第4章_天线(2017)
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1、第四章第四章 电磁波辐射电磁波辐射天线的基本概念天线的基本概念空间电磁波空间电磁波高频电流高频电流发射发射接收接收收、发天线具有互易性收、发天线具有互易性天线的作用天线的作用天线的分类天线的分类v按用途分类，可分为通信天线、测量天按用途分类，可分为通信天线、测量天线等线等v按工作频段分类，可分为短波天线、超按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等短波天线、微波天线等v按方向性分类，可分为全向天线、定向按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等天线等v按外形分类，可分为线天线、面天线等按外形分类，可分为线天线、面天线等v线天线：线天线：天线的直径远小于其几何长度天线的直径远小于其几何
2、长度可不考虑天线横截面上的电流分布可不考虑天线横截面上的电流分布天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、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。不同场合、不同要求等不同情况下使用。偶极子天线偶极子天线单极天线单极天线环天线环天线螺旋天线螺旋天线各种天线 各种天线都可以看成是由很多电流元构各种天线都可以看成是由很多电流元构成的，因此天线的辐射场也可以看成是成的，因此天线的辐射场也可以看成是这许多电流元辐射场的叠加。这许多电流元辐射场的叠加。电流元：长度电流元：长度l 的流有电流的导线。的流有电流的导线。 特点：由特点：由l1,可将表达式中正比于可将表达式中正比于1
3、/r3 和和1/r2的项略去，的项略去，即可得到电流元的辐射场：即可得到电流元的辐射场：0sin42EEerIlkjErjkr0sin4HHerIlkjHrjkr3. 自由空间中电流元的辐射场自由空间中电流元的辐射场1）媒质的特性阻抗：）媒质的特性阻抗： 1200ZkHEZ2）自由空间中电流元的辐射场：）自由空间中电流元的辐射场：0sin2sin60HHEEerIljHerIljErrjkrjkrH 、E 和I是有效值或最大值4. 电电偶极子偶极子辐射场的特性辐射场的特性1）电流元辐射的波在远区为横电磁波）电流元辐射的波在远区为横电磁波2）电流元辐射的波在远区为球面波）电流元辐射的波在远区为球
4、面波0sin2sin60HHEEerIljHerIljErrjkrjkr4）场强与）场强与Il成正比成正比3）坡印亭矢量的瞬时值为正值，即）坡印亭矢量的瞬时值为正值，即 为实数为实数SIl 称为电流矩称为电流矩第二节第二节 电小环天线电小环天线v定义：环天线的尺寸远小于所辐射电磁波的最大波长v场强计算公式v磁偶极子与电偶极子的区别222120sinsinIAErIAHr第三节 天线的特性参数天线特性参数天线特性参数机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等电特性参数电特性参数一次参数：方向性图，输入阻抗，效率一次参数：方向性图，输入阻抗，效率二次参数：方向
5、性系数，增益，波瓣宽度，二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度， 前后比，极化特性等前后比，极化特性等一、 天线的方向性 天线的辐射场强与方向有关的特性，称天线的辐射场强与方向有关的特性，称为天线的方向性。为天线的方向性。以电流元为例：以电流元为例：0sin2sin60HHEEerIljHerIljErrjkrjkr（一）天线的方向性函数和方向性图（一）天线的方向性函数和方向性图1. 用于表示天线方向性特性的函数：用于表示天线方向性特性的函数：2. 电流元的方向性函数电流元的方向性函数3. 电流元的方向性图电流元的方向性图),(fjkrerIljEsin60sin)(),(lffv赤道面：与天线
6、轴垂直并经过天线中心赤道面：与天线轴垂直并经过天线中心 的平面。的平面。v子午面：包含天线轴的平面。子午面：包含天线轴的平面。 90某一常数1）电流元在赤道面内的方向性函数和方向性图：）电流元在赤道面内的方向性函数和方向性图：lf)( 090270180E2）电流元在子午面内的方向性函数和方向性图：）电流元在子午面内的方向性函数和方向性图：sin)(lf90 0180270E（二）天线的归一化方向性函数和归一化方向性图（二）天线的归一化方向性函数和归一化方向性图1. 归一化方向性函数：归一化方向性函数： 天线辐射场与最大方向上的场强值之比。天线辐射场与最大方向上的场强值之比。,/,/,),(m
7、axmaxffEEF 反映了天线在不同方向的场分布。反映了天线在不同方向的场分布。2. 归一化方向性图：归一化方向性图： 表示归一化方向性函数的空间立体图形。表示归一化方向性函数的空间立体图形。 通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤道通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤道面面/E面和面和H面）的平面图来表示。面）的平面图来表示。方向性相关的参数主瓣宽度半功率角副瓣宽度副瓣电平二、 天线的方向性和增益1.方向性系数： 天线辐射功率一定，在任意方向天线辐射功率一定，在任意方向 辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时的平均功率密度之比。的平均功率密度之比。)
8、,(11DSSD),(11物理意义：物理意义： 由于天线有方向性，使某方向的辐射功由于天线有方向性，使某方向的辐射功率密度比均匀辐射时增加的倍数率密度比均匀辐射时增加的倍数D。实际上，。实际上，D反映了天线集中辐射能量的特性。反映了天线集中辐射能量的特性。 通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方向性系数。向性系数。2 2、天线的增益、天线的增益 在任意方向在任意方向 , 辐射功率密度与将相等的输辐射功率密度与将相等的输入功率均匀辐射时的平均功率密度之比，即天线入功率均匀辐射时的平均功率密度之比，即天线增益为：增益为：),(11GSSG),(1124
9、 rPSAG物理意义：物理意义： 为了在观察点有相等的辐射功率密度，为了在观察点有相等的辐射功率密度，方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线输入功率的输入功率的G倍。倍。 dBi：表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源；：表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源； dBd：表示以半波对称振子为比较对象。：表示以半波对称振子为比较对象。增益的单位：增益的单位：IEEE定义的天线增益在指定方向上的辐射强度与将天线接收到的功在指定方向上的辐射强度与将天线接收到的功率各向同性辐射的辐射强度的比值。率各向同性辐射的辐射强度的比值。注注1：增益与天线阻抗不匹配和极化不匹配无
10、关、也与天线连：增益与天线阻抗不匹配和极化不匹配无关、也与天线连接的系统无关。接的系统无关。注注2：各向同性辐射的功率的辐射强度等于天线接收的功率除：各向同性辐射的功率的辐射强度等于天线接收的功率除以以4。注注3：如果天线没有损耗，在任何方向上增益和方向性相等。：如果天线没有损耗，在任何方向上增益和方向性相等。注注4：如不明确方向，则指最大辐射强度的方向。：如不明确方向，则指最大辐射强度的方向。注注5：绝对增益和相对增益。：绝对增益和相对增益。天线的增益天线的增益( (书上定义书上定义) )22022422( , )( , )4( , )4( , )( , )( , )4( , )( , )a
11、vrravradavradavavradavinEESaarUr SPSdsUdPUUUDUPUUGUP 幅射强度幅射强度平均幅射强度平均幅射强度 辐射强度与功率密度辐射强度与功率密度的区别的区别例题4.1:已知电偶极子在远场的电场强度为:jkrerIlkjsin4E2试推导电偶极子的辐射电阻是多少？G=?解:12avSE Hddrdssin2ddrHEdPsin212ddrEdPEHsin2222222220000sinsin22ErPrd ddEdW E223lIP将带入上式得：RIPm221 232lR对于自由空间2280lR求增益G60sinIdlEr221122mrmsavmmEES
