线天线-微波与天线.ppt

6.1基本振子天线的辐射场6.2对称振子天线6.3阵列天线6.4直立振子天线与水平振子天线6.5引向天线与电视天线6.6移动通信基站天线,第6章线天线,6.6螺旋天线6.7行波天线6.8宽频带天线6.9缝隙天线6.10微带天线6.11智能天线,6.1基本振子的辐射,电基本振子:一段载有高频电流的细导线，电流I：振幅均匀分布、相位相同的直线电流元,线天线的基本组成部分,任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。,周围空间辐射场,近区场,准静态场：电场与静电场问题中的电偶极子电场相似,磁场和恒定电流场中的电流元磁场相似;范围小由于场强与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。感应场或储能场电场与磁场相位相差90,玻印廷矢量为虚数,即,电磁能量在场源和场之间来回振荡,没有能量向外辐射。,近区场性质,远区场,|E|=|sin|,电基本振子辐射方向图函数：,.,半功率角：,主瓣零点宽度：FNBW=180,波印廷向量：,磁基本振子,磁基本振子：一个半径为b的细线小环,且小环的周长满足条件：,磁偶极矩矢量为,磁基本振子的场,远区场,与电基本振子相比：有相同的方向函数|sin|,在空间相互正交,相位相差90,图8-1细振子的辐射,6.2对称振子天线,1、结构：,2、电流分布,I(z)=Imsin(h-|z|),在距中心点为z处取电流元段dz,则它对远区场的贡献为,电流源到场点的距离r与从原点算起的r稍有不同，计算相位时，修正为：r=(r2+z2-2rzcos)1/2r-zcos,在幅度计算时：,则细振子天线的辐射场为,式中,为对称振子天线的场强方向图函数,图83对称振子天线的归一化E面方向图,化简后得,对称振子的辐射电阻为:,对称振子的辐射功率为,图8-4对称振子的辐射电阻与h/的关系曲线,半波振子的辐射电阻及方向性应用于短波和超短波波段,它既可作为独立天线使用,也可作为天线阵的阵元。在微波波段,还可用作抛物面天线的馈源。半波振子的E面方向图函数为,Rr=73.1()半波振子的方向函数:D=1.64,方向图的主瓣宽度等于方程:,0180的两个解之间的夹角,由此可得其主瓣宽度为78。因而,半波振子的方向性比电基本振子的方向性（方向系数1.5,主瓣宽度为90）稍强一些。,半波振子的辐射电阻为：,6.3阵列天线,1.二元阵天线元的激励电流振幅相等,天线元2的电流相位超前天线元1的角度为,则远区场电场是沿方向为：,将上面两式相加得M点处的场为,由于观察点通常离天线相当远,故可认为自天线元“1”和“2”至点M的两射线平行,所以r2与r1的关系可写成r2=r1-dsincos同时考虑到,式中:,二元阵辐射场的电场强度方向图函数为,式中,|F(,)|称为元因子称为阵因子。,在各天线元为相似元的条件下,天线阵的方向图函数是单元因子与阵因子之积。,方向图乘积定理:,令=0,即得二元阵的E面方向图函数:,令=/2，得到二元阵的H面方向图函数:,若元因子为半波振子：,例1，画出两个沿x方向排列间距为/2且平行于z轴放置的振子天线在等幅同相激励时的H面方向图。解:由题意知,d=/2,=0,可得到二元阵的H面方向图函数为,等幅同相二元阵(边射阵),等幅反相二元阵(端射阵),例2画出两个沿x方向排列间距为/2且平行于z轴放置的振子天线在等幅反相激励时的H面方向图。,解：当d=/2,=时，得到二元阵的H面方向图函数为,例画出两个平行于z轴放置且沿x方向排列的半波振子,在d=/4、=/2时的H面和E面方向图。解:当d=/4、=/2时，得到H面方向图函数为,由图8-11可见,在=0时辐射最大,而在=时辐射为零,方向图的最大辐射方向沿着阵的轴线（这也是端射阵）。将d=/4、=/2代入式（8-2-10），得到E面方向图函数为,显然,E面的阵方向图函数必须考虑单个振子的方向性。图8-12示出了利用方向图乘积定理得出的E面方向图。,图811天线阵的H面方向图,2.均匀直线阵均匀直线阵是等间距、各阵元电流的幅度相等（等幅分布）而相位依次等量递增或递减的直线阵,如图8-15所示。N个天线元沿x轴排成一行,且各阵元间距相等、相邻阵元之间相位差为。因为天线元的类型与排列方式相同,所以天线阵方向图函数依据方向图乘积定理,等于元因子与阵因子的乘积。这里,我们主要讨论阵因子。类似二元阵的分析,可得N元均匀直线阵的辐射场:,图815均匀直线阵,在上式中令=/2,得到H平面方向图函数即阵因子方向函数为,式中,=kdcos+(8-2-19)式（8-2-18）右边的多项式是一等比级数,其和为,上式就是均匀直线阵的归一化阵因子的一般表示式。