第1章(新)天线理论基础

1、第1章 天线与电波基础1.0 引言引言1.1 麦克斯韦方程麦克斯韦方程1.2 边界条件边界条件1.3 媒质的本构关系媒质的本构关系1.4 无线电波的辐射无线电波的辐射1.5 均匀平面波均匀平面波1.6 天线极化天线极化几个重要的人物：几个重要的人物：麦克斯韦麦克斯韦：1831年年6月出生于英国爱丁堡。月出生于英国爱丁堡。 1831年，英国法拉第发现电流可以产生磁场。年，英国法拉第发现电流可以产生磁场。麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一

2、系列发现和实验成果，萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。力工业、电子工业和无线电工业的基础。 1865年，英国麦克斯韦从理论上预言了电的任何波动可以年，英国麦克斯韦从理论上预言了电的任何波动可以在远处产生感应即电磁波的存

3、在、并且电磁波能够从产生在远处产生感应即电磁波的存在、并且电磁波能够从产生的地方以光的速度辐射出去，但他本人未能亲自作出实验的地方以光的速度辐射出去，但他本人未能亲自作出实验验证。验证。赫兹赫兹：德国物理学家，生于汉堡。德国物理学家，生于汉堡。 赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。存在。 18881888年年1 1月，赫兹将他的研究成果总结在月，赫兹将他的研究成果总结在论动电效论动电效应的传播速度应的传播速度一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，界的科学界。

4、由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。至此才取得决定性的胜利。18881888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于以更大期望时，他却于18941894年元旦因血中毒逝世，年仅年元旦因血中毒逝世，年仅3636岁。为了纪念他的功绩，人们用他

5、的名字来命名各种岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称波动频率的单位，简称“赫赫”。 马可尼马可尼：人类无线电通信的创始人人类无线电通信的创始人意大利的马可尼（意大利的马可尼（Marconi,G.W., Marconi,G.W., 1874187419371937）与俄国的波波夫（）与俄国的波波夫（oo,A.C. 1859oo,A.C. 185919061906）成功地进行）成功地进行了世界上最早的无线电通讯活动，开创了人类通讯的新纪元。了世界上最早的无线电通讯活动，开创了人类通讯的新纪元。 无线电通讯是利用电磁波的辐射和传播、经过空间传送信息的通信方式。无线电通讯

6、是利用电磁波的辐射和传播、经过空间传送信息的通信方式。 敏感的发明家们已经意识到电磁波可以用于无线电通讯。以意大利的马可敏感的发明家们已经意识到电磁波可以用于无线电通讯。以意大利的马可尼和俄国的波波夫为代表的科学家、发明家，在前人已掌握的电磁学和电磁尼和俄国的波波夫为代表的科学家、发明家，在前人已掌握的电磁学和电磁波知识的基础上，大胆探索、奋勇实践，开启了电磁波应用的大门并开创了波知识的基础上，大胆探索、奋勇实践，开启了电磁波应用的大门并开创了无线电通信这门新技术。无线电通信这门新技术。 意大利人马可尼意大利人马可尼19011901年向新来临的年向新来临的2020世纪奉献上的珍贵礼品是一项科世

7、纪奉献上的珍贵礼品是一项科技创新与发明技创新与发明成功地进行了首次无线电通讯，无线电技术的大发展从而成功地进行了首次无线电通讯，无线电技术的大发展从而成为成为2020世纪的热门事情。世纪的热门事情。19061906年，美国物理学家费森登发明无线电广播，使年，美国物理学家费森登发明无线电广播，使无线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。无线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。频段频段2 音频音频（VF)） 8 基低频基低频（VLF） 4 低低 频频 （LF） 5 中中 频频（MF） 6高高 频频（HF） 7 甚高频甚高频（VHF ） 8 特高频特高频（UHF） 9超高频超高频（SH

8、F） 10极高频极高频（EHF） 11121314 超长波超长波（VLW） 长波长波（LW） 中波中波（MW） 超短波超短波（VSW）（米波）（米波）分米波分米波厘米波厘米波毫米波毫米波 3Hz 30Hz 300Hz 3kHz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 3THz 30THz 300THz105km 104km 103km 102km 10km 1km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm 100 10 1 （公里）（公里） （米）（米） （厘米）（毫米）（厘米）（毫米） （微米）（微米） 无无 线线 电电 电电

