电磁场与微波技术

电磁场理论基础电磁场理论基础 磁现象和电现象本质上是紧密联系在一起的， 自然界一切电磁现象都起源于物质具有电荷 属性，电现象起源于电荷，磁现象起源于电荷的运动。变化的磁场能够激发电场，变化的电 场也能够激发磁场。所以，要学习电磁流体力学必须熟悉电磁场理论。 1 电场基本理论电场基本理论 （1） ） 电荷守恒定律电荷守恒定律 在任何物理过程中， 各个物体的电荷可以改变， 但参于这一物理过程的所有物体电荷的代 数总和是守恒的，也就是说：电荷既不能创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到 另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。例如中性物体互相摩擦而带电时，两物 体带电量的代数和仍然是零。这就是电荷守恒定律。电荷守恒定律表明：孤立系统中由于某 个原因产生（或湮 没）某种符号的电荷，那么必有等量异号的电荷伴随产生（或湮没） ， 孤立系统总电荷量增加（或减小） ，必有等量电荷进入（或离开）该系统。 （2） ） 库仑定律库仑定律 12 2 120 21 12 4 r + = r qq f (N) 库伦经过实验发现，真空中两个静止点电荷(q1, q2)之间的作用力与他们所带电荷的电量成 正比，与他们之间的距离 r 平方成反比，作用的方向沿他们之间的连线，同性电荷为斥力， 异性电荷为引力。0为真空介电常数，一般取其近似值 08.8510-12CN -1m-2。 0的值 随试验检测手段的进步不断精确，目前精确到小数点后 9 位（估计值为 11 位） 。库仑反比定 律也由越来越精确的实验得到验证。目前10-16。库仑反比定律的适用范围(10-15m(原子核 大小的数量级)103m)。 （3） ） 电场强度电场强度 0 0 )( )( q rF rE=(Vm-1) 真空中电荷与电荷之间相互以电场相互发生作用。 若试探电荷 q0在电场 r 处受电场力为 F0(r), 则电 场强度为 E(r)。 （4） ） 静电场的高斯定理静电场的高斯定理 = )( 0 1 Sin S qd SE 由于静电场的电力线起始于正电荷，终止于负电荷， 不会相交也不会形成封闭曲线，这就决定通过静电场内 某一封闭曲面S的电通量为此封闭曲面所包围的电荷的 0 1 倍。表明电场是个有源场有源场。 由高等数学的高斯定理，静电场的高斯定理又可以写成微分形式: 00/ = E， 0 为封 闭曲面 S 内的电荷体积密度。 （5） 静电场的环路定理） 静电场的环路定理 由于电荷的电力线或呈辐射状，或呈会聚状，不会出现具有涡旋形状的闭合曲线，表明静 电场是个无旋场，既= L d0lE。此处L为静电场内任一闭合曲线。静电场的环路定理又可 以写成微分形式:0=表面电场是个E。无旋场无旋场 （6） 静电场与物质的相互作用） 静电场与物质的相互作用 由于各种物质内原子对电子的束缚各不相同， 根据束缚强弱的不同可分为导体， 绝缘体和 半导体。在静电场中的导体在达到静电平衡时内部电场强度处处为零（应用于电屏蔽电屏蔽） ，而 绝缘体(既所谓电介质)内部的电场强度为外加的 1 倍。此处为电介质的相对介电常数。 电位移矢量ED=，起始于正电荷，终止于负电荷，不受极化电荷影响。 （7） 边界条件） 边界条件 在介电常数为1和2的分界面上，由于极化电荷的出现，电场会发生突变。 a. 介质分界面两侧的电场强度的切向分量连续。 b. 当介质分界面上有面密度为 0 自由电荷时，介质分界面两侧的电位移矢量的法向分 量发生 0 的突变；当介质分界面上无自由电荷时，介质分界面两侧的电位移矢量的法 向分量连续，且 21 21 =tgtg。此处，1和2分别为介质分界面两侧的电场强 度与法线的夹角。 （8） 稳恒电流的连续方程与欧姆定律） 稳恒电流的连续方程与欧姆定律 由于稳恒电流不会在闭合曲面包围的空间内终止或产生， 稳恒电流一定要形成一个闭合的 回路。即0= S dSJ，此处 J 为电流面密度。写成微分形式:0= J 欧姆认为导体内部某点的电流面密度与电场强度成正比，方向相同。