天线与电波传播-第一章

1、天线与电波传播第一讲 天线基础知识授课老师：徐云学课程简介2天线与电波传播微波技术基础电磁场理论应用3天线将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。无线电系统4无线电设备无线电设备5各种无线电系统 一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、雷达、导航等系统)都是利用无线电波来进行工作的，而从几KHz的超长波到四十多GHz的毫米波段电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。 在我们的日常生活中天线已随处可见。 例如，收听无线电广播的收音机，电视机，手机、汽车、舰船、飞机上等。 收音机、电视机使用的天线一般是接收天线，广播电视台的天线则为发射

2、天线。而手机天线则收发共用，但须经过移动通信基站天线转收和转发。6天线发展简史一、1886, 赫兹（Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894）1839年法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）发现、1873年麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831-1879)完成的电磁理论，在1886年由海因里希鲁道夫赫兹建立了第一个无线电系统，首次在实验室证实。赫兹实验的无线电系统Hertz ，KIT的教授无线电之父7二、1901, 马可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937，1909 年诺贝尔物理学奖） 1901年马可

3、尼成功实现横穿大西洋（英国加拿大）的无线电通信。位于英国（Poldhu, England）的发生天线由50根斜拉导线组成，用悬于60米高的木塔间的钢索支撑。位于加拿大（Newfoundland, Canada）的接收天线是200米长的导线，由风筝牵引。天线发展简史马可尼，意大利人，当时年仅20岁。8三、1980, 超大阵列（VLA）抛物面天线（Very Large Array Steerable Parabolic Dish Antennas）位于美国新墨西哥州（Socorro, New Mexico）的超大阵列天线由27面直径为25米的抛物面按Y型方式排列组成，是世界第一个射电天文望远镜。其

4、分辨率相当于36千米跨度的天线，而灵敏度相当于直径为130米的碟型天线。天线发展简史9五、2000, 移动/手持天线（Mobile/Hand - held Antenna）工作于800MHz的手持蜂窝电话天线随处可见。从马可尼时代直到20世纪40年代，天线主要是以导线为辐射单元，工作频率也提高到UHF。进入二战期间，随着1GHz以上微波源（如调速管、磁控管）的发明，天线开始了一个新的纪元。波导口径天线、喇叭天线和反射面天线等如雨后春笋般出现。天线发展简史10数值方法，如矩量法（Method of Moment, MoM）、有限差分法（Finite-Difference Method, FDM）

5、、有限元法（Finite-Element Method, FEM）、几何绕射理论（Geometrical Theory of Diffraction, GTD）和物理绕射理论（Physical Theory of Diffraction, PTD）等的引入大大推进了天线技术的发展，促进了天线分析和设计技术的逐渐成熟。现在天线的设计不再是修修补补（cut and try）的方法，已经跨入了一个整体系统级的设计阶段。天线正朝小型化、宽频带、多频段和高频率等方向发展。天线发展简史电磁频谱与无线电频段12天线概念天线是无线系统的重要部件，它是现代信息社会的电子眼、电子耳。定义 用来辐射或接收无线电波的

6、装置，导行波与自由空间波互相转换区域的结构，转换器件或换能器 能量转换。 电路的观点 从传输线看向天线这一段等效于一个电阻 ，是从空间耦合到天线终端的电阻，与天线结构自身的任何电阻无关。13天线基本参数辐射方向图方向图函数 天线方向图是指天线辐射特性与空间坐标之间的函数。而辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位和极化。 方向图与天线辐射特性场强方向图功率方向图相位方向图极化方向图14 方向图与坐标系二维方向图 极坐标方向图和直角坐标方向图（幅度、分贝）三维方向图 球坐标三维方向图和直角坐标三维方向图（幅度、分贝） 天线方向图获取：理论分析、仿真计算、测量 一般我们关心的是功率方向图和场强方向图天

7、线基本参数辐射方向图15方向图函数定义：天线位于坐标原点，在距天线等距离的球面上，天线在各点产生的功率通量密度或场强随空间方向 的变化曲线。天线基本参数辐射方向图一般天线的远区辐射电磁场表示为如下形式 场强方向图函数16天线基本参数辐射方向图 归一化场强方向图函数其中 天线最大辐射方向， 天线方向图函数最大值。由方向图函数 和归一化方向图函数 表示的方向图统称为天线的辐射场强方向图。17天线基本参数辐射方向图归一化功率方向图归一化功率方向图与归一化场强方向图关系功率通量密度（坡印廷矢量的幅值）功率通量密度的最大值通常方向图用分贝（dB）表示，则18三维方向图&二维方向图天线基本参数辐射方向图1

