天线基础知识全ppt课件.ppt

3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 1 天线与电波传播 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 2 教材 天线与电波传播 王增和卢春兰钱祖平等编著 机械工业出版社参考书 天线原理 2003年7月第一版主编 江贤祚 出版社 北京航空航天大学出版社 Antennas ForAllApplications 1993年第一版主编 JohnD Kraus 出版社 theMcGraw HillCompanies 出版时间 2002 天线 编著 美 JohnD KrausRonaldJ Marhefka 出版社 电子工业出版社 2004年4月第一版 RadioPropagationforModernWirelessSystems 编著 美 JohnD Kraus出版社 电子工业出版社 RonaldJ Marhefka2002年8月第一版 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 3 天线与电波传播 第1章天线基础知识第2章窄带天线第3章宽带天线第4章口径天线 第5章天线新技术第6章电波传播概论 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 4 1 1天线概述 什么是天线 天线是任何无线电系统的基本组成部分天线是一种用来发射或者接收电磁波的器件天线是将传输线中的导行电磁波转化为空间电磁波IEEE 发射或者接收系统的一部分 为发射或者接收电磁波而设计 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 5 发射天线的作用是将发射机的高频电流 或波导系统中的导行波 的能量有效地转换成空间的电磁能量 而接收天线的作用则恰恰相反 因此天线实际上是一个换能器 天线的作用 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 6 发射天线应能使电磁波的能量集中辐射到所规定的方向或区域内 并抑制对其它不需要方向或区域的辐射 接收天线应对某个方向的来波接收最强 而抑制其它方向来波的干扰 也就是说天线应该有一定的方向性 避免能量损耗防止干扰 天线的作用 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 7 天线的方向性 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 8 天线的方向性 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 9 D 0 32 S 0 25 N 10 天线的方向性 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 10 频段2 音频 8 基低频 4 低频 VF VLF LF 5 中频 MF 6 高频 7 甚高频 8 特高频 9 超高频 10 极高频 HF VHF UHF SHF EHF 11 12 13 14 超长波 长波 中波 超短波 分米波 厘米波 毫米波 3Hz 30Hz 300Hz 3kHz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 3THz 30THz 300THz 105km104km103km 102km10km 1km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm 100 10 1 公里 米 厘米 毫米 微米 短波 VLW LW MW SW VSW 米波 音 频 雷达频率 微波频率 红外 视 频 无线电电磁频谱 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 11 无线电广播 通信 遥测 遥控以及导航等无线电系统都是利用无线电波来传递信号的 而无线电波的发射和接收都通过天线来完成 因此天线设备是无线电系统中重要的组成部分 图1 和图2 指出了天线设备在两种典型的无线电系统中的地位 无线电系统中的应用 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 12 天线应能将导波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 发射机或接收机匹配 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上 或对确定方 向的来波最大限度的接受 即天线具有方向性 天线应能发射或接收规定极化的电磁波 即天线有适当的 极化 天线应有足够的工作频带 天线功能 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 13 由麦克斯韦的电磁场理论 变化的电场产生变化的磁场 而变化的磁场又产生变化的电场 这样就产生了电磁波 如广播电台 声 电 电磁波发射 电视台 声光 电 电磁波发射 天线的理论基础 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 14 最早的发射天线是赫兹在1887年为了验证麦克斯韦根据理论推导所作关于存在电磁波的预言而设计的 它是两个约为30厘米长 位于一直线上的金属杆 其远离的两端分别与两个约40厘米2的正方形金属板相连接 靠近的两端分别连接两个金属球并接到一个感应线圈的两端 利用金属球之间的火花放电来产生振荡 当时 赫兹用的接收天线是单圈金属方形环状天线 根据方环端点之间空隙出现火花来指示收到了信号 最早的天线 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 15 1909年马可尼获得诺贝尔物理学奖 后来享有 无线电之父 的美誉 1933年12月7日至12日 马可尼曾到我国访问 并在南京停留 宣传普及无线电知识 他特别讲到 贵国地大民众 无线电最有用处 望贵国人士深明此意 联络民众 交换情感 可造成一强大无匹之国家 