《微波技术》PPT课件.ppt

第10章天线 电磁波是通信 雷达 遥感 遥控 导航 目标探测与定位 环境监测 资源勘探 灾害预报等的理论和技术基础 是现代能源 电能 的重要组成部分 涉及人类生活的各个方面 经济建设的各个部门 科技发展的各个领域 作为信息的载体广泛应用于通信 电视等 电磁波 作为探测的手段广泛应用于雷达 遥感等 电磁波能量广泛应用社会 经济方方面面 电磁波的产生 电磁波应用的基础 时变电流或加速运动的电荷向空间辐射电磁波 为获得各种不同应用要求的电磁波 需要设计不同时变电流的空间分布 这种用于产生或接受特殊要求的电磁波的装置称为 天线 磁场力线 电场力线 电磁波 不同时变电流的空间分布将辐射不同分布的电磁波 相控阵天线 电偶极子天线 微带天线 缝隙天线 面天线 卫星天线 10 1概述 天线 辐射和接收电磁波的装置天线的作用 发射天线 把高频电流能量转化为在预定方向的电磁波接收天线 把空间的电磁波转化为高频电流电压天线的地位 高频电流能量和电磁波的接口无线电波的出口和入口 天线的分类 按用途 通信天线 导航天线 雷达天线 广播天线按波段 长波天线 中波天线 短波天线 超短波天线 微波天线按频宽 窄带天线 宽带天线 超宽带天线按功能 发射天线 接收天线按极化方式 线极化天线 圆极化天线 椭圆极化天线按时用环境 基地站天线 移动台天线按方向性 全向天线 定向天线 强方向性天线 弱方向性天线按结构 线天线 口径天线按工作原理 驻波天线 行波天线 阵列天线 漏波天线 对天线的要求 有较强的辐射电磁波能力一定的方向性高的转换效率一定的极化方式一定的带宽天线常用的性能指标 方向性图方向性系数增益输入阻抗驻波系数效率影响天线性能指标的关键因素天线电尺寸天线的形状和结构 10 2电流元辐射 电流元 长度远小于波长的一段电流 电流均匀分布 天线可看成由电流元组成 天线的辐射可由各电流元的辐射叠加产生 电流元辐射等同于电偶极子辐射 电流元辐射的计算 中间区 介乎远场区与近场区之间 储能与辐射都不占优势 对于天线问题 我们主要关心远场辐射区 磁流磁荷不存在 引入后令其为0 不影响方程 电流产生的场的场方程经过变量代换变为磁流产生的场的场方程磁流产生的场的场方程经过变量代换变为电流产生的场的场方程 电流产生的场分布经过变量代换变为磁流产生的场分布磁流产生的场分布经过变量代换变为电流产生的场分布 磁流元的辐射场可从电流元的辐射场作变量代换得到 电流元辐射 磁流元辐射 变量代换 方向特性与电流元辐射相同 磁流元辐射 磁流元 电流环辐射与电流元辐射的方向特性相同 对称振子上电流近似为正弦分布 末端为0 对称振子上电荷近似为余弦分布 末端最大 方向性函数 方向性函数 辐射场与方向之间的关系函数 方向性图 用图形表示的方向性函数 天线增益通常也以分贝表示 即 目前卫星通讯地面站使用的大型抛物面天线 方向性很强 且效率也很高 其增益通常高达50dB以上 3 对称天线辐射 对称天线是一根中心馈电的 长度可与波长相比拟的载流导线 如下图示 其电流分布以导线中点为对称 因此被称为对称天线 若导线直径d 电流沿线分布可以近似认为具有正弦驻波特性 因为对称天线两端开路 电流为零 形成电流驻波的波节 电流驻波的波腹位置取决于对称天线的长度 设对称天线的半长为L 在直角坐标系中沿z轴放置 中点位于坐标原点 则电流空间分布函数可以表示为 式中Im为电流驻波的空间最大值或称为波腹电流 常数 既然对称天线的电流分布为正弦驻波 对称天线可以看成是由很多电流振幅不等但相位相同的电流元排成一条直线形成的 这样 利用电流元的远区场公式即可直接计算对称天线的辐射场 已知电流元产生的远区电场强度应为 由于观察距离 可以认为组成对称天线的每个电流元对于观察点P的指向是相同的 即 如左图示 那么 各个电流元在P点产生的远区电场方向相同 合成电场为各个电流元远区电场的标量和 即 考虑到 可以近似认为 但是含在相位因子中的不能以r代替r 由于 可以认为 对称天线 若周围媒质为理想介质 那么远区辐射电场为 方向性因子为 由此可见 