天线技术 课件(西电第二版)第1章

1、第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.1 天线在无线通信系统中的作用天线在无线通信系统中的作用 1.2 天线的分类天线的分类 1.3 无线电波的传播无线电波的传播 习题习题1 第 1 章 绪 论 1.1 天线在无线通信系统中的作用天线在无线通信系统中的作用 通信是当今信息社会进行信息传输、信息交换、信息资源共享的不可缺少的重要手段。根据信息传递媒质的不同，可大致将通信系统分为两大类：一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息的有线通信,如电话、计算机局域网等有线通信系统；另一类是利用无线电波来传递信息的无线通信， 如电视、广播、雷达、导航、移动通信、卫星等无线通信系统。 第 1 章

2、绪 论 图 1-1 无线电通信系统框图 信息源信号变换发射机接收机信号变换受信者第 1 章 绪 论 发射系统由发射机、馈线和发射天线组成；接收系统由接收天线、馈线和接收机组成。无线通信系统的信息传递过程是： 信号经发射机调制成高频电流能量（或导波能量），经馈线传输到发射天线，通过发射天线将其转换为某种极化的电磁波能量，并辐射到预定方向; 电波经过一定方式的传播到达接收点后， 接收天线将其又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送至接收机输入端; 经接收机解调后取出信号，就完成了信息的传送。 第 1 章 绪 论 从通信系统信息传递过程看， 天线的作用主要有： (1) 完成高频电流或导行波与空间无线

3、电波能量之间的转换， 因此称天线为能量转换器。 (2) 为了有效地完成这种能量转换, 要求天线是一个良好的“电磁开放系统”，还要求天线与它的源或负载匹配。 (3) 天线的选择与设计是否合理，对整个无线电通信系统的性能有很大的影响。 (4) 天线应能发射和接收预定极化的电磁波， 并应有足够的工作频率范围。 第 1 章 绪 论 1.2 天天 线线 的的 分分 类类 天线的种类很多，主要有以下一些分类方法： (1) 按用途可将天线分为通信天线、导航天线、广播电视天线、雷达天线和卫星天线等。 (2) 按工作波长可将天线分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。 (3) 按辐

4、射元的类型可将天线分为两大类：线天线和面天线。 线天线由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长波、中波和短波波段；面天线由尺寸大于波长的金属或介质面构成， 主要用于微波波段。这两种天线都可用于超短波波段。 第 1 章 绪 论 (4) 按天线特性分类：按方向特性分，有定向天线、全向天线、强方向性天线和弱方向性天线；按极化特性分，有线极化(垂直极化和水平极化)天线和圆极化天线；按频带特性分， 有窄频带天线、 宽频带天线和超宽频带天线。 (5) 按馈电方式分，有对称天线和非对称天线。 (6) 按天线上的电流分，有行波天线和驻波天线。 (7) 按天线外形分，有V形天线、菱形天线、环行天线、螺旋天线、

5、喇叭天线和反射面天线等。 第 1 章 绪 论 1.3 无线电波的传播无线电波的传播 1.3.1 电波传播的基本知识电波传播的基本知识 频率在几赫至数千吉赫范围内的电磁波称为无线电波。 发射天线或自然辐射源所辐射的电磁波，在自由空间通过自然条件下的各种不同媒质(如地表、 地球大气层或宇宙空间等)到达接收天线的传播过程，称为无线电波传播。在传播过程中，无线电波有可能受到反射、折射、绕射、散射和吸收，电磁波强度将发生衰减，传播方向、传播速度或极化形式将发生变化， 传输波形将产生畸变。此外，传输中还将引入干扰和噪声。 第 1 章 绪 论 1.3.2 视距传播视距传播 所谓视距传播,又称直接波传播, 是

6、指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。当发射天线以及接收天线架设得比较高时，在视线范围内，电磁波直接从发射天线传播到接收天线，还可以经地面反射而到达接收天线。所以接收天线处的场强是直接波和反射波的合成场强，直接波不受地面的影响，地面反射波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形的影响。 视距波在大气的底层传播，传播的距离受到地球曲率的影响。收、发天线之间的最大距离被限制在视线范围内，要扩大通信距离，就必须增加天线高度。一般来说，视距距离可以达到50 km左右。 第 1 章 绪 论 1. 视线距离视线距离 由于地面呈球面形状，因此凸起的地表面会阻挡直射线。将地面上高架天线直

