第1章天线基础知识1 2011PPT课件

第1章天线的基础知识，1.1基本振子的辐射1.2辐射天线的电气参数1.3互定理和接收天线的电气参数1.4对称振子1.5阵列的方向性1.6对称振子阵列的阻抗特性1.7无限大理想导电反射对天线的电气性能的影响，第1章概述，哪个无线电子系统的电波和天线是通信和电子专业学生的重要技术基础课，与电路理论一样，“电波和天线”是工作于电气和电子技术领域的科技人员的必备知识。 另外，现代通信系统的构成在原理上由发送系统、发送系统、接收系统这三个基本部分构成。 发送系统的作用是将声音和图像转换为电信号，放大到足够的强度，并且以预定顺序发送电信号。 图3是通信系统的示意图，其中接收系统选择性地接收必要的信号并且将该信号放大至足够大的尺寸以返回到声音和图像。 传输系统可以在有线或地球周围的空间进行传输，前者称为有线通信，后者称为无线通信。 每个发射天线将这个能量转换为在空间中传播的电磁波，并以特定方式在特定方向上传播，然后通过接收天线在接收侧接收信号。 另外，为了良好地实现上述目的，对于通信系统的映像，天线要求一定的方向特性(定向接收或发射)高转换效率能够满足系统正常工作的带宽产生或接收满足适合条件有效的发射系统(例如，平行双线、同轴线或维护系统) 发射天线的功能(角色、作用)为将发射器输出的高频电流能量(或波导能量)转换为电磁能量并辐射到空间，其中，所述发射/接收天线相互兼容，且所述接收天线的功能(角色)为将来自空间的无线电信号转换为高频电流能量或波导能量并将其发射到接收器新的研究方向：无线通信技术和业务的快速发展为天线提供了许多新的研究方向，同时也促进了许多新天线的诞生。 例如，多频多极化微带天线的体积小、截面低，使得适应于微波和集成电路的发展的电扫描和多波束天线能够同时跟踪多个目标，当适应于现代化军事技术的发展的通信环境变得越来越复杂时， 具有抗噪声能力的自适应天线能够大幅提高接收信号的信噪比。具体地说，作为实现第三代移动通信的重要技术的智能天线，将常规天线改变为能量转换器的主要功能，并且，具有到来角度(DOA )的估计值和预定空间域特征的数字波束赋形(DBF ) 如今智能天线技术已经成为移动通信领域的研究热点，且天线是无线系统中不可或缺的且非常重要的部件，其自身的质量直接影响无线系统的总体性能。 根据工作波长，可以将天线分成超短波天线(3-30KHz )对潜艇通信的长波天线(30-300KHz )导航中波天线(300KHz-3MHz )广播、导航、海通； 短波天线(3-30MHz )广播、军用无线电、导航超短波天线(30-300MHz )广播、军用无线电、导航。 微波天线：雷达： l波段(1-2GHz) s波段(2-4GHz) c波段(4-8GHz) x波段(8-12GHz )雷达，卫星通信：Ku波段(12-18GHz) k波段(18-27GHz) Ka波段(27-40GHz ) 根据u波段：(40-60GHz) v波段(60-80GHz) w波段(80-100GHz )天线特色，将天线分成圆极化天线、线性极化天线、窄带天线、宽带天线、非频率转换天线、数字波束天线等用定向进行分类，可以分类成全向天线、定向天线等，天线的种类：无线通信系统的多样性还包括天线的种类。 根据用途，可以将天线分为通信天线、广播和电视天线、雷达天线、导航和测量天线等，天线种类多，用于不同的频率、不同的用途、不同的情况、不同的要求等不同的情况。 线天线：的天线的直径远小于其几何长度。 与天线横截面上的电流分布无关，根据其结构的外形可分为两类。 一种由导线或金属棒构成的线路天线，主要在长波、短波、超短波中使用的另一种由金属面或电介质面构成的面天线，主要在微波频带使用的微带天线、共面天线，主要在微波频带使用。 