第一讲 内置天线

1、第一講 天線基本原一、 天線的基本概1. 天線的作用在任何無线電通信設備中,總存在一個向空間射電磁能和從空間接收电磁能的裝置,這个裝 置就是天線。天線的作用就是將調製到射頻频的字信號或模擬信號發射到空間無線信道,或從空間無線信道 接收調製在射頻頻上的字或模擬信号。2. 天線問題的實質從電磁場出發,天線問題实質上就是研究天線所產生的空間電磁場分布,以及由空間電磁场分 佈所決定的電特性。空間任何一點的電磁場滿足電磁場方程 麥克斯韋方程及其边界條件 。因此, 天線問題是時變電磁場问題的一種特殊形式。從信號系统的角出發,天線问題可以解為考察由一個電磁波激源產生的電磁響應特性。从通 信系統的角出發,天線

2、可以解為信号發射和接收器,收发天線之間的無線電信号強滿足通道傳 輸方程和多徑衰特性。3. 對天線結構的概解採用同的模型,對天線可以有同的解。典型的模型比如:z開放的電容思考 野外電台或電視發射塔,無線電視或电台接收機,為麼能構成一個天線,其電回在麼 地方?z開放的傳輸線從傳輸線解,天線可以看做是將終端開的傳輸線終端掰開。zTMmn型波導將天線射看做是在 4空間管道中傳輸的波導,則對應的傳输波型是 TM 型波,但在傳輸過程中 斷遇到波導的續性,因此断激高次模。z由電磁波源和電磁波傳輸媒質形成電磁波傳輸的機構波的形成都需要波源和傳輸媒质。在一盆水中形成機械波紋,可以使用點激源產生波,並在水面 上傳

3、播。波的傳播特性只與媒質特性有关而與波源無關。將一個肉包子扔出去,這个肉包子可能產生同的結果,或者被狗吃,或者掉在麼地方,都與扔包子的人再有任何關係。而对天線 ,饋點的激源就是這種波源,天線導體和外界空間就是傳輸媒質。過电磁波的傳輸媒質可以是 真空。思考 電磁波具有波二象性。頻越低,波動性越強;頻越高,子性越強。所以光波主要表現 出子性,而長波表現出波动性。射頻電磁波就是介於這二者之間的一种電磁波,它既有顯著的波動 性,又有顯著的子性。只要認清这一點,許多問題就會变得於解。認清事物的本質規我們才 能很好地用它,我们能把一頭驢當馬使,否則就會出現許多荒唐的錯誤。有人認为射頻很複雜, 有人认為很簡

4、單,就是這個道。哲學啟示 電磁波由於看,摸著,所以在很多人看它很抽像。但考慮到世界是普遍联系的, 儘管同的事物也有許多相同点,但找到它們之間的联系,就能獲得認抽象事物的火眼 睛"。二、 電磁場基本方程1. 麥克斯韋方程(電生磁。電場變化,則磁场隨之變化(磁生電。磁場變化,則電场隨之變化(磁線是無始無終的封閉閉合曲線(電線出發和終止於自由電荷麥克斯韋方程的物含義:變化的電場可以產生磁场,變化的磁場可以產生電場 ,這是電磁波可以 脫射體在空间存在的物基礎。思考 自然界存在一些有趣的現象,儘管機與電磁波完全一致,但是其過程卻可以帮助我們加深 對我們问題的解。請大家考慮一下,孩童吹肥皂泡時,

5、肥皂泡能夠脫离吹管而在空氣中獨存在的 條件是麼?哲學啟示 電磁波看,摸著,但它是一種依賴於人的意的客觀存在,因此屬於辯证唯物哲 學中物質的范疇。微波中的一盘雞,看有火苗,是誰把它烤熟?就是電磁波這種物質。要研 究任何所謂抽像的事物,必須跳出巧妇難為無米之炊這種传統思維模式,要知道沒有米還可以用 面。2. 邊界條件種同媒質的分界面,媒質参會發生突變,引起某些場份的續。電磁場邊界條件是: (媒質分界面處磁場向续(媒質分界面處向電場續(媒質分界面處法向磁感應強續(媒質分界面處法向電位移矢續 根據電磁场邊界條件,在媒質分界面處 電場的向分和磁感應強的法向份是續的 。这是非 常重要的概。思考 在天線導體

