第1章 天线基础知识..

第1章天线基础知识天线技术基础自动化与信息工程学院电子工程系王丽黎[e-mail]第1章天线基础知识天线的作用：能量的转换：自由空间的电磁能量与高频电流能量的相互转换；能量的分配：使空间传播的电磁波能量在指定的空域内辐射传播；信息源信号变换发信机收信机信号变换受信者发射：高频能量转换成电磁波能量；向指定空域发射电磁波；接收：电磁波能量转换成高频电流形式的能量；收集指定空域内的电磁波。天线概述第1章天线基础知识天线的影响：如设计、选择和作用不合理，则可能使整个系统工作不正常。天线的分类：•按用途：通信天线、广播电视天线、雷达天线等•按工作波长：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线、光学天线；•按天线的结构：线天线、面天线、阵列天线；第1章天线基础知识线天线第1章天线基础知识线天线第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识本课程主要内容1、天线的基础知识2、常用线天线（结构、特性、分析设计方法、应用等）3、常用宽带天线（结构、特性、分析设计方法、应用等）4、常用面天线（结构、特性、分析设计方法、应用等）5、智能天线概述第1章天线基础知识第1章天线基础知识1.1基本振子的辐射1.2发射天线的电参数1.3互易定理与接收天线的电参数1.4对称振子1.5天线阵的方向性1.6对称振子阵的阻抗特性1.7无限大理想导电反射面对天线电性能的影响第1章天线基础知识第一节基本振子的辐射一、电基本振子的辐射二、磁基本振子的辐射第1章天线基础知识一、电基本振子的辐射1、电基本振子的结构：载有高频电流的短导线lIyxzlOIrEHErjkReRlIdrA4)(0jkrerIdlz4ˆ0)sinˆcosˆ(40rerIdlAjkrzyxrAAAAAA0cossinsinsincoscoscoscossinsincossin2、电基本振子的辐射场第1章天线基础知识22302230001sin()421cos()411sin()40rjkrjkrrjkrHHIlkHjerrIlkEjerrIlkkEAjjerrrEjHEAH01略去了时间因子ejωt第1章天线基础知识jkrekrkrjlIkH))(1(4sin220HHrjkrrerkrkjlIkjE)1(2cos332203jkrerkjrkkrjlIkE)1(4sin3322030E32)(1,)(1,1,krkrkrHE1kr1krrkr2近场区远场区第1章天线基础知识24sinrlIH32cosrlIjEr34sinrlIjE*HESc是纯虚数无平均功率流动非辐射场感应场（1）电基本振子的近区场第1章天线基础知识jkrerkIdljH4sinjkrerIdlkjE024sin（2）电基本振子的远区场Hk022222115Re[]sin2avrIlSEHer有能量沿r方向向外辐射，故远区场又称为辐射场。jkrerdlIjsin60第1章天线基础知识（1）Eθ、Hφ均与距离r成反比，且为球面波。E、H和Sav相互垂直，符合右手螺旋定则。00120EH电基本振子的远区场特点：EHrˆˆˆ（2）传播方向上电磁场的分量为零，故为横电磁波（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jkrerkIdljH4sinjkrerIdlkjE024sinHk0第1章天线基础知识（4）电基本振子的辐射具有方向性，辐射场是非均匀球面波。jkrerkIdljH4sinjkrerIdlkjE024sinHk0有一和方向有关的因子---方向因子sin),(f（5）辐射功率和辐射电阻]Re[21HESav)()(40sin1522203220WlIdddsSPSavr辐射功率与电长度有关，与距离无关将辐射功率看成被一个等效电阻所吸收的功率——辐射电阻212rrPIR2280()rlR仅与电长度有关第1章天线基础知识二、磁基本振子的辐射磁基本振子又称磁流元、磁耦极子。是虚拟的，用此概念可以简化计算。OrImlxyzEH00,ememememEHHEIIQQ00sin2sin2jkrmjkrmIlEjerIlHjer电基本振子和磁基本振子辐射场的极化方向相互正交，其它特性完全相同。第1章天线基础知识1、小电流环产生的矢量磁位aRlIdAl40ˆ4sin220rIaAIyzrR恒定电流环产生的磁场RlIdeAljkR40时变场时：)(rRjkjkrjkReee)(1)(rRjkerRjkljkrRlIdjkRjkre)1(40xex1第1章天线基础知识RlIdAl40ˆ4sin220rIa恒定电流环产生的磁场时变场时：ljkrRlIdjkRjkreA)1(40ljkrljkrldkIeRlIdejkrA44)1(00ˆ4sin)1(220rIaejkrAjkrjkreISrjkrA4sin)1(ˆ02AH010jHE第1章天线基础知识jkrrerrjkISHcos)1(232jkrerrjkrkISHsin)1(43220HjkrerrjkISjEsin)