9、 磁磁 频频 谱谱 表表 短波短波（SW） 音音 频频雷达频率雷达频率微波频率微波频率红外红外视视 频频; ; 0cscssVsttdvQ BDE dldSH dlJdSD dSB dS 0 tt BDEHJDB；220 ; 0nssnn21212n21212aEEaHHJ aDDaBBBuEFqqt J场源关系场源关系Maxwells equations1.1 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组2. 微分形式微分形式1. 积分形式积分形式t DJHt BE0BDSCtSDJlHddSCtSBlEdd0dSSBqSSD d 变化的磁场产生涡旋电场变化的磁场产生涡旋电场, 改写了电场的环路定理改写了电

10、场的环路定理:表明表明:任何电场中任何电场中,电场强度沿任意电场强度沿任意闭合曲线的线积闭合曲线的线积分分等于通过以该曲线为边界的任意曲面的磁通量等于通过以该曲线为边界的任意曲面的磁通量的时间变化率的时间变化率.SCtSBlEdd时变磁场激发时变电场时变磁场激发时变电场tBE电磁感应定律电磁感应定律法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律变化的电场产生磁场变化的电场产生磁场, 磁场的环路定理磁场的环路定理:表明表明:任何磁场中任何磁场中,磁感应强度沿任意磁感应强度沿任意闭合曲线的线闭合曲线的线积分积分等于通过以该曲线为边界的任意曲面的全电流等于通过以该曲线为边界的任意曲面的全电流SCtSDJlHd

11、dt DJH( (全电流定律全电流定律) )传导电流和时变电场均传导电流和时变电场均激发时变磁场激发时变磁场安培定律安培定律高斯电场定律：电场通过闭合曲面高斯电场定律：电场通过闭合曲面S的净通量等于的净通量等于S所包围体积所包围体积V中的总电荷。中的总电荷。 D微分形式微分形式穿过封闭曲面的电通量等于该穿过封闭曲面的电通量等于该封闭曲面包围的自由电荷量封闭曲面包围的自由电荷量高斯磁场定律：通过闭合曲面高斯磁场定律：通过闭合曲面S的磁通量横为零。的磁通量横为零。高斯磁场定律说明磁单极子不存在。高斯磁场定律说明磁单极子不存在。0 B微分形式微分形式穿过封闭曲面的磁通量恒穿过封闭曲面的磁通量恒等于等

12、于0 0麦克斯韦方程描述了空间电磁场与场源之间的关麦克斯韦方程描述了空间电磁场与场源之间的关系。麦克斯韦的四个方程分别表达了：系。麦克斯韦的四个方程分别表达了：变化的磁场是如何产生电场（法拉第电磁感应定变化的磁场是如何产生电场（法拉第电磁感应定律）律） ；电流和变化的电场是怎样产生磁场的（麦克斯韦电流和变化的电场是怎样产生磁场的（麦克斯韦修正的安培环路定律）；修正的安培环路定律）；电荷是如何产生电场的（高斯定理）；电荷是如何产生电场的（高斯定理）；验证了磁单极子的不存在（高斯磁场定律）。验证了磁单极子的不存在（高斯磁场定律）。而当而当0;0Jq这时空间存在变化的电磁场（自由电磁场）这时空间存在

13、变化的电磁场（自由电磁场） 电磁波电磁波表明变化电场与变化磁场相互激发，相互依存的关系！表明变化电场与变化磁场相互激发，相互依存的关系！t DHt BE0B0 DSCtSDlHd dd dSCtSBlEdd0dSSB0SSD d d 1.2 边界条件从一种媒质进入到另一媒质时，电场强度矢量从一种媒质进入到另一媒质时，电场强度矢量E的切的切向分量在分界面上是连续的，矢量向分量在分界面上是连续的，矢量D的法向分量在的法向分量在分界面上是不连续的分界面上是不连续的012EEnttEE12s12DDnsnnDD12从一种媒质进入到另一媒质时，矢量从一种媒质进入到另一媒质时，矢量B的法向分量在的法向分量

