复习课天线与电波传播精华.ppt

1、电磁波的产生,1.1.1时变场源区域电磁场的激发 变化的电场产生变化的磁场 变化的磁场产生变化的电场 交互变化的电磁场在空间传播电磁波 1.1.2天线电流和空间电磁场相互作用 天线电流激发空间电磁场（发射天线） 电磁场又反过来作用到天线电流上，影响天线电流分布（接收天线）,麦克斯韦方程,时变场源区域麦克斯韦方程,散度定理,旋度定理,以辅助函数A、， 替代求解,时变电磁场的势函数,达朗贝尔方程的解,1.1 时变电流元假设,假定时变场源为一流经 导线段上高频谐变电流,注：时变场源区域线性 各向同性均匀介质 基本电振子或元电辐射体 电偶极子,时变电流元的电磁场,时变电流元在空间引发的电磁场 P216

2、 坡印廷矢量、性质1-4,时变电流元的电磁场讨论,时变电流元在空间引发的远区场,时变电流元的电磁场讨论,时变电流元在空间引发的远区场,辐射场两个分量 相互垂直、同相 幅值与距离反比 电磁波能量沿 方向传播,时变电流元的电磁场讨论,远区场,辐射场电场与磁场空间方向正交且垂直于传播方向 、同相；辐射波阻抗： 等相面为球面 球面波，且相位随 增大不断滞后；在 极大的空间近似TEM波 场量幅值 ， ， 有效辐射发生条件： 与 相比拟，频率越高天线尺寸越小。,辐射场,时变电流元的电磁场讨论,辐射场场量幅值 ， 具有方向性，方向函数： 方向图：,天线的主向：,1.2求解线状天线辐射场的基本思路,将线状天线

3、分解为若干个有序相接的电流元， 依据电磁场的叠加原理， 线状天线辐射场等效为这些电流元 辐射场的线性叠加,1.3对称振子天线,把对称振子看成是终端开路的传输线两线张开的结果，这种确定对称振子上电流分布的方法称为等效传输线方法 分析对称振子天线的辐射特性： 把对称振子看作是无穷多个电流元沿振子轴线方向有序排列连接而成。 远离对称振子空间任意一点场等于每个电流元在该点处的叠加。,半波阵子： 全波阵子：,1.4天线的特性参量,天线的方向性特性参量 天线辐射波的极化 天线的辐射功率与辐射电阻 天线的方向系数和增益 天线的输入阻抗 天线的有效长度 天线的工作频带宽度,方向函数,方向函数：天线方向性的数学

4、表示，就是天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系 归一化方向函数：为了对不同天线按同一尺度进行方向性的比较，把天线的方向函数对其最大值归一化,主向、主瓣、副瓣、 主瓣宽度 、主瓣张角P227,天线辐射波的极化,天线的极化特性是由天线发射时天线辐射波的极化特性来描述的。 线极化：辐射波电场矢量端点的轨迹为直线 圆极化：辐射波电场矢量端点的轨迹为圆 椭圆极化：辐射波电场矢量端点的轨迹为椭圆 收发天线之间主向对准、极化方向一致。P228,天线的辐射功率与辐射电阻,发射天线作为发射机的负载，其消耗的有功功率包括两部分：辐射功率和自身的损耗功率。 辐射功率:指随辐射电磁波传播出去不能再返回的耗散功率。

5、天线效率定义为辐射功率与输入功率的比值。 辐射电阻 :天线辐射到远区空间的有功功率，可等效为在一电阻元件上的损耗功率,这个电阻即是,天线的方向系数和增益,天线的方向系数用以描述主向上辐射功率集束程度 天线的方向系数:天线在主向r远处的辐射功率密度与相同辐射功率平均分配时该点处的辐射功率密度之比 。 增益:天线在主向r远处的辐射功率密度与相同输入功率平均分配时该点处功率密度之比,天线的输入阻抗,输入阻抗是发射天线的一个重要参量， 对具体的天线作具体的研究。,天线的有效长度,天线的有效长度是线状天线的特性参量之一， 它是用来衡量天线辐射或接收电磁波能量效果的参量。 有效长度是对发射天线提出来的，

6、当天线上电流分布不均匀时，在保持天线主向辐射场强值不变的条件下，把电流分布折算成均匀后的天线长度。,天线特性参量中，两个重要的特性参量 P291(本章小结5) 方向性 天线阻抗,1.5 接收天线,天线互易定理: 同一天线用于发射和接收状态时，方向函数、阻抗、有效长度并推广到方向系数（增益）都是相同的。 这种相同是数值上的相同，其意义完全不同的。 有效接收面积:表示接收天线吸收到来电磁波的能力,付里斯传输公式P243,发射机,接收机,电波空间,馈线,馈线,说明付里斯传输公式在天线设计应用中的意义， 能够指出公式中每一项具体含义。,1.6 天线阵列,天线组阵主要意义在于调控天线系统的方向特性， 方

7、向函数乘积定理：阵列天线的方向函数等于阵元天线的方向函数与阵函数的乘积。P246,改变阵结构 改变阵函数 调控阵列天线方向函数,图乘P247 例5-4,图乘:同一表面统一角度上极径值相乘，模拟乘 图乘法则 单元天线方向图是绕单元天线取向轴的旋转对称图形，阵函数的方向图是绕阵轴的旋转对称图形，二元阵列方向图就是两个对称图形的乘积。 对称轴所在平面上图形都一样，垂直于对称轴平面上的图形不是圆来就是点。 坐标轴对齐，点点相乘。,等幅同相,例5-4,N元均匀直线阵列,振子 2与振子 1在P点的辐射场相位差：,阵列函数：,阵函数最大值：各阵元的辐射场同相位叠加,边射阵（侧射阵） 端射阵（顶射阵）,边射阵