高增益天线、中增益天线、低增益天线、电流分布：驻波天线、行波天线、功能分类：发射天线、接收天线或发射/接收共享、应用分类：机载天线、船载天线、车载天线、雷达天线、单脉冲接收天线、干扰天线单极天线、八木天线产品名：八木天线、HD-1920YAGI10极化波：H/V水平波未振幅：50垂直波未振幅：60增益：10.0db连接器：n-50khz、对数周期天线产品名称：偶极天线产品型号： HD-1822频率(GHz):1.8-2.2材料：铝VSWRMax.1.5、双锥天线、对数螺旋天线、碟形天线、对称振子天线、环形天线、对数周期天线、波纹喇叭天线双极化喇叭天线、圆极化喇叭天线、高增益格子状抛物面天线、扩散天线、背面天线产品型号： HD-22RA1200频率(GHz):1.82.6直径(mm):1200带宽(GHz):12增益(dB ) 27.5波宽：6.7VSWRMax.1.5旁瓣电平(dB)-18极化方式：V、h、LR、r、抛物面天线、DH8910宽带全向天线频率范围： 100MHz1300MHz。 增益：2dB (标准)电压驻波比：接头形式： N(K )外形r英寸：用途：适用于电磁兼容测量和移动通信，特别适用于舰船和固定监视站，DH8911有源棒式天线频率范围：0.5MHz100MHz。 电压驻波比：连接器形式： N(K )外形r英寸：用途：可用于接收放大该频带的电磁波信号，性能稳定，适用于电磁干扰测量和移动通信的DH8913宽带折叠天线频率范围： 50MHz2300MHz。 增益：1.5dB (标准)电压驻波比：接头形式： N(K )外形r尺寸：折叠后展开用途：可接收50MHz2300MHz的无线信号的DH8914宽带对数周期天线频率范围： 80MHz2000MHz。 增益： 5dB6dB (标准)电压驻波比：连接器型号： N(K )外形r尺寸：用途：可接收80MHz2300MHz无线信号的DH8915宽带线圈天线频率范围： 0.5MHz100MHz。 增益：2dB (标准)电压驻波比：接头形式： N(K )外形r英寸：用途：能够在水平方向均匀地发射或接收50MHz3000MHz频带的电磁波信号的星载多波束天线、单一天线在卫星上的设置方式、天线展开后的海外馈电系统的三维结构实物、馈电喇叭阵列、 极化变换系统、振幅控制网络、基站天馈系统图像、电波传播的主要研究领域应用于电磁波与传播介质的相互作用和电子系统工程与环境探测的研究。 电波传播研究的基本问题是，不同频带的电波通过各种自然环境(包括某些人为环境)介质的传播效应，以及当时天空、频域的变化规律。 电波的传播是一门实验性的科学，长期在大量实测积累和应用实践中需要不断改进和发展，研究应用的领域和问题也越来越广泛和深入。 天线的分析方法：天线的理论分析基于电磁场理论分析，求解天线问题实质上是求解满足特定边界条件的麦克斯韦方程的解，其解决过程非常复杂。对于实际天线工程中的设计，具体采用的思路既有严格的概念，也有近似的处理，并且用数值分析软件进行计算机辅助设计。 各种天线的结构、特性各不相同，但分析它们的基础是基于电、磁基本振子的辐射机理。 电磁基本振子作为最基本的辐射源，其基本性质已在电磁场课程中介绍。 为了本书的体系，现在进行简要回顾。 1.1基本振子的辐射，1.1.1基本振子的辐射，电基本振子(ElectricShortDipole )也称为电流源，是指理想的高频电流的直线导线，其长度l远小于波长，其半径a远小于l，同时沿振子的电流I到处是相同的宽度由于可以用这样的电流元件来配置实际上更复杂的天线，所以电基振子的辐射特性是研究更复杂的天线辐射特性的基础。 此外，用于线性天线的基本分析方法：(a )将线性天线划分成多个小线性元件，并且其长度基于(b )电磁场叠加规律而为每个电基元件叠加在观测点处发生的辐射场，即线性天线的辐射场，该规律可以是每个小线性元件的电基本振子基本单元的辐射源：可以划分成无数个基本单元，而不考虑有线和平面天线，在这些基本单元上加载了交变电流(或者磁流)或者交变电流和磁流。 假定每个图元上的电磁流的幅度、相位和方向相同。 某个具体的天线是将这些基本要素以一定的结构形式连接而成的。 当然，电磁流在每个元件上的幅度、相位和方向可以根据天线的形状、尺寸和激励条件而不同。 若掌握基本要素的辐射特性，则根据电磁场的重叠原理，若考虑各要素上的电磁流的振幅、相位和方向的空间分布，则能够得到各种天线的辐射特性。基本要素的类型可分为三种，第一类是电流要素，在要素上载交变电流，也称为电基本振子，第二类是磁流要素，在要素上载交变磁流。 