天线的特性值、天线增益和方向性

由于天线的特殊设计，辐射密度可以集中在一定的空间方向上。无损天线方向性的衡量标准是天线增益。它与天线的方向性密切相关。与仅描述天线方向特性的方向性相反， 天线增益还考虑了天线的效率。

因此，它表示实际辐射功率。这通常小于发射器提供的功率。但是，由于该功率比方向性更容易测量，因此天线增益比方向性更常用。在考虑无损天线的假设下，方向性可以设置为等于天线增益。

参考天线用于定义天线增益。在大多数情况下，参考天线是无损假设的全向辐射器 （各向同性辐射器或天线） 向各个方向均匀辐射，或者一个简单的偶极子天线，至少在所考虑的平面中也可以作为参考。

对于要测量的天线，辐射密度（每单位面积的功率） 在一定距离处的点处确定并与使用参考天线获得的值进行比较。天线增益是两种辐射密度的比值。

例如，如果定向天线产生的辐射密度是各向同性天线的 200 倍 在一定的空间方向上，天线增益G的值为200或 23分贝。

天线方向图

天线方向图是天线辐射能量空间分布的图形表示。根据应用的不同，天线应仅从某个方向接收， 但不应接收来自其他方向的信号（例如电视天线、雷达天线）， 另一方面，汽车天线应该能够接收来自所有可能方向的发射器。

天线辐射方向图是天线辐射特性元素的图形表示。天线方向图通常是天线方向特性的图形表示。它表示能量辐射的相对强度或电场或磁场强度的量 作为天线方向的函数。天线图由计算机上的模拟程序测量或生成，例如， 以图形方式显示雷达天线的方向性，从而估计其性能。

与在飞机各个方向均匀辐射的全向天线相比， 定向天线偏爱一个方向，因此 以较低的传输功率在这个方向上实现更长的范围。天线辐射方向图以图形方式说明了通过测量确定的偏好。由于互惠性，保证了天线相同的发射和接收特性， 该图将定向分布的传输功率显示为场强 以及接收过程中天线的灵敏度。

所需的方向性是通过天线的目标机械和电气结构来实现的。方向性表示天线在某个方向上接收或发射的程度。它以图形表示形式表示 （天线方向图） 作为方位角（水平图）和仰角（垂直图）的函数。

使用笛卡尔坐标系或极坐标系。图形表示中的测量值可以具有线性或对数值。

使用许多显示格式。笛卡尔坐标系， 以及极坐标系，很常见。主要目标是显示水平（方位角）具有代表性的辐射图 对于完整的 360° 表示或垂直（仰角）大多仅适用于 90 或 180 度。在笛卡尔坐标系中，天线的数据可以更好地表示。由于这些数据也可以打印成表格， 通常首选在极坐标系中描述性更强的轨迹曲线表示。与笛卡尔坐标系相反，这直接指示方向。

为了易于操作、透明和最大的多功能性， 辐射图通常归一化为坐标系的外边缘。这意味着测量的最大值与 0° 对齐并绘制在图表的上边缘。辐射图的进一步测量值通常相对于该最大值以dB为单位显示 （分贝）。

图中的比例可以变化。常用的绘图比例尺有三种类型; 线性 线性对数和 修正对数。线性刻度强调主辐射束，通常抑制所有旁瓣， 因为它们通常不到主叶的百分之一。但是，线性对数刻度可以很好地代表旁瓣，当所有旁瓣的水平很重要时，它是首选。但是，它给人的印象是天线不好，因为主瓣相对较小。修正的对数刻度（图4）在压缩时强调了主梁的形状 朝向模式中心的极低电平 （<30 dB） 旁瓣。因此，主瓣是最强旁瓣的两倍，这对于视觉呈现是有利的。然而，这种形式的表示很少在技术中使用，因为很难从中读取准确的数据。

水平辐射图

水平天线图是天线电磁场的平面图， 表示为以天线为中心的二维平面。

这种表示的兴趣在于简单地获取天线的方向性。通常，值 -3 dB 在刻度上也以虚线圆圈的形式给出。主瓣和这个圆之间的交叉点导致天线的所谓半功率波束宽度。其他易于读取的参数是前进/后退比率， 即主瓣和后瓣之间的比率， 以及旁瓣的大小和方向。

