天线基础知识()

天线基础知识()第1页，共49页，2023年，2月20日，星期六本课主要内容电波传播的基础知识地面波传播天波传播视距传播地面移动通信中接收场强的预测天线基础知识常用天线第2页，共49页，2023年，2月20日，星期六课程要求2.掌握电波传播的基本概念；3.掌握电波传播的基本特点和规律；4.了解地面移动通信接收场强的预测方法。1.了解天线的基本特性和电参数；第3页，共49页，2023年，2月20日，星期六2.《天线与电波传播》李莉科学出版社2009《天线与电波传播》宋铮、张建华、黄冶西安电子科技大学出版社2003教材：参考书：1.《天线与电波》周朝栋，王元坤，杨恩耀西安电子科技大学出版社1994第4页，共49页，2023年，2月20日，星期六哪些地方需要天线？第5页，共49页，2023年，2月20日，星期六中波广播天线第6页，共49页，2023年，2月20日，星期六移动通信基站天线小灵通基站天线第7页，共49页，2023年，2月20日，星期六手机天线第8页，共49页，2023年，2月20日，星期六卫星通信天线第9页，共49页，2023年，2月20日，星期六云南天文台天线第10页，共49页，2023年，2月20日，星期六双频通信天线第11页，共49页，2023年，2月20日，星期六舰载通信、雷达天线第12页，共49页，2023年，2月20日，星期六第13页，共49页，2023年，2月20日，星期六雷达天线第14页，共49页，2023年，2月20日，星期六本次课主要内容2.电基本振子的辐射1.绪论(2)天线的定义、作用(1)天线在无线电通信系统中的地位(1)电基本振子辐射场表达式(2)电基本振子的辐射特性（重点）第1章天线基础知识第15页，共49页，2023年，2月20日，星期六1.天线在无线电通信系统中的地位

2.天线的作用（２）将空间电磁波信号转换成高频电流能量送给接收机。（１）将发射机输出的高频电流能量转换成电磁波辐射出去。天线是任何无线电通信系统都离不开的重要前端器件。绪论第16页，共49页，2023年，2月20日，星期六

天线在外加高频激励源的作用下，在其周围激发起交变电场和磁场，这种交变的磁场和电场周而复始地相互作用、相互转化，形成电磁波，并以一定的速度向周围空间传播出去。4.天线辐射过程3.天线的定义天线是用来辐射或接收无线电波的装置。绪论第17页，共49页，2023年，2月20日，星期六电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场（3）天线的几何尺寸：要有一定的电长度（2）天线的几何形状：必须是开放系统（1）天线激励源频率：要有合适的激励频率5.天线有效辐射的条件绪论第18页，共49页，2023年，2月20日，星期六按用途：通信、广播电视、雷达、导航天线6.天线的分类按天线特色：超宽带天线、非频变天线、自适应天线、智能天线等。按极化方式：线极化、圆极化、椭圆极化天线按状态：发射天线、接收天线、收发共用天线按波长：中波、短波、超短波、微波天线绪论第19页，共49页，2023年，2月20日，星期六通常按天线原理分为两大类：(1)精确解法：求解麦克斯韦方程组面天线：用于微波线天线：用于长波、短波、超短波7.天线研究方法

(3)数值解法：矩量法、有限元法(2)近似解法：微扰法、变分法、迭代法、几何光学法、几何绕射法绪论第20页，共49页，2023年，2月20日，星期六8.对天线的基本要求(１)具有一定的方向特性；(２)较高的转换效率；(３)能满足系统正常工作的频带宽度。9.天线分析、设计及仿真软件（1）MATLAB（2）CSTMWS（3）HFSS绪论第21页，共49页，2023年，2月20日，星期六绪论第22页，共49页，2023年，2月20日，星期六绪论第23页，共49页，2023年，2月20日，星期六电基本振子：又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度，半径，

1.1.1电基本振子的辐射振子沿线的电流

处处等幅同相。

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。第1章天线基础知识第24页，共49页，2023年，2月20日，星期六电基本振子模型：一段理想高频电流直导线，

，

，沿线电流等幅同相。φPyzxP'θOr：为射线OP与振子轴（z轴）之间的夹角：为OP在xoy平面的投影OP′与x轴之间的夹角首先建立模型，然后求其辐射场第1章天线基础知识第25页，共49页，2023年，2月20日，星期六(1―1―1)电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为第1章天线基础知识第26页，共49页，2023年，2月20日，星期六

：电场强度（V/m）

：磁场强度（A/m）自由空间相移常数：自由空间介电常数：自由空间导磁系数：场强的下标r、θ、φ表示球坐标系中矢量的各分量其中：第1章天线基础知识第27页，共49页，2023年，2月20日，星期六(1―1―2)分别为球坐标系中沿r、θ、φ增大方向的单位矢量。

