天线1绪论电基本振子的辐射

1、姓名：黄全亮 实验室： 紫松百惠园旁边通信与探测研究所210TEL： E-mail：自我介绍要求：1.教材:天线与电波传播 宋铮 西安电子科技大学出版社 HFSS 天线设计 电子工业出版社 李明洋等2.作业:按时交，占103. 课堂：占10%3.仿真报告:占154.实验:占155.考试:闭卷，成绩占50引言：引言： “海内存知己，天涯若比邻海内存知己，天涯若比邻”已经不是梦想，而是活生生的现实。已经不是梦想，而是活生生的现实。沟通无极限，整个地球只不过是一个沟通无极限，整个地球只不过是一个地球村。这是为什么？因为通信技术地球村。这是为什么？因为通信技术的发展，特别是移动通信的发展，使的发展，特

2、别是移动通信的发展，使得得“随时，随地随时，随地”进行通信成为现实。进行通信成为现实。不管是微波中继通信，卫星通信，雷不管是微波中继通信，卫星通信，雷达工程，电视，广播，只要是无线通达工程，电视，广播，只要是无线通信，它们就需要一个前端设备天信，它们就需要一个前端设备天线。正所谓，只要有无线就要有天线线。正所谓，只要有无线就要有天线（antenna）可见天线在无线通信中的）可见天线在无线通信中的重要性。重要性。一、理论基础一、理论基础天线理论分析是建立在电天线理论分析是建立在电磁场理论分析基础之上的，磁场理论分析基础之上的，求解天线问题的实质就是求解天线问题的实质就是求解特定边界条件下求求解特

3、定边界条件下求Maxwells equations的的解解 。电磁场的边值问题电磁场的边值问题电磁场与电磁波、微波技术基础电磁场与电磁波、微波技术基础计算机辅助设计：计算机辅助设计：hfss ADS ansys二、电磁波的产生二、电磁波的产生; ; 0cscssVsttdvQ BDE dldSH dlJdSD dSB dS 0 tt BDEHJDB；220 ; 0nssnn21212n21212aEEaHHJ aDDaBBqqFEvBt J场源关系场源关系Maxwells equations tt BDEHJ tBE tDHJ tD位移电流二、电磁波的产生二、电磁波的产生三、电磁波的发射三、电

4、磁波的发射电磁波发射条件：有能量来源：发射机，电磁波发射条件：有能量来源：发射机，溃电线（发射机与天线的连接线），是溃电线（发射机与天线的连接线），是有线传输线有线传输线 有效发射的其他条件有效发射的其他条件?例例1：双线传输线：双线传输线例例2：LC振荡回路（存储能量、振荡周期）振荡回路（存储能量、振荡周期）怎样有效发射电磁波怎样有效发射电磁波?三、电磁波的发射三、电磁波的发射电容储存电能 电感储存磁能/CS d2Ln V212WmLI212WeCU发射电磁波（场分布在全空间）：减小L，C形成开放电路 LC振荡回路，最后演变成一根直导线，电路变成开放电路。这振荡回路，最后演变成一根直导线，电

5、路变成开放电路。这根直导线就是传说中的线天线，用来向外辐射电磁波。电流在根直导线就是传说中的线天线，用来向外辐射电磁波。电流在导线上往复流动来回振荡，导线两端（电容器的两个极板）每导线上往复流动来回振荡，导线两端（电容器的两个极板）每一端都有正负电荷电荷交替出现，两端电荷的极性相反。当导一端都有正负电荷电荷交替出现，两端电荷的极性相反。当导线的长度线的长度0时，称为电基本振子时，称为电基本振子 。三、电磁波的发射三、电磁波的发射电磁波发射条件：电磁波发射条件：1）有能量来源：发射机，溃电线）有能量来源：发射机，溃电线 2）有开放电路）有开放电路电波传播：电磁场能发射天线接收天线发射机接收机馈线