即EJ=，此处，s 为导体的电导率(m)-1，为电阻率的倒数。 当回路中有其他形式的能量转化成电能时，应把欧姆定律扩展到更普遍的形式， )(KEJ+=，此处 K 可以是电源，在流体以速度 U 在磁场 B 中流动时为。 BU 2 磁场基本理论磁场基本理论 (1) 稳恒磁场与安培定律稳恒磁场与安培定律 安培认为组成磁铁的每个分子都具有一个小的环形分子电 流，且都定向规则排列，从而在磁铁表面形成类似螺线管电 流的一圈一圈的环形电流，从而磁铁对外显示出与螺线管一 样的磁性。这表明一切磁现象和磁相互作用，实际上是电流 显示出的磁效应和电流之间的相互作用，磁是运动电荷的一磁是运动电荷的一 种属性。电流之间的相互作用力其实就是磁力种属性。电流之间的相互作用力其实就是磁力 安培对电流的磁效应进行了大量实验研究，在 18211825 年之间，设计并完成了四 个关于电流相互作用的精巧实验，得到了电流相互作用力公式，称为 Ampere 定律，即 两稳 恒电流 L1 和 L2 之间的磁力的大小与电流 I1，I2的大小 成正比，与相对距离 r 的平方成反比，安培将其总结为 () 2 12 1211220 12 4r dd d rlIlI F = 此处0=410-7NA-2，为真空磁导率。 由于时安培总结归纳 出来的规律，与库伦定律不同，没有。 (2) 毕奥毕奥-萨伐尔定律萨伐尔定律 毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart lawBiot-Savart law） 表示电流和由它所激发的磁场之间的关系的 定律。对奥斯特的发现首先进行精确分析的是法国物理学家毕奥（Biot，1774-1862）和 萨伐 尔（Felix Savart，1791-1841） 。毕奥与萨伐尔(Savart 1791-1841 France)在Collge deFrance 大学合作研究稳恒线电流 L 上的电流元 dl 产生的磁感应强度时，实验上发现 磁感应强度可以用下式来求解 2 0 4r d d rlI B = 。 然后拉普拉斯从数学上导出电流I Idl l及其场强dH H之间的关系，（或 d B =0dH ）之间的关 系，因此上式又称为毕奥萨伐尔拉普拉斯（Biot-Sarvart-Laplace）定律。 (3) 磁场的高斯定理磁场的高斯定理 由于磁场的磁感应曲线都是闭合曲线，或者是从无穷远来 到无穷远去， 因此对于闭合曲面S来说， 通过其的磁感应曲线总数为零通过其的磁感应曲线总数为零。 即0= S dSB。 由高等数学的高斯定理，稳恒磁场的高斯定理又可以写成0= B。 表明稳恒磁场是个无无 源场源场。 磁感应通量的单位为韦伯(T/m2)，是为纪念德国科学家韦伯 (4) 稳恒磁场的安培环路定律稳恒磁场的安培环路定律 磁感应曲线有一个明显的特点闭合的磁感应曲线总是围绕着电流的闭合曲线。因 此，磁感应强度 B 沿任何闭合回路 L 的线积分等于穿过 L 的电流总和的m0倍。即 = L dIlB 0 。根据高等数学上的斯托克斯定理，磁场的安培环路定理可以写成如下 微分的形式JB 0 =。 它表明稳恒磁场中任一点的磁感应强度B的旋度为该点电流密度矢量J的m0倍。即磁场是 个有旋场有旋场。 (5) 磁场与物质的相互作用磁场与物质的相互作用 各宏观物体都由原子或分子组成，由于电子的自旋运动，每个原子或分子都相当于一 个分子环形电流，只不过由于分子热运动使分子环形电流排列不规则而不显示磁性。当 磁介质出于外磁场之后，由于外磁场的作用，分子环形电流发生一定的规则排列，从而 表现出一定的磁性。 磁介质中的磁感应强度为 B=（m+1）0=H，m为介质的磁化率，为磁介质 的磁导率。磁化率是反映磁介质被磁化能力的系数。 根据磁导率的大小，磁介质可分为铁磁性介质（ferromagnetics 1） ，顺磁性介 质与（paramagnetics 1）反磁性介质（diamagnetics 1） 。 均匀平面波的极化 电磁波的极化：电磁波在传播的过程中，在垂直于传播方向上电场可能会有两个 或以上的分量。