马可尼 意大利人 第一个采用大型天线实现远洋通信的 所用的发射天线由30根下垂铜线组成 顶部用水平横线连在一起 横线挂在两个支持塔上 这是人类真正付之实用的第一副天线 自从这副天线产生以后 天线的发展大致分为四个历史时期 马可尼 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 16 在无线电获得应用的最初时期 真空管振荡器尚未发明 人们认为波长越长 传播中衰减越小 因此 为了实现远距离通信 所利用的波长都在1000米以上 倒L形 T形 伞形天线等 由于高度受到结构上的限制 这些天线的尺寸比波长小很多 因而是属于电小天线的范畴 后来 业余无线电爱好者发现短波能传播很远的距离 A E 肯内利和O 亥维赛发现了电离层的存在和它对短波的反射作用 从而开辟了短波波段和中波波段领域 这时 天线尺寸可以与波长相比拟 促进了天线的顺利发展 这一时期除抗衰落的塔式广播天线外 还设计出各种水平天线和各种天线阵 采用的典型天线有 偶极天线 见对称天线 环形天线 长导线天线 同相水平天线 八木天线 见八木 宇田天线 菱形天线和鱼骨形天线等 这些天线比初期的长波天线有较高的增益 较强的方向性和较宽的频带 后来一直得到使用并经过不断改进 线天线时期 1930年之前 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 17 在这一时期 天线的理论工作也得到了发展 H C 波克林顿在1897年建立了线天线的积分方程 证明了细线天线上的电流近似正弦分布 由于数学上的困难 他并未解出这一方程 后来E 海伦利用 函数源来激励对称天线得到积分方程的解 同时 A A 皮斯托尔哥尔斯提出了计算线天线阻抗的感应电动势法和二重性原理 R W P 金继海伦之后又对线天线作了大量理论研究和计算工作 将对称天线作为边值问题并用分离变量法来求解的有S A 谢昆穆诺夫 H 朱尔特 J A 斯特拉顿和朱兰成等 线天线时期 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 18 虽然早在1888年赫兹就首先使用了抛物柱面天线 但由于没有相应的振荡源 一直到30年代才随着微波电子管的出现陆续研制出各种面天线 这时已有类比于声学方法的喇叭天线 类比于光学方法的抛物反射面天线和透镜天线等 这些天线利用波的扩散 干涉 反射 折射和聚焦等原理获得窄波束和高增益 第二次世界大战期间出现了雷达 大大促进了微波技术的发展 为了迅速捕捉目标 研制出了波束扫描天线 利用金属波导和介质波导研制出波导缝隙天线和介质棒天线以及由它们组成的天线阵 在面天线基本理论方面 建立了几何光学法 物理光学法和口径场法等理论 当时 由于战时的迫切需要 天线的理论还不够完善 天线的实验研究成了研制新型天线的重要手段 建立了测试条件和误差分析等概念 提出了现场测量和模型测量等方法 在面天线有较大发展的同时 线天线理论和技术也有所发展 如阵列天线的综合方法等 面天线时期 1930 1945 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 19 微波中继通信 对流层散射通信 射电天文和电视广播等工程技术的天线设备有了很大发展 建立了大型反射面天线 这时出现了分析天线公差的统计理论 发展了天线阵列的综合理论等 1957年美国研制成第一部靶场精密跟踪雷达AN FPS 16 随后各种单脉冲天线相继出现 同时频率扫描天线也付诸应用 在50年代 宽频带天线的研究有所突破 产生了非频变天线理论 出现了等角螺旋天线 对数周期天线等宽频带或超宽频带天线 面天线时期 1945 1959 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 20 人造地球卫星和洲际导弹研制成功对天线提出了一系列新的课题 要求天线有高增益 高分辨率 圆极化 宽频带 快速扫描和精确跟踪等性能 从60年代到70年代初期 天线的发展空前迅速 一方面是大型地面站天线的修建和改进 包括卡塞格伦天线的出现 正副反射面的修正 波纹喇叭等高效率天线馈源和波束波导技术的应用等 另一方面 沉寂了将近30年的相控阵天线由于新型移相器和电子计算机的问世 以及多目标同时搜索与跟踪等要求的需要 而重新受到重视并获得了广泛应用和发展 50年代 70年代 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 21 无线电频道的拥挤和卫星通信的发展 反射面天线的频率复用 正交极化等问题和多波束天线开始受到重视 无线电技术向波长越来越短的毫米波 亚毫米波 以及光波方向发展 出现了介质波导 表面波和漏波天线等新型毫米波天线 此外 在阵列天线方面 由线阵发展到圆阵 由平面阵发展到共形阵 信号处理天线 自适应天线 合成孔径天线等技术也都进入了实用阶段 同时 由于电子对抗的需要 超低副瓣天线也有了很大的发展 由于高速大容量电子计算机的研制成功 60年代发展起来的矩量法和几何绕射理论在天线的理论计算和设计方面获得了应用 这两种方法解决了过去不能解决或难以解决的大量天线问题 随着电路技术向集成化方向发展 微带天线引起了广泛的关注和研究 并在飞行器上获得了应用 同时 由于遥感技术和空间通信的需要 天线在有耗媒质或等离子体中的辐射特性及瞬时特性等问题也开始受到人们的重视 这一时期在天线结构和工艺上也取得了很大的进展 制成了直径为100米 可全向转动的高精度保形射电望远镜天线 还研制成单元数接近2万的大型相控阵和高度超过500米的天线塔 70年代以后 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 22 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 23 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 24 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 25 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 26 