电磁场天线与电波传播

1、电磁场天线与电波传播第一页，共76页。学习天线与电波传播的意义系统设计收、发信设备指标天线的性能天线的架设方式通信质量评定不同通信业务之间相互干扰的预测和解决第二页，共76页。影响天线特性的因素天线的形状采用的材料制作工艺使用环境用途第三页，共76页。影响电波传播特性的因素频率距离极化方式天线高度地形地物地面电特性参数时间、季节 第四页，共76页。第一部分 电磁场的基础理论一、麦克斯韦方程组描述了空间电场与磁场的关系第五页，共76页。本构关系式（与媒质有关的特性方程）：第六页，共76页。麦克斯韦方程组的正弦稳态相量形式：两种特殊的边界条件：1）两种理想介质分界面上的边界条件：假设分界面上没有自

2、由电荷和传导电流，则 和 的法向分量以及 和 的切向分量都是连续的；2）理想导体表面的边界条件：自由电荷和电流都集中在表面， 总是垂直于理想导体的表面， 总是平行于理想导体的表面。一般的边界条件：第七页，共76页。二、无线电波的辐射 麦克斯韦方程组说明脱离了电流的变化的电场产生磁场，脱离了电荷的变化的磁场产生电场。这种电磁场在空间交替变幻，绵延不断向外传播的过程就是电磁波的辐射过程。辐射场的波源是电流和电荷产生辐射场的前提条件是要有位移电流位移电流：由于电位移的变化引起的真实的电的流动。第八页，共76页。+ + + + - - - -ItqI+-第九页，共76页。三、波动方程第十页，共76页。

3、四、平面电磁波zExHy第十一页，共76页。平面电磁波的特性第十二页，共76页。平面电磁波的极化第十三页，共76页。第二部分 天线一、天线的基本概念第十四页，共76页。移动通信A 3G (WCDMA) handsetOutdoor Base Station for 800 and 1900MHz CDMA cells.第十五页，共76页。卫星通信Earth Station Satellite Dish(Reflector Antenna)TV Satellite Dish(Reflector Antenna)第十六页，共76页。广播电视天线第十七页，共76页。电路的辐射第十八页，共76页。电缆

4、的辐射第十九页，共76页。天线的作用空间电磁波高频电流发射接收收、发天线具有互易性第二十页，共76页。(Propagation)天线的应用: Communications, Broadcast, Radar,Radiometry,Biomedical, etc.天线第二十一页，共76页。天线的类型按用途分类，可分为通信天线、测量天线等按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等按外形分类，可分为线天线、面天线等第二十二页，共76页。线天线：天线的直径远小于其几何长度可不考虑天线横截面上的电流分布天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不

5、同要求等不同情况下使用。偶极子天线单极天线环天线螺旋天线第二十三页，共76页。天线的辐射源结论：天线的辐射源电流（位移电流）电流连续性方程：第二十四页，共76页。二、天线的特性参数机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等电特性参数一次参数：方向性图，输入阻抗，效率二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度， 前后比，极化特性等第二十五页，共76页。1天线的辐射功率和辐射阻抗辐射功率：在单位时间内通过球面向外辐射的电磁能量的平均值。辐射电阻： 将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，并使流过电阻的电流等于天线上的电流振幅，则该电阻就称为天线的辐射电阻。第二十六页，共76页。2天线的方向性 天线的辐射场强与

6、方向有关的特性，称为天线的方向性。以电流元为例：第二十七页，共76页。天线的方向性函数和方向性图用于表示天线方向性特性的函数：电流元的方向性函数电流元的方向性图第二十八页，共76页。赤道面：与天线轴垂直并经过天线中心 的平面。子午面：包含天线轴的平面。1）电流元在赤道面内的方向性函数和方向性图：第二十九页，共76页。2）电流元在子午面内的方向性函数和方向性图：第三十页，共76页。天线的归一化方向性函数和归一化方向性图归一化方向性函数： 天线辐射场与最大方向上的场强值之比。 反映了天线在不同方向的场分布。归一化方向性图： 表示归一化方向性函数的空间立体图形。 通常用两个互相垂直的平面上（子午面和

