第一章 天线基础知识

剧本：天线与电波传播导演：弓树宏领衔主演：全体同学今天的“储备”是为了明天的“有效输出”！一起学习、进步！弓树宏1360912422888202657考试形式：闭卷（电波天线各占50分）题形：计算、简单、分析、论证计分形式：平时＋期末（比例暂没定）平时成绩：作业＋出勤作业形式：习题、大作业、与计算机结合的仿真用真心和激情去演绎人生，用真情去拥抱生活，认认真真在“探索与学习”中走过人生中的每一步，在“探索与学习”中不断发现自我、改变自我、超越自我。融入大学生活，培养洞察力和毅力，提高可塑性，让自己充满激情。融入大学学习，培养分析问题、获取和应用知识的意识和能力，提高学习能力。升华学习能力，培养创新意识，探索创新思维，提高创新能力。信息源收信者发送设备传输媒介接收设备克服距离上的障碍，迅速而准确地传递信息——通信的任务“原始”阶段通过语言、人力、马力、烽火台等原始通信手段传递信息。“书信”阶段通过书信、邮政等手段传递信息。“印刷”阶段以印刷发明为标志开始的通信阶段。“电气”阶段以电报、电话和广播的发明开始的阶。“信息时代”阶段对语言、数据、图像、文本等多种类信息实现高效快速准确的传递、储存和处理的通信阶段“编码”“解码”“发射天线”“接收天线”“信号”传递天线与电波传播弓树宏[e-mail]主要学习内容——天线部分天线的基础知识和基本概念。简单天线。行波天线。非频变天线。缝隙天线、微带天线和面天线主要学习内容——电波传播部分电磁波传播的基础知识（部分基本概念、术语，自由空间电波传播。地面波传播（地面波传播环境特性，地面波传播特性及其场强计算，地面特性对波传播的影响）。天波传播（天波传播环境特性－电离层，天波传播特性，中、短波天波传播）。视距传播（地面及对流层大气对视距传播的影响）。简单工程应用（视距传播特例——地面移动通信中接收场强预测）第1章天线基础知识和基本概念※天线发展简史和电磁场方程及其解※天线辐射和接收原理※基本振子的辐射※发射天线的电参数※互易定理与接收天线的电参数※对称振子※天线阵及其方向性※对称振子阵的阻抗特性※无限大理想导电反射面对天线电性能的影响※天线发展简史和电磁场方程及其解※天线发展简史和电磁场方程及其解※电磁场方程及其解对于时谐场可得以下结果对于时谐场外源供给V内的功率矢量波动方程均匀各向同性介质均匀各向同性无耗媒质无源保证有限源在无限处的位函数或者场为零，也就是说只有出射波。1.1基本振子的辐射电基本振子（ElectricShortDipole）又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l远小于波长λ，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流I处处等幅同相。yxzlOIrEHEr22302230001sin()421cos()411sin()40rjkrjkrrjkrHHIlkHjerrIlkEjerrIlkkEAjjerrrErrEEeEeHHe22302230001sin()421cos()411sin()40rjkrjkrrjkrHHIlkHjerrIlkEjerrIlkkEAjjerrrE002/kyxzlOIrEHEr22302230001sin()421cos()411sin()40rjkrjkrrjkrHHIlkHjerrIlkEjerrIlkkEAjjerrrE讨论：1.近区场：kr1即（rλ/(2π)）的区域称为近区，此区域内23111()()krkrkr23030sin42cos42sin40rrIlHrIlEjrIlEjrEHH电场和磁场之间存在π/2的相位差1Re[]02avSEH能量在电场和磁场以及场与源之间交换而没有辐射，所以近区场也称为感应场近似结果22302230001sin()421cos()411sin()40rjkrjkrrjkrHHIlkHjerrIlkEjerrIlkkEAjjerrrE讨论：2.远区场：kr1即（rλ/(2π)）的区域称为远区，在此区域内23111()()krkrkrsin260sin0jkrjkrrrIlHjerIlEjerHHEE电场和磁场同相位1Re[]02avSEH有能量沿r方向向外辐射，故远区场又称为辐射场22222115Re[]sin2avrIlSEHersin260sin0jkrjkrrrIlHjerIlEjerHHEE1Re[]02avSEH22222115Re[]sin2avrIlSEHeryxzlOIrEHEr(1)Eθ、Hφ均与距离r成反比，波的传播速度为C，Eθ和Hφ中都含有相位因子e-jkr，说明辐射场的等相位面为r等于常数的球面，所以称其为球面波。E、H和Sav相互垂直，且符合右手螺旋定则。(2)传播方向上电磁场的分量为零，故称其为横电磁波，记为TEM波。(3)Eθ和Hφ的比值为常数，称为媒质的波阻抗，记为η。对于自由空间sin260sin0jkrjkrrrIlHjerIlEjerHHEE001/c00120EHsin260sin0jkrjkrrrIlHjerIlEjerHHEE(4)Eθ和Hφ与sinθ成正比，说明电基本振子的辐射具有方向性，辐射场不是均匀球面波。