无线电波传播 第九讲 天线概要

RadioWavePropagation无线电波传播第九讲天线概要纲要天线的定义与作用天线的种类有关术语通信距离雷达方程Whatisanantenna?天线的定义Metallicdevice(asarodorwire)forradiatingorreceivingradiowaves.–Webster’sdictionary.Ameansforradiatingorreceivingradiowaves.–IEEEAnantennaisadevicethatprovidesameansforradiatingorreceivingradiowaves.Inotherwords,itprovidesatransitionfromaguidedwaveonatransmissionlinetoa“free-space”wave,andviceversainthereceivingcase.TransmissionlineFreespaceAntennaUnintendedAntennasAnyconductor/installationcarryingelectricalcurrent(e.g.electricalinstallationofvehicles)Anyconductingstructure/installationirradiatedbyEMwavesPermanent(e.g.Antennamasts,orpowernetwork)Time-varying(e.g.Windmills,orhelicopterpropellers)Transient(e.g.Re-radiatingaeroplane)AShortHistoryofAntennas1873,Maxwellunifiedthetheoriesofelectricityandmagnetism.RepresentedtherelationshipbetweenelectricityandmagnetismthroughMaxwell’sEquations.Predictedtheexistenceofelectromagneticwaves.1886,HeinrichHertz,aprofessorattheTechnicalInstituteinKarlsruheGermany,builtthefirstradioantennas.(end-loadeddipoleasthetransmittingantennas,square-loopantennaasreceiver.Alsoexperiencedwithparabolicreflectorantennas.Meterwavelength).1901,GuglielmoMarconitransatlantictransmission.(Tuningcircuits,bigantennaandgroundsystems).Startofthewirelesscommunication.WorldwarII,radar,centimeterwavelengthsbecamepopularandtheentireradiospectrumopeneduptowideusage.Satellite,GlobalPositionSatellite(GPS).1960,numericalanalysis.FromCutandTrytoengineeringart.Antennas:importantelementsofanyradiolink天线的作用AntennaTransmitterAntennaReceiverRadiowave天线的作用与地位无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。按用途，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性，可分为全向天线、定向天线等；按外形，可分为线状天线、面状天线等；导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如下图所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。传输线天线T-Antenna发射天线Transmittingantennatransformspowerintheformoftime-dependentelectricalcurrentintotime-and-space-dependentelectro-magnetic(EM)wave.发射天线模型TransmissionLines传输线模型R-Antenna接收天线Receivingantennatransformstime-and-space-dependentEMwaveintotime-dependentelectricalcurrent(power)接收天线模型AntennaGeometries天线构型1.Wireradiators线天线水平对称天线双极天线双极天线即水平对称振子(HorizontalSymmetricalDipole)，如图所示，又称π型天线。天线的两臂可用单根硬拉黄铜线或铜包钢线做成，也可用多股软铜线，导线的直径根据所需的机械强度和功率容量决定，一般为3～6mm。天线臂与地面平行，两臂之间有绝缘子。天线两端通过绝缘子与支架相连，为降低天线感应场在附近物体中引起的损耗，支架应距离振子两端2～3m。