正如电磁场理论课程中介绍的那样，有时磁流的概念非常方便。 本节介绍了电磁场的对偶性原理，基于此原理，磁基振子的辐射场可以从电基振子的辐射场对应得到的第三类是面基本元，简称面基，基于古典波动光学的惠斯一菲涅耳原理，在空间的任意点m处，由于包围天线的闭合曲面上的各点的电磁干扰因此认为某个面的天线是由金属面和开口面构成的完全封闭面，金属面的外表面上的电场为零。 因而，仅通过知道开口面上的场合的分布，就能求出空间的任意点的场合。 类似地，可将孔径划分成多个小槽，其中，槽的辐射量可以根据整个孔径场的分布来求出该天线的辐射特性。 (111 )，图111的电子基本振子的坐标，如图111所示，在电磁场理论中，在球坐标系的原点o沿着z轴放置的电子基本振子在无限大的自由空间中显示强度的式子是(112 )，自由空间相移常数，是自由空间的波长。 在该方程中，时间因子ejt被省略。 式中，e为电场强度，单位为V/m； h为磁场强度，单位为A/m； 电场强度下标r、表示球坐标系中的矢量的各成分的er、e、e分别是沿着球坐标系中的r、的增大方向的单位矢量，0=10-9/(36)(F/m )是自由空间的介电常数，0=410-7(H/m )，自由空间导磁率； 因此，忽略式(111)的1/r项，e-jkr1、电基振子的近场式将1 .近场kr1即(r1=r/(2) )的区域称为远方，在该区域内，由式(114)可知，远场的性质与近场的性质完全不同，电场强度相位相同(111 )、(图112电基本振子的电力线、图113电基本振子的远程、(115 )能量向r方向向外侧辐射，因此远程也称为辐射场。 该辐射场具有被称为球面波的性质，因为远区场的坡印庭矢量平均值表示(1)仅两个分量E、H与距离r成反比(扩散)，波的传播速度表示在E和H中包含相位因子e-jkr (球面波函数)，辐射场的等相面为与r常数的球面。 e、h、Sav相互垂直，遵循右手螺旋定律。 (2)因为传播方向的电磁场成分为零，所以称为横电磁波，记为TEM波。 (3)E与H之比为常数，称为介质的波动阻抗，记为。 关于自由空间，(116 )、(4)E和H与sin成正比，电基本振子的辐射具有方向性，辐射场不是均匀的球面波。 因此，实际的电磁辐射不具有完全的球对称性。 这也是所有辐射场的普遍特性。 辐射功率：电偶极向自由空间辐射的总功率称为辐射功率Pr，其等于斜坡方向矢量围绕电偶极的球面积分，即(117)、(118)，因此辐射功率取决于电偶极的电长度，如果几何长度不变，则频率越高或波长越短，辐射功率越大。 由于假设空间介质消耗功率，且空间中没有其它场源，因此发射功率与距离r无关。 辐射电阻：由于辐射的能量不返回波源，为了方便起见，将天线辐射的电力视为被一个等效电阻吸收的电力，将该等效电阻称为辐射电阻Rr。 与普通电路一样，Rr是电流I的辐射电阻，其中I是电流的幅度值。 若将上式代入式(117 )，则电基本振子的辐射电阻为(119 )，也就是输入电流，此时称为换算为输入电流的辐射电阻，1.1.2磁基本振子的辐射，磁基本振子(MagneticShortDipole )也称为磁电流源、磁偶极子。 尽管是虚拟的，迄今为止在自然界中是否存在孤立的磁和磁流还不清楚，但能够应对小环形天线和已经确立的电场波源等实际的波源，因此概念能够简化计算，需要进行讨论。 另外，如图114所示，假设长度l(l)的磁流要素Iml位于球坐标系的原点，根据电磁对偶性的原理，只要进行如下变换即可： (1110 )，图114的磁基本振子的坐标，在此，下标e、m分别对应于电源和磁源， 磁基本振子远场辐射场的公式为(1111 )，将电基本振子的辐射场与磁基本振子的辐射场进行比较可知，除了辐射场的极化方向相互正交以外，其他特性完全相同，电基本振子的辐射场：磁基本振子的实际模型为小电流环，在图115中对应的磁矩与环路上电流的关系在pm=0Is(1112 )式中，s是环路面积矢量，方向由环路电流I右手的螺旋法则决定。 图115求出小电流环和与其等效的磁矩(a )小电流环(b )磁矩、小电流环远区的辐射场，磁矩可视为时变磁偶极，磁极上的磁荷为qm、qm，它们之间的距离为l。 磁负荷间有虚拟的磁