由于每个分量的振幅和相位不一定相同。因此，在空间任意给定 点上，合成波电场矢量E v 的大小和方向都可能随时间变化，这种现象成为电磁波 的极化。 电磁波的极化是电磁理论中的一个重要概念， 它表征在空间给定点上电场强度 矢量的取向随时间变化的特性， 并用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来描 述。 电磁波的极化形式取决于分量的振幅之间和相位之间的关系。 y E和 x E 下面分别从相位和振幅来讨论电磁波的极化形式。 （为了简化问题以下取z=0点 来讨论） 1=或0 xy 则矢端参数方程转化为 合成波电场与x轴的夹角为 为常数 当时取负号时取正号，= xxyy 0 合成电场的端点在一条直线上运动 结论结论：任何两个同频率、同传播方向且极化方向互相垂直的线极化波，当它们的 相位相同或相差为时，其合成波为线极化波。 2x 和和 y 分量的振幅相等且分量的振幅相等且 2 = xy )() E E (arctan x EE )sin() 2 cos(E )cos(E 22 22 yy x x y myx xmxmy xmx xx t constEE tEtE tE += =+= +=+= += += 轴的夹角为合成波电场与 大小为故合成波的电场强度的 时，即当 由此可见，合成波电场的大小不随时间变化，但方向却随时变化，其端点轨迹在 一个圆上并以角速度旋转，故为圆极化波。 当时间加，电场t 的值逐渐增时E v 的端点沿顺时针方向旋转。若以左手大拇指 朝向波的传播方向，则其余四指的转向与电场E v 的端点运动方向一致，故将其成 为左旋圆极化波。 m m arctan()= y x E E 左旋圆极化波 o x E y x E y E a 同理可得 x x m x t EEE += =+= = )arctan( E 2 y 2 y 2 x y 电场大小 时，可得当 此时，随着时间 t 的增加，电场E v 的端点沿逆时针方向旋转，如图所示。若以右 手大拇指朝向波的传播方向，则其余四指的转向与电场E v 的端点的运动方向一 致，故将这样的波成为右旋圆极化波。 右旋圆极化波 o Ex y x E Ey a 一般地，为了判断合成极化波的方向，我们可以沿着波传播的逆方向，合成波的 方向总是朝着相位滞后的线极化波的方向。 结论结论：任何两个同频率、同传播方向且极化方向互相垂直的线极化波，当它们 的振幅相同、相位差为/ 2 时，其合成波为圆极化波。 3 两电场分量的相位和振幅不满足以上条件（更为一般的情况） 2yx 2 2 y 2 2 x y x x sincos EE2 - E E t )cos(E cosE , 0 =+ += = = ymxm ymxm ym xm y EEEE tE tE ，可以得到由此二式中消去 则有为了简单起见，取 这是一个椭圆方程，故合成波电场E v 的端点在一个椭圆上旋转，如图所示 。以看作椭圆极化的特例直线极化和圆极化都可 由下式确定轴的夹角与可以证明，椭圆的长轴 转，为右旋椭圆极化时，它沿逆时针方向旋当 转，为左旋椭圆极化时，它沿顺时针方向旋当 cos 2 2tan x 0- 0 22 ymxm ymxm EE EE = 5小结小结 电磁波的极化状态取决于 Ex 和 Ey 的振幅 Exm、Eym 和相位差 yx 极化形式 线极化： 0、 0，在 1、3 象限； ，在 2、4 象限。 圆极化： /2，ExmEym 。 对+ z 方向波， “” ，左旋圆极化； “” ，右旋圆极化。 椭圆极化：一般情况 对+ z 方向波， 0 ，左旋； 0，右旋 。 均匀平面波的传播特点： 1、电场 E、磁场与传播方向之间相互垂直，是横电磁波 2、电场与磁场的振幅不变 3、波阻抗为实数，电场与磁场同相位 4、电磁波的相速与频率无关 5、电场能量密度等于磁场能量密度 6，E 和 H 在传播方向上的分量为0. 3.传输线的传输特性传输线的传输特性 什么是传输线什么是传输线 让 我们从什么是传输线开始说起，传输线就是由两个有一定长度的导体构成。