为了降低绝缘子介质损耗，绝缘子宜采用高频瓷材料。支架的金属拉线中亦应每相隔小于λ/4的间距加入绝缘子，这样使拉线不至于引起方向图的失真。2～3m双馈线馈线绝缘子绝缘子llH由图1可见，这种天线结构简单，架设撤收方便，维护简易，因而是应用广泛的短波天线，适用于天波传播。当天线一臂的长度l=12m或22m时，天线特性阻抗通常为1000Ω左右，馈线使用H=10m长的双导线，馈线特性阻抗为600Ω。这就是移动通信常用的44m（即2H+2l长度）或64m双极天线。当其架设高度小于0.3λ，向高空方向（仰角90°）辐射最强，宜作300km范围内通信用天线。当天线距离较远时，这种天线增益较低，方向性不强，且工作频段较窄。2～3m双馈线馈线绝缘子绝缘子llH图11.双极天线的方向性由于双极天线主要用于天波传播，而天波传播时，电波射线以一定仰角入射到电离层后又被反射回地面，从而构成甲乙两地的无线电通信，通信距离与电波射线仰角有密切关系。为了便于描绘场强随射线仰角Δ和方位角φ的变化关系，一般直接用Δ、φ作自变量表示天线的方向性，而不使用射线与振子轴之间的夹角θ’作方向函数的自变量。按图2中的几何关系，可得2290ˆˆcos'sincoscoscos211sin'1coscos212ryaa在分析天线的方向性时，可以把地面看作是理想导电地，因为在大多数情况下水平极化波地面反射系数都接近-1，可用地面下的负镜像天线来代替地面对辐射的影响。由自由空间对称振子方向函数和负镜像阵因子按方向图乘积定理得22cos(cos')cos(',)1.4.5,2sinsin1.7.1213sin'cos(cossin)cos(,)2sin(sin)2131cossinallffkHklklfkHyAxOHPz''P图2(a)(b)(c)(d)(e)(f)根据2―1―3表达式，可以画出双极天线的立体方向图，图3表示双极天线在相同架设高度不同臂长情况下的方向图，图4表示在相同臂长不同架高时的方向图。0.25H0.25l0.5l0.75l0.65l1l1.2l图3表示双极天线在相同架设高度不同臂长情况下的方向图(a)(b)(c)(d)(e)(f)0.25l0.25H0.5HH0.75H1.75H1.25H根据2―1―3表达式，可以画出双极天线的立体方向图，图2―1―3表示双极天线在相同架设高度不同臂长情况下的方向图，图4表示在相同臂长不同架高时的方向图。图4表示在相同臂长不同架高时的方向图。为了便于分析，我们在研究天线方向性时，通常总是研究两个特定平面的方向性，例如在研究自由空间天线方向性时，往往取两个相互垂直的平面即E面和H面作特定平面。但在研究地面上的天线方向性时，一方面要考虑地面的影响，另一方面要结合电波传播的情况选取两个最能反映天线方向性特点的平面，通常选取铅垂平面和水平平面，这两个平面具有直观方便的特点。所谓铅垂平面，就是与地面垂直且通过天线最大辐射方向的垂直平面。鉴于实际天线的臂长l0.7λ，单元天线最大辐射方向垂直于对称振子，故取振子的H面为垂直平面，在图2中，xOz平面就是双极天线的垂直平面。水平平面是指对应一定的仰角Δ，固定r（OP），观察点P绕z轴旋转一周所在的平面，在该平面上P点场强随φ变化的相对大小即为双极天线的水平平面方向图。下面分别讨论天线的垂直平面和水平平面方向图。yAxOHPz''P1）垂直平面方向图图22中，φ=0°的xOz面即为双极天线的垂直平面。将φ=0°代入式（2―1―3）,可得fxOz(Δ,φ=0°)=|1-oskl|·|2sin(kHsinΔ)|(2―1―4)由于单元天线的xOz面方向图是圆，故双极天线的垂直平面方向图形状仅由地因子决定。22cos(cossin)cos(,)2sin(sin)2131cossinklklfkH1）垂直平面方向图fxOz(Δ,φ=0°)=|1-coskl|·|2sin(kHsinΔ)|(2―1―4)故双极天线的垂直平面方向图形状仅由地因子决定垂直平面方向图具有下列特点：(1)垂直平面方向图只与H/λ有关，而与l/λ无关。这是因为，不管单元振子有多长，元因子在垂直于振子轴的平面内方向图恒为一个圆。故可用改变天线架设高度H/λ来控制垂直平面内的方向图。(2)无论H/λ为何值，沿地面方向（即Δ=0°方向）均无辐射。这是由于天线与其镜像在该方向的射线行程差为零，且两者电流反相，因而辐射场互相抵消。所以，这种天线不能用作地波通信。(3)当H/λ≤0.25或放宽到H/λ≤0.3时，最大辐射方向在Δ=90°，在Δ=60°～90°范围内场强变化不大，即在此条件下天线具有高仰角辐射性能，我们称这种天线为高射天线。这种架设不高的双极天线，通常应用在0～300km内的天波通信中。(4)当H/λ0.3时，最强辐射方向不止一个，H/λ越高，波瓣数越多，靠近地面的第一波瓣Δm1越低。第一波瓣的最大辐射仰角Δm1可求出，令110sin(sin)1arcsin172,2154mmkHH在架设天线时，应使天线的最大辐射仰角Δm1等于通信仰角Δ0。根据通信仰角Δ0就可求出天线架设高度H，即当双极天线用作天波通信时，工作距离愈远，通信仰角Δ0愈低，则要求天线架设高度越高。(5)当地面不是理想导电地时，不同架设高度的天线在垂直平面内的方向图的变化规律与理想导电地基本相同，只是场强最大值变小，最小值不为零,最大辐射方向稍有偏移。不同地质对水平振子方向性影响不大。02164sinH2）水平平面方向图水平平面方向图就是在辐射仰角Δ一定的平面上，天线辐射场强随方位角φ的变化关系图。显然这时的场强既