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 27 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 28 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 29 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 30 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 31 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 32 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 33 美国新墨西哥州的射电望远镜阵列是由27面直径25米的抛物面天线组成 甚大天线阵每个天线重230吨 架设在铁轨上 可以移动 所有天线呈Y型排列 每臂长21千米 该甚大天线阵隶属于美国国家射电天文台 NRAO 于1981年建成 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 34 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 35 常见的天线形式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 36 1 2天线辐射机理 天线辐射是电磁场中辐射源产生的一种扰动 天线辐射是时变电流源产生 或者说是由作加速运动的电荷所激发 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 37 取一细导线 则电流可以表示成随时间变化 电流公式又可写为假如导线的长度为l 则 天线辐射 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 38 这个公式简单地说明要产生辐射就必须有一个时变的电流或者具有加速度的电荷 我们经常谈到的电流是在时谐状态下的 而电荷往往是讨论其瞬间的情况 为了使电荷产生加速度 必须使导线弯曲或者使其成V形 还可将其表面制成非连续型或使其具有终端 当在时谐条件下振荡时 电荷就会产生周期性的加速度 或者产生时变电流 天线辐射 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 39 时域 可以得到如下结论 1 假如没有电荷运动 就不可能产生电流 也不会有辐射 2 假如电荷在导线内作匀速运动 a 如果导线是笔直无限长的 就不会有辐射 b 如果导线被弯曲或制成V形 使其具有终点或将其截断 以及将其表面制成非连续型都将产生辐射 3 假如电荷在瞬时状态下振动 即便导线是笔直的也将产生辐射 天线辐射 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 40 辐射导线的结构 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 41 天线工作原理 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 42 天线工作原理 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 43 导线载有交变电流时 就可以形成电磁波的辐射 辐射的能力与导线的长短和形状有关 当导线的长度增大到可与波长相比拟时 导线上的电流就大大增加 因而就能形成较强的辐射 通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子 天线工作原理 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 44 天线工作原理 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 45 天线工作原理 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 46 天线工作原理 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 47 天线的种类很多 按用途可将天线分为通信天线 广播电视天线 雷达天线等 按工作波长 可将天线分为长波天线 中波天线 短波天线 超短波天线和微波天线等 按辐射元的类型可将天线分为两大类 线天线和面天线 所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成 主要用于长波 中波和短波波段 面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的 主要用于微波波段 超短波波段则两者兼用 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统 馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线 同轴线传输线 波导或微带线等 由于馈线系统和天线的联系十分紧密 有时把天线和馈线系统看成是一个部件 统称为天线馈线系统 简称 天馈系统 1 3天线概览 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 48 研究天线问题 实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布 空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件 因此 求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件 但这往往十分繁杂 有时甚至是十分困难的 在实际问题中 往往将条件理想化 进行一些近似处理 从而得到近似结果 这是天线工程中最常用的方法 在某些情况下 如果需要较精确的解 可借助电磁场理论的数值计算方法 来进行 本书尽可能地绕过繁杂的推导 