《微波技术与天线》第6章

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1、6.1 概论概论6.2 基本振子的辐射基本振子的辐射6.3 天线的电参数天线的电参数6.4 接收天线理论接收天线理论第第6章天线辐射与接收的基本理论章天线辐射与接收的基本理论v1. 天线的定义天线的定义天线的基本功能是辐射和接收无线电波天线的基本功能是辐射和接收无线电波F发射时，把高频电流转换为电磁波；发射时，把高频电流转换为电磁波；F接收时，把电滋波转换为高频电流。接收时，把电滋波转换为高频电流。 不同的无线电设备对天线的要求不同。不同的无线电设备对天线的要求不同。 发射机 接收机发射天线 接收天线 电波 馈线 馈线 图6-1-1 无线电设备的信道方框图通信系统中的天线通信系统中的天线v 能

2、量的转换：能量的转换：自由空间的电磁能量与高频自由空间的电磁能量与高频电流能量的相互转换；电流能量的相互转换；v 能量的分配：能量的分配：使空间传播的电磁波能量在使空间传播的电磁波能量在指定的空域内辐射传播；指定的空域内辐射传播；信信息息源源信号变换信号变换发发信信机机收收信信机机信号变换信号变换受受信信者者 发射：高频能量转换成电磁波能量；发射：高频能量转换成电磁波能量； 向指定空域发射电磁波；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。收集指定空域内的电磁波。能接收电能接收电磁能量磁能量 天线天线2、

3、天线的作用、天线的作用分类的方法分类的方法种类种类按用途分按用途分通信天线、广播天线、雷达天线、导航天线、通信天线、广播天线、雷达天线、导航天线、测向天线等测向天线等按工作频段分按工作频段分长波天线、中波天线、短波天线、超短波天长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线线和微波天线方向性的强弱方向性的强弱全向天线、弱方向性天线和强方向性天线等全向天线、弱方向性天线和强方向性天线等按极化特性按极化特性线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线等线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线等按工作原理分按工作原理分驻波天线、行波天线；阵列天线驻波天线、行波天线；阵列天线按波束控制的按波束控制的方法分方法

4、分固定波束天线、相控天线、智能天线等固定波束天线、相控天线、智能天线等按基本结构分按基本结构分线天线、面天线、缝隙天线线天线、面天线、缝隙天线按电尺寸分按电尺寸分电小天线：尺寸远小于工作波长；电大尺寸电小天线：尺寸远小于工作波长；电大尺寸天线：大小与工作波长可以比拟天线：大小与工作波长可以比拟天线的分类天线的分类 天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。 这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求其次要求天线与发射机或接收机天线与发射机或接收机匹配匹配(需要计算或测试天线的辐需要计算或测试天线的辐

5、射阻抗）射阻抗）。 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定或对确定方向的来波最大限度的接受方向的来波最大限度的接受, 即天线具有即天线具有方向性（方向方向性（方向函数）函数）。 天线应能发射或接收规定极化的电磁波天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当即天线有适当的的极化极化。 天线应有足够的天线应有足够的工作频带工作频带。对天线的要求对天线的要求 方向性图方向性图 方向性系数方向性系数 增益增益 输入阻抗输入阻抗 驻波系数驻波系数 效率效率影响天线性能指标的关键因素v天线电尺寸天线电尺寸v天线的形状和结构天线的形状和结构v天线上的电

6、流分布天线上的电流分布 发射机 接收机发射天线 接收天线 电波 馈线 馈线 天线常用的性能指标天线常用的性能指标：天线馈线系统手机拉杆电视天线天线 无线公话天线天线35厘米卫星天线 八木天线（八木秀次和宇田太郞） 雷达天线阵美军装备的“铺路爪”相控阵雷达 日本的FPS-XX警戒管制雷达 美国SBX海基X波段反导雷达AN_FPS-117型远程对空监视雷达 美国空军F-15C战斗机装载的(AESA)有源相控阵雷达 美军地勤人员检修F-15C战斗机APG-63雷达 中国的天线阵？中国空警200型预警机空警200的雷达盘子 地空导弹系统的地面制导设备 解析法：求解电磁场方程并满足边界条件解析法：求解电