6、和大氣空間中,儘管導體和大氣中的電場滿足同的分佈規,導體中電場集中在 導體邊缘,而大氣中的電場则呈瑞指分佈,但是在導體和大氣分界面處的導體上和空間向電場 卻是完全相同。這是為麼?哲學啟示 自然界存在絕對無限大的事物,大海和宇宙都很大,但都有邊界,電磁場也外。所 有學物问題,只有確定的邊界條件才有確定的解。3. 電續性方程根據電荷守恆定,電和電荷的關係是:(電荷的波動導致電密的變化 該方程反映入一個封閉面积和出該封閉面積的電之間的差,都是由於該面積內包含的電荷在興風作。這也是物質滅定在電磁學域中的反映。4. 本構方程(媒質特性方程(電位移矢和電場強的關係(磁感應强和磁場強的關系 (電密和電場的關

7、係這幾個方程反映在特定的媒質中電場強和电位移矢、磁場強和磁感應強、電和電場之 間的關係,等式右邊的矢與媒質无關,左側矢與媒质相關。這幾個方程反映媒質的電特性,是 麥克斯韋方程的三个輔助方程。5. 波印亭定空間電磁场的能關係滿足能守恆定。電磁場能守恆定由矢波印亭定描述。 該方程的物含義是:包围在封閉體積內的電场和磁場能總和等於传輸能和損耗的能之和。 稱為波印亭矢,它代表功通。6.矢波動方程從麥克斯韦方程出發,用矢公式和相關邊界條件,可以得到電磁場的矢波動方程: 給定電密 和電荷密 ,求解矢波動方程就可以得到麥氏方程的解。 矢波動方程是一組獨的方程。本質上它与麥克斯韋方程及其邊界條件一致。天線問题

8、可以通 過求解矢波動方程得到,也可以通過直接求解麥克斯韦方程得到。問題 既然已有麥克斯韋方程,為麼還要矢波動方程?z 麥克斯韋方程是一個嚴格方程,但它的求解非常複雜。由于過去的計算手段非常後,許多電磁問題只能通過手工計算得到,在這種情況下直接求解麥克斯韋方程非常困難;z 麥克斯韋方程僅是天線的基礎,也是傳輸線和光纖的基礎。麥克斯韋方程與同的邊界條件可以分別導出矢波動方程,電報方程和射線方程,但只有矢波動方程才 代表天線;z 導出矢波動方程並在同的具體應用條件對該方程作簡化,往往可以獲得某些规則天線的準確解,这在當時非常有意義;z 近隨著計算機和電磁仿真工具的发展,直接求解麥克斯韋方程才逐漸成為

9、可能。注意 麥克斯韋方程和矢波動方程之間能劃等號。矢波動方程是天線方程,而麥克斯韋方程必 須同特定的邊界條件才構成天線方程。在無耗媒質(非導電媒質和時諧電場中,上式變為: 其中 , k 稱為波。無源區域退化為齊次亥姆霍茲方程: 三、 電磁場唯一性定和電磁場方程的求解方法1. 電磁場唯一性定:滿足特定邊界條件的電磁场是唯一的 。因此论採取麼方法,只要得到 一個符合邊界條件的電磁場解,這个解正是需要尋找的解。2. 電磁問題的求解方法z 特定的少具有規則幾何形和簡單几何條件下的電磁場问題,可以採用一些技巧性方法進嚴格的数學求解。這些方法有分變法、鏡像法、格函法等。z 少簡單幾何形的電磁問題可以采用輔

10、助函法求解,如矢磁位和標磁位法,微分函法和積分函法。z 大多形規則的電磁問題能進严格的學方法進求解,或者學方程過于複雜。此時可以借助計算機工具對麥克斯韋方程或矢波動方程進值求解。這些方法有矩 法、有限元法和有限時域差分法等。四、 射條件對天線说,僅需要滿足麥克斯韋波動方程及其邊界條件,而且還應滿足射條件。天線的激 源分佈在有限區域,無窮遠處存在場源,因此滿足齊次波动方程。求解該方程即得到射條件。 這個方程的物含義是,在無窮遠處,位函和場為 0,即只有出射波,沒有入射波。這是天線問 題與一般電磁场問題的根本區別之處。只有同時滿足矢波動方程和射條件,才能形成天線。五、 天線的近場和遠場滿足條件 k