8、9天线基本参数辐射方向图E面方向图&H面方向图E面：天线最大辐射方向和电场矢量方向构成的平面。H面：天线最大辐射方向和磁场矢量方向构成的平面。20天线基本参数辐射方向图E面H面对阵振子方向图21天线基本参数辐射方向图主瓣 包含最大辐射方向的波瓣副瓣 除主瓣外的所有波瓣后瓣 位于主瓣反方向的副瓣半功率波瓣宽度 副瓣电平 22天线基本参数辐射方向图零点 辐射为零的方向角度第一零点波瓣宽度 在包含主瓣的平面内，主瓣两侧第一零点间的夹角前后比 主瓣最大值和后瓣最大值之比23天线基本参数辐射方向图主瓣宽度(半功率波束宽度、3dB波束宽度)定义：方向图主瓣上两个半功率点(即场强下降到最大值的0.707倍处

9、或分贝值从最大值下降3dB处所对应的两点)之间的夹角。极坐标和直角坐标幅度方向图极坐标和直角坐标分贝方向图24天线基本参数辐射方向图副瓣电平定义：指副瓣最大值模值与主瓣最大值模值之比，通常用分贝表示。为第 个副瓣的场强最大值为主瓣最大值25天线基本参数辐射方向图对不同的用途，要求天线有不同的方向图。广播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在水平面内为全向方向图。微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图。对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束。 水平全向方向图笔形波束方向图余割平方波束方向图26天线基本参数输入阻抗输入阻抗传输线特性阻抗输入阻抗2

10、7天线基本参数输入阻抗对称振子的辐射电阻和输入电阻波腹电流归算于波腹电流的辐射电阻输入电流归算于输入电流的辐射电阻 -输入电阻辐射电阻半波振子的输入阻抗为：28天线基本参数天线效率天线（辐射）效率定义：天线辐射的总功率与天线从馈线获得的净功率（即输入功率）之比天线的输入功率等于辐射功率和损耗功率之和考虑到天线的输入电阻等于辐射电阻和损耗电阻，则天线效率又可表示为辐射电阻损耗电阻29天线基本参数方向系数定义：天线方向系数是定量表示天线辐射的电磁能量集中程度以描述方向特性的一个参数，也称方向性系数。在相同辐射功率情况下，天线在给定方向的辐射强度 与理想点源天线在同一方向的辐射强度 之比。天线辐射强

11、度：某方向单位立体角的辐射功率30天线基本参数方向系数平均辐射强度：理想电源在某单位立体角的辐射功率是立体角元 对应的球面面元，方向系数最大方向系数31天线基本参数方向系数工程中，方向系数还常用分贝（dB）表示：例3：自由空间半波振子的方向系数。计算得 。例1：无方向性理想天线的方向系数。此时， ，计算得 。例2：电基本振子的方向系数。电基本振子的方向函数是 ，计算得 。32天线基本参数方向系数定义：在相同输入功率条件下，某天线在给定方向上的辐射强度 与理想点源天线在同一方向的辐射强度 的比值。最大辐射方向的增益为33天线基本参数极化电磁波的极化：在空间某位置上，沿电磁波的传播方向看去，其电场

12、矢量在空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。天线极化：发射天线 天线在某方向所辐射电波的极化；接收天线 天线在该方向接收获得最大接收功率（极化匹配）时入射平面波的极化。轨迹是一条直线 线极化轨迹是一个圆 圆极化轨迹是椭圆 椭圆极化34天线基本参数极化极化失配一般而言，接收天线的极化与来波方向的极化不同，这就是所谓的极化失配。因此，天线从来波中截获的功率达不到最大。线极化圆极化或者椭圆极化35天线基本参数带宽所有参数正常工作的交集：极化增益驻波方向图半功率波瓣宽度噪声温度等频率工作带宽36天线基本参数有效面积定义：天线的有效面积（或有效口径）表征天线截获来波能量的能力。天线的有效面积定义为“天线接收的功率与入射功率密度之比”当满足最大功率传输条件（即共轭匹配）时，若不考虑损耗有效面积达到最大，称为最大有效面积。37天线基本参数有效面积最大方