7、磁场方程并满足边界条件, 但但这往往十分繁这往往十分繁杂杂, 有时甚至是十分困难的。有时甚至是十分困难的。在实际问题中在实际问题中, 往往将条件理想往往将条件理想化化, 进行一些近似处理进行一些近似处理, 从而得到近似结果从而得到近似结果, 这是天线工程中最这是天线工程中最常用的方法。常用的方法。 数值法：在某些情况下数值法：在某些情况下, 如果需要较精确的解如果需要较精确的解, 可借助电磁可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。场理论的数值计算方法来进行。天线的研究方法天线的研究方法预备知识：时变场的达朗贝尔方程，滞后位及其解预备知识：时变场的达朗贝尔方程，滞后位及其解v磁矢位和电标位v线性、

8、均匀各向同性的无耗媒质中， 时谐形式的麦克斯韦方程天线辐射场的求解思路：天线辐射场的求解思路：点源点源的磁矢位转换点源的辐射场计算连续分布结构的辐射场突破点源后利用突破点源后利用结果推导新结构结果推导新结构的结果的结果6.2 基本振子的辐射基本振子的辐射图 6 2 电基本振子PrzyxlOyxzlOIrEHEr1. 电基本振子电基本振子 电基本振子是一段电基本振子是一段长度长度l远小于波长远小于波长, 电流电流I振幅振幅均匀分布、均匀分布、相位相同相位相同的直线电流元的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分它是线天线的基本组成部分, 任意线天任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。线均可

9、看成是由一系列电基本振子构成的。 320232022cos()4 1sin()4 1sin ()0040jkrrjkrjkrrIljkEerrIljkjkEerrrIljkHerrEHH(6-2-1)式中, ， 是媒质中电磁波的波数 k电基本振子的辐射场在电磁场理论中在电磁场理论中, 已给出了在球坐标原点已给出了在球坐标原点O沿沿z轴放置的轴放置的电基本振子电基本振子(图图6 -2)在周围空间产生的场为在周围空间产生的场为yxzlOIrEHEr303022cos4 2sin4 sin4rIlEjrIlEjrIlHr (6-2-2)302230222cos()4 1sin()4 1sin ()4

10、jkrjkrrjkrkerkjIljErIljkerrjErIklHerr21rkr时 303022cos42sin4sin4rIlEjrwIlEjrwIlHr 近区场的特点近区场的特点 在近区在近区, 电场和与静电场问题中的电偶极子的电场相似电场和与静电场问题中的电偶极子的电场相似, 磁场和恒磁场和恒 定电流场问题中的电流元的磁场相似定电流场问题中的电流元的磁场相似, 所以近区场称为所以近区场称为准静态场；准静态场； 由于场强与由于场强与1/r的高次方成正比的高次方成正比, 所以近区场随距离的增大而迅速减所以近区场随距离的增大而迅速减 小小, 即即离天线较远时离天线较远时, 可认为近区场近似

11、为零可认为近区场近似为零； 电场与磁场相位相差电场与磁场相位相差90, 说明玻印廷矢量为虚数说明玻印廷矢量为虚数, 也就是说也就是说, 电磁电磁 能量在场源和场之间来回振荡能量在场源和场之间来回振荡, 没有能量向外辐射没有能量向外辐射, 所以近区场又所以近区场又 称为称为感应场。感应场。 23111rrr1 jkre电基本振子的远区场为jkrerIljEsin60jkrerIljHsin2(6-2-5)HES21H 在远区在远区, 电基本振子的场只有电基本振子的场只有 和和 两个分量两个分量, 它们在它们在空间上相互垂直空间上相互垂直, 在时间上同相位在时间上同相位, 所以其玻印廷矢量所以其玻