[科普中国]-天线方向性

天线方向性概念

全部无线电设备都依靠空间传播的电磁波工作，而电磁波的发射或接收都要通过天线来实现，根据IEEE标准，天线定义为“辐射或接收无线电波的装置”，即天线是这样一个部件：将电路中的高频振荡电流或馈线上的导行波有效地转变为某种极化的空间电磁波，并保证电磁波按所需的方向传播（发射状态），或将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转变为电路中高频振荡电波或馈线上的导行波（接收状态）。所谓波的极化，是指在垂直于传播方向平面内电场强度矢量E随时间变化的方式，亦即电场矢量在空间的取向，上述定义表明天线具有以下特性：

阻抗特性天线应能将高频电流能量尽可能多地转变为电磁波能量，这首先要求天线是一个良好的“电磁开放系统”，其次要求天线与发射机（源）匹配或与接收机（负载）匹配。

方向特性天线应使电磁波尽可能集中于所需的方向上，或对所需方向的来波有最大的接收。

极化特性天线应能发射或接收规定极化的电磁波。

带宽特性天线应有足够的工作频带。1

天线方向性的基本原理各种无线电设备对天线方向性的要求是千差万别的，例如精密测量雷达要求天线辐射的电磁波集中在极小的空间立体角内，称为“针状波束”；通信基站和电视发射台则要求电磁波在水平面内方向均匀辐射，即具有“全向性”，通常用方向图和一些有关参数来描述不同的方向性。

天线的方向性图天线辐射电磁场在以天线为中心，某一距离为半径的球面上随空间角度（包括方位角和俯仰角）分布的图形，称为辐射方向图。球面的半径，也就是场点到天线的距离必须满足远区条件。

因为天线方向图一般呈花瓣图。最大辐射方向两侧第一个零辐射方向线以内的波束称为主瓣，与主瓣方向相反的波束称为背瓣，其余零辐射方向间的波束称为副瓣或旁瓣。

天线的三维方向图比较形象，天线在整个空间的辐射分布可一目了然，但绘制繁难。

一般情况下不需要对空间每方向都仔细地研究，因此在天线的设计和测试中往往只采用两个主平面上的二维方向图来表征天线在整个空间的辐射情况，主平面一般是指通过天线对称轴或最大辐射方向的两个相互垂直的特殊平面，其选取方法视具体天线而异。

例如：对于绝大多数天线，最通用的是取与电场矢量平行的E面和与电场矢量垂直的H面。1

半功率波束宽度、第一零点波束宽度用方向图来描述天线的方向性有时候不够方便，因而常采用半功率波束宽度、第一零点波束宽度和副瓣电平等参数来表示天线辐射电磁场能量在空间的分布概貌。

半功率波束宽度（又称波瓣宽度）是指方向图的主瓣内功率密度等于最大功率密度的一半（或场强为最大值的0.707倍）的两方向间的夹角。

第一零点波束宽度（又称为主瓣张角）是指主瓣两侧第一个零点间的夹角。

副瓣电平是指副瓣最大值与主瓣最大值之比，通常用分贝来表示。2