收天線獲得的最大功率與 入射到接收位置的平面波的功率密度。波前的輻射密度是單位面積的功率。因此，比例因子具有電磁場中天線表示的區域的維度。這個區域稱為有效天線面積Ae，與天線的方向性D密切相關，也等于無損天線的增益：

這個等式顯示了非常重要的關系：天線的方向特性由其幾何尺寸決定。相對于波長的直徑越大，其方向性就越高。

也可以為線性天線指定有效天線面積。它不一定必須與天線的幾何延伸一致，這在有線天線中尤其明顯。這兩個量之間的比值稱為天線的孔徑效率Ka。對于具有大型拋物面反射器的天線，Ka = 0，6 ...1，0適用。尺寸為a和b的矩形喇叭輻射器的有效天線面積略小于幾何面積a·b。

有效天線面積取決于幾何天線面積上的輻射分布。如果該輻射分布是線性的，則Ka = 1。然而，這種高孔徑效率和線性輻射分布也會導致強旁瓣。如果要將旁瓣保持在較小的尺寸上以用于天線的實際用途，則輻射分布必須是非線性的， 然后有效天線面積小于幾何天線面積（A e< A）。

拋物面反射器、碟子或鏡子是一種用于收集或投射電磁波等能量的設備。將沿拋物線同一軸行進的平面波改變為球形波，它們都在反射器的焦點處相遇。

拋物面碟形天線是雷達工程中最常用的形式 安裝的天線類型。圖1顯示了拋物面天線。碟形天線由一個圓形拋物面反射器和一個位于 該反射器的焦點。此點源稱為“主要饋送”或“饋送”。

圓形拋物面（拋物面）反射器由金屬制成，通常是由金屬覆蓋的框架 內側有網眼。金屬網槽的寬度必須小于λ/10。這種金屬覆蓋物形成反射器，充當雷達能量的鏡子。

根據光學定律和分析幾何學，對于這種類型的反射器全部反射 光線將平行于拋物面的軸線，這給我們理想情況下只有一個反射 射線平行于主軸，沒有旁瓣。田地離開這個飼料喇叭時有一個球形 波。當波前的每個部分到達反射表面時，它會移動180度 同相并向外發送的角度使場的所有部分平行行進 路徑。

這是一個理想化的雷達天線，產生鉛筆光束。如果反射器呈橢圓形，則會產生扇形光束。監視雷達在水平和垂直平面上使用兩種不同的曲率來達到所需的 方位角的鉛筆梁和仰角的經典余割方形扇形梁。

帶寬

天線的帶寬是天線仍能達到以下所需特性的頻率范圍：

空間分布（天線方向圖）;

極化;

阻抗;

傳播模式。

大多數天線技術可以支持在中心頻率的5%至10%的頻率范圍內工作 （例如，100 GHz 時的 200 至 2 MHz 帶寬）由于其諧振特性。要實現寬帶操作，需要專門的天線技術（例如，對數周期偶極子天線、錐形槽天線）。

對數周期偶極子天線（LPDA）是一種寬帶窄波束天線，具有阻抗和輻射 作為激勵頻率的對數函數定期重復的特性。對數周期天線是陣列，由饋電元件系統組成，這些元件通過 彼此交叉雙線。在傳輸的情況下，起初，波會自行傳播 在病原體線上幾乎無輻射。所附和在實際波長上獲得 太短的偶極子僅用作容性負載。僅當偶極子進入范圍時 三分之一波長，照射開始，幾個偶極子相互跟隨 然后參與其中。該輻射有效區受偶極子的限制，偶極子 大約對應于波長的一半。所有以下較長的偶極子都有貢獻 沒有更多的輻照。

在高達 10 dB 的非常小的背瓣下，可實現的增益最高可達 35 dB?；?電阻為 50 至 120 Ω具體取決于結構。

這種天線的電氣質量隨著頻率的對數周期性地重復出現。然而，這些周期性波動（例如增益和基極電阻）可以保持在 通過天線的適當尺寸，可以認為她是一種近似方式 一直關于考慮的頻率間隔。

相控陣天線是一種陣列天線，其單個輻射器可以饋入不同的相移。因此，通用天線方向圖可以通過電子方式進行控制。與天線的機械轉向相比，電子轉向更加靈活，需要的維護更少。

功能原理

這種天線的原理是基于干擾的影響， 即兩個或（通常）幾個輻射源的相位依賴性疊加?？梢杂^察到，同相信號（圖1中的相同顏色）相互放大，而反相信號相互抵消。因此，如果兩個散熱器發出相同相移的信號， 實現疊加 - 信號在主要方向上放大，在次要方向上衰減。在圖 1 的左側散熱器組中，兩個散熱器的供電相位相同。因此，信號在主要方向上被放大。