7、射线到达的最大距离d0称为视线距离，见图 1-2。 图 1-2 球形地面上的视距 Ad1d2CBd0R0R0R0h1h2O第 1 章 绪 论 设地球半径：R0=6370 km，且R0h1，R0h2，由简单几何关系可得 10211020210122)(hRhhRRhRd同理可得 2022hRd 则 )(10)(57. 3)(23212100mhhhhRd(1-3-2） (1-3-1）式中，h1和h2的单位为m。第 1 章 绪 论 图 1-3 大气层对电波的折射 n2n1n3n4(a)(b)第 1 章 绪 论 视距传播时，电波是在地球周围的大气层中传播的，大气对电波产生折射和衰减作用。大气层是非均

8、匀介质， 其压力、 温度与湿度都随高度而变化。大气层的介电常数也是高度的函数。在标准大气压下, 大气层的介电常数r随高度的增加而减小，并逐渐趋近于1，因此大气层的折射率 也随高度的增加而减小。若将大气层分成许多薄层，每一薄层是均匀的， 各薄层的折射率n随高度的增加而减小，则当电波在大气层中依次通过每个薄层界面时，射线都将产生偏折，因而电波射线形成一条向下弯曲的弧线，如图 1-3所示。 rn第 1 章 绪 论 当考虑大气的不均匀性对电波传播轨迹的影响时， 视距公式应修正为 )(10)(12. 43210mhhd(1- 3-3） 把通信要求的距离d同视线距离d0比较，有下列三种情况： (1) dd

9、0时，称接收点处于阴影区。(3) dd0时，称接收点处于半阴影区。 如果要保证收发天线之间的电波不受地球阻挡，就要合理选择天线高度，使dh1，rh2时，=0。为反射线仰角, 也等于入射线仰角。 当地面电导率为有限值时，若射线仰角很小，则有R=RHRV-1 或 |R|=|RV|=|RH|=1, =H=V=n其中:RH为水平极化波的反射系数；RV为垂直极化波的反射系数。 H、分别为水平极化波和垂直极化波的反射系数的相角。 若设G1=G2=Gt，r(2h1h2)/d，且不管是垂直极化还是水平极化, 反射波与入射波的极化方向近似一致, 可把矢量相加简化成标量相加, 则可得合成场有效值为 E=E0V (

10、1- 3-6) 第 1 章 绪 论 式中，E0为自由空间场强的有效值, 其值为 )/(300mVrGPEtin(1- 3-7) 式(1-3-6)中，V是衰减因子。对于视距通信电路来说, 电波的射线仰角是很小的(通常小于1), 所以衰减因子V为 dhhrV212sin2sin2 (1- 3-8) 第 1 章 绪 论 由此式可看出接收点合成场具有如下一些基本性质: (1) 当工作波长和收、发天线间距不变时，接收点场强(衰减因子与场强成正比)随天线高度h1和h2的变化而在零值与最大值之间波动， 如图1-5所示。 由图可见：当h2=0时，直射波与反射波波程相等，反射系数R-1，故合成场强为零；当h2增

11、加时，引起波程差或相位差不断变化，当相位差同相时合成场强最大，反相时合成场强最小。 第 1 章 绪 论 图 1-5 接收点场强随天线高度变化的曲线 102030405060708000.20.40.60.811.21.41.61.82天线高度 h/m衰减因子|V |第 1 章 绪 论 (2) 当工作波长和两天线高度h1和h2都不变时，接收点场强随两天线间距的增大而呈波动变化，间距减小，波动范围减小，如图 1-6所示。这是直射波和地面反射波干涉引起的。随着距离的改变，将引起波程差r的变化，即相位的变化。 当两种波相位相同时，二者同相叠加而获得的场强值最大。 反之，相位相反，合成场强值最小。 第

12、1 章 绪 论 图 1-6 接收点场强随天线间距d变化的曲线 50100150200250300350400距离 d/m衰减因子|V |00.20.40.60.811.21.41.61.82第 1 章 绪 论 (3) 当两天线高度h1、h2和间距d不变时，改变工作波长也会得到类似的结果。接收点场强随工作波长呈波动变化的曲线如图 1-7所示。 图 1-7 接收点场强随工作波长的变化曲线 衰减因子|V |00.20.40.60.811.21.41.61.8212345678910/ m第 1 章 绪 论 在式(1- 3-6）和式(1- 3-8）中，当 9211dhh时， dhhdhh212122s

