《天线》-第四章-《点源》-讨论贴

大家好，第二个专题讨论贴，讨论《天线》第四章《点源 》的相关内容。专帖讨论以提问回答的形式进行，大家有任何问题都可以留言提问，并按照自己的理解回答讨论别人的问题。 o{S}e!V
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请各位组员积极参与讨论，沉默潜水对自己没有任何帮助。 ^C,/T2>  
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我先扔几个问题作为开始： xJF6l!`  
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1. 点源的定义是什么？实际天线在什么条件下可以被视为点源？ gQk#l\w_  
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2. 绝对功率波瓣图和归一化波瓣图有什么区别？ t\|K"  
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3. 功率定理和辐射强度的关系是什么？ &"H<+>`  
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4. 绝对场波瓣图和相对场波瓣图有什么区别？在仿真软件中需要如何设置可以得到这两种不同的场波瓣图形式？ yOn2}Z  
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5. 相位波瓣图的定义是什么？在仿真软件中如何得到相位波瓣图？

回复楼上的帖子， 3RH#e1Y  
1、对点源的理解：认为电磁波的能量是由某一点辐射出来的，那个假象或者等效的点即为点源。我想引入点源的概念主要是以下两个方面的考虑 f{ 4G  
         实际的源不可能是一个点，而是由很多点组成的，而且在绝大多数情况下，不同的辐射点对空间同一观察位置处的场分量是不相同的，主要场矢量的方向不相同，各个辐射点产生的场矢量不能简单地加起来，这样考察观察点的总场强时将是矢量的和式或者积分；但是在观察点离源很远或者源产生的场本身就很均匀的时候，实际源上各辐射点对观察点的场矢量是方向一致的，那么根据同向矢量叠加的原理，这些场矢量的起点可以平移到同一个点上，这个点就是点源了。因此，我认为实际天线可以认为点源的条件除了课本上讲的距离足够远的条件外，还有另外一种情况，那就是，相对观察点而言，实际辐射源产生的场本身就是均匀的。        这一点希望大家共同考虑和讨论。 '*LN)E>d  
另外，我认为引入点源概念的另一角度，就是与网络里面端口的概念一致，网络理论认为能量的流动是通过一个端口而非任意地方流动到另一网络，而点源的概念就是认为能量是从一个点而非很多点流动到空间，实际上“点源”里面“点”的概念就是一个网络端口的概念，只不过专指源的端口了。 WJh;p: q[  
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2、对功率波瓣图的理解：功率波瓣图是在同一半径r下不同方向上辐射能量大小的描述，按照这种定义，观察点所处半径r（距离）是参变量，方向（两个角度）是自变量。这样，按照课本中的定义，如果考察单位面积上的功率密度，实际和半径r有关，选取不同的半径，波瓣图中的数值是不相同的，因此个人愚见，功率波瓣图按照单位立体角的辐射功率来定义更为妥当一些，而不是课本上讲的单位面积的辐射功率 )zLS,/pk^  
OK，回答楼上的问题，归一化波瓣图就是把绝对功率波瓣图以某一方向的功率密度为参考，进行归一化后得到的波瓣图，通常这个方向就是最大辐射方向，这时归一化波瓣图上的最大值为1 Hb AMoow!  
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3、功率定理和辐射强度的关系：点源所辐射的总功率是其辐射强度在4pi（立体弧度）立体角上的积分 %_@5_S  
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我一直想知道到底多远才算远场？有没有具体的公式？我在研究TEM喇叭天线的过程中，发现了好几个定义远场的公式，我也不知道哪个对。我在用cst仿真时，只能根据得到的场波形在哪个位置处开始变得与输入激励脉冲的导数形式近似，就判断从这个位置开始可以认为是远场了。我觉得这种方法应该是对的，但没有公式支撑。 ?G>TaTiK#  