计算 主要介绍天线的基本概念 基本理论及与现代通信紧密相关的新技术及其应用 天线概览 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 49 常见天线类型 电小天线谐振天线宽带天线口径天线 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 50 常见天线类型 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 51 主要电气参数 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 52 主要电气参数 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 53 电基本振子是线状天线的基本单元 因此讨论电基本振子具有重要的实际意义 对电基本振子的分析 我 们采用球坐标系 将电基本振子的中心放在坐标系原点 如下图所示 所谓电基本振子是指一段载有高频电流的短导线 导线全长l 导线直径d l 线上的电流振幅是相等的 线上各点的电流相位亦认为是同相的 1 4电基本振子 赫兹电偶极子 无穷小振子 电流元 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 54 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 55 利用矢量磁位A 不难求得空间P点的场强 由于电流元的直径很小 可忽略 所以电流元上的电流可视为线电流 即 设沿z轴方向 长为 z的电基本振子 其电流分布为 假设 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 56 磁场强度 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 57 利用球坐标系中的梯度公式 可得 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 58 由方程可以得到电场强度 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 59 由上式可见 电基本振子的电场有r和 方向两个分量 而磁场只有 方向分量 而且电场矢量和磁场矢量相互垂直 在Er E 和H 分量中都含有1 r 1 r2和1 r3三项或其中二项 现根据观察点P离元电辐射体的远近可分为三个区域 近区 r 1 和中间区域 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 60 1 近区场 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 61 近区场 在近区 kr 1 r 电场E 和Er与静电场问题中的电偶极子的电场相似 磁场H 和恒定电流场问题中的电流元的磁场相 似 所以近区场称为准静态场 由于场强与1 r的高次方成正比 所以近区场随距离的增大而迅速减小 即离天线较远时 可认为近区场近似为零 电场与磁场相位相差90 电场滞后于磁场 说明玻印廷矢量为虚数 也就是说 电磁能量在场源和场之间来回振荡 没有能量向外辐射 所以近区场又称为感应场 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 62 计算近区场的平均功率流密度矢量此结果表明电偶极子的近区场没有电磁功率向外输出 应该指出 这是忽略了场表示式中的次要因素所导致的结果 而并非近区场真的没有净功率向外输出 近区场 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 63 的区域称为远区 在此区域中整理得 2 远区场 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 64 由此可见远区场具有下列特点 1 在远区 电基本振子的场只有E 和H 两个分量 它们在空间上相互垂直 在时间上同相位 所以其玻印廷矢量是实数 且指向r方向 这说明电基本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波 所以远区场又称辐射场 2 远区场纵向分量Er E 而磁场分量只有横向分量H E H 0 u0 0 120 是一常数 即等于媒质的本征阻抗 因而远区场具有与平面波相同的特性 故远区场近似为TEM波 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 65 3 远区场的相位随r的增加不断滞后 其等相位面为r等于常数的球面 辐射场的强度与距离成反比 随着距离的增大 辐射场减小 这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的 当距离增大时 辐射能量分布到更大的球面面积上 4 在不同的方向上 辐射强度是不相等的 这说明电基本振子的辐射是有方向性的 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 66 5 辐射功率与辐射电阻 天线通过辐射场向外部空间辐射电磁波 其辐射功率即为通过包围此天线的闭合曲面的功率流的总和 即 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 67 由上式可见辐射功率与天线的结构 电尺寸以及激励电流有关 为了说明辐射体本身的特性 我们引入另一个参量 辐射电阻R 定义为 电基本振子的辐射电阻 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 68 6 方向性 由式可以看出 电基本振子的辐射场强值在等r距离的球面空间各个方向上是不相同的 方向性函数的坐标图形称为方向性图 它形象描写辐射体向空间不同方向上的辐射能力 由于方向性函数是坐标 和 的函数 因此三维坐标系统中的方向性图为立体图 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 69 7 远区场的E 