1(4200EEr1r1r近场区远场区2、小电流环产生的电磁场第1章天线基础知识cos23rISHrsin43rISHsin420rISjE4、小电流环的远区场jkrerISkHsin42jkrerkISEsin40ZH3、小电流环的近区场kZ0第1章天线基础知识(2)球面波非均匀球面波(1)TEM波E/H=Z有一和方向有关的因子---方向因子sin),(f(3)功率流密度22*)4sin(ˆrISkZrHESc辐射场SdSPScr642160()aI46)(320aRr(4)辐射功率(5)辐射电阻jkrerISkHsin42jkrerkISEsin405远区场性质第1章天线基础知识总结jkrerISkHsin42jkrerkISEsin40jkrerlkIjH4sinjkrerlIkjE4sin2辐射场的特点：（1）非均匀球面TEM波；（2）场强与距离成反比；（3）辐射功率流密度与距离平方成反比，辐射功率为常数；电流元和电流环是电磁辐射的两个基本单元；电流元和电流环辐射远区场表达式为：第1章天线基础知识天线的方向性——方向性函数、方向图、方向系数天线的效率和增益系数天线的阻抗特性天线的工作频率、带宽、有效长度天线的极化第二节发射天线的电参数第1章天线基础知识一、方向函数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。60(,,(,)IErfryzrOx场强方向性函数(,,)(,)60/ErfIr电基本振子的方向函数为：(,)()sinlff常采用归一化方向函数，用F(θ,φ)表示：maxmax(,)(,)(,)(,)EfFfE电基本振子的归一化方向函数为：F(θ,φ)=|sinθ|第1章天线基础知识为了分析和对比方便，定义：理想点源是无方向性天线，它在各个方向上、相同距离处产生的辐射场的大小是相等的，它的归一化方向函数为：F(θ,φ)=1第1章天线基础知识二、方向图（方向函数的图示表示）与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。电基本振子：|sin|),(F第1章天线基础知识|sin|),(0EF190sin),(00HFE面方向图：传播方向和电场矢量构成的、包含最大辐射方向的平面；H面方向图：传播方向和磁场矢量构成的、包含最大辐射方向的平面；E面方向图H面方向图第1章天线基础知识球坐标系中的磁基本振子方向性和电基本振子一样，但E面和H面的位置互换。磁基本振子H面方向图磁基本振子E面方向图|sin|),(0HF190sin),(00EF第1章天线基础知识主射方向主瓣(主叶)副瓣(副叶)后瓣零射方向5.02707.01半功率角主瓣宽度:HalfPowerBeamWidth,HPBW零功率角主瓣宽度:BeamWidthbetweenfirstNulls,BWFN5.02副瓣电平(SideLobeLever,SLL)，副瓣最大与主瓣最大值之比)(log20)(log10maxmaxmaxmaxdBEEdBSSSLLavav主副主副后瓣电平：主瓣最大值与后瓣最大值之比(前后抑制比))(log20maxmaxdBEE后主0202三、方向图参数第1章天线基础知识方向图的极坐标表示方向图的直角坐标表示第1章天线基础知识两种卫星天线的方向图比较——全向天线的方向图：第1章天线基础知识有向天线方向图：等角螺旋天线方向图、伦伯天线方向图第1章天线基础知识（四）方向性系数（Directivity）方向性系数：表示天线辐射能量在空间的集中能力；定义：在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax（或场强|Emax|2的平方）和无方向性天线（点源）的辐射功率密度S0（或场强|E0|2的平方）之比。2maxmax200rrorroPPPPESDSE无方向性天线无方向性天线无方向性天线无方向性天线被研究天线第1章天线基础知识20024240roEPSr22max60rrEDPmax60rPDEr天线的辐射场与PrD的平方根成正比对于不同的天线,若它们的辐射功率相等，则在同是最大辐射方向且同一r处的观察点，辐射场之比为：1max1max22DEED若要求它们在同一r处观察点辐射场相等，则：1221rrPDPD需要的辐射功率与方向系数成反比第1章天线基础知识22002002200(,)(,)sin1(,)sin444rorravavSrrPPavPSdsSrddPPSSddrr方向性系数的计算：22002002200(,)(,)sin1(,)sin444rorravavSrrPPavPSdsSrddPPSSddrr,max200200,max1(,)sin44(,)sinavavavavSDSddSddS,max200200,max1(,)sin44(,)sinavavavavSDSddSddSmaxmax(,)(,)(,)(,)EfFfE222,maxmax2200(,)(,)(,)4(,)sinavavSEFSEDFdd222,maxmax2200(,)(,)(,)4(,)sinavavSEFSEDFdd