8、,边射阵：各阵元同相馈电,端射阵,端射阵：阵函数最大值发生在阵轴线方向，,1.7相控阵天线,相邻阵元总位相差 ，阵函数为最大值,1.8 地面对天线特性的影响,分析地面等对天线工作特性的影响时，把地面看成是无限大理想导体平面。 远离地面架设的天线 接收点处的辐射场，是直射波和地面反射波的叠加 近地架设的天线 天线自身的辐射波与地面感应电流的二次辐射波的叠加。P273,1.9 离散阵列中其他常用单元线状天线,折合振子在远区的辐射场就相当于两个放置于同一位置的电流完全相同的半波振子的辐射效果， 方向函数与半波振子相同 辐射强度加倍 输入阻抗为半波振子的四倍,小圆环 、磁流元和磁偶极子,一馈以高频电流

9、的尺寸极小 的空心圆环，由于圆环尺寸极小，可认为整个环上的电流处处幅值相同，相位相同，即小圆环天线。小圆环天线又叫磁流元或称为磁偶极子。 比照电流元辐射场表达式，利用对偶性原理，可求得磁流元辐射场表达式。,1.10以时变电场和时变磁场为源的基本辐射元,由麦克斯韦方程组可知，作为辐射源除了有时变电流，还有时变电场和时变磁场。 惠更斯元 基本缝隙辐射元,惠更斯元 面积单元中具有规则均匀的内场分布,基本隙缝 与条形振子互补，相当于磁流元,天线理论研究中的基本辐射元,电流元（电偶极子）、磁流元（磁偶极子）、惠更斯元和基本隙缝。它们都是从具体天线中抽象出来的物理模型，对它们的几何尺寸和电磁量（电流的幅值

10、相位，内场的结构等）都有相应的规定。其中电流元又是分析其它几种基本辐射元的基础，电流元的场解是直接求解麦克斯韦方程得到的。,四种辐射元辐射方向特性比较,2.1 电磁波在自然环境中的传播,地表面波（地波）传播 长、中、短波段 电离层反射（天波）传播 中波和短波波段 散射波传播 超短波波段 直视（空间波）传播 超短波和微波波段,电磁波沿地面传播时，电荷在地表面产生感应电荷，感应电荷随电磁波的传播而移动形成电流，所造成的欧姆损耗就是地表面对地表面波的吸收衰减。 地表面波的频率越高，地表对地表面波吸收越严重。 这种吸收和电磁波极化状态有关，水平极化电磁波更容易产生较大的吸收。,地表对电磁波的吸收的物理

11、解释,可把电离层分为D、E、F1、及F2各层，每层中都有一电子密度的最大值。 电离层中电子密度不是恒定不变，与太阳辐射直接相关。 电离层反射电波的能力与电波频率有关。在入射角一定时，电波频率越低，越易反射。 电波在电离层中的反射情况还与入射角有关。当电波频率一定时，入射角越大，越易反射。,电离层的电子分布规律,对电离层来说，D层晚间将会消失。而D层对电磁波的吸收最为严重，因此晚间天波信号将会大大增强，所以晚间接收到的短波电台非常多。,2.2 直立天线,长波和中波波段，采用地表面波传播方式， 要求天线辐射垂直极化波，,直立天线性能的改善,加顶负载： 在天线的顶端加金属球，金属圆盘或金属辐射叶。

12、增加了天线顶端与地的分布电容，使天线顶端电流不再为零 增加了天线的有效高度，提高天线效率 加感： 在天线中串入电感，可增大天线电流，提高天线效率,2.3 水平偶极天线,天波传播方式的地-地间短波远程通信。,2.4 菱形天线,天波传播实现远距离通信的短波专用发射天线， 一个锐角端接馈线与发射机相连， 另一锐角端接匹配负载。,2.5 引向天线,八木天线 超短波段应用极广泛的一种线状天线(空间波),用一根折合阵子作有源阵子 用一根无源振子作反射器 多根无源振子作引向器，不超过12个 如五单元引向天线：除有源振子外还有一个作为反射器和三个作为引向器的无源振子,2.6 螺旋天线,超短波段的典型天线之一，

13、,当L1.3 ，天线辐射主向与螺线轴线成斜射角度，称为圆锥辐射模式。,螺旋天线的结构与辐射模式,2.7 正交振子与电视发射天线,超短波段； 水平面无方向性，主向沿地表； 辐射水平极化波，以在接收端极大可能地避免各种垂直极化干扰波。 两个振子相互垂直（空间正交）， 等幅相位差90o馈电（时间正交），,2.8 移动通信用天线,超短波； 水平面全向，垂直面主向沿地表； 辐射波的极化方向应与地表垂直，因为手持机的天线都是与地面垂直使用的； 基站台的架设高度不必如电视中心发射天线那样高，因为蜂窝制的小区半径一般不超过15公里。,比较电视中心发射天线和移动通信台用天线设计的要求有何异同。,2.9 波导隙缝阵列天线,隙缝阵列天线、微带天线和口径面天线是典型的微波天线。 微波频段是以惠更斯元、基本隙缝等作为基本辐射源 在金属波导或谐振腔的壁面上开的隙缝，可用来辐射或接收电磁波。 运用电磁场的对偶原理，分析隙缝的辐射问题。,