14、在分界面上是连续的，矢量分界面上是连续的，矢量H的切向分量在分界面上的切向分量在分界面上是不连续的是不连续的sttJHH12sJHHn12012BBnnnBB12两种特殊的边界条件：两种特殊的边界条件：1 1）两种理想介质分界面上的边界条件：假设分界）两种理想介质分界面上的边界条件：假设分界面上没有自由电荷和传导电流，则面上没有自由电荷和传导电流，则 D D 和和 B B 的法向的法向分量以及分量以及 E E 和和 H H的切向分量都是连续的；的切向分量都是连续的；2 2）理想导体表面的边界条件：自由电荷和电流都）理想导体表面的边界条件：自由电荷和电流都集中在表面，集中在表面，E E 总是垂直

15、于理想导体的表面。总是垂直于理想导体的表面。 本构关系本构关系场量与场量之间的关系场量与场量之间的关系：线性、均匀、各向同性：线性、均匀、各向同性：媒质的参数与场强的大小无关：媒质的参数与场强的大小无关 ：媒质的参数与位置无关：媒质的参数与位置无关 ：媒质的参数与场强的方向无关：媒质的参数与场强的方向无关 ：媒质参数与频率无关：媒质参数与频率无关1.3 1.3 媒质的本构关系媒质的本构关系（各向同性线性均匀媒质）（各向同性线性均匀媒质）1.3 1.3 媒质的本构关系媒质的本构关系第1章 电磁场理论基础：介电常数，单位是法拉每米（：介电常数，单位是法拉每米（F/mF/m）, ,可认为是单位长度的

16、电容。可认为是单位长度的电容。：磁导率，单位是亨利每米（：磁导率，单位是亨利每米（H/mH/m）, ,可认为是单位长度的电感。可认为是单位长度的电感。：电导率，单位是西门子每米（：电导率，单位是西门子每米（S/mS/m）, ,可认为是单位长度的电导。可认为是单位长度的电导。E JH,B , ED简单媒质的简单媒质的本构关系：本构关系：自由空间：000 , , =0 =0 理想媒质理想媒质= 理想导体理想导体0 导电媒质导电媒质 足够大：良导体足够大：良导体0rm/H104700rm/F10854.8m/F103611290m;/S103绝缘体m/S107金属为电导率为电导率: : 为介电常数为

17、介电常数: : ，其中，其中 为磁导率为磁导率: : ，其中，其中 均匀理想媒质中的麦克斯韦方程组的微分均匀理想媒质中的麦克斯韦方程组的微分形式形式 0 E0 Ht HEt EH1.4 1.4 无线电波的辐射无线电波的辐射物理意义：电场随时间的变动产生磁场，磁场物理意义：电场随时间的变动产生磁场，磁场随时间的变动产生电场，能量交夫替变换，形随时间的变动产生电场，能量交夫替变换，形成电磁波。成电磁波。麦克斯韦方程组说明变化的电场产生磁场，变化的磁麦克斯韦方程组说明变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。这种电磁场在空间交替变换，绵延不断场产生电场。这种电磁场在空间交替变换，绵延不断向外传播的过程

18、就是电磁波的辐射过程。向外传播的过程就是电磁波的辐射过程。产生辐射场的前提条件是要有产生辐射场的前提条件是要有位移电流位移电流。tDJd tt BDEHJ tBE tDHJ tD位移电流1.4 无线电波的辐射无线电波的辐射电磁波发射条件电磁波发射条件：有能量来源：发射机，溃电线有能量来源：发射机，溃电线（发射机与天线的连接线），是有线传输线（发射机与天线的连接线），是有线传输线 有效有效发射的其他条件发射的其他条件?例例1：双线传输线：双线传输线例例2：LC振荡回路振荡回路（存储能量、振荡周期）（存储能量、振荡周期）怎样有效怎样有效发射电磁波发射电磁波?电容储存电能 电感储存磁能/CS d2L

19、n V212WmLI212WeCU发射电磁波（场分布在全空间）：减小L，C形成开放电路开放电路 LC振荡回路，最后演变成一根振荡回路，最后演变成一根直导线直导线，电路变成开放电路。这，电路变成开放电路。这根直导线就是根直导线就是传说中的线天线传说中的线天线，用来向外辐射电磁波。电流在，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，称为时，称为电基本振子电基本振子 。+ + + +

