电波与天线大作业一

1、成绩大作业一院系：信息工程学院专业：通信工程班级：AP10059学号：AP1005936姓名：张琰2013年9月25日1、 解释天线的概念，天线在无线电系统中的作用和天线的主要分类（1）天线的概念：天线是一种用来发射或接收无线电波或更广泛来讲电磁波的电子器件。从物理学上讲，天线是一个或多个导体的组合，由它可因施加的交变电压和相关联交变电流而产生辐射的电磁场，或者可以将它放置在电磁场中，由于场的感应而在天线内部产生交变电流并在其终端产生交变电压。（2）天线在无线电系统中的作用：天线应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和太空探索等系统。天线通常在空气和外层空间中工作，也可以在水下运行，甚至在某

2、些频率下工作于土壤和岩石之中。 （3）天线的主要分类：按工作性质可分为发射天线和接收天线。按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频天线按维数来分可以分成两种类型： 一维天线和二维天线一维天线由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双级天线是两种最基本的一维天线。二维天线变化多样，有片状（一块正方形金属）、

3、阵列状（组织好的二维模式的一束片），还有喇叭状，碟状。天线根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、车载天线、基地天线三大类。手持台天线就是个人使用手持对讲机的天线，常见的有橡胶天线和拉杆天线两大类。车载天线是指原设计安装在车辆上通讯天线，最常见应用最普遍的是吸盘天线。车载天线结构上也有缩短型、四分之一波长、中部加感型、八分之五波长、双二分之一波长等形式的天线。基地台天线在整个通讯系统中具有非常关键的作用，尤其是作为通讯枢纽的通信台站。常用的基地台天线有玻璃钢高增益天线、四环阵天线（八环阵天线）、定向天线。2、 详尽推导电基本振子和磁基本振子的辐射电基本振子：电基本振子（Electric Sho

4、rt Dipole）又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l远小于波长，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流I处处等幅同相。用这样的电流元可以构 成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。 电基本振子的坐标电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为：磁基本振子：（一）对偶性原理Maxwell方程的前两个式子为：引入磁流的概念，方程就具有很好的对称性：进行下列代换：利用对偶原理求基本磁振子的辐射场3、说明发射天线的基本参数谐振频率、阻抗、增益、孔径或辐射方向图、极化、效率和带宽等。发射天线还有最大额定功率谐振频率：“谐振频率”和“电谐振”与天线的电

5、长度相关。电长度通常是电线物理长度除以自由空间中波传输速度与电线中速度之比。天线的电长度通常由波长来表示。天线一般在某一频率调谐，并在此谐振频率为中心的一段频带上有效。但其它天线参数（尤其是辐射方向图和阻抗）随频率而变，所以天线的谐振频率可能仅与这些更重要参数的中心频率相近。天线可以在与目标波长成分数关系的长度所对应的频率下谐振。一些天线设计有多个谐振频率，另一些则在很宽的频带上相对有效。最常见的宽带天线是对数周期天线，但它的增益相对于窄带天线则要小很多。增益：天线设计中，“增益”指天线最强辐射方向的天线辐射方向图强度与参考天线的强度之比取对数。如果参考天线是全向天线，增益的单位为dBi。比如

6、，偶极子天线的增益为2.14dBi。偶极子天线也常用作参考天线（这是由于完美全向参考天线无法制造），这种情况下天线的增益以dBd为单位。天线增益是无源现象，天线并不增加激励，而是仅仅重新分配而使在某方向上比全向天线辐射更多的能量。如果天线在一些方向上增益为正，由于天线的能量守恒，它在其他方向上的增益则为负。因此，天线所能达到的增益要在天线的覆盖范围和它的增益之间达到平衡。比如，航天器上碟形天线的增益很大，但覆盖范围却很窄，所以它必须精确地指向地球；而广播发射天线由于需要向各个方向辐射，它的增益就很小。碟形天线的增益与孔径（反射区）、天线反射面表面精度，以及发射/接收的频率成正比。通常来讲，孔径

7、越大增益越大，频率越高增益也越大，但在较高频率下表面精度的误差会导致增益的极大降低。“孔径”和“辐射方向图”与增益紧密相关。孔径是指在最高增益方向上的“波束”截面形状，是二维的（有时孔径表示为近似于该截面的圆的半径或该波束圆锥所呈的角）。辐射方向图则是表示增益的三维图，但通常只考虑辐射方向图的水平和垂直二维截面。高增益天线辐射方向图常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷达等系统需要判定信号方向的时候，会影响天线质量，由于功率分配副瓣还会使主瓣增益降低。带宽：天线的带宽是指它有效工作的频率范围，通常以其谐振频率为中心。天线带宽可以通过以下多种技术增大，如使用