图8-16是五元阵的归一化阵因子图。,图816五元阵的归一化阵因子图,6.4直立振子天线与水平振子天线,特点：垂直极化与对称振子场分布一样，但方向性系数是其2倍。最大辐射方向沿地表方向。,直立天线,图821直立天线及其等效分析,方向图函数为：,1、实际上大地为非理想导电体。即实际架设在地面上的单极天线方向图与上述方向图有些差别,主要是因为架设在地面上单极天线辐射的电磁场以地面波方式传播。2、有效高度对于直立天线而言就是有效高度,它是一个衡量单极天线辐射强弱的重要的电指标。当单极天线的高度远小于波长是，有效高度只为实际高度的一半。,直立天线缺点,电感加载单极子天线作用：使天线上电流分布均匀，使水平方向获得最强辐射,电容加载单极子天线作用：可增加天线有效高度，使实际天线可减少尺寸,2、改进型单极子天线,图8-23加顶单极天线(a)T形天线；(b)倒L形天线;(c)伞形天线；(d)带辐射叶形、圆盘形、球形天线,3、降低损耗电阻的鞭状天线,水平振子天线双极天线（形天线）水平振子天线经常应用于短波通信、电视或其它无线电系统中。,特点：水平极化，可抗垂直极化干扰（工业干扰）架设与馈电方便，馈线为600欧平行双导线地面电导率的变化对水平振子天线的影响较直立天线小,其中,是射线与振子轴线即y轴之间的夹角,1)水平振子天线的垂直方向图,(2)水平平面方向图仰角为不同常数时的水平平面方向函数为,由图8-27可见:架设在理想地面上的水平对称振子不同仰角时的水平平面方向图与架设高度无关,但跟天线仰角有关,并且仰角越大,其方向性越弱。由于高仰角水平平面方向性不明显,因此在短波300km以内距离的通信时,常把它作全方向性天线使用。应该指出,上述分析仅当天线架设高度H0.2时是正确的。如果不满足上述条件,就必须考虑地面波的影响了。,T型天线、型天线,结构：,T和应用：超长波、长波天线的形式,T型天线：,型天线，又称倒L型天线,与鞭状天线的差别在于多了一条水平臂。水平臂用于改善垂直部分电流分布，提高辐射效率。与T型天线不同，水平臂将参与辐射，对天线的水平方向图有一定影响。,6.5引向天线与背射天线,1.引向天线,尺寸：反射器L1，有源振子L2，引向器L3：,八木宇田天线,间距d:,二元引向天线的辐射场：,F1()为有源对称振子的方向函数(元因子)；F2()为二元阵阵因子方向函数。,F2()=1+Mej(kdcos+),2、背射天线,3.电视发射天线1)电视发射天线的特点频率范围宽。我国电视广播所用的频率范围:112频道（VHF频段）为48.5223MHz;1368频道（UHF频段）为470956MHz。覆盖面积大。在以零辐射方向为中心的一定的立体角所对的区域,电视信号变得十分微弱,因此零辐射方向的出现,对电视广播来说是不好的。,由于工业干扰大多是垂直极化波,因此我国的电视发射信号采用水平极化,即天线及其辐射电场平行于地面。为了扩大服务范围,发射天线必须架在高大建筑物的顶端或专用的电视塔上。这就要求天线必须承受一定的风荷、防雷等。以上这些特点除了要求电视发射天线功率大、频带宽、水平极化,还要求天线在水平面内无方向性,而在铅垂平面有较强的方向性。,2)旋转场天线设有两个电流大小相等I1=I2、相位差=90的直线电流元,在水平面内垂直放置。,两电流元的合成场为：E=Asin(t+）,旋转场天线方向图是一个“8”字以角频率在水平面内旋转,其效果是在水平面内没有方向性,稳态方向图是个圆。,其方向图在水平面内基本上是无方向的,如图8-37所示。,图8-38正交半波振子阵正交半波振子的水平面方向图,特点：铅垂面内的方向性好结构简单频带比较窄,正交半波振子阵,图839蝙蝠翼天线(a)结构；(b)馈电,蝙蝠翼天线,特点：宽频带！,6.6移动通信基站天线,1.移动通信基站天线的特点移动通信是指通信双方至少有一方在移动中进行信息传输和交换。也就是说,通信中的用户可以在一定范围内自由活动,因此其通信的运行环境十分复杂,多径效应、衰落现象及传输损耗等都比较严重;而且移动通信的用户由于受使用条件的限制,只能使用结构简单、小型轻便的天线。,移动通信基站天线的要求：为尽可能避免地形、地物的遮挡,天线应架设在很高的地方,这就要求天线有足够的机械强度和稳定性;为使用户在移动状态下使用方便,天线应采用垂直极化;根据组网方式的不同,如果是顶点激励,采用扇形天线;如果是中心激励,采用全向天线;为了节省发射机功率,天线增益应尽可能的高;为了提高天线的效率及带宽,天线与馈线应良好地匹配目前,陆地移动通信使用的频段为150MHz(VHF)和450MHz、900MHz（UHF）、1800MHz。,2.移动通信基站天线VHF和UHF移动通信基站天线一般是由馈源和角形反射器两部分组成的。