20、 - - - -IEH+-tqqmsintIImcos周围形成位移周围形成位移电流电流t E电波传播：电波传播：主要研究电磁波在介质中传播的主要研究电磁波在介质中传播的过程中，过程中，电磁波与传播媒质相互作用及其在有关电子系统电磁波与传播媒质相互作用及其在有关电子系统工程和环境探测研究中的应用工程和环境探测研究中的应用。电波传播研究的基本问题。电波传播研究的基本问题是不同频段的电波通过各种自然环境媒质的传播效应及其是不同频段的电波通过各种自然环境媒质的传播效应及其在在时域、空域、频域的变化规律时域、空域、频域的变化规律。电波传播在很大程度上。电波传播在很大程度上也是一门也是一门实验性科学实验性

21、科学，需要在长期大量的实测积累和应用，需要在长期大量的实测积累和应用实践中不断完善和发展。实践中不断完善和发展。例：平面电磁波在真空与介质中传播特性比较例：平面电磁波在真空与介质中传播特性比较相速度、波长、波数、波阻抗等参数相速度、波长、波数、波阻抗等参数22fT2k 221pfufkT1nHaEZnEZHauZTEM波波平面波：电场强度和磁场强度矢量都在同一个平面内，平面波：电场强度和磁场强度矢量都在同一个平面内，而且在任何两个不同点处的平面都是相互平行的。而且在任何两个不同点处的平面都是相互平行的。如果平面波等相面上场强的幅度均匀不变，则称为均如果平面波等相面上场强的幅度均匀不变，则称为均

22、匀平面波。匀平面波。一、有关定义一、有关定义E S = H S = 0均匀平面波为横电磁波：均匀平面波为横电磁波： 1.5 1.5 均匀平面波均匀平面波 一个场矢量是均匀场矢量的准则意味着一个场矢量是均匀场矢量的准则意味着它们必须独立于它们必须独立于x和和y坐标坐标0yExExxxxtzEaE),(yytzHaH),(对于场矢量的正弦稳态变量对于场矢量的正弦稳态变量)()()()()(zEjdzzHdzHjdzzEdxyyx 简单形式的解：简单形式的解：zmzmyzmzmxeEeEHeEeEEjjjjj)(其中其中参数参数 指的是衰减常数，单位是奈培每米（指的是衰减常数，单位是奈培每米（Np/

23、m）参数参数 指的是相位常数，单位是弧度每米（指的是相位常数，单位是弧度每米（rad/m）参数参数 指的是传播常数指的是传播常数参数参数 指的是媒质的固有阻抗，单位是欧姆指的是媒质的固有阻抗，单位是欧姆377120103610497000rr00r0ryxHE1.1.均匀均匀平面波波阻抗平面波波阻抗：二、有关参数二、有关参数均匀平面波波阻抗只与媒质特性有关。均匀平面波波阻抗只与媒质特性有关。2.2.自由空间的波阻抗为：自由空间的波阻抗为：3.3.相速：相速：Sm10318000v*HES*Re21HES真空中的光速：真空中的光速：5.5.电磁波在任意一点的复功率密度矢量（坡印廷矢电磁波在任意一

24、点的复功率密度矢量（坡印廷矢量）量）S S：正弦振荡电磁波的平均功率密度为正弦振荡电磁波的平均功率密度为:1v4.4.波长：波长：fv2电磁波的极化电磁波的极化电磁波的极化是指电磁波在传播过程中，在垂直其传电磁波的极化是指电磁波在传播过程中，在垂直其传播方向的平面上，其电场矢量方向端点的运动轨迹。播方向的平面上，其电场矢量方向端点的运动轨迹。 1.6 天线的极化天线的极化垂直极化垂直极化1.6 天线的极化天线的极化 天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向电场的方向就是天线极化方向。一般使

25、用的天线为单极化的一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化极化的情况：垂直极化-是最常用的；水平极化是最常用的；水平极化-也也是要被用到的。是要被用到的。水平极化水平极化EE垂直极化垂直极化1.6.1 双极化天线双极化天线 下图示出了另两种单极化的情况：下图示出了另两种单极化的情况：+45 极化极化 与与 -45 极化，它们仅仅在极化，它们仅仅在特殊场合下使用。特殊场合下使用。 这样，共有四种单极化了，见下图。这样，共有四种单极化了，见下图。 把垂直极化和水平极化两种极化的天线组把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者，合在一起，或者， 把把 +45 极化和极化和 -45 极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线-双极化天线。双极化天线。水平极化水平极化+45 极化极化-45 极化极化EEEE 下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。线，注意，双极化天线有两个接头。 双极化天线辐射（或接收）两个双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交