因此，任何实际的电磁辐射绝不可能具有完全的球对称性，这也是所有辐射场的普遍特性。电偶极子向自由空间辐射的总功率称为辐射功率Pr，它等于坡印廷矢量在任一包围电偶极子的球面上的积分，即WlIdddsHEdsSPSSavr22232020)(40sin15]Re[21将天线辐射的功率看成被一个等效电阻所吸收的功率，这个等效电阻就称为归算于电流振幅I辐射电阻Rr。212rrPIR2280()rlR2280()rlRWlIdddsHEdsSPSSavr22232020)(40sin15]Re[21(4)Eθ和Hφ与sinθ成正比，说明电基本振子的辐射具有方向性，辐射场不是均匀球面波。因此，任何实际的电磁辐射绝不可能具有完全的球对称性，这也是所有辐射场的普遍特性。二，磁基本振子及其辐射场电基本振子又称电流元、电偶极子。它是真实存在的模型，天线的基本辐射单元。为了简化计算，需要引入与电基本振子对应的虚拟的磁基本振子。磁基本振子又称磁流元、磁偶极子。尽管它是虚拟的，迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是它可以与一些实际波源相对应，例如小环天线或者已建立起来的电场波源，用此概念可以简化计算。zsyxOIyzxOpm(a)(b)zsyxOIyzxOpm(a)(b)环上简谐电流等幅同相；周长远小于波长pm=μ0Ispm=qmldtdIlsdtdqIlIsqmmm00,dtdIlsdtdqIlIsqmmm00,dtdIlsdtdqIlIsqmmm00,OrImlxyzEHpm=qmldtdIlsdtdqIlIsqmmm00,dtdIlsdtdqIlIsqmmm00,dtdIlsdtdqIlIsqmmm00,00,ememememEHHEIIQQ00sin2sin2jkrmjkrmIlEjerIlHjersin260sin0jkrjkrrrIlHjerIlEjerHHEE00sin2sin2jkrmjkrmIlEjerIlHjersin260sin0jkrjkrrrIlHjerIlEjerHHEE彼此正交dtdIlsdtdqIlIsqmmm00,dtdIlsdtdqIlIsqmmm00,dtdIlsdtdqIlIsqmmm00,0msIjIl0000sin2sin2jkrjkrsIEersIHerzsyxOIyzxOpm(a)(b)WsIdsHEdsSPmSavSr224)(160]Re[210000sin2sin2jkrjkrsIEersIHerzsyxOIyzxOpm(a)(b)42222320()rrmPsRI1.2发射天线的电参数发射天线的主要作用有两：一是把高频振荡的能量转换为电磁波能量；二是向某个和某些方向定向辐射电磁波。因此天线的特性参量也是根据这两个作用而规定的。第一个作用：输入阻抗；辐射功率；损耗功率；辐射电阻；损耗电阻等。第二个作用：如方向函数；方向图；有效长度；有效面积；方向系数及增益系数等。一，天线工作的物理过程天线的工作原理建筑在麦克斯韦方程的基础上。为便于理解，可人为地按“场强”观点、“能流”观点，“电路”观点来加以描述。一，天线工作的物理过程1，场强观点（通常是线天线）信号以激励电压的形式加到发射天线的输入端，在线天线上形成一定形式的电流分布。它在其周围空间激励起一定的电磁场分布，并以电磁被的形式向空间扩散。若接收天线置于发射天线的辐射场内，当空间交变电磁波作用在接收天线的表面时，根据接收天线的边界条件，在其上产生了感应电动势。感应电动势加在电线与接收机输入回路所组成的电路上，形成感应电流。它一方面向接收机输出信号，另一方面作为接收天线上的电流会向空间再辐射。1，能流观点（通常为面天线）一，天线工作的物理过程场强和能流观点等效，只是对于线天线用场强简单一些，对于面天线则是能流观点简单一些。3，电路观点（通常为面天线）一，天线工作的物理过程输入阻抗；辐射功率；损耗功率；辐射电阻；损耗电阻等。二，发射天线特性参数1，方向函数sin260sin0jkrjkrrrIlHjerIlEjerHHEEyzrOx所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向（子午角θ、方位角φ）的关系。若天线辐射的电场强度为E(r,θ,φ)，把电场强度（绝对值）写成60(,,(,)IErfr(,,)(,)60/ErfIryzrOx60(,,(,)IErfr(,,)(,)60/ErfIrI为归算电流，对于驻波天线，通常取波腹电流Im作为归算电流。sin260sin0jkrjkrrrIlHjerIlEjerHHEE(,)()sinlff60(,,(,)IErfr(,,)(,)60/ErfIrI为归算电流，对于驻波天线，通常取波腹电流Im作为归算电流。为了便于比较不同天线的方向性，常采用归一化方向函数，用F(θ,φ)表示，即maxmax(,)(,)(,)(,)EfFfEmaxmax(,)(,)(,)(,)EfFfEfmax(θ,φ)为方向函数的