对于雷达天线，主瓣和旁瓣之间的比例很重要。该参数直接影响雷达抗干扰度的评估。

垂直辐射图

垂直图案的形状是三维图形的垂直横切。在所示的极坐标图（圆的四分之一部分）中，天线位置为原点， X 轴是雷达范围，Y 轴是目标高度。天线测量技术之一是使用Intersoft Electronics的测量工具RASS-S的太阳频闪记录。The RASS-S （Radar Analysis S upport S ystem for S ites） 是一个独立于雷达制造商的系统，用于评估雷达的不同元素 通过连接到已经可用的信号，这在操作条件下。

图 3：具有余割平方特性的垂直天线方向图

在图 3 中，测量单位是海里作为范围，英尺作为高度。由于历史原因，这两种测量单位仍然用于空中交通管理。这些单位具有次要意义，只是因为绘制的辐射图量被定义为相对水平。这意味着视轴已经获得了在雷达方程的帮助下计算的（理论）最大范围的值。

图的形状仅提供所需的信息！要获得绝对值，您需要在相同条件下测量的第二个图。您可以比较这两个图，然后实现天线性能的过度增加或减少。

辐射线是仰角的标记，此处为半度步长。x 轴和 y 轴的不等比例（许多英尺与很多海里）会导致仰角标记之间的非线性间距。高度显示为线性网格图案。第二个（虚线）网格定向在地球曲率上。

三维表示的天线图大多是计算机生成的图像。大多数情况下，它们是由模拟程序生成的，其值惊人地接近实际测量图。生成真实的测量图意味着巨大的测量工作，因为图像的每个像素都代表其自己的测量值。

来自机动车辆的雷达天线的笛卡尔坐标中的天线方向图的三维表示。
（功率以绝对水平给出！因此，大多数天线测量程序都为这种表示选择折衷方案。只有通过天线图的垂直和水平部分可用作实际测量值。

所有其他像素都是通过乘以垂直图的整个测量曲线来计算的 通过水平图的单个测量值。所需的计算能力是巨大的。除了在演示文稿中令人愉悦的表示外，其好处值得怀疑， 因为与两个单独的图（水平和垂直天线图）相比，无法从该表示中获得新的信息。相反：特别是在外围区域， 用这种折衷方案生成的图表应该与现实有很大偏差。

此外，3D 图可以用笛卡尔坐标和极坐标表示。

雷达天线的波束宽度通常理解为半功率波束宽度。峰值辐射强度在一系列测量中发现（主要是在消声室中） 然后位于峰值两侧的点，这些点代表峰值强度的一半次方。半功率点之间的角距离定义为 波束宽度。[1] 以分贝表示的一半功率是 −3 dB，因此半功率波束宽度有时称为 3 dB波束宽度（θ3）或半功率波束宽度（HPBW）。通常同时考虑水平和垂直波束宽度。

为了能够直接测量示波器波形的参数， 习惯上也使用在半电压点（−6 dB）测量的宽度 这在变量名 θ6 中表示。这些半电压点在天线方向图上的位置与半功率点的位置不同。假设阻抗相同，一半的电压将产生一半的电流。一半的电流乘以一半的电压得到四分之一的功率，以分贝表示 - 6 dB。如果应使用射频电压测量来估计天线的波束宽度， 然后 0.707 个电压点表征半功率 波束宽度。

近似作为第一个近似值，假设天线的旁瓣可以忽略不计，并且 发射器产生的总功率集中在主瓣中。为了通过理论计算纠正这种近似的影响，引入了术语梁形损失。

第二个近似值是假设总功率在天线的半功率波束宽度内，并且 均匀分布在其中（见图1，绿色区域）。另一方面，假设在半功率波束宽度之外无法测量任何功率。如果需要在计算距离或信号幅度时校正此近似值的影响 然后可以使用光束宽度因子。

由于这些近似值，可以直接在雷达方程中使用天线的增益和发射器产生的功率作为参数。

光束立体角

立体角是变量名称为 Ω 的二维角度测量值。它们的测量单位是辅助单位球面度 [Sr]。 波束立体角Ω定义为天线的所有功率在辐射强度恒定的情况经的立体角 （并等于最大值）ΩA 内的所有角度。这是一个相当理论值的值，但对于具有非常大的方向性和小旁瓣的天线，可以近似：

 

有些模型将天线空间角投影到表面上表示为 具有垂直和水平半功率波束宽度（金字塔立体角）边缘长度的矩形轮廓， 以及将其圆形或椭圆表示到球面（典型立体角）上的模型。

旁瓣衰减

除主瓣外，天线的辐射方向图还包含多个旁瓣和一个后瓣。这些现象是不希望的，因为它们对方向效应产生不利影响，并且还会从主瓣吸收能量。主瓣和最大旁瓣之间的关系称为旁瓣衰减。旁瓣衰减应尽可能高。