根据距离的远近，必须分区讨论场量的性质。写成矢量表达式为第1章天线基础知识第28页，共49页，2023年，2月20日，星期六1.近区场或的区域称为近区此区域内忽略项，第1章天线基础知识第29页，共49页，2023年，2月20日，星期六近区场表达式为

(1―1―3)第1章天线基础知识第30页，共49页，2023年，2月20日，星期六近区场特点：（1）场振幅表达式与稳态场完全相同。与静电场中电偶极子产生的电场相同，与恒定电流产生的磁场相同。故近区场又称为似稳场或准静态场。、第1章天线基础知识第31页，共49页，2023年，2月20日，星期六（2）电场滞后于磁场，坡印廷矢量的平均值为零。能量在电场和磁场以及场与源之间交换而没有辐射，所以近区场也称为感应场。第1章天线基础知识第32页，共49页，2023年，2月20日，星期六2.远区场或的区域称为远区此区域内保留最大项，电基本振子的远区场表达式为(1―1―4)第1章天线基础知识第33页，共49页，2023年，2月20日，星期六图1―1―2电基本振子电力线

图1―1―3电基本振子远区场

第1章天线基础知识第34页，共49页，2023年，2月20日，星期六远区场的坡印廷矢量平均值为(1―1―5)

有能量沿r方向向外辐射，故远区场又称为辐射场。第1章天线基础知识第35页，共49页，2023年，2月20日，星期六（1）E、H和Sav相互垂直，且符合右手螺旋。Eθ、Hφ均与距离r成反比，辐射球面波。（2）传播方向上电磁场的分量Er、Hr

为零，故称其为横电磁波、记为TEM波。辐射场有如下性质：第1章天线基础知识第36页，共49页，2023年，2月20日，星期六（3）Eθ和Hφ的比值为常数，称为媒质的波阻抗，记为η，对于自由空间(1―1―6)（4）Eθ和Hφ与sinθ成正比，说明电基本振子的辐射具有方向性。第1章天线基础知识第37页，共49页，2023年，2月20日，星期六

电基本振子向自由空间辐射的总功率称为辐射功率，它等于坡印廷矢量在任一包围电基本振子的球面上的积分，即(1―1―7)辐射功率第1章天线基础知识第38页，共49页，2023年，2月20日，星期六将天线辐射的功率看成被一个等效电阻所吸收的功率，这个等效电阻就称为辐射电阻Rr。(1―1―9)(1―1―8)Rr称为该天线归算于电流I的辐射电阻，这里I是电流的振幅值。将上式代入（1―1―7），得电基本振子的辐射电阻为辐射电阻：第1章天线基础知识第39页，共49页，2023年，2月20日，星期六1.1.2磁基本振子的辐射磁基本振子：又称磁流元、磁偶极子。

图1―1―4磁基本振子的坐标

磁基本振子模型：小电流环，周长远小于波长，环上电流I等幅同相均匀分布。第1章天线基础知识第40页，共49页，2023年，2月20日，星期六（1―1―10）设想一段长为l（l<<λ）的磁流元Iml置于球坐标系原点，根据电磁对偶性原理，只需要进行如下变换：第1章天线基础知识第41页，共49页，2023年，2月20日，星期六磁基本振子远区辐射场的表达式为电基本振子辐射场表达式（1―1―4）（1―1―11）辐射场的极化方向相互正交，其它特性完全相同第1章天线基础知识第42页，共49页，2023年，2月20日，星期六图1―1―5小电流环和与其等效的磁矩(a)小电流环；(b)磁矩第1章天线基础知识第43页，共49页，2023年，2月20日，星期六相应的磁矩和环上电流的关系为式中s为环面积矢量，方向由环电流I按右手螺旋定则确定。若求小电流环远区的辐射场，我们可把磁矩看成一个时变的磁偶极子，磁极上的磁荷是+qm,-qm，它们之间的距离是l。（1―1―12）第1章天线基础知识第44页，共49页，2023年，2月20日，星期六式中l的方向与环面积矢量的方向一致。比较式（1―1―12）（1―1―13），得磁荷之间有假想的磁流Im，以满足磁流的连续性，则磁矩又可表示为（1―1―13）第1章天线基础知识第45页，共49页，2023年，2月20日，星期六（1―1―15）

将式（1―1―14）代入式（1―1―11），经化简可得小电流环的远区场

用复数表示的磁流为（1―1―14）第1章天线基础知识第46页，共49页，2023年，2月20日，星期六磁偶极子的辐射总功率（1―1―16）其辐射电阻

（1―1―17）第1章天线基