6、：高频电流馈线：高频电流只要有无线就要有天线（只要有无线就要有天线（antenna） 天线的作用就是用来辐射和接收无线电波，是天线的作用就是用来辐射和接收无线电波，是一种能量转换装置。发射天线把高频电流的能量一种能量转换装置。发射天线把高频电流的能量转换为空间电磁波的能量，接收天线就是把某个转换为空间电磁波的能量，接收天线就是把某个方向的空间电磁波的能量转换为高频电流的能量。方向的空间电磁波的能量转换为高频电流的能量。通信系统示意图通信系统示意图电波传播：电磁场能发射天线接收天线发射机接收机馈线：高频电流馈线：高频电流天线与电波传播：任何无线电系统的信息传输即包天线与电波传播：任何无线电系统的

7、信息传输即包含电波能量的发射与接收，也包含电磁波在空间的含电波能量的发射与接收，也包含电磁波在空间的传播过程，天线与电波传播理论与技术是无线电科传播过程，天线与电波传播理论与技术是无线电科学的重要组成部分。学的重要组成部分。通信系统示意图通信系统示意图课程名称：天线与电波传播课程名称：天线与电波传播三、电磁波的发射三、电磁波的发射电波传播：主要研究电磁电波传播：主要研究电磁波在介质中传播的过程中，波在介质中传播的过程中，电磁波与传播媒质相互作电磁波与传播媒质相互作用及其在有关电子系统工用及其在有关电子系统工程和环境探测研究中的应程和环境探测研究中的应用。电波传播研究的基本用。电波传播研究的基本

8、问题是不同频段的电波通问题是不同频段的电波通过各种自然环境媒质的传过各种自然环境媒质的传播效应及其在时域、空域、播效应及其在时域、空域、频域的变化规律。电波传频域的变化规律。电波传播在很大程度上也是一门播在很大程度上也是一门实验性科学，需要在长期实验性科学，需要在长期大量的实测积累和应用实大量的实测积累和应用实践中不断完善和发展。践中不断完善和发展。例：平面电磁波在真空与例：平面电磁波在真空与介质中传播特性比较介质中传播特性比较相速度、波长、波数、波相速度、波长、波数、波阻抗等参数阻抗等参数22fT2k 221pfufkT1nHaEZnEZHauZTEM波波四、什么是天线四、什么是天线 对于天

9、线我们是即熟悉又陌生，对于天线我们是即熟悉又陌生，你们是怎样理解天线？手机天线，你们是怎样理解天线？手机天线，无线笔记本电脑天线，电视天线，无线笔记本电脑天线，电视天线，汽车天线，基站天线，雷达天线等汽车天线，基站天线，雷达天线等等，我们随处都可以看得到。但是等，我们随处都可以看得到。但是什么是天线？什么是天线？ IEEE天线定义：能辐射和接收无线电波的装置天线定义：能辐射和接收无线电波的装置天线是无线通信中发射和接收电磁波系统前端设备天线是无线通信中发射和接收电磁波系统前端设备 天线的作用就是用来辐射和接收无线电波，是天线的作用就是用来辐射和接收无线电波，是一种能量转换装置。发射天线把高频电

10、流的能量一种能量转换装置。发射天线把高频电流的能量转换为空间电磁波的能量，接收天线就是把某个转换为空间电磁波的能量，接收天线就是把某个方向的空间电磁波的能量转换为高频电流的能量。方向的空间电磁波的能量转换为高频电流的能量。五、天线的分类五、天线的分类1. 工作性质：发射天线（工作性质：发射天线（T），接收天线（），接收天线（R）（双站雷达天线）收发共用天线（收音机天线（双站雷达天线）收发共用天线（收音机天线）2. 用途：雷达天线用途：雷达天线 广播电视天线广播电视天线 卫星天线卫星天线 导导航天线等，无损检测，雷达工程，通信工程，航天线等，无损检测，雷达工程，通信工程，导航，医学卫生等导航，医