8、较粗的金属线，使用金属“网笼”来近似更粗的金属线，尖端变细的天线元件（如馈电喇叭中），以及多天线集成的单一部件，使用特性阻抗来选择正确的天线。小型天线通常使用方便，但在带宽、尺寸和效率上有着不可避免的限制。阻抗：“阻抗”类似于光学中的折射率。电波穿行于天线系统不同部分（电台、馈线、天线、自由空间）是会遇到阻抗差异。在每个接口处，取决于阻抗匹配，电波的部分能量会反射回源，在馈线上形成一定的驻波。此时电波最大能量与最小能量比值可以测出，称之为驻波比（SWR）。驻波比为1:1是理想情况。1.5:1的驻波比在能耗较为关键的低能应用上被视为临界值。而高达6:1的驻波比也可出现在相应的设备中。极小化各处接

9、口的阻抗差（阻抗匹配）将减小驻波比并极大化天线系统各部分之间的能量传输。天线的复阻抗涉及该天线工作时的电长度。通过调节馈线的阻抗，即将馈线当作阻抗变换器，天线的阻抗可以和馈线和电台相匹配。更为常见的是使用天线调谐器、巴伦、阻抗变换器、包含电容和电感的匹配网络，或者如伽马匹配的匹配段。辐射方向图：辐射方向图是天线发射或接受相对场强度的图形描述。由于天线向三维空间辐射，需要数个图形来描述。如果天线辐射相对某轴对称（如双极子天线、螺旋天线和某些抛物面天线），则只需一张方向图。极化：天线发出的电磁波可以作垂直极化或水平极化。当发射天线与接收天线极化特性相同时，辐射干扰在敏感设备输入端产生的感应电压最强

10、。4、 详尽讨论自由空间的对称振子辐射如图 1 所示，对称振子天线由两根长度均为 的细导线构成。由于中心馈电，所以在振子两臂上的电流是对称的，且呈正弦分布，并在上、下端点趋近于零，振子上的电流分布可表示为     （1）  图1 对称振子天线 式中 为 轴坐标的绝对值， 为电流幅值， 为振子长度的一半。不同长度的对称振子上的电流分布如图2所示。 /2 3/4 3/2 图2 对称振子的电流如图 1 所示，在振子上距对称原点为 处取一长度元 ，当 足够小时， 上流动的电流均匀分布且相位相同，可视 为一个电偶极子，其远区辐射电场为    &

11、#160;                             (2) 为求得对称振子天线的辐射电场，可对式 (2) 进行积分运算，为保证积分能在简单的情况下进行，先对式 (2) 中变量进行分析。式中的积分变量是 ，式中 也随 变化， 是 的函数，这样被积函数显得有点复杂，为此，可做些近似处理，在 的情况下，射线

12、与 在振子附近可视为平行的射线，因此                      (3) 在远区，由于 和 的值差别极小，因此在式 (2) 的分母中，可用 代替 ，但在相位项中 与 的微小差距将会引起较大的相位差，因此必须考虑式 (3) 给出的近似关系。故式 (2) 变为           

13、;   (4) 对式 (4) 进行积分得到 利用积分公式 得到对称振子天线的辐射电场                (5) 同理，可获得对称振子天线的辐射磁场                 (6) 可见，对称振子天线的方向性函数为   &

14、#160;                (7) (a)      (b) (c)       (d) 图 3对称振子的方向图 图 3 给出了四种不同长度的对称振子天线的方向图。 对称振子天线是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线,特别是半波对称振子天线. 单个半波对称振子可单独使用或作为抛物面天线的馈源,也可采用多个半波对称振子组成各种天线阵。5、 解释相

15、控阵天线的基本原理相控阵天线的天线与发射机合一，有许多小的单元组成，它们之间是分开的。即使有一个损坏，整机仍然可正常工作。其性能优于相控阵天线。相控阵天线是用电的方式控制雷达波束的指向变化进行扫描的，这种方式被称为电扫描。相控阵天线虽然不能像其他雷达那样依靠旋转天线来使雷达波束转动，但它自有自己的“绝招”，那就是使用“移相器”来实现雷达波束转动。相控阵天线天线是由大量的辐射器（小天线）组成的阵列（正方形、三角形等），辐射器少则几百，多则数千，甚至上万，每个辐射器的后面都接有一个可控移相器，每个移相器都由电子计算机控制。当相控阵雷达搜索远距离目标时，虽然看不到天线转动，但上万个辐射器通过电子计算机控制集中向一个方向发射、偏转，即使是上万千米外的洲际导弹和几万千米远的卫星，也逃不过它的“眼睛”。如果是对付较近的目标，这些辐射器又可以分工负责，产生多个波束，有的搜索、有的跟踪、有的引导。正是由于这种雷达摒弃了一般雷达天线的工作原理，人们给它起了个与众不同的名字相控阵雷达，表示“相位可以控制的天线阵”的含义。相控阵雷达又分为有源（主动）和无源（被动）两类。其实，有源和