一条是信号 的传播路径， 另外一条是返回路径 （忘掉“地”这个词而代之“返回路 径”） 。 在多层板设计中， 每条走线都是传输线的一部分， 而相邻的参考平面则作为返回路径。 构成一条良好的传输线 的条件是，在沿着其长度分布的任何地方其特 征阻抗都是连续的。构成一块 PCB 是“阻抗 受控”电路板的条件是，板上所有走线的特征阻抗都达到一个指定值，这个值通常在 25 到 70 之间。那么到底是 什么决定了这些条件的呢？是特征阻抗吗？ “假如我们自己就是信号假如我们自己就是信号”EDA365 论坛网 , m# i% s9 q1 n. u 思考特征阻抗的一个最简单的办法，就是看当信号沿着传输线传播时，信号感受到了什么。 首先，让我们假设一条传输线恰好是一条微带线，而且在这条走线的任何地方截面都相同。 c, % h$ y2 M) R$ i! O) ?5 q 假 设我们给这条线加一个 1V 的阶跃电压，比如我们在这条线和它的返回路径之间接上一 个 1V 的电池。在我们接上的瞬间，电压信号就以光在介质中的速度沿着走线 向前传播， 这个速度典型值约 6in/ns。这个信号，当然，就是在信号线和相邻返回路径上任意相邻两点 测得的电压差。: V6 2 n/ K: I% k Q 用 一种拟人化的方法，假如你自己就是信号，以 6in/ns 的速度沿着传输线向前传播。那么 你会看到什么呢？在刚开始的 10ps 内，你沿着传输线走了约 0.06in，让我们把时间固定再 来看传输线，在你身后，你已经在传输线和返回路径之间建立起了稳定的 1V 电压信号，这 就意味着在你身后的传输线上有额外 的正电荷，在返回路径上有额外的负电荷。就是这些 额外的电位差维持了构成电容器的两个导体之间的 1V 电压信号。在你前面，传输线并不知 道你正在往前走，所 以信号线和返回路径之间的电压仍然是 0V。在下一个 10ps 内，随着 你的脚步，你将把你脚下长度为 0.06in 的区域上的电压从 0V 改变成 1V。要做到这 一点， 你必须给信号线增加一些正电荷，给返回路径增加一些负电荷。对于你走的每一个 0.06in 长度，你都要增加更多的正电荷给信号线和更多的负电荷给返 回路径。每 10ps，传输线上 就有另外一个长度区域就被充电， 信号沿着传输线向前传播。 但是充电的电荷是从哪里来的 呢？6 ) M- ; d8 q3 L 答 案：电荷是从源头来的，也就是我们为了给传输线上建立初始信号而给传输线接上的那 个电池。当我们自己是信号并沿着传输线前进的时候，我们就连续地给传输线 充电。在我 们身后的信号线和传输路径上，便留下了 1V 的电压差。每 10ps，我们就开始新的脚步并从 电池吸取另外一部份电荷 dQ，这个恒定的电荷常量 dQ，在恒定的时间间隔 dt 内从电池流 出，这样就形成了恒定的电流。正电流流入信号线，负电流在相同的时刻流入返回路径。 负电流流入返回路径其实也就是正电荷流出返回路径。 而且， 恰好在信号波形的前沿这个地 方，交流电流从信号线和返回路径构成的电容上流过并形成回路。 $ i5 H3 X0 q: l3 f 传输线的阻抗传输线的阻抗EDA365 论坛网站|PCB 论坛网|PCB layout 论坛|SI仿真技术论坛 3 m 7 i7 h$ E$ p 从电池的角度来看，一旦你把它连接到传输线的前端上，为了维持稳定的电压，就会有一个 恒定的电流流出。你可能会问，什么类型的电路元件具备如此特性-保持电压恒定不变而 有恒定的电流流动，这就是电阻。EDA365 论坛网站|PCB 论坛网|PCB layout 论坛|SI仿真技术论坛; K- X% z9 f1 k$ s3 ?$ T 对电池来讲， 当信号沿着传输线传播的时候 （着重强调） ， 每 10ps 就连续地充电 0.06in 长度， 并从源头吸收一个恒定的电流。 这时的传输线看起来就像一个有恒定阻值的电阻， 我们也称 之为传输线的瞬态阻抗。 同 样，当你自己作为信号在传输线上走的时候，随着你迈出的每一步，都能连续地感受到 传输线的电磁环境并总是问，我下一步的阻抗是什么？