11、学卫生等3. 工作波长（频率）：长波，中波，超短波，微工作波长（频率）：长波，中波，超短波，微波天线波天线4. 天线的结构分析原理：线天线：手机，收音天线的结构分析原理：线天线：手机，收音机；面天线：锅盖；阵列天线：八目宇田天机；面天线：锅盖；阵列天线：八目宇田天线等线等电磁波的接收电磁波的接收？六、授课内容（目录）六、授课内容（目录）.辐射特性参量：1天线参量 电路特性参量:有效长度、有效面积：.电基本振子的辐射：线天线磁基本振子的辐射：环天线3天线家族惠更斯元的辐射：面天线其他：缝隙天线，非频变天线，微带天线等.5电波传播天波，地波，空间波4.天线阵天线阵Frris传输公式，电波传播的菲涅

12、尔区 2.互易定理七、天线的图片电偶极子天线电偶极子天线微带天线微带天线八木天线两并列八木天线引向天线对数周期天线面天线面天线卡塞格伦天线卫星天线卫星天线澳大利亚澳大利亚JindaleeJindalee雷达的收发天线系统雷达的收发天线系统天线防护罩缝隙天线缝隙天线j0a螺距S螺距角a馈电同轴电缆直径D螺旋天线 AB平面等角螺旋天线 高增益栅状抛物面天线高增益栅状抛物面天线室内吸顶天线室内吸顶天线一小段载有高频电流的直导线称为电流元，电流元的长度l ，且半径a l,（细线条件）电流元很短，振子沿线电流强度I可以认为是等幅同相（振幅相等，且相位相同）分布。电流元上电流对应电荷的流动，在微分电流段两

13、端形成（时变的）正负电荷积累，等效为时变电偶极子。这正是赫兹所最先研究和使用的偶极子，故又常称为赫兹偶极子。又由于这是产生电磁振荡辐射的最基本的单元，故称为电基本振子。 第一章第一章 天线基础知识天线基础知识1.1基本振子的辐射基本振子的辐射 1.1.1电基本振子的辐射电基本振子的辐射1.电流元模型（赫兹电偶极子、电基本振子）电流元模型（赫兹电偶极子、电基本振子）发射发射机机导导体体 rJ接地LLa lIla结结构构及及其其结结构构参参数数1.1.2电基本振子所产生的辐射场在球坐标系下，将电基本振子以原点为中心沿轴放置，在球坐标系下，将电基本振子以原点为中心沿轴放置，可得到无限大自由空间中所产

14、生的场：可得到无限大自由空间中所产生的场：发射机发射机导导体体 rJ接地LLaLyREzEHjjRlx223022301sin exp 421cos exp( )411sin exp( )4rIlkHjjk rrrIlkEjjk rrrIlkkEjjjk rrrr rre Ee Ee HjjE rH r 0EHHrchap11相量表达式相量表达式在自由空间中，介电常数e=e0=10-9/36p F/m，导磁率 m=m0=4p10-7 H/m，相移常数k =k0 = 2p/l0（l0为自由空间中的波长）。上述各式中均已略去时间因子exp(jwt)。 其他关系包括： 参数说明0001;fck 与

15、在无耗介质中等同电基本振子所产生的场Hr 0H 0E 021sin exp 4IlkHjjk rrr23011cos exp( )2rIlkEjjk rrr 223011sin exp( )4IlkkEjjjk rrrr 进一步加以分析的工程方法不为零的各场分量中分别包含有r1、r2和r3中的一项或多项，为了进一步考察r不同幂次项的不同贡献，我们可以按距离人为地将天线辐射分割为感应近区和辐射远区来分别进行讨论。1 1HHEr02sin4IlHr301cos4rIlEjr 301sin4IlEjr （1）电场和磁场强度的大小随距离r的增加而迅速减小。（2）电场滞后于磁场90，在时间关系上彼此正交

16、，因而每周期平均辐射功率流密度为零。 *1 Re2SE H有功；将该式和静电场中电偶极子产生的电场以及恒定电流产生的磁场作比较，可以发现，除了电基本振子的电磁场随时间变化外，在近区内的场振幅表达式完全相同，故近区场也称为似稳场或准静态场。即（）的区域称为近区，在此区域内因此忽略式（1-1-1）中的1/r项，并认为电基本振子的近区表达式为0EEHHrr60sinexp( ) 1 14 IlEjjk rr sinexp( )2 IlHjjk rr上述各式推导过程中已经利用了k=2p/l及k/(we)=Z0=120p（真空中的波阻抗）的关系。 电基本振子的远区场表达式为：即（）的区域称为远区，在此区

