天线理论 - 波束和极化

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本章讨论天线辐射波束的参数。这些参数有助于我们了解波束规格。

波束面积

根据标准定义，“波束面积是指如果P(θ, Ø)在其最大值Ω_A上保持不变，而在其他地方为零，则天线辐射的所有功率都将通过的立体角。”

天线的辐射波束从天线的一个角度发出，称为立体角，其中功率辐射强度最大。这个**立体波束角**被称为**波束面积**。它用**Ω_A**表示。

辐射强度P(θ, Ø)应在整个立体波束角Ω_A内保持恒定且最大，在其他地方其值为零。

$$辐射功率 = P(\theta,\Phi)\Omega_{A} \:瓦特$$

波束角是主瓣半功率点之间的角度集合。

数学表达式

波束面积的数学表达式为

$$\Omega_{A} =\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{\pi}P_{\pi}(\theta,\Phi)d\Omega\ 瓦特$$ $$d\Omega = \sin\theta\ d\theta\ d\Phi\ 瓦特$$

其中

• Ω_A是立体波束角。
• θ是角位置的函数。
• Φ是径向距离的函数。

单位

波束面积的单位是**瓦特**。

波束效率

根据标准定义，“**波束效率**表示主波束的波束面积与辐射的总波束面积之比。”

能量从天线辐射时，会根据天线的指向性进行投影。天线辐射功率最大的方向效率最高，而部分能量会损失在旁瓣中。波束辐射的最大能量，损失最小，可以称为**波束效率**。

数学表达式

波束效率的数学表达式为：

$$\eta_{B} = \frac{\Omega_{MB}}{\Omega_{A}}$$

其中，

• η_B是波束效率。
• Ω_MB是主波束的波束面积。
• Ω_A是总立体波束角（波束面积）。

天线极化

天线可以根据我们的需求进行极化。它可以是线极化或圆极化。天线极化类型决定了接收或传输时的波束和极化模式。

线极化

当发射或接收波时，可以沿不同的方向进行。天线的**线极化**有助于将波保持在特定方向，避免所有其他方向。虽然使用了这种线极化，但电场矢量保持在同一平面内。因此，我们使用这种线极化来提高天线的**方向性**。

圆极化

当波为圆极化时，电场矢量似乎旋转，其所有分量都失去方向性。有时旋转模式也可能不同。但是，通过使用**圆极化**，多径效应会减少，因此它被用于卫星通信，例如**GPS**。

水平极化

水平极化使波变弱，因为来自地球表面的反射会影响它。它们在低于 1GHz 的低频下通常较弱。**水平极化**用于传输**电视信号**以获得更好的信噪比。

垂直极化

低频垂直极化波有利于地波传输。它们不受地表反射的影响，不像水平极化波那样。因此，**垂直极化**用于**移动通信**。

每种极化类型都有其自身的优点和缺点。射频系统设计师可以根据系统要求自由选择极化类型。