在圖 1 的第二個圖中， 來自上部散熱器的信號比來自下部散熱器的信號相移傳輸22°（即略有延遲）。因此，共同發出的信號的主要方向是略微向上轉向。

圖1顯示了不帶反射器的散熱器。因此，天線方向圖的后瓣與主瓣一樣大。然而，后葉也向上轉向。提示：查看放大視圖中的圖像并注意差異 在下部散熱器的輻射特性中切換移相器時。

圖2：電子轉向光束的動畫

如果要傳輸的信號現在通過相位調節模塊路由， 輻射方向可以通過電子方式控制。但是，這不可能無限期地實現， 因為這種天線布置在垂直于天線場的主要方向上的有效性最大， 雖然主方向的極端傾斜會增加不需要的旁瓣的數量和大小， 同時減小有效天線面積。正弦定理可用于計算必要的相移。

任何類型的天線都可以用作相控陣天線中的輻射器。值得注意的是，單個散熱器必須通過可變相移進行控制 因此，輻射的主要方向可以連續改變。為了實現高方向性，在天線領域使用了許多輻射器。天線的安/幀率-117, 例如，由1584個輻射器組成，其接收信號仍以模擬方式組合到天線模式。另一方面，更現代的多功能雷達裝置在接收過程中使用數字波束成形。

有源天線

有源相控陣天線是發射功率由 許多RX/TX-模塊直接對天線的影響很小。例如：機載 龍卷風-鼻子雷達、防空雷達AN/FPS-117和海軍雷達APAR。

有源天線通常是相控陣天線，而不是 中央高功率振蕩器/放大器，每個輻射元件都有一個小型功率放大器 直接天線。這樣做的好處是，必要的移相器必須只處理很小的功率。

約束饋電是無源相控陣天線饋電最常應用的方式。受限饋電需要波導布線或帶狀線網絡供電。（例如：PAR-80）。

一種很少使用的方法表示空間饋送（準光學饋送）。此時，天線區域由饋電喇叭用發射功率照亮。功率由小天線元件接收，然后在相位中修改并再次發射。（例如：SAM 系統 -愛國者）。

系列饋電

在相控陣天線的串聯饋電處，輻射器元件 串聯并逐漸遠離進料點。端饋串聯陣列如圖2所示。中心饋電陣列可視為兩個端饋電。串聯饋電陣列對頻率敏感，導致帶寬限制。當頻率改變時，輻射元件處的相位與 饋線，使孔徑處的相位以線性方式傾斜并掃描光束。這種效果對于頻率掃描陣列很有用， 但通常情況下這是不可取的。每個輻射元件增加的電路徑長度必須計算為頻率的函數 并在調整移相器時考慮在內。

如果無論如何都要進行頻率更改，計算機還必須計算 新的相移（或大多數在實踐中：它使用另一個相移表）。

無源天線并聯饋電

發射功率在分流器的每個功率分配器上同相分配，位于 相控陣天線。每個輻射元件都有一個等長的饋線，并被提供 因此完全同相。

因此，頻率的變化不會影響相位差。這樣做的好處是計算機可以忽略進料線的長度 在計算相移時。這是雷達組頻率捷變的優勢，也是頻率分集和脈沖壓縮的要求。

空間饋電相控陣天線的傳輸類型

空間（光學）饋電可以認為介于平行饋電和中心饋電串聯饋電之間。使用非常長的焦距，空間饋送近似于平行饋送。在非常短的焦距下，它近似于中心饋送串聯饋送，因為有 從饋電喇叭到透鏡陣列的各個天線元件的路徑長度的本質區別。在透射類型下，主饋電位于透鏡陣列后面。透鏡陣列后面的位置被進料場阻擋。為此，喇叭散熱器 不會在天線前面的輻射場中產生任何陰影?！稅蹏摺?SAM-復合體具有一種傳輸類型的空間饋電相控陣天線。

空間饋電相控陣天線的反射類型

在天線后面的反射類型處有足夠的位置來安裝模塊（例如：移相器 控件和電源）。與此相反，喇叭散熱器現在會干擾。完全在最佳光線方向上 他不僅形成了一個影子，而且還會再次吸收反射的能量。然后在進料系統中產生駐波！

但是喇叭飼料已經應該輕輕地喜歡在中心的某個地方， 如果不是這種情況，則不同的傳播時間再次出現在散熱器元件上。