正向/反向比率前/后比表示主瓣在 0° 处的幅度与 180° 处的后瓣大小之比。 这个比例也应该尽可能大。

有效天线面积（孔径）

天线的一个重要参数是称为A e或“天线孔径”的有效天线面积。在最佳取向和极化条件下， 可以从接收天线获得的最大功率与 入射到接收位置的平面波的功率密度。波前的辐射密度是单位面积的功率。因此，比例因子具有电磁场中天线表示的区域的维度。这个区域称为有效天线面积Ae，与天线的方向性D密切相关，也等于无损天线的增益：

这个等式显示了非常重要的关系：天线的方向特性由其几何尺寸决定。相对于波长的直径越大，其方向性就越高。

也可以为线性天线指定有效天线面积。它不一定必须与天线的几何延伸一致，这在有线天线中尤其明显。这两个量之间的比值称为天线的孔径效率Ka。对于具有大型抛物面反射器的天线，Ka = 0，6 ...1，0 适用。尺寸为a和b的矩形喇叭辐射器的有效天线面积略小于几何面积a·b。

有效天线面积取决于几何天线面积上的辐射分布。如果该辐射分布是线性的，则Ka = 1。然而，这种高孔径效率和线性辐射分布也会导致强旁瓣。如果要将旁瓣保持在较小的尺寸上以用于天线的实际用途，则辐射分布必须是非线性的， 然后有效天线面积小于几何天线面积（A e< A）。

抛物面反射器、碟子或镜子是一种用于收集或投射电磁波等能量的设备。将沿抛物线同一轴行进的平面波改变为球形波，它们都在反射器的焦点处相遇。

抛物面碟形天线是雷达工程中最常用的形式 安装的天线类型。图1显示了抛物面天线。碟形天线由一个圆形抛物面反射器和一个位于 该反射器的焦点。此点源称为“主要馈送”或“馈送”。

圆形抛物面（抛物面）反射器由金属制成，通常是由金属覆盖的框架 内侧有网眼。金属网槽的宽度必须小于λ/10。这种金属覆盖物形成反射器，充当雷达能量的镜子。

根据光学定律和分析几何学，对于这种类型的反射器全部反射 光线将平行于抛物面的轴线，这给我们理想情况下只有一个反射 射线平行于主轴，没有旁瓣。田地离开这个饲料喇叭时有一个球形 波。当波前的每个部分到达反射表面时，它会移动180度 同相并向外发送的角度使场的所有部分平行行进 路径。

这是一个理想化的雷达天线，产生铅笔光束。如果反射器呈椭圆形，则会产生扇形光束。监视雷达在水平和垂直平面上使用两种不同的曲率来达到所需的 方位角的铅笔梁和仰角的经典余割方形扇形梁。

带宽

天线的带宽是天线仍能达到以下所需特性的频率范围：

空间分布（天线方向图）;

极化;

阻抗;

传播模式。

大多数天线技术可以支持在中心频率的5%至10%的频率范围内工作 （例如，100 GHz 时的 200 至 2 MHz 带宽）由于其谐振特性。要实现宽带操作，需要专门的天线技术（例如，对数周期偶极子天线、锥形槽天线）。

对数周期偶极子天线（LPDA）是一种宽带窄波束天线，具有阻抗和辐射 作为激励频率的对数函数定期重复的特性。对数周期天线是阵列，由馈电元件系统组成，这些元件通过 彼此交叉双线。在传输的情况下，起初，波会自行传播 在病原体线上几乎无辐射。所附和在实际波长上获得 太短的偶极子仅用作容性负载。仅当偶极子进入范围时 三分之一波长，照射开始，几个偶极子相互跟随 然后参与其中。该辐射有效区受偶极子的限制，偶极子 大约对应于波长的一半。所有以下较长的偶极子都有贡献 没有更多的辐照。

在高达 10 dB 的非常小的背瓣下，可实现的增益最高可达 35 dB。基地 电阻为 50 至 120 Ω具体取决于结构。

这种天线的电气质量随着频率的对数周期性地重复出现。然而，这些周期性波动（例如增益和基极电阻）可以保持在 通过天线的适当尺寸，可以认为她是一种近似方式 一直关于考虑的频率间隔。