1、对点源的理解：点源我觉得就是在一定条件下可以将天线看做一个点，感觉有点类似高中物理中的点电荷的概念。点源是一个辅助性概念，引入点源是为了从数量上说明天线在某方向上功率的集中程度，天线的增益有个单位是DBi，这是一个相对值，其参考就是点源天线。点电荷认为在观察者离源足够远的情况下，电力线由一个点发出的；同样，我觉得在足够远条件下，或自由空间天线长度很短的情况下，天线可以看做是点源，天线的辐射可以认为是一个点的辐射，这样在用麦克斯韦方程来分析天线的远场性能时可以简化很多计算。书上花了很大篇幅来计算比较点源在不同辐射强度下的增益，我觉得用电源可以有助理解天线的增益。 iSLf:  
2、功率波瓣图：是描述波印廷矢量Sr参数的。绝对功率波瓣图和归一化功率波瓣图的区别就是后者在前者除以了Sr的最大值，进行了归一化处理，归一化后能够比较直观地看出各个方向的Sr跟最大方向的比例关系。 9QZwUQ  
3、功率定理：功率定理是单位面积的功率随距离而变化的规律，即点源的的波印廷矢量跟距离的平方成反比。辐射强度是单位立体角的功率，因此功率定理又可以描述为：点源所辐射的总功率是其辐射强度在4PI立体角上的积分。 J3S+| x h~  
4、场波瓣图：场波瓣图是电场矢量在空间的变化，包括大小和方向的变化。绝对场波瓣图是根据麦克斯韦方程及边界条件解答出来的电场在空间的分布；而相对场波瓣图是以某个方向的值作为相对单位，通常取最大场强方向，这跟功率波瓣图的归一化有相似之处。平常HFSS仿真时，我一般观察的是场波瓣图和功率波瓣图，如果不看方向，功率和场是一个平方关系。 ayz1i:Q|  
5、相位波瓣图：场源频率简谐变化时，相位也会变化，相位波瓣图是描述频率变化。平常很少观察这个参数，软件怎么仿真得到还有待研究。 rWpfAE)!  
有几个疑问： t\d;}@bl  
1、楼上提到了远场的概念，很多时候我们分析天线也是分析远场性能，到底什么样的场算远场？在远场区，天线的发射功率跟距离的平方成反比，测得的场分量在辐射方向的横截面内，所有的功率都是沿径向朝外的。在本书的30页，有进场区和远场区的分界公式，R=2*L^2/lamda，其中L为天线的最大尺度，lamda为波长。这个公式是对一般天线进场远场区边界的计算：点源不是将天线看成一个点吗，那么L就可以看做零了，这样看来，点源是不是只有远场而没有进场区？书的56页也说到：点源的波印廷矢量只有径向分量，而没有沿theta和phi方向的分量，这跟远场的特性一致。 7{
F9b0zwk  
2、第二章提到一个天线的分辨率的问题（书的第20页），天线的分辨率定义为第一零点波束宽度的一半；后边又提到一个概念化的结论：天线能够分辨出的点源数在数值上等于该天线的定向性，这一句怎么理解？什么叫天线能够分辨出的点源数？ /_\W*@ E  
不好意思，可能问题有点幼稚，大家勿喷呀~ PlRs-%d  

点源的定义：我理解理想点源就是体积足够小，在空间各方向辐射特性完全相同，也就是各向同性。实际中观察距离天线足够远，距离R>>波长，在观察点处测的天线各点的辐射特性相差很小，此时天线可以近似点源，但此时的天线是各向异性。 T,@7giQg@  
YP97D n  
功率波瓣图的定义是由点源辐射导出的，点源辐射的坡印廷矢量只有径向分量（纵向分量）Sr，也就是功率密度只有径向分量。在辐射半径R为常数时，Sr作为角度函数的曲线是一个坡印廷矢量（功率密度）波瓣图，通常成为功率波瓣图。实际的天线，不可能是各向同性，在某一方向辐射更多的能量，最大坡印廷矢量为Srm。若Sr用每平方米的瓦数（W/M2）来表示，Sr作为角度的函数曲线称为绝对功率波瓣图。如果取Sr最大方向值Srm为参考，已相对功率Sr/Srm为波瓣图的半径，最大值为1，此时的波瓣图为归一化功率波瓣图。绝对功率波瓣图和归一化功率波瓣图形状相同，但归一化功率波瓣图最大值为1。 s7LX  
-q|M=6gOs  
功率定理：点源辐射的总功率是平均坡印廷矢量的径向分量Sr沿球面的积分。 h0}-1kVT^  
辐射强度：U是单位立体角的功率W/sr。关于公式4.4.1不是由4.3.3导出来的么，而4.3.3是对于各向同性源的结果，那4.4.1也一定是各向同性源啊！为什么书本里还要重申将式1用于各向同性源有P=4piU0？ nwH|Hs riU  
o62gLO]z@  
绝对场波瓣图：场强表示成每米的伏特数V/M。若以某参考方向值作为相对单位，就成为相对场波瓣图。

