天线理论 - 波束宽度

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在本章中，我们将讨论天线辐射方向图中另一个重要因素，称为波束宽度。在天线的辐射方向图中，主瓣是天线的主要波束，天线辐射的最大且恒定的能量从这里发出。

波束宽度是指辐射大部分功率的孔径角。波束宽度的两个主要考虑因素是半功率波束宽度(HPBW)和第一零点波束宽度(FNBW)。

半功率波束宽度

根据标准定义，“辐射方向图幅度从主瓣峰值下降 50%（或 -3dB）的角间距，称为半功率波束宽度。”

换句话说，波束宽度是辐射大部分功率的区域，即峰值功率。半功率波束宽度是指在天线的有效辐射场中，相对功率大于峰值功率 50% 的角度。

HPBW 的指示

当在辐射方向图的原点和主瓣上的半功率点之间画一条线，分别在两侧，这两条矢量之间的角度称为HPBW，即半功率波束宽度。这可以通过下图更好地理解。

该图显示了主瓣上的半功率点和 HPBW。

数学表达式

半功率波束宽度的数学表达式为：

$$半功率波束宽度=70\lambda_{/D} $$

其中

• $\lambda$ 为波长（λ = 0.3/频率）。

• D 为直径。

单位

HPBW 的单位为弧度或度。

第一零点波束宽度

根据标准定义，“主瓣相邻的第一个方向图零点之间的角跨度称为第一零点波束宽度。”

简单来说，FNBW 是从主瓣引出的角间距，它是在辐射方向图上的主瓣的零点之间画出的。

FNBW 的指示

从辐射方向图的原点开始，在两侧画切线，与主瓣相切。这两条切线之间的角度称为第一零点波束宽度(FNBW)。

这可以通过下图更好地理解。

上图显示了半功率波束宽度和第一零点波束宽度，以及辐射方向图中标记的副瓣和主瓣。

数学表达式

第一零点波束宽度的数学表达式为

$$FNBW = 2 HPBW$$ $$FNBW\:2\left ( 70\lambda/D \right )\:=140\lambda/D$$

其中

• $\lambda$ 为波长（λ = 0.3/频率）。
• D 为直径。

单位

FNBW 的单位为弧度或度。

有效长度和有效面积

在天线参数中，有效长度和有效面积也很重要。这些参数有助于我们了解天线的性能。

有效长度

天线有效长度用于确定天线的极化效率。

定义−“有效长度是指接收天线开路端子的电压幅度与入射波前场强幅度的比值，方向与天线极化方向相同。”

当入射波到达天线的输入端子时，该波具有一定的场强，其幅度取决于天线的极化。此极化应与接收端子的电压幅度匹配。

数学表达式

有效长度的数学表达式为：

$$l_{e} = \frac{V_{oc}}{E_{i}}$$

其中

• $l_{e}$ 为有效长度。

• $V_{oc}$ 为开路电压。

• $E_{i}$ 为入射波的场强。

有效面积

定义−“有效面积是指接收天线从入射波前吸收大部分功率的面积与暴露于波前的整个天线面积之比。”

接收时，整个天线区域都面对入射电磁波，而只有天线的一部分接收信号，称为有效面积。

只有一部分接收到的波前被利用，因为一部分波会被散射，一部分会被耗散成热量。因此，在不考虑损耗的情况下，将获得最大功率的利用面积与实际面积之比可以称为有效面积。

有效面积用 $A_{eff}$ 表示。