对称天线的方向性因子与方位角 无关 仅为方位角 的函数 电流分布 四种长度的对称天线方向图 半波天线 全波天线 辐射功率 天线向外辐射的电磁功率 S可取以天线为球心 半径远大于波长的大球面 对于高频电流来说 天线相当于一个负载 天线辐射出去的能量相当于该负载在消耗能量 辐射电阻 一个等效电阻 当天线上的电流流过该电阻时所消耗的功率等于天线的辐射功率 如果天线上的电流分布不均匀时 辐射电阻的计算与所取的电流有关 辐射电阻的大小反映天线辐射能力强弱 天线电尺寸越大 辐射能力越强 对称振子辐射电阻随长度振荡上升 长度越长 辐射能力越强 当出现反向电流时辐射抵消 辐射电阻下降 10 6发射天线的基本电参数天线的方向性图天线的方向性系数天线的增益天线的效率天线的工作带宽天线的极化特性天线的输入阻抗天线的辐射电阻 10 6 1天线的方向性图 方向性图 图形表示的方向性函数 表示天线辐射电磁波的能力与方向之间的关系 可以用直角坐标或极坐标表示 可以用线性标度或分贝标度 可以是二维表示或三维表示 用二维表示时需要表明是在哪个平面上的方向性图 已知电流元的方向性因子为 其最大值 所以该电流元的归一化方向性因子为 若采用极坐标 以 为变量在任何 等于常数的平面内 函数的变化轨迹为两个圆 如左上图示 将左上图围绕z轴旋转一周 即构成三维空间方向图 由于与 无关 在的平面内 以 为变量的函数的轨迹为一个圆 如左下图示 主瓣 辐射最大的波瓣副瓣 旁瓣 其余的波瓣 1 主瓣宽度 主瓣宽度越小 辐射能量越集中 方向性越强 2 副瓣电平 副瓣为不需要的辐射 副瓣电平越低越好 前后比 主瓣最大值与后瓣最大值之比 下图以极坐标绘出了典型的雷达天线的方向图 方向图中辐射最强的方向称为主射方向 辐射为零的方向称为零射方向 具有主射方向的方向叶称为主叶 其余称为副叶 为了定量地描述主叶的宽窄程度 通常定义 场强为主射方向上场强振幅的倍的两个方向之间的夹角称为半功率角 以表示 两个零射方向之间的夹角称为零功率角 以表示 10 6 2天线的方向性系数 定义 在相同的辐射功率下 有方向性的天线在给定方向上的辐射功率密度与假想的无方向性的 点源 天线的辐射功率密度的比值 定量地表示能量在给定方向集束程度 可以定量反映方向性的强弱 无方向性天线 定向天线 定义 在相同的辐射功率下 有方向性的天线在给定方向上的辐射场强的平方与假想的无方向性的 点源 天线的辐射场强平方比值 无方向性天线 定向天线 由 无方向性天线 定向天线 方向性系数 在产生相同的辐射场强的条件下 无方向性的 点源 天线所需的辐射功率与定向天线所需的辐射功率之比 方向性系数的计算 10 6 3天线的效率与增益 天线的效率等于辐射功率与输入功率的比值 2 天线的增益 定义 在相同的输入功率下 有方向性的天线在给定方向上的辐射功率密度与假想的无方向性的 点源 天线的辐射功率密度的比值 无方向性天线 定向天线 定义 在相同的输入功率下 有方向性的天线在给定方向上的辐射场强的平方与假想的无方向性的 点源 天线的辐射场强平方比值 无方向性天线 定向天线 定义 在产生相同的辐射场强的条件下 无方向性的 点源 天线所需的输入功率与定向天线所需的输入功率之比 天线的增益表示在相同的输入功率条件下 定向天线辐射能流密度比无方向性天线增大的倍数 天线的增益表示在产生相同的场强条件下 定向天线与无方向性天线相比可以节省的输入功率的倍数 天线的增益等于天线的效率乘以方向性系数 10 6 4天线的输入阻抗 天线的输入阻抗 输入端电压与电流的比值 计算方法 1 等值传输线法 把对称振子天线等效为非均匀有耗平行双线 天线的输入阻抗等于等值平行双线的输入阻抗 2 感应电动势法3 矩量法 NEC IE3D MWO Ensemble4 有限元法 HFSS5 有限差分法6 FDTD Fidelity XFDTD 对称振子的输入阻抗 等值传输线的结果 天线越细 阻抗越大 带宽越小 天线越粗 阻抗越小 带宽越大 单臂长为4分之1波长整数倍附近电抗为0 天线谐振 谐振长度 天线谐振时 电抗为0 天线的长度 