相控阵天线是一种阵列天线，其单个辐射器可以馈入不同的相移。因此，通用天线方向图可以通过电子方式进行控制。与天线的机械转向相比，电子转向更加灵活，需要的维护更少。

功能原理

这种天线的原理是基于干扰的影响， 即两个或（通常）几个辐射源的相位依赖性叠加。可以观察到，同相信号（图1中的相同颜色）相互放大，而反相信号相互抵消。因此，如果两个散热器发出相同相移的信号， 实现叠加 - 信号在主要方向上放大，在次要方向上衰减。在图 1 的左侧散热器组中，两个散热器的供电相位相同。因此，信号在主要方向上被放大。

在图 1 的第二个图中， 来自上部散热器的信号比来自下部散热器的信号相移传输22°（即略有延迟）。因此，共同发出的信号的主要方向是略微向上转向。

图1显示了不带反射器的散热器。因此，天线方向图的后瓣与主瓣一样大。然而，后叶也向上转向。提示：查看放大视图中的图像并注意差异 在下部散热器的辐射特性中切换移相器时。

图2：电子转向光束的动画

如果要传输的信号现在通过相位调节模块路由， 辐射方向可以通过电子方式控制。但是，这不可能无限期地实现， 因为这种天线布置在垂直于天线场的主要方向上的有效性最大， 虽然主方向的极端倾斜会增加不需要的旁瓣的数量和大小， 同时减小有效天线面积。正弦定理可用于计算必要的相移。

任何类型的天线都可以用作相控阵天线中的辐射器。值得注意的是，单个散热器必须通过可变相移进行控制 因此，辐射的主要方向可以连续改变。为了实现高方向性，在天线领域使用了许多辐射器。天线的安/帧率-117, 例如，由1584个辐射器组成，其接收信号仍以模拟方式组合到天线模式。另一方面，更现代的多功能雷达装置在接收过程中使用数字波束成形。

有源天线

有源相控阵天线是发射功率由 许多RX/TX-模块直接对天线的影响很小。例如：机载 龙卷风-鼻子雷达、防空雷达 AN/FPS-117 和海军雷达 APAR。

有源天线通常是相控阵天线，而不是 中央高功率振荡器/放大器，每个辐射元件都有一个小型功率放大器 直接天线。这样做的好处是，必要的移相器必须只处理很小的功率。

约束馈电是无源相控阵天线馈电最常应用的方式。受限馈电需要波导布线或带状线网络供电。（例如：PAR-80）。

一种很少使用的方法表示空间馈送（准光学馈送）。此时，天线区域由馈电喇叭用发射功率照亮。功率由小天线元件接收，然后在相位中修改并再次发射。（例如：SAM 系统 - 爱国者）。

系列馈电

在相控阵天线的串联馈电处，辐射器元件 串联并逐渐远离进料点。端馈串联阵列如图2所示。中心馈电阵列可视为两个端馈电。串联馈电阵列对频率敏感，导致带宽限制。当频率改变时，辐射元件处的相位与 馈线，使孔径处的相位以线性方式倾斜并扫描光束。这种效果对于频率扫描阵列很有用， 但通常情况下这是不可取的。每个辐射元件增加的电路径长度必须计算为频率的函数 并在调整移相器时考虑在内。

如果无论如何都要进行频率更改，计算机还必须计算 新的相移（或大多数在实践中：它使用另一个相移表）。

无源天线并联馈电

发射功率在分流器的每个功率分配器上同相分配，位于 相控阵天线。每个辐射元件都有一个等长的馈线，并被提供 因此完全同相。

因此，频率的变化不会影响相位差。这样做的好处是计算机可以忽略进料线的长度 在计算相移时。这是雷达组频率捷变的优势，也是频率分集和脉冲压缩的要求。

空间馈电相控阵天线的传输类型

空间（光学）馈电可以认为介于平行馈电和中心馈电串联馈电之间。使用非常长的焦距，空间馈送近似于平行馈送。在非常短的焦距下，它近似于中心馈送串联馈送，因为有 从馈电喇叭到透镜阵列的各个天线元件的路径长度的本质区别。在透射类型下，主馈电位于透镜阵列后面。透镜阵列后面的位置被进料场阻挡。为此，喇叭散热器 不会在天线前面的辐射场中产生任何阴影。《爱国者》 SAM-复合体具有一种传输类型的空间馈电相控阵天线。

空间馈电相控阵天线的反射类型

在天线后面的反射类型处有足够的位置来安装模块（例如：移相器 控件和电源）。与此相反，喇叭散热器现在会干扰。完全在最佳光线方向上 他不仅形成了一个影子，而且还会再次吸收反射的能量。然后在进料系统中产生驻波！

但是喇叭饲料已经应该轻轻地喜欢在中心的某个地方， 如果不是这种情况，则不同的传播时间再次出现在散热器元件上。