11、r<<1的場區稱为天線的近場,又稱感應場。近場的場強與半徑的平方或高次方成反 比。即 隨著半径的減小,場強迅速增大 。從這個概還可以看出,近場場強與天線的形相關。滿足條件 kr>>1的場區稱为天線的遠場,又稱辐射場。 遠場的場強与半徑成反比 。遠場场強與天線 形關係大,但與觀察方向有关。天線的近场與遠場分解點可用以下公式表達:,其中 D 是天線的最大尺寸, 是工作波長。22D R ff =第一講 天線基本原 第 6 頁，共 8 頁 近場與遠场之間通過快速傅叶變換相關。因此天線的近場測試與遠場测試在一定範圍內是等效 的，只是精會有所同。 、 天線的電 1輸入阻抗和帶寬 天

12、線的輸入阻抗即饋電端輸入电壓和輸入電的比值。輸入到天線的功被輸入阻抗吸收，並被天 線轉換成射功。 天線的輸入阻抗由部分組成，即： Z A = R A + jX A 。其中ZA 稱為天線的輸入電阻， X A 稱為天線 的輸入电抗。想情況下，天线的輸入阻抗是純電阻並等於饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功 反射。天線匹配電的作用就是消除天線輸入阻抗中的電抗份，使電阻份尽可能接近饋線的特性 阻抗。描述匹配的優常用的是駐波比和回波損耗。 假設饋線的特性阻抗是Z0，則饋點处的反射係由下式定義： =（ZA- Z0）/（ZA+ Z0） 駐波比定义為：VSWR=（1+|）/（1-|） 其值在1和無窮大之間。完全

13、匹配態下（ZA = Z0），駐波比為1；完全失配態下（饋線終端短 或开，ZA =0或無窮大）駐波比為無窮大。手機天線一般要求駐波比小於2.5。 回波損耗（RL）定義為：RL=20log（|） 它是反射系絕對值的倒，以分貝值表示。回波損耗值在0dB到負無窮大之間，其絕對值越大表 示匹配越好。0dB表示全反射，負無窮大表示完全匹配。手機天線一般要求回波損耗小於-7dB左右。 駐波比（VSWR）和回波损耗（RL）個之間有固定的值對應關系： VSWR + 1 RL = 20 log VSWR 1 天線的輸入阻抗取決於天線本身的結構、工作頻並受環境因素的影響，一般它只能通過實驗确 定。輸入阻抗測試等效於

14、駐波比和回波損耗測試。 在天線諧振頻附近，可使電气性能（回波損耗或駐波比）滿足使用要求的頻帶範圍稱為天線的帶 寬。 2方向係 天線的方向係描述電磁能集中程以描述方向特性，又稱為方向增益，最大射方向的方向係 mhtml:file:/C:Documents%20and%20SettingsAdministratorMy%20DocumentsOTHER0205antenn. 2007/2/14 第一講 天線基本原 定義為： 第 7 頁，共 8 頁 其中F是場強方向函。方向係的物含义是，天線射的最大方向上獲得與該點相同功所需 的點源的总射功與實際天线射總功的比值。 3射效 天線的射效用於衡天線将高頻

15、電或導波能轉換為無線電波能的有效程，它是天线 射的總功和天線从饋線得到的淨功之比： 採用電阻表示，則： 式中分子为天線的射電阻，分母為射電阻與損耗電阻之和。所以，提高天線射效的途径就 是盡可能提高射电阻，低損耗電阻。對電小尺寸天線说（尺寸在0.1波長以下），射效低是 致命的缺陷，應採取措施低損耗提高天線效。 4增益 方向係描述天線射電磁能的集中程，效表示天線能轉換效能，這二者集中起表示能 集束程和能转換效的總增益，称為天線增益。 天線增益描述天線在某一方向的射強和天線以同一輸入功向空間均匀射的射強之比， 即： 並有： 。 描述天線在空間各方向射場强的圖形稱為射方向圖，一般在遠場測試。方向圖的主波瓣相对場 強即對應於天線增益。 通常所的增益都是相對于點源的增益（dBi）和相對半波振子的增益（dBd）。想点源的增益 是1（0dBi）；半波振子的增益是1.64（2.43dBi）。 5極化方向 指天線發射的電磁波電場或磁场的振動方向。如果電磁波傳播過程中電場振動方向始終平於发射 源的電場方向，則称為線極化，如果傳播過程中電場矢端点的軌跡是一個圓，則称為圓極化。 mhtml:file:/C:Documents%20and%20SettingsAdministra