13、in， 则得到维建斯基反射公式: )/(18. 21212mmVGPhhdE(1- 3-9） 式中：、h1、h2的单位取m; d的单位取km；P1的单位取kW。 式(1-3-9)适用于计算平地面上传播距离远大于天线架高度时的接收点场强。第 1 章 绪 论 总之，在微波视距通信设计中，为使接收点场强稳定，希望反射波的成分愈小愈好。所以在设计和选择通信信道路径时， 要尽可能地利用起伏不平的地形或地物，使反射波场强削弱或改变反射波的传播方向， 使其不能到达接收点， 以保证接收点场强的稳定。 第 1 章 绪 论 3 低空大气层对视距波的影响低空大气层对视距波的影响 视距波除了受地面的影响以外，还受到低

14、空大气层即对流层的影响。无论是地对地还是地对空的传播方式，电波传播时， 其射线至少有一部分是在对流层中传播的，因而它必然受到对流层这种传输媒质的影响。 从地面起至上空约1018 km以内的大气层叫做对流层。对流层的空气成分大致与地面附近的相同。在对流层内，气压、 温度和湿度等都随高度而变化，空气的密度随着高度的增加而降低。在通常情况下，随高度的增加，气温和湿度也随之下降。 对流层的参数随季节、昼夜和气象条件的变化而变化。 第 1 章 绪 论 需要注意的是，气象条件可能有种种异常的变化。如在某一高度范围内，随着高度的增加，气温反而上升，这种现象称为温度逆升。 大气对电波的衰减主要来自两个方面。一

15、方面是云、雾、 雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。热吸收与小水滴的浓度有关，谐振吸收与工作波长有关。 另一方面是云、 雾、 雨等小水滴对电波的散射， 散射衰减与小水滴半径的六次方成正比，与波长的四次方成反比。当工作波长短于5cm时， 就应该考虑大气层对电波的衰减，尤其当工作波长短于3 cm时，大气层对电波的衰减将趋于严重。就云、 雾、雨、雪对微波传播的影响来说，降雨引起的衰减最为严重， 对10 GHz以上频率的电波，由降雨引起的衰减在大多数情况下是可观的。因此在地面和卫星通信线路的设计中都要考虑由降雨引起的衰减。 第 1 章 绪 论 1.3.3 空间波传播空间波传播 1

16、 电离层传播电离层传播 1） 电离层对电波的折射与反射 电离层是地球高空大气层的一部分，从离地面60km的高度一直延伸到1000 km的高空。由于电离层的电子不是均匀分布的(其电子浓度N随高度与位置的不同而变化)， 因此电离层是非均匀媒质，电波在其中传播必然有反射、折射与散射等现象发生。 因此，按电子浓度随高度的变化，在电波通过的有限区域中， 仿照电波在视距传播中的处理方法，可将电离层分成许多薄层， 每一薄层的电子浓度是均匀的，但彼此是不等的。设每层厚度为h，各层折射率分别为n1，n2，。第 1 章 绪 论 电离层下面为对流层，其折射率为n0，且n0=1。根据经典电动力学可求得自由电子浓度为N

17、的各向同性均匀媒质的折射率为 18 .8012fNn式中，f为电波的频率。 因为各薄片电离层的电子浓度随着高度的增加而变大，即N0N1N2n1n2ni。图 1-8绘出了电波在分层结构的电离层中连续折射的情况。 (1- 3-10） 第 1 章 绪 论 在图 1-8中，各薄层间的界面上连续应用折射定律可得如下关系： iinnnsinsinsin1100(1-3-11) 也就是说，当电波以入射角0进入电离层时，由于电离层的折射率小于空气的折射率，因此折射角1大于入射角0，射线要向下偏折；当电波进入电离层后，由于电子浓度随高度的增加而逐渐变大，各薄层的折射率依次变小，因此电波将连续地向下偏折，直到到达