7、赤道面/E面和H面）的平面图来表示。第三十一页，共76页。CDMA天线第三十二页，共76页。CDMA垂直极化定向天线第三十三页，共76页。方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平主瓣宽度： 主瓣电平的最大值降到该值的0.707倍（即-3dB）时，两个方向之间的张角宽度。 在方向性图中，一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣中，最大辐射方向所在波瓣称为主瓣，其余波瓣称为旁瓣。 3dB点峰值3dB点第三十四页，共76页。旁瓣电平：相对主瓣最大值的比值。前后抑制比： 方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为 F / B 。 前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。第三十五页，共76页。前后比F / B 的计算：

8、F / B = 10 Lg （前向功率密度） /（ 后向功率密度）第三十六页，共76页。3. 天线的方向性系数定义： 天线辐射功率一定，在任意方向 辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时的平均功率密度之比。第三十七页，共76页。物理意义： 由于天线有方向性，使某方向的辐射功率密度比均匀辐射时增加的倍数D。实际上，D反映了天线集中辐射能量的特性。方向性系数的求法： 1）已知归一化方向性函数求D先求全向天线(点源)均匀辐射时的平均辐射功率密度:第三十八页，共76页。 通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方向性系数，此时，第三十九页，共76页。 2）已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向性函数，

9、求D第四十页，共76页。 当天线位于自由空间时， ； 在最大辐射方向上，大多数简单常规天线的最大场强值又第四十一页，共76页。例：求电流元的方向性系数？解：第四十二页，共76页。4. 天线增益定义： 在任意方向 , 辐射功率密度与将相等的输入功率均匀辐射时的平均功率密度之比，即天线增益为：第四十三页，共76页。物理意义： 为了在观察点有相等的辐射功率密度，方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线输入功率的G倍。 dBi：表示比较对象是各向均匀辐射的理想 点源； dBd：表示以半波对称振子为比较对象。 增益的单位：第四十四页，共76页。近似计算方法：1）若已知天线在E面和H面的方向性图，则在E面和

10、H面上，以度为单位的波瓣宽度。2）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益： 第四十五页，共76页。3）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益： 式中， D 为抛物面直径； 0 为中心工作波长。4）对于直立全向天线，可用下式近似计算其增益： 式中， l 为天线长度； 0 为中心工作波长。第四十六页，共76页。定义： 天线辐射功率与输入有功功率的比值，称为天线的效率。5. 天线效率第四十七页，共76页。物理意义： 表示有百分之几的高频电流的输入有功功率转变成了辐射出去的电磁波能量。结论： 越大， 越小，天线的就越高。在工程设计中， 往往给定，这时就需要降低 来提高天线的效率。

11、第四十八页，共76页。天线方向系数和天线增益的关系：第四十九页，共76页。6. 天线的有效长度定义： 用一等效天线代替被研究天线，此等效天线上的电流是以被研究天线的输入电流振幅均匀分布，并在最大辐射方向产生与被研究天线相等的电场强度。则等效天线的长度就称为被研究天线的有效长度。等效天线实际为一电流元第五十页，共76页。7. 天线的极化方向定义： 天线向周围空间辐射电磁波，电磁波由电场和磁场构成。规定电场的方向就是天线极化方向。天线的垂直极化：电场垂直于入射面天线的水平极化：电场平行于入射面第五十一页，共76页。第五十二页，共76页。三、接收天线的特性接收天线接收电磁波的过程电磁波高频电流感应注

12、：只有电场沿天线导体表面的切向分量才能感应出电流，垂直分量不能。第五十三页，共76页。结论：1)接收天线的感应电流与来波方向有关 接收天线的方向性 2)天线用作发射和接收的方向性函数相等 收、发天线的互易性Z0ZA0IA第五十四页，共76页。1接收功率和接收面积 当天线的最大接收方向对准来波方向，并且接收机的输入阻抗与天线完全匹配时，天线向接收机的输出功率最大。 假设最大接收功率Pmax是被一块与来波方向垂直的面积所接收，这面积就称为接收天线的有效面积A。第五十五页，共76页。2天线的校正系数K 就称为天线的校正系数第五十六页，共76页。例：求半波对称振子的校正系数？解：对于半波对称振子第五十