和H 两个分量中包含了3个部分 比例系数 方向性函数F sin 球面波因子 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 70 1 6磁基本振子 在讨论了电基本振子的辐射情况后 现在再来讨论一下磁基本振子的辐射 我们知道 在稳态电磁场中 静止的电荷产生电场 恒定的电流产生磁场 那么 是否有静止的磁荷产生磁场 恒定的磁流产生电场呢 迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在 但是 如果引入这种假想的磁荷和磁流的概念 将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代 即将 电源 换成等效 磁源 可以大大简化计算工作 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 71 小环天线 最大尺寸不超过十分之一波长的闭合电流环路 小 电尺寸 相对于工作波长而言磁基本振子 小环天线 当交变电流通过小环天线时 其外界电磁场分布相当于一个极性N S交替变化的条形磁铁分布 故小环天线也成为磁基本振子 磁流元 小电流环的辐射场与磁偶极子的辐射场相同 稳态场有这种特性 时变场也有这种特性 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 72 磁基本振子的辐射磁基本振子又称为磁偶极子 磁流元 其实际模型是一个小电流圆环 它的周长远小于波长 且环上载有的时谐电流处处等福同相 表示为 8 3 1小电流环及其等效磁矩 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 73 磁荷为 磁极间的假想电流为 根据电磁对偶原理 自由空间的磁偶极子与自由空间的电偶极子取如下的对偶关系 对偶原理法 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 74 设有一个电流密度为J1的电流源 其媒质参数为 1 1 1 其满足 设有一个磁流密度为M2的电流源 其媒质参数为 2 2 2 其满足 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 75 磁基本振子完整场解 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 76 磁基本振子的远区场解 比较电基本振子的远区场E 与磁基本振子的远区场E 可以发现它们具有相同的方向函数 sin 而且在空间相互正交 相位相差90 所以将电基本振子与磁基本振子组合后 可构成一个椭圆 或圆 极化波天线 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 77 直接积分法 参考课本第18页 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 78 1 7天线的方向性 天线辐射的方向性辐射功率密度的方向性 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 79 1 7 1方向函数 电基本振子远区辐射场 沿z轴方向无辐射 在与振子垂直的方向辐射最强 功率密度S分布的不均匀性 并不是电基本振子的特有现象 它是一切矢量波辐射系统的共同特征 电磁波属于矢量波 所以任何形式的真实天线发出的功率密度S在空间的分布都是不均匀的 S的不均匀性源于远区电场E 远区磁场H的不均匀性 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 80 可以证明 任何一个 相位中心和坐标原点重合的 实际天线 含天线阵列 必然满足如下远区电场分布通式 式中 U0 是与场点坐标 r 无关的复常数 仅取决于场源的强度 f 为电场分布的方向函数 P 22 例1 4 给出了基本振子的远区电场通式的具体表达式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 81 通式中 复常数U0 并没有唯一性 与方向函数的写法有关 方向函数的写法 一般应兼顾数学和工程上的习惯 1 电流分布具有围绕z轴旋转对称且沿z轴流动 则 2 磁流分布具有围绕z轴旋转对称且沿z轴流动 则 3 电流分布具有围绕z轴旋转对称且沿 方向流动 则 垂直极化 水平极化 水平极化 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 82 P 22例1 5线极化圆极化 椭圆极化空间上 正交的电场分量通式存在仅仅是圆 椭圆极化的必要条件 并非充要条件 充分条件是追加时间上正交分量相位相差90 的条件 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 83 1 7 2方向图 辐射方向图简称为方向图 是方向函数f 的图示 方向图形象 直观 弥补了方向函数的抽象性 复杂天线系统 其很难求解出较为准确的方向图函数的解析表达式 此时必须借助测量得到的数据绘出方向图 以了解天线的辐射特性 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 84 1 方向图的分类 空间维数 三维立体方向图 两维平面方向图主截面 平面方向图 E面方向图 H面方向图坐标系 平面方向图 直角坐标方向图 极坐标方向图坐标轴刻度 线性坐标 对数坐标对象不同 场强方向图 方向图 功率方向图 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 85 2 立体方向图 方向函数f 是在与天线保持固定距离情况下测量出来的 定量性差 归一化方向函数 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 86 3 E面 H面方向图 E面方向图 由最大辐射方向 max max 和该方向上远区电场E的方向所确定的E面 与立体方向图相截 所得的平面方向图 H面方向图 由最大辐射方向 max max 和该方向上远区磁场H的方向所确定的H面 与立体方向图相截 