18、某一薄层处的入射角n=90时，电波开始回返， 则称此点为反射点。 第 1 章 绪 论 图 1-8 电离层对电波的连续折射情况n0n1n2n3012第 1 章 绪 论 对于线性媒质空间，应用折射定理可以证明下行回返路径将与上行路径对称。 设0为电波进入电离层时的入射角，且n0=1。电波在第n层处到达最高点时，n=90，然后即开始折回地面，则由式(1-3-10)和式(1- 3-11）可得下列关系: 0200sin8 .80190sinsinsinfNnnnnnnnnn (1- 3-12） 或 0sec8 .80nNf (1- 3-13） 第 1 章 绪 论 2） 最高可用频率 电离层反射电波的能力

19、与电波频率有关。当入射角0一定时, 电离层能把电波反射回来的最高可用频率为 0maxmaxsec8 .80Nf(1- 3-14) 式中, Nmax为电离层的最大电子浓度。频率f越高，反射条件要求的Nn越大，所以要在较高处才能回返；Nn越大，电波反射后所到达的距离越远。当电波工作频率高于fmax时，致使反射条件所要求的Nn值大于电离层的最大电子浓度Nmax值，由于电离层不存在比Nmax更大的电子浓度，因此电波不能被电离层“反射”回来， 电波将穿透电离层进入宇宙空间而不再返回地面，如图 1-9 中的f5所示。 这正是超短波和微波不能在电离层传播的原因。 第 1 章 绪 论 图 1-9 0一定而频率

20、不同时电波的轨迹 f1f2f3f4Nmaxf50f5 f4 f3 f2 f1第 1 章 绪 论 3） 电波反射状况与入射角0的关系 当电波频率一定时，由式(1- 3-12）可知，电离层能把频率为f的电波反射回来的最小入射角0 min为 2maxmin08 .801arcsinfN(1- 3-15） 入射角0越小，反射条件要求的Nn越大，则需在较高处才能反射。如果入射角过小，反射条件要求的Nn大于电离层的最大电子浓度Nmax，则电波将穿透电离层而不再返回，如图 1-10中的曲线 4 所示。 第 1 章 绪 论 图 1-10 频率一定时通信距离与入射角的关系 41 2 3 4231静区0第 1 章

21、 绪 论 4） 最佳工作频率fopt 电离层中自由电子的运动将耗散电波的能量，使电波发生衰减，但电离层对电波的吸收主要是在n1层和n2层。因此，为了减少电离层对电波的吸收，电波传播应尽可能采用较高的工作频率。然而当工作频率过高时，电波需要到达电子浓度很大的地方才能被“反射”回来，这就大大增加了电波在电离层中的传播距离，随之也增大了电离层对电波的衰减。为此，通常取最佳工作频率fopt为 fopt=0.85fmax 还需要注意的是，电离层的n1层对电波的吸收是很严重的。 因此当夜晚n1层消失时，天波信号将增强，这正是晚上能接收到更多短波电台的原因。第 1 章 绪 论 总之，电离层通信具有以下特点：

22、 (1) 频率的选择很重要，频率太高，电波将穿透电离层射向太空； 频率太低，电离层吸收太大，以至不能保证必要的信噪比。因此，通信频率必须选择在最佳频率附近。而这个频率的确定，不仅与年、月、日、时有关，还与通信距离有关。同样的电离层状况， 通信距离近的，最高可用频率低，通信距离远的，最高可用频率高。显然，为了通信可靠，必须在不同时刻使用不同的频率。但为了避免换频的次数太多，通常一日之内使用两个（日频和夜频）或三个频率。 第 1 章 绪 论 (2) 电离层传播的随机多径效应严重，多径时延较大，信道带宽较窄。因此，它对传输信号的带宽有很大限制。特别是对于数字通信来说，为了保证通信质量，在接收时必须采

23、用相应的抗多径措施。 (3) 电离层传播不太稳定，衰减严重，在设计电路时必须考虑衰减的影响，使电路设计留有足够的电平余量。 (4) 电离层所能反射的频率范围是有限的，一般是短波范围。由于波段范围较窄，因此短波电台特别拥挤，电台间的干扰很大。尤其在夜间，由于电离层吸收减小，电波传播条件有所改善， 台间干扰更大。 第 1 章 绪 论 (5) 由于电离层传播是靠高空电离层的反射进行的，因而受地面的吸收及障碍物的影响较小，也就是说这种传播方式传输损耗较小，因此能以较小功率进行远距离通信。 (6) 电离层通信，特别是短波通信，建立迅速，机动性好， 设备简单，是短波、天波传播的优点之一。 第 1 章 绪