当你的脚步落到传输线 上的时候， 你总会问，在我迈出下一步之前，需要多少电流才能在 10ps 之内把我脚下这一步的电压充 到 1V 呢？这就是你感受到的瞬态阻抗。EDA365 论坛网站|PCB 论坛网|PCB layout 论坛|SI仿真技术论坛* q) T( y3 g) C8 V+ x w% i. A$ r8 L i( E. q 为 了得到最佳的信号质量， 互连设计的目标就是尽可能地让传输线的阻抗保持连续 （恒定） 。 这意味着，首先要保持传输线的特征阻抗连续，其次是在加工阻抗受控电 路板时不断增加 的阻抗。所有其它的一些设计窍门，比如减少 stub 长度，给末端加匹配，比星形连接更常 用的菊花链，所有的这些设计都是为了保证信号感受到 的阻抗连续。EDA365 论坛网7 W; F9 m r1 q 6 k1 j, l! 8 s g5 o4 _! V, v( % z: Y 特征阻抗的计算特征阻抗的计算: f+ Y3 _: x, k* b; C, G) 从以上这个简单的模型中， 我们可以对信号传播时感受到的特征阻抗作一个估算。 信号在每 一个步长中感受的阻抗 Z 就是阻抗最基本的定义， Z = V/IEDA365 论坛网站|PCB 论坛网|PCB layout 论坛|SI仿真技术论坛3 M 5 m% i1 $ i0 U; 电压就是信号加在传输线上的电压 V，电流 I 就是在每一个步长时间 dt 里从你脚下流出的 充电电荷 dQ： I = dQ/dtEDA365 论坛网站|PCB 论坛网|PCB layout 论坛|SI仿真技术论坛 0 J2 D u# t 这个简单的公式可以让我们把对电容的直观认识联系到新发现的特征阻抗的认识上来。 这说 明如果你增加单位长度的电容，比如增大线度，那么就会导致特征阻抗减小。 4.微波传输线类型和特点 a、什么是微波集成传输线？ 答：它是由微波技术与半导体器件及集成电路结合而成的，从而产生了集成化的 平面结构的微波传输线，集成化的微波传输线称为微波集成传输线。 b、微波集成传输线具有何特点？ 答： （1）体积小、重量轻、性能好，一致性号，成本低； （2）具有平面结构，通 过调整单一平面尺寸来控制其传输特性。 c、微波集成传输线可分哪几类，各类主要有那些？ 答： （1）准 TEM 波传输线，主要有微带传输线和共面波导管； （2）非 TEM 波传输线，主要有槽线、鳍线等； （3）开放式介质波导传输线，主要包括介质波导、镜像波导等； （4）半开放式介质波导，主要包括 H 形波导，G 形波导。 5. 微波网络及网络参数 5. 微波网络及网络参数 5.1 具有特定内容（含义）的特殊微波网络 5.1.1 平行耦合线定向耦合器 4 2 3 1 图 28 平行耦合线定向耦合器 5.1.2 兰格（Lange）定向耦合器 14 32 0 68101214 Frequency (GHz) -35 -25 -15 -5 DB(|S2,1|) Lange Coupler DB(|S3,1|) Lange Coupler DB(|S4,1|) Lange Coupler 图 29 Lange 定向耦合器 5.1.3 威尔金森（Wilkinson）功分器/合路器 3 2 1 1819202122 Frequency (GHz) Wilkinson Power Divider 0 -40 -30 -20 -10 DB (|S1,1|) PD DB (|S2,1|) PD DB (|S3,1|) PD 图 30 功分器/合路器 5.1.4 阶梯阻抗变换器 21 图 31 阶梯阻抗变换器 5.1.5 微带线低通滤波器 图 32 微带线低通滤波器 5.1.6 平行耦合线带通滤波器 -80 -60 -40 -20 0 9101112131415 freq, GHz dB(S(2,1) dB(S(1,1) 图 33 平行耦合线带通滤波器 5.1.7 其它，如交指滤波器、谢夫曼移相器及分支线定向耦合器等，也都具有固定（特定） 的网络形式。 5.2 一般网络 微波网络是由各种微波元件根据需要组合而成， 所以网络的形式具有任意性。 上面介绍 的那些特殊网络只是其中一些典型的形式而已。 