半波振子天线的谐振长度略小于半波长原因 1 导线中的波长小于自由空间波长2 天线输入端和末端分布电容效应 10 6 5天线的极化特性 天线的极化特性 天线在最大辐射方向辐射的电磁波的极化方式 直线极化天线 辐射的电磁波为直线极化 电场矢量平行地面的为水平极化天线 电场矢量垂直地面的为垂直极化天线 圆极化天线 辐射的电磁波为圆极化 辐射的圆极化波为右旋的为右旋圆极化天线 辐射的圆极化波为左旋的为左旋圆极化天线 椭圆极化天线 辐射的电磁波为椭圆极化 辐射的圆极化波为右旋的为右旋椭圆极化天线 辐射的圆极化波为左旋的为左旋椭圆极化天线 接收天线的极化特性 天线在最大接收方向输出最大时的入射电磁波的极化方式 为了有效通信 收发天线的极化方式应该相同 即极化匹配 天线的工作带宽 天线的性能指标满足要求的频率范围 根据指标要求 带宽也不同 常用的有阻抗带宽 增益带宽 前后比带宽 轴比带宽等等 通常取最小的带宽作为天线的工作带宽 表示方式 绝对带宽相对带宽上下限频率比 10 7接收天线 接收天线 把电磁波的能量转换为高频电流的能量 接收天线的参数 方向性函数 方向性图 方向性系数 增益 效率 输入阻抗 极化特性 天线的互易性 一根天线作发射天线用时和作接收天线用时其电参数相同 10 7 1天线的有效长度 1 发射天线的有效长度 对称振子的有效长度 2 接收天线的有效长度 接收天线的有效长度等于天线输出最大的电动势除以接收点的电场强度 由天线的互易性 接收天线与发射天线的有效长度相同 在最大接收方向 有效面积 流过这一截面的电磁功率等于天线的最大输出功率 把天线看成面积等于有效面积的一个截面 把流过的电磁功率全部吸收 接匹配电阻后 输出噪声功率为 天线的噪声温度 如果天线的最大输出噪声功率与温度为T一个电阻的最大输出热噪声功率 则这个电阻的温度T为天线的噪声温度 T可以反映噪声功率的大小 10 8线天线阵 天线阵列 若干个天线辐射单元 阵元 按照一定方式排列和馈电 以获得所需的辐射特性 这样的天线系统称为天线阵列 天线阵列的分类 1 按排列方式 直线阵 面阵 圆形阵 立体阵列2 按间距 均匀阵列 非均匀阵列3 按馈电方式 并馈阵 串馈阵 相控阵4 按馈电的调整方式 固定阵列 自适应阵列 我们研究均匀直线天线阵 阵因子 天线阵因子与阵元排列方式与馈电方式有关 与阵元结构无关 天线阵列的方向性函数等于阵元的方向性函数与阵因子相乘 最大辐射方向 等幅同相阵 最大辐射方向垂直于添天线阵 为侧射阵 等幅反相阵 最大辐射方向为天线阵的一端 故为端射阵 最大辐射方向可由馈电相位控制 故为相控阵列 相控阵 均匀直线天线阵N各阵元等间距排列在一条直线上 幅度相同 相邻阵元相差相同 均匀直线阵的阵因子 通过控制相位可以控制主瓣方向 可确定旁瓣方向 旁瓣位置 最大辐射方向垂直于阵列 为边射阵或侧射阵 最大辐射方向为天线阵的一端 故为端射阵 天线阵方向性图相乘原理 天线阵列的方向性图由阵元方向性图与阵因子相乘得到 把每一列 沿x轴 的M个半波振子为一组 其方向性函数为 半波振子沿z轴方向 为阵因子 各组沿y方向组阵 其阵因子为 天线的子阻抗与互阻抗 可以把二元天线等效为一个二端口网络 每个天线的输入阻抗 1 感应电动势法2 矩量法 NEC IE3D MWO Ensemble3 有限元法 HFSS4 有限差分法5 FDTD Fidelity XFDTD 感应电动势法的结果 把地面当作理想导体 反射面影响可用镜像天线的作用等效 放在地面上的天线可用二元天线阵等效 垂直放置 镜像天线为正像 可用等幅同相二元阵来计算 水平放置 镜像天线为负像 可用等幅反相二元阵来计算 方向性图可用方向性图相乘原理来计算 驻波天线 天线上的电流以驻波方式存在 电长度随频率变化 带宽小 只有百分之几到百分之几十 如对称振子天线 行波天线 天线上的电流以行波方式传输 如单导线行波天线 菱形天线 轴向模螺旋天线 行波天线的优点 输入阻抗不随频率变化 频带很宽 行波天线的缺点 为了形成行波 常常需要电阻吸收部分能量 故效率较低 输入阻抗与频率无关 