13、七页，共76页。 第三部分 电波传播电磁波在收、发天线之间的空间中传播第五十八页，共76页。1三种电波传播的基本方式及其特点电波利用电离层的折射、反射和散射作用进行传播的方式称为天波。 沿地球表面进行传播的电波传播模式称为地表面波。 在大气对流层中进行的电波传播方式称为空间波。 第五十九页，共76页。各种电波传播方式的主要特点空间波：在传播过程中，电波会发生折射、反射、散射等现象。在微波通信中采用视距传播。天线架设在地面以上大于几个波长处。地表面波：长波，中波一般采用这种传播方式。天线直接架设在地面。 天波：只有这种电波传播方式才能将电波传送到数千公里以外。短波通信采用的就是这种传播方式。 第

14、六十页，共76页。1) 费涅尔带的划分按照下列等式划分费涅尔带： 可见，分布在相邻两带边界上的二次波源在观察点产生的场是反相的，且单位面积上的二次波源产生的场的振幅相差不大。OM0r0nrnS01r1R12电波传播的费涅尔区第六十一页，共76页。2) 合成赫芝矢量设第n费涅尔带的二次波源在观察点产生的合成波矢量为，则因为而相位相反所以，合成矢量的振幅为第六十二页，共76页。且级数每一项与左右相邻项的算术平均值相差不大 由于上述级数是收敛的，且收敛很快，所以在观察点的合成场基本上是由分布在前几个费涅尔带内的二次波源产生的。3) 费涅尔带的半径OM0r0nrnS01r1R1由图可知，第六十三页，共

15、76页。OM0r0nrnS01r1Rn 位于S0面上某一范围内的二次波源对观察点的场起主导作用，该范围的尺寸由费涅尔半径决定。第六十四页，共76页。4) 空间费涅尔区 当S0面沿着直线OM移动时，每一费涅尔带的边界将构成一个旋转椭球体，焦点在O点和M点。相邻两旋转椭球体之间的空间称为空间费涅尔区。结论：对电波传播起主导作用的空间区域是一个旋转椭球体。在OM的中点空间费涅尔区的半径最大。为一次波源与观察点之间的距离第六十五页，共76页。5) 最小费涅尔半径 可证明三分之一第一费涅尔带的面积在观察点产生的波振幅为B。用R0表示从S0面中心处到三分之一第一费涅尔带面积的半径，则 R0称为最小费涅尔带

16、半径。落入最小费涅尔带内的地形地物将对电波传播产生极大的影响。第六十六页，共76页。R1电波传播的费涅尔区6) 费涅尔区的应用第六十七页，共76页。例：设通信距离为10km，求150MHz电波传播的最小 费涅尔带的半径R0。解：第六十八页，共76页。1）自由空间定义：所谓自由空间是指相对介电常数和相对磁导率均恒为1的均匀介质所在空间。即 是真空介电常数和磁导率。 特点：无源，各向同性，电导率为零（0）。 3电波在自由空间的传播第六十九页，共76页。2）电波在自由空间中的传播特点 在自由空间中，电波的传播是直线传播，没有反射、折射、绕射、色散、吸收、磁离子分裂等现象。电波传播速度等于真空中的光速

17、c3108m/s。 第七十页，共76页。3）自由空间电波传播的场强计算当距离发射机d时，自由空间的场强为式中，E为场强，单位为V/m；P为辐射功率，单位为W；Dt为发射天线的方向性系数。 第七十一页，共76页。4）接收机输入端的最大接收功率第七十二页，共76页。5）自由空间的传输损耗传输损耗：又称为系统损耗，定义为辐射功率与 接收功率之比。如果d的单位用km，f的单位用MHz，Ls的单位为dB，可得：第七十三页，共76页。6）自由空间的路径损耗自由空间的路径损耗：显然，Lbs与收、发天线的方向性无关，而与传输路径有关 由上述公式我们也可以看出，在自由空间传播条件下，电磁波的能量并没有损失。自由空间的传输损耗实际指的是球面波扩散损耗。 第七十四页，共76页。在工程应用中，我们常采用诺模图来求接收功率、传