一般来说，简单的网络通常是窄带的电路，如g/4 线。这一点，在设计宽带匹配电路 时，需要引起注意。 5.3 网络参数 我们经常使用 S 参数（即散射参数）来描述微波网络。以下面的二端口网络为例。 图 34 二端口微波网络 在图 34 所示的二端口微波网络中，a1 和 b1 分别为端口 1 的归一化入射电压波和反射 电压波；a2 和 b2 分别为端口 2 的归一化入射电压波和反射电压波。二端口微波网络的输入 和输出之间的关系可以表示为 （1） += += 2221212 2121111 asasb asasb 即 = 2 1 b b 2 1 a a S 其中 （2） =S 2221 1211 ss ss 式（1）称做散射方程，叫散射矩阵或散射参数。 S 由式（1）可以得出二端口网络的 S 参数为： S11= 02 1 1 =a a b ，即当端口 2 匹配时（ZL=Z0） ，端口 1 的反射系数； S22= 01 2 2 =a a b ，即当端口 1 匹配时（ZS=Z0） ，端口 2 的反射系数； S12= 01 2 1 =a a b ， 即当端口 1 匹配时，端口 2 到端口 1 的传输系数； S21= 02 1 2 =a a b ，即当端口 2 匹配时，端口 1 到端口 2 的传输系数。 通过上面的分析我们可以看出，微波网络的 S 参数具有确定的物理意义。实际上，我们 以往所经常使用的如 Z 参数、Y 参数和 H 参数等均可以通过计算与 S 参数互相换算。但在微 波频率上，只有 S 参数是可以测量出来的，这样也就解决了微波网络参数的测量问题。 另外，对于端口数为 N 的多端口网络，我们同样可以得到类似于式（1）的表达式，这 时为 NN 维的矩阵。 S 5.4 史密斯（Smith）圆图 5.4 史密斯（Smith）圆图 Smith 圆图是一个非常有用的图形化的匹配电路设计和分析工具，且方便有效，在微波 电路设计过程中会经常用到。 另外，Smith 圆图有阻抗圆图和导纳圆图两种形式，可以视具体情况选用。 图 35 Smith 阻抗圆图 Z=30+j25 图 36 Smith 圆图的应用示例 图 37 图解用的 Smith 圆图标准图纸 由图 35 我们可以看到，在 Smith 阻抗圆图中存在等电阻圆、等电抗线、纯电阻线、电 感平面（jL） 、电容平面（1/ jC） 、开路点、短路点和 50点等等。 当然，相对应的在导纳圆图中也存在等电导圆和等导纳线等。 6.天线的主要参数，几种常用的天线特性 6.天线的主要参数，几种常用的天线特性 (一)天线的作用 各类无线电设备所要执行的任务虽然不同， 但天线在设备中的作用却是基本相同的。 任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。 所以， 天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。 当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都 能用来作为天线。例如任何高频电路，只要不是完全屏蔽起来的，都可以向周围空间或多或 少地辐射电磁波，或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。但是，任意一个高频电路并不 一定能作天线， 因为它辐射和接收电磁波的效率很低。 只有能够有效地辐射和接收电磁波的 设备才有可能作为天线使用。天线的另一个作用是”能量转换”。大家知道，发信机通过馈线 送入天线的并不是无线电波， 收信天线也不能直接把无线电波送入收信机， 这里有一个能量 的转换过程， 即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端， 天线要把高频电流 转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射。反之在接收时，也是通过收信天线把 截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后， 再送给收信机。 