我补一个会员问的问题： G<DUy^$i  
QB>e(j%  
假设有2个天线A、B在同一个的点上（实际情况是一个天线的两个模式），如果分别馈给这2个天线1W的功率，可以分别得到空间任意一点处的场强E_A（theta,phi,r） E_B(theta,phi,r)和增益Gain_A（theta,phi,r），Gain_B（theta,phi,r）。 @"0qS:s]X  
(reD  
是否可以证明，将总共1W的功率任意分配给A和B话，得到的场强Gain_AB小于等于max(Gain_A,Gain_B) zvWQ&?&o2  
 t&]IgF  
我可以证明电场满足，但是增益可以满足么？证明增益的时候不知道该怎么处理阻抗了。

同意楼上几位的观点，除此之外在这里补充一点自己的想法。 ;Baf&xK  
1.关于点源的理解：点源可以便于我们理解天线的远场性能，条件就是观察距离远大于天线尺寸，空间波长。 k&2I(2S  
远场的一般判定条件，公式R=2*L^2/lamda经验性比较强。四夕提到的问题“点源是不是只有远场而没有进场区？”从点源的定义上感觉是可以这么理解的，点源是“没有体积的虚拟发射体”。 0=04:.%D  
对于四夕的第二个问题：可以结合2.8节一开始的描述“当天线波束瞄准---方向上。”来理解，这个是一个表达式推导近似相等的结果。 Xo,BuK&G  
2.对于功率波瓣图：从表达式看，波瓣功率图应该还是“单位面积的”辐射功率。对应单位立体角的概念是辐射强度。 UcZ3v]$I  
3.对于相位波瓣图：感觉可以在hfss中可以用Etheta-Ephi的差值来表示，这样的表示可以指代4.7节开头的第3-4项。这个就是相位波瓣图了吧。 x;I*Ho  
4.对于hefang管理员的问题，有些类似矩阵里相容性的概念。没什么思路。。。

引用第8楼陈豪俊于2012-02-21 15:51发表的 :

由于点源的辐射方向只能沿着径向，因此实际天线至少在远场区域才能被视为点源。

XoL9:s(m~  

O~Pbu[C  
这一点给了我很大的提示，解决了我前面一个问题的困惑 @/yef3  

引用第8楼陈豪俊于2012-02-21 15:51发表的 : @<r;>G  
5. 相位波瓣图的定义是什么？在仿真软件中如何得到相位波瓣图？ ~O&3OL:L  

由于在书中对相位波瓣图没有严格的定义与细致说明，本人查阅了一下IEEE 1993年关于天线的定义，直接复制在此处：

2.272 phase pattern (of an antenna). The spatialdistribution of the relative phase of a field vector excited by an antenna.

NOTES

1—The phase may be referred to any arbitrary reference.

2—The distribution of phase overany path, surface, or radiation pattern cut is also called a phase pattern.

-IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas，1993

Cz8
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这个资料好，明白了相位波瓣图的定义。 不过相位波瓣图体现天线的哪方面性能？相位波瓣图和功率波瓣图、还有场波瓣图的关系如何？我觉得场波瓣图和功率波瓣图的关系比较明显，至于相位波瓣图感觉就相对较难一些。 P
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