所得的平面方向图 P 26图1 16电基本振子E面 H面方向图 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 87 4 方向图的参数 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 88 通常考虑以下几个参数 1 主瓣宽度主瓣轴线两侧的两个半功率点 即功率密度下降为最大值的一半或场强下降为最大值的 的矢径之间的夹角 称为主瓣宽度 表示为 E面 或 H面 主瓣宽度愈小 说明天线辐射的能量愈集中 定向性愈好 电偶极子的主瓣宽度为 2 副瓣电平最大副瓣的功率密度S1和主瓣功率密度S0之比的对数值 称为副瓣电平表示为通常要求副瓣电平尽可能低 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 89 3 前后比主瓣功率密度S0与后瓣功率密度Sb之比的对数值 称为前后比 表示为通常要求前后比尽可能大 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 90 1 7 3方向性系数 在相等的辐射功率下 受试天线在其最大辐射方向上某点产生的功率密度与一理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度的比值 定义为受试天线的方向性系数 表示为 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 91 式中的Pr和Pr0分别为受试天线和理想的无方向性天线的辐射功率 故 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 92 而理想的无方向性天线的辐射功率为故则上式为计算天线方向性系数的公式 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 93 例8 4 1计算电偶极子的方向性系数解 电偶极子的归一化方向性函数为故若用分贝表示 则为D 10lg1 5 1 76dB 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 94 天线的效率定义为天线的辐射功率Pr与输入功率Pin的比值 表示为 1 7 4效率 式中的PL为天线的总损耗功率 通常包括天线导体中的损耗和介质材料中的损耗 若把天线向外辐射的功率看作是被某个电阻吸收的功率 该电阻称为辐射电阻Rr 同样 把总损耗功率也看作电阻上的损耗功率 该电阻称为损耗电阻 则有故天线的效率可表示为可见 要提高天线的效率 应尽可能增大辐射电阻和降低损耗电阻 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 95 1 7 5增益G 在相同的输入功率下 受试天线在其最大辐射方向上某点产生的功率密度与一理想的无方向性天线在同一点产生的功率密度的比值 定义为该受试天线的增益系数 表示为式中的Pin和Pin0分别为受试天线和理想的无方向性天线的输入功率 考虑天线效率的定义可得 以及 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 96 考虑天线效率的定义可得 以及 对于无方向性天线 故G 1 则例如 为了在空间一点M处产生某特定值的场强 若采用无方向性天线来发射需输入10W的功率 但采用增益系数G 10的天线发射 则只需输入1W的功率 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 97 1 8天线的电参数 方向特性 方向图 BW0 5 FSLL 方向系数D 增益G阻抗特性 输入阻抗Zin 效率 A带宽特性 带宽 上限频率fU 下限频率fL极化特性 极化 极化隔离度扫描特性 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 98 1 8 2阻抗特性 1 输入阻抗天线的输入阻抗定义为天线输入端的电压与电流的比值 表示为 式中的Rin表示输入电阻 Xin表示输入电抗 天线的输入端是指天线通过馈线与发射机 或接收机 相连时 天线与馈线的连接处 天线作为馈线的负载 通常要求达到阻抗匹配 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 99 2 辐射阻抗Z 与输入阻抗Zin的区别与联系两者归算电流不尽相同 输入阻抗Zin必须用输入电流Iin归算 辐射阻抗不是一个电路量 可以自由选择归算电流 即使都使用相同的Iin进行归算 Z 和Zin两者还是不同 因为存在着损耗功率 所以天线效率不是100 若天线效率是100 Z 和Zin两者是否相等 借助数值方法求解 Z 和Zin之间是否可以完全逼近 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 100 3 辐射电阻R 与方向系数D的联系 电基本振子或者线电流源 其远区电场为式中 Im是辐射电阻R 的归算电流 则 辐射电阻R 与方向系数D的乘积为 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 101 1 8 3带宽特性 上限频率fU下限频率fL中心频率fC相对带宽倍频带宽 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 102 1 8 3极化特性 天线的极化特性是天线在其最大辐射方向上电场矢量的取向随时间变化的规律 正如在波的极化中已讨论过的 极化就是在空间给定上 电场矢量的端点随时间变化的轨迹 按轨迹形状分为线极化 圆极化和椭圆极化 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 103 线极化 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 104 如果电磁波在传播过程中电场的方向是旋转的 就叫做椭圆极化波 在旋转过程中 如果电场的幅度 即大小保持不变 我们就叫它为圆极化波 向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波 