显然这里有一个转换效 率问题。天线增益越高，则转换效率就越高。 (二)天线的分类 天线的形式繁多， 按其用途可以分为发信天线和收信天线； 按使用波段可以分为长、 中、短、超短波天线和微波天线、微带天线等。此外，我们还可按其工作原理和结构来进行 分类。 为便于分析和研究天线的性能， 一般把天线按其结构形式分为两大类： 一类是半径 远小于波长的金属导线构成的线状天线， 另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面构成的面 状天线。线状天线主要用于长、中、短波频段，面状天线主要用于厘米或毫米波频段；甚高 频段一般以线状天线为主，而特高频段则线、面状天线兼用。线状天线和面状天线的基本工 作原理是相同的。 (三)天线的工作原理 天线本身就是一个振荡器，但又与普通的 LC 振荡回路不同，它是普通振荡回路的变 形。图 1-9 示出了它的演变过程。 图中 LC 是发信机的振荡回路。 如图 1-9(a)所示， 电场集中在电容器的两个极板之中， 而磁场则分布在电感线圈的有限空间里， 电磁波显然不能向广阔空间辐射。 如果将振荡电路 展开，使电磁场分布于空间很大的范围，如图 1-9(b)、(c)所示，这就创造了有利于辐射的条 件；于是，来自发信机的、已调制的高频信号电流由馈线送到天线上，并经天线把高频电流 能量转变为相应的电磁波能量，向空间辐射，如图 1-9(d)所示。 电磁波的能量从发信天线辐射出去以后， 将沿地表面所有方向向前传播。 若在交变电 磁场中放置一导线，由于磁力线切割导线，就在导线两端激励一定的交变电压电动势， 其频率与发信频率相同。 若将该导线通过馈线与收信机相连， 在收信机中就可以获得已调波 信号的电流。因此，这个导线就起了接收电磁波能量并转变为高频信号电流能量的作用，所 以称此导线为收信天线。无论是发信天线还是收信天线，它们都属于能量变换器，“可逆性” 是一般能量变换器的特性。同样一副天线，它既可作为发信天线使用，也可作为收信天线使 用，通信设备一般都是收、发共同用一根天线。因此，同一根天线既关系到发信系统的有效 能量输出，又直接影响着收信系统的性能。 天线的可逆性不仅表现在发信天线可以用作收信天线， 收信天线可以用作发信天线， 并且表现在天线用作发信天线时的参数， 与用作收信天线时的参数保持不变， 这就是天线的 互易原理. 为便于讨论，常将天线作为发信天线来分析，所得结论同样适用于该天线用作 收信天线的情况。 (四)天线的主要参数 1.天线效率 天线效率为天线辐射功率 Pr 与天线输入功率 Pin(辐射功率与天 线内所消耗的功率 Ps 之和)之比。即 上式还可用天线输入端的辐射电阻 Ro 和损耗电阻 Rs 表示，即 可见，要提高辐射效率，应设法增大辐射电阻和减小损耗电阻。 2.方向性系数 为了定量表示天线辐射功率在空间的集中程度， 我们采用方向性 系数 D，并定义如下： 在相同的辐射功率下，天线产生于某点的电场强度的平方 E2 与 点源天线(无方向性辐射源)在该点产生的电场强度平方 Eo2 之比， 叫做该天线在该点方向的 方向性系数，即 Prz 和 PDZ 分别表示该天线与点源天线的辐射功率。由定义可 知，由于天线在各个方向辐射强度不同，方向性系数 D 也不同，一般所讲的某天线的方向 性系数，都是指最大辐射的方向性系数(除注明方向)，并且实际天线的方向性系数都是大于 1 的。 3.增益系数 天线增益系数等于天线效率 与其方向性系数 D 的乘积，即 G=D。天线增益比天线方向性系数更全面地反映了天线的性质。天线增益不仅考虑了方向 性引起的场强变化， 还考虑了天线效率对场强的影响。 天线增益系数一般可用分贝(dB)表示， 即 G(dB)=10logG。 在工程上，人们常把上述定义的增益称为“绝对增益”，而把相对 于某一特定的作为参考标准的天线增益称为“相对增益”。 4.方向图 一个发信天线向空间各方向辐射能量的强弱是不相同的。同样， 对于同样强度的辐射波， 收信天线拾取功率的大小也与电磁波的方向有关。 