带宽宽 方向行图随频率改变 效率低 频带宽 3 1 结构简单 安装调试方便有一定仰角 适合短波通信增益高面积大 副瓣多 效率低 60 70 水平极化 求出电流后可计算出方向性图和输入阻抗 折合阵子 目的 把信号源的功率尽可能通过天线辐射出去 由于信号源与天线不在一个位置上 需要传输线把信号源与天线连接为了有效传输1 源与负载共轭匹配2 传输线终端阻抗等于特性阻抗为此在源端和天线端都需要匹配网络 常用馈线 匹配网络 10 14面状天线 特点 具有面状结构 存在由一个口径面 多用于微波频段 如喇叭天线 抛物面天线 卡塞格伦天线 透镜天线 通常由两部分组成 初级馈源 把高频电流转化为弱方向性电磁波辐射口径面 用于形成所需的方向性 惠更斯原理 波动中任何波前 等相面 上的每一点都可以看作新的波源 由此产生的次波 在任意时刻 这些次波源的次波包络就是新的波前 惠更斯 菲涅尔原理 波动中任何波前上的每一点都可以看成是新的波源 由此产生次波 空间中任意一点的波幅大小等于各次波源产生的次波传到该点的波幅的叠加 1 惠更斯 费聂耳原理 口径面所产生的辐射场的计算 可以把口径面上的每一点都当作一新的小辐射源 每个小辐射源都发出球面波 这些球面波的场在P点的叠加即为口径面在P点的辐射场 对于面状天线的分析可以分两步 1 求内场 求出开口面上场的分布 2 求外场 由开口面上的场应用惠更斯 菲涅尔原理求辐射场 求内场时 不考虑外场的影响 求外场时 只考虑开口面上的场 导体的影响忽略 2 等效原理 由唯一性定理 在给定区域 如远场 不同的源可以产生相同的场 只要不同的源满足 1 求解区域内源分布不变 2 边界条件不变 如果两个源在给定区域产生的场事项同的 则这两个源是等效的 求外场时不必知道时记得场源 也可以由等效的场源计算 采用等效场源可以使计算简化 等效源可以有多种 等效源的计算 这个等效源在求解区域外 边界面上场不变 产生辐射场与原来的源相同 面状天线的计算可以分两步 1 求内场 计算口径面上的场 从而计算出等效电流和磁流 2 求外场 由等效等效电流和磁流计算辐射场 计算外场时 把口径面分解为许多面元组成 面元等效为电流元和磁流元 由电流元辐射和磁流元辐射公式可计算出面元的辐射 面状天线的辐射等于面元辐射的叠加 面元的辐射 空间的场由电流元和磁流元的场叠加 电尺寸越大 波瓣越窄 幅瓣电平不变0 212 口径面得场分布不均匀 波瓣变宽 副瓣下降 增益下降 口径利用率降低 口径分布越不均匀 主瓣越宽 副瓣越低 口径效率越低 方向图旋转对称 尺寸越大 波瓣越窄 增益越高 均匀分布 口径利用100 口径分布越不均匀 主瓣越宽 副瓣越低 口径效率越低 口径分布越不均匀 主瓣越宽 副瓣越低 口径效率越低 相位直线律偏移时 方向性图形状不变 最大辐射方向发生偏转 相位分布越不均匀 主瓣越宽 副瓣越高 口径利用率越低 增益下降 相位偏差太大时 主瓣会分裂 口径面上相位分布越均匀越好 喇叭天线由波导口逐步扩大而成 喇叭天线可直接辐射 也可作为反射面天线的馈源 喇叭天线的优点 1 口径逐步扩大 不产生高次模 口径面场分布均匀 2 口径逐步扩大 反射少 匹配好 3 扩大口径后 波瓣窄 增益高 直接波导口辐射的缺点 1 为了单模传输 口径不能加大 增益不高2 波导口有突变 反射大 匹配不好 内场的求解 喇叭口面场 近似方法 假定喇叭无限长 当作渐变波导分析 口径面上还是TE10波的场分布 但为柱面波 口径上相位不均匀 口径面上还是TE10波的场分布 但为柱面波 口径上相位不均匀 角锥喇叭 口径面上还是TE10波的场分布 但为柱面波 口径上相位不均匀 辐射场的求解 喇叭天线的辐射相当于一个相位平方律分布 幅度余弦分布矩形口径面的辐射 口径越大 波瓣越窄 方向性图越尖锐 增益越高 方向性越强 张角越大 相位分布越不均匀 波瓣越宽 增益越低 副瓣越大 张角太大 波瓣分裂 由照射器和放射面组成 照射器 产生弱方向性的球面波反射面 旋转抛物面 反射照射器发出的球面波形成方向性尖锐的平面波 优点 增益高 方向性图尖锐 副瓣电