17、域内辐射远区的特点（1）远区场与r成反比，辐射场是球面波（等相位面是球面）（2）远区场是TEM波（EH互相垂直，且都垂至于传播方向（失径R方向），（3）E，H，Sav成右手关系（4） Eq /Hf =120p，即为真空中的波阻抗，（用公式表示2，3，4 特性，) (5)以速度为真空中的波速（光速）传播（6）电基本振子的辐射场具有方向性，所以是非均匀球面波00;rrEHaEHa电基本振子在不同的方向上有不同的辐射场，称为电基本振子辐射具有方向性60sinexp( ) 1 14 IlEjjk rr sinexp( )2 IlHjjk rr TEM波、波、TE波及波及TM波的电场方向及磁场方向与传播

18、方向的关系波的电场方向及磁场方向与传播方向的关系如下图示。如下图示。 TEM波波EHesTE波波EHesTM波波EHesTEM波、TE波及TM波的电场方向及磁场方向与传播方向的关系如图所示。其中表示传播方向，（a）TEM波：表示电场与磁场均垂直于传播方向，且电场磁场和波的传播方向满足右手规则（b）TE波：表示仅仅电场垂直于传播方向，磁场有沿着波的传播方向的分量（c）TM波：表示仅仅磁场垂直于传播方向，电场有沿着波的传播方向的分量ze电基本振子在不同的方向上有不同的辐射场，称为电基本振子辐射具有方向性所有的实际天线的辐射场都具有方向性0 or 0 0 sin1 E该方向没有辐射（电基本振子轴线方

19、向没有辐射）9该方向有最大辐射（垂直于电基本振子的平面内辐射最强）其它方向 在最大值和0之间远区场强振幅小仅与距离有关、而且均观察点所处的方位也有关，即远区场强振幅小仅与距离有关、而且均观察点所处的方位也有关，即在相等距离在相等距离R处，不同方向辐射场不等，这种特性称为天线的方向性。处，不同方向辐射场不等，这种特性称为天线的方向性。在球坐标系下，有三个坐标，R表示P点到坐标原点的距离，表示在球坐标系下P点的方向，和yzyxxyzrEEHH电流元子午面为常数赤道面为常数90方向图方向图远区的辐射场并非在所有方向上都有同样的强度，相反地，在有些方向上强，而在有些方向上弱，甚至没有辐射。这一点可从场

20、表达式中的sin 因子来看出。远区辐射的这一特点称为辐射的方向性。对电基本振子的辐射场而言，其方向性表现为在离开振子相同距离处不同点的电磁场强各异，且与sin 成正比例1-1 电基本振子的辐射功率，及辐射电阻通过求解功率流密度（坡印廷矢量）沿包围电基本振子的一个闭合曲面上的积分来求得60sin sin;sin2 2 111ReReRe2221160ReResinsin22 2 12jkrjkrjkravRjkrjkravRRavIlEjerIlIlHjeHjerrSEHE aHaE HaIlIlSE HajejearrSjjjjj 22260Resin15sin 2 RRIlIlIlaarrr

21、22222232R2315s15sinsin15sin;sinsin1sinni5avRrrSravSIlSa dsrd d ardRd aIlIlS ndrdrd arIlPd dPsrd dd drPSndsj j jj j j2322220023230022 215sin152 *1 cossin301 coscos130*coscos30*23430*403SrrrIld dIlIlPddIlIlPIllPI j 22001351.2246sincos24611.357nnnnnxdxxdxnnn为偶数积分公式：为奇数辐射电阻辐射电阻Rr： inPinP2280rlR22240rlPI发发射射机机rP发发射射机机rR辐射电阻辐射电阻Rr：电流元向外的辐射能量来自波源，对于波源来说，电流：电流元向外的辐射能量来自波源，对于波源来说，电流元相当于波源的负载。工程实际中为了衡量天线辐射功率的大小，元相当于波源的负载。工程实际中为了衡量天线辐射功率的大小，以辐射电阻以辐射电阻R r表述天线表述天线是将天