天线方向图用来 表示天线的辐射或接收强度随空间方向的对应关系。 在指定平面上以天线振子中心为原点，绘出许多射径方向的向 量， 取其长度正比于各射径方向上等距离各点处的场强， 将所有向量的末端连结成一条曲线， 该曲线就是天线在指定平面上的方向图。通常取场强最大值定为 1，其它各方向按最大值的 百分数来标注。为了实用和方便，人们一般取其场强在两个互相垂直的主要平面(E 面和 H 面)上的投影来反映整个天线的方向图。E 面是通过天线最大辐射方向并平行于电场向量的 平面，H 面是通过天线最大辐射方向并垂直于 E 面的平面。某天线的方向图如图 1-11 所示。 在天线方向图中， 两半功率点间的夹角为方向图的波束宽度， 如 束宽度的大小，表示天线方向性的强弱。 5.输入阻抗 为使天线能获得最多的功率， 应使天线与馈线匹配， 就需要知道 天线的输入阻抗。天线的输入阻抗 Zin 为输入端电压与输入端电流之比。即 输入阻抗一般包括输入电阻和输入电抗。 输入电阻对应于天线辐 射的功率和天线系统损耗的功率，即 Rin=Rro+Rs Rs 为从输入端计算的损耗电阻，输入电抗对应于天线周围感应 场的无功功率。 6.工作频带 天线工作频带的含义与电路频带的含义相类似， 它是指天线在工 作时能符合某种技术要求的频率范围。 对于只有一个频率或几个频率相距很近的通信设备而 言，天线的频带宽度无需考虑。但对于具有两个以上频率，而且频差又较大的通信设备，就 不能不考虑天线的频带宽度。 二、通信设备常用天线与架设 通信设备天线的种类较多， 其性能也有所不同。 就通信设备体积 大小和移动性能而言， 天线则有基地固定式通信设备天线、 车载式通信设备天线和便携袖珍 式通信设备天线等。 (一)基地固定式通信设备天线 由于基地或固定式通信设备具有一定的通信范围要求加之下属 移动通信设备天线较矮的缘故， 为保证视距范围内的通信， 要求基地或固定式通信设备的天 线架设应尽量高，一般架设在高层建筑物的顶部或铁塔上。 1.常用天线种类 (1)J 型天线 它是将同轴线的芯线伸长而成。天线部分长度为 /2( 为波长)， 末端馈电借 /4 长的阻抗变换器与同轴馈线阻抗匹配，如图 1-12(a)所示，图(b)是为了防止 雷击而把电缆芯线与外皮对调而成。 (2)同轴偶极天线 它是用同轴线的外套与芯线伸长部分组成一个半波垂直振子， 在 半波振子的中点接入同轴馈电线而成， (3)布朗天线它是将半波偶极天线下半部分导体改成四根辐向 线，垂直辐射部分折叠接地而成，这样制作既能提高天线输入阻抗与工作带宽，又能起防雷 击作用。 (4)引向天线 它是由一根有源振子和几根无源振子(引向器和反射器)组成的 寄生天线。一般有源振子长度为半波谐振长度，引向器较有源振子约短 515%，反射器较 有源振子约长 515%，反射器与有源振子问的距商为(0.10.25)，引向器与有源振子间距 离为(0.10.34)，其型式之一如图 1-14 所示。 (5)全向高增益天线 将半波振子垂直的二单元、 四单元或六单元排列组阵， 水平方向 图没有变化，依旧为一个圆，而垂直方向性将增强，因而可以获得全向高增益天线。 当工作频率比较高时， 高增益天线还可以使用交叉连接同轴电缆 段来组成， 每段电缆的内导体和相邻电缆的外导体交替连接， 每段电缆的长度等于电缆中电 波的半波长， 外皮上的电流分布相位相同。 串联后的同轴电缆全部安装在玻璃钢套管内密封， 下面用电缆引出。 2.天线架设 1)天线尽可能架设到高处，使电波传播距离增加。这点对在城市 中使用的超短波通信设备而言，尤其重要。 2)架设天线要避开周围障碍物，力求做到在通信方向上无阻挡。 对输电线铁塔等小障碍物要离开天线一定的距离， 最好不要位于通信方向上； 对高地的陡峭 斜坡、金属、石头和钢筋混凝土建筑等大障碍物，则要求离开天线的距离越远越好。 3)天线夹板应夹于天线内部接线器部分， 不应该夹于天线发射体 上，以免影响天线的性能。 4)高频电缆不要笔直垂下，最好绕一圈，如图 1-16 所示。固定 后，使受力分散，同时也有避雷作用。 5