天线与电波传播第一章课件

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（HeinrichRudolfHertz,1857-1894）

1839年法拉第（MichaelFaraday,1791-1867）发现、1873年麦克斯韦(JamesClerkMaxwell,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（GuglielmoMarconi,1874-1937，1909年诺贝尔物理学奖）

1901年马可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。9

五、2000,移动/手持天线（Mobile/Hand-heldAntenna）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（MethodofMoment,MoM）、有限差分法（Finite-DifferenceMethod,FDM）、有限元法（Finite-ElementMethod,FEM）、几何绕射理论（GeometricalTheoryofDiffraction,GTD）和物理绕射理论（PhysicalTheoryofDiffraction,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（cutandtry）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

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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19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。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

最大方向系数和最大有效面积如果考虑天线的辐射效率，上式进一步可写出当接收天线和