反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 105 1 8 4最佳接收条件 接收天线的最大接收方向对准来波方向 接收天线的极化与来波的极化匹配 凡是正交极化 插入损耗为无穷大 信号阻断 用线极化天线接收椭圆极化天线 或者反过来 其插入损耗均为3dB接收天线的负载与自身的阻抗匹配 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 106 1 9接收天线理论 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 107 一 天线接收的物理过程及收发互易性 上图所示为一接收天线 它处于外来无线电波Ei的场中 发射天线与接收天线相距甚远 因此 到达接收天线上各点的波是均匀平面波 设入射电场可分为两个分量 一个是垂直于射线与天线轴所构成平面的分量E1 另一个是在上述平面内的分量E2 只有沿天线导体表面的电场切线分量Ez E2sin 才能在天线上激起电流 在这个切向分量的作用下 天线元段dz上将产生感应电动势e Ezdz 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 108 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 109 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 110 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 111 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 112 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 113 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 114 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 115 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 116 1 10短振子与半波振子 1 10 1短振子 尺寸远小于一个波长的天线称为电小天线 一般要求其尺寸在工作波长的十分之一以下 电尺寸与物理尺寸的区别 最简单的电小天线是短振子天线 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 117 短振子电流与电场分布 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 118 短振子天线模型 l 电流由中间最大值I线性地递降到端点的零应用k h1 h2 1条件 得到所以用电基本振子辐射场公式计算短振子天线的场 只要将 l h1 h2以及I I0 2代入即可 O 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 119 短振子电流分布函数 短振子电场分布函数 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 120 短振子性质 1 短振子天线与电基本振子的方向函数相同 均为 2 短振子仅相当于强度为的电基本振子 即短振子的有效长度仅为几何长度的一半 也就是说3 短振子的辐射电阻仅为同等长度电基本振子的1 4 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 121 可以看到 电流分布不均匀使得线天线的有效长度小于几何长度 想要提升短振子的辐射电阻 思路有两条 1 设法使电流分布变得均匀一些 2 设法让电荷相对集中于天线的两端 在末端加载金属盘 称为电容极板天线 带帽天线模拟电基本振子的天线 加载传输线天线 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 122 1 10 2半波振子 从结构上看 半波振子与短振子无本质区别 半波振子的长度L为二分之一波长 故曰半波振子 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 123 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 124 半波振子电流分布函数 半波振子电场分布函数 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 125 1 11天线阵的方向特性 天线阵 又称为阵列天线 由若干个单元天线按一定方式排列起来的辐射系统阵元 构成天线阵列的单元天线 阵元可以是线天线 半波振子 环天线 微带天线 缝隙天线或其他形式的天线 组阵目的 为了增强辐射方向性或者为了得到既定的方向性 天线阵可以分为 连续阵和离散阵 广义离散阵 实际使用中 常采用相似阵 所有阵元的类型 结构 尺寸和取向一致 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 126 天线阵特性 阵元数 N 2 二元阵 N 3 三元阵 阵元中心位置轨迹决定了阵的形式 直线阵 圆环阵 平面阵 共形阵等 若阵元间的距离为常数且馈电电流振幅相等 相位呈线性变化 为均匀阵 均匀直线阵 均匀圆环阵 均匀面阵等 按各阵元电流相位配置 配相 的不同 分为边射阵 端射阵和相控阵等 非均匀阵分为两种情况 电流振幅不均匀或者空间不均匀 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 127 1 11 1方向图乘积定理 天线阵方向函数等于元因子与阵因子的乘积 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUniversity 128 1 11 2二元阵 3 28 2020 Dept PEEHefeiNormalUnivers