24、论 2 外层空间传播外层空间传播 电磁波由地面发出（或返回），经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播方式称为外层空间传播，如卫星传播， 宇宙探测等均属于这种远距离传播。由于电磁波传播的距离很远， 且主要是在大气以外的宇宙空间内进行的，而宇宙空间近似于真空状态，因而电波在其中传播时，它的传输特性比较稳定。 我们可以把电波穿过电离层而到达外层空间的传播，基本上当作自由空间中的传播来研究。至于电波在大气层中传播所受到的影响， 可以在考虑这一简单情况的基础上加以修正。 第 1 章 绪 论 1.3.4 地面波传播地面波传播 地面波又称表面波。地面波传播是指电磁波沿着地球表面传播的情况。当天线低架于地面

25、，天线架设长度比波长小得多且最大辐射方向沿地面时，电波是紧靠着地面传播的，地面的性质、地貌、地物等情况都会影响电波的传播。在长、中波波段和短波的低频段（103106Hz）均可用这种传播方式。 第 1 章 绪 论 地面波沿地球表面附近的空间传播，地面上有高低不平的山坡和房屋等障碍物，根据波的衍射特性，当波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波才能明显地绕到障碍物的后面。地面上的障碍物一般不太大，长波可以很好地绕过它们， 中波和中短波也能较好地绕过；短波和微波由于波长过短，绕过障碍物的本领就很差了。由于障碍物的高度比波长大，因而短波和微波在地面上不能绕射， 而是沿直线传播。 为了使表面波的传播效率更高，

26、表面波适宜用垂直极化波。 这是因为水平分量在地面上会引起较大的传导电流，从而增加功率损失。也就是说，地面对水平极化波吸收大，因此表面波多采用垂直极化波，故需要采用垂直于地面的直立天线。 第 1 章 绪 论 设有一直立天线架设于地面之上，它辐射的垂直极化波沿地面传播时，若大地是理想导体，则接收天线接收到的仍是垂直极化波（如图1-11所示）。实际上，大地是非理想的导电媒质，垂直极化波的电场沿地面传播时，会在地面感应出与其一起移动的正电荷，进而形成电流，从而产生欧姆损耗，造成大地对电波的吸收；并沿地表面形成较小的电场水平分量，致使波前倾斜，并变为椭圆极化波，如图 1-12 所示。显然，波前的倾斜程度

27、反映了大地对电波的吸收程度。 第 1 章 绪 论 图 1-11 理想导电地面的场结构 xEx1Hy1zyO第 1 章 绪 论 图 1-12 非理想导电地面的场结构 xEx1Ez1Oz第 1 章 绪 论 从以上内容可以得到如下结论： (1) 垂直极化波沿非理想导电地面传播时，由于大地对电波能量的吸收作用，产生了沿传播方向的电场纵向分量Ez1，因此可以用Ez1的大小来说明传播损耗的情况。当地面的电导率越小或电波频率越高时，Ez1越大，说明传播损耗越大。因此，地面波传播主要用于长、中波传播，短波和米波小型电台采用这种传播方式工作时，只能进行几千米或十几千米的近距离通信。 海水的电导率比陆地的高，因此

28、电波在海面上要比在陆地上传得远得多。 第 1 章 绪 论 (2) 地面波的波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有实用意义。由于Ex1Ez1，故在地面上采用直立天线接收较为适宜。但在某些场合，由于受到条件的限制， 可以采用低架水平天线接收。 第 1 章 绪 论 (3) 地面波由于地表面的电性能及地貌、地物等并不随时间很快地变化，并且基本上不受气候条件的影响，因此信号稳定， 这是地面波传播的突出优点。 应该指出的是，地面波的传播情况与电波的极化形式有很大关系。大多数地质情况下，大地的磁导率0，很难存在横电波模式，因此关于地面波的讨论都是针对横磁波模式的。 由于横磁波存在的各场分量Ex1、Ez1、Hy1在入射平面内，故称为垂直极化波。换句话说，只有垂直极化波才能进行地面波传播