馈源一般采用并馈共轴阵列和串馈共轴阵列两种形式;反射器可以采用条形结构,只要导线之间距d小于0.1,它就可以等效为反射板。两块反射板构成120反射器。反射器与馈源组成扇形定向天线,3个扇形定向天线组成全向天线。,图120角形反射器,图841并馈共轴阵列,3、并馈共轴阵列由功分器将输入信号均分,然后用相同长度的馈线将其分别送至各振子天线上。由于各振子天线电流等幅、同相,根据阵列天线的原理,其远区场同相叠加,因而其方向性得到加强。,图842串馈共轴阵列,串馈共轴阵列利用180移相器,使各振子天线上的电流分布相位接近同相,以达到提高方向性的目的。,每段同轴线的长度为：,图843同轴高增益天线,特点：具有体积小,增益高,垂直极化,水平面内无方向性。如果加角形反射器后,增益将更高。,结构：利用同轴线外导体为辐射振子，同轴线内外导体交叉形成,6.7螺旋天线,螺旋天线的参数有:螺旋直径d=2b;螺距h;圈数N;每圈的长度c;螺距角;轴向长度L。,图845螺旋天线的辐射特性与螺旋的直径的关系,法向模式天线,轴向模式天线,圆锥形模式天线,图8-46法向模螺旋天线的辐射特性分析(a)电基本振子与磁基本振子的组合;(b)E面方向图,辐射效率和增益都较低,主要用于超短波手持式通信机。,法向模螺旋天线,2.轴向模螺旋天线当d/0.250.45时,螺旋天线的一圈的周长接近一个波长,此时天线上的电流呈行波分布,则天线的辐射场呈圆极化,其最大辐射方向沿轴线方向。,瞬时电流分布,经过四分之一周期后,轴向辐射场由y方向变为x方向,即场矢量旋转了90,但振幅不变。依次类推,经过一个周期的时间,电场矢量将连续地旋转360,从而形成了圆极化波。,天线上电流分布是行波。通常,行波天线是由导线末端接匹配负载来消除反射波而构成。最简单的有行波单导线天线、V形天线和菱形天线等,它们都具有较好的单向辐射特性、较高的增益及较宽的带宽,因此在短波、超短波波段都获得了广泛的应用。但由于部分能量被负载吸收,所以天线效率不高。,6.8行波天线,图8-50V形天线(l/=10,=15),图851菱形天线及其平面方向图,图849l=4和8时行波单导线方向图,6.9宽频带天线,在许多场合中,要求天线有很宽的工作频率范围。按工程上的习惯用法,若天线的阻抗、方向图等电特性在一倍频程（fmax/fmin=2）或几倍频程范围内无明显变化,就可称为宽频带天线;若天线能在更大频程范围内（比如fmax/fmin10）工作,而其阻抗、方向图等电特性基本上不变化时,就称为非频变天线。,图852平面等角螺旋天线,平面等角螺旋天线,图853平面等角螺旋天线,图854平面对数周期天线,平面对数周期天线,图855对数周期偶极子天线阵,对数周期偶极子天线阵,6.10缝隙天线,如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝,可使电磁波通过缝隙向外空间辐射而形成一种天线,这种天线称为缝隙天线。由于缝隙的尺寸小于波长,且开有缝隙的金属外表面的电流将影响其辐射,因此对缝隙天线的分析一般采用对偶原理。,图857理想缝隙天线的辐射,理想缝隙天线方向函数为,根据对偶原理,理想缝隙天线的方向函数与同长度的对称振子的方向函数E面和H面相互交换。,图858理想缝隙(2l=/2)辐射方向图,2.波导缝隙天线实际应用的波导缝隙天线通常是开在传输TE10模的矩形波导壁上的半波谐振缝隙,如果所开缝隙截断波导内壁表面电流（即缝隙不是沿电流线开）,表面电流的一部分绕过缝隙；一部分以位移电流的形式沿原来的方向流过缝隙,因而缝隙被激励,向外空间辐射电磁波。,图860波导缝隙天线辐射方向图,6.11微带天线,微带天线自20世纪70年代以来引起了广泛的重视与研究,各种形状的微带天线已在卫星通信、多普勒雷达及其它雷达导弹遥测技术以及生物工程等领域得到了广泛应用。,图862微带天线的馈电,馈电方式：侧面馈电,也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面底馈,同轴线的外导体直接与接地板相接,内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。主要特点:体积小、重量轻、低剖面,因此容易做到与高速飞行器共形,且电性能多样化（如双频微带天线、圆极化天线等）,尤其是容易和有源器件、微波电路集成为统一组件,因而适合大规模生产。在现代通信中,微带天线广泛地应用于100MHz到50GHz的频率范围。,矩形微带天线开路端电场结构,微带天线的辐射原理,微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列。,图865等效辐射缝隙,图867微带天线方向图,3.辐射方