《天线原理》第1章

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1、天线原理与设计陈启兴 通信工程学院课件下载密码： student2012第一章作业：第一章作业：26121432参考书【1】谢处方，饶克谨. 电磁场与电磁波，高等教育出版社【2】C. A. 巴拉尼斯. 天线理论与设计，电子工业出版社第一章 天线基础知识天线是电信号与电磁波之间的转换器。第一章 天线基础知识（续）第一章 天线基础知识（续） 天线是无线电设备中用来辐射和接收电磁波的装置，是无线电通信、雷达、导航、遥感、遥测、射电天文及电子对抗等必不可少的组成部分之一。第一章 天线基础知识（续）第一章 天线基础知识（续）第一章 天线基础知识（续）第一章 天线基础知识（续）第一章 天线基础知识（续）第

2、一章 天线基础知识（续）第一章 天线基础知识（续）第一章 天线基础知识（续）第一章 天线基础知识（续） 按照用途的不同，可将天线分为通信天线、广播和电视天线、雷达天线、导航和测向天线等； 按照工作波长，可将天线分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线以及微波天线等； 按照天线的特性，可将天线分为圆极化天线、线极化天线、窄频带天线、宽频带天线、非频变天线以及数字波束天线等。 天线的理论分析是建立在电磁场理论分析的基础上的，求解天线问题实质上就是求解满足特定边界条件的麦克斯韦方程的解，其求解过程是非常繁琐和复杂的。1.1 基本振子的辐射1.1.1 电基本振子的辐射基本振子电基本振子磁基本振子

3、电基本振子又被称为电流元，是指一段理想的高频电流直导线，其长度l远小于波长，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流I处处等幅同相。 如图1-1-1所示，在球坐标系原点O沿z轴放置的电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为1.1.1 电基本振子的辐射（续）图 1-1-1 电基本振子的坐标1.1.1 电基本振子的辐射（续）0e1jsin14e1jcos24e1sin400j3220j320j2ErrkrkjIlErrkIlErrkjIlHHHkrkrrkrr(1-1-1) (1-1-2) eHeeEHEErr1.1.1 电基本振子的辐射（续）式中, E为电场强度，单位为V/m； H为磁场强度，单位

4、为A/m； 场强的下标r、表示球坐标系中矢量的各分量；er、e、e分别为球坐标系中沿r、增大方向的单位矢量； 0= 10-9/(36)(F/m)，为自由空间的介电常数；0=410-7 (H/m), 为自由空间导磁率；k=(0 0)0.5 =2/, 为自由空间相移常数，为自由空间波长。式中略去了时间因子ejt。由此可见，电基本振子的场强矢量由三个分量H、Er、E组成，每个分量都由几项组成，它们与距离r有着复杂的关系。 1.1.1 电基本振子的辐射（续）1. 近区场近区场kr1(即r1(即r/(2)的区域称为远区场，在此区域内因此保留式(1-1-1)中的最大项后，电基本振子的远区场表达式为 (1-

5、1-4)32)(1)(11krkrkr0esin60jesin2jjjEEHHrIlErIlHrrkrkr1.1.1 电基本振子的辐射（续） 远区场的坡印廷矢量平均值为rrlIeHES22222avsin15*Re21（1-1-5）有能量沿r方向向外辐射，故远区场又称为辐射场。该辐射场有如下性质：(1) E、H均与距离r成反比，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(TEM波)。(3) E和H的比值为常数，称为媒质的波阻抗，记为。对于自由空间 01200

6、HE(1-1-6)1.1.1 电基本振子的辐射（续）(4) E和H均与sin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。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）（W40 dsin15d d*Re21 d2220322220avrlIlIsHEsSPSS(1-1-7)1.1.1 电基本振子的辐射（续）图 1-1-2 电基本振子电力线图1-1-3 电基本振子远区场1.1.1 电基本振子的辐射（续）既然辐射出去的能量不再返回波源，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辐射电阻Rr。类似于普通电

7、路，可以得出： Pr=0.5I2Rr (1-1-8)其中，Rr称为该天线归算于电流I的辐射电阻，这里I是电流的振幅值。电基本振子的辐射电阻为 (1-1-9)8022lRr1.1.2 磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射磁基本振子又被称磁流元、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，因此讨论它是有必要的。1.1.2 磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射（续）图 1-1-4 磁基本振子的坐标1.1.2 磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射（续）如图1-1-4所示，设想一段长为l

8、(l)的磁流元Iml置于球坐标系原点，根据电磁对偶性原理，只需要进行如下变换： (1-1-10)其中，下标e、m分别对应于电源和磁源，则磁基本振子远区辐射场的表达式为 (1-1-11) 00,memememeQQIIEHHEkrmkrmrlIHrlIEj00je sin2je sin2j1.1.2 磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射（续）磁基本振子的实际模型是小电流环，如图1-1-5所示，它的周长远小于波长，而且环上的谐变电流I的振幅和相位处处相同。图 1-1-5 小电流环和与其等效的磁矩(a) 小电流环； (b) 磁矩1.1.2 磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射（续） 磁矩和环上电流的关系为p

9、m=0Is (1-1-12)式中，s为环面积矢量，方向由环电流I按右手螺旋定则确定。若求小电流环远区的辐射场，我们可把磁矩看成一个时变的磁偶极子，磁极上的磁荷是+qm、-qm，它们之间的距离是l。磁荷之间有假想的磁流Im，以满足磁流的连续性，则磁矩又可表示为pm=qml (1-1-13)式中，l的方向与环面积矢量的方向一致。1.1.2 磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射（续） 比较式(1-1-12)和(1-1-13)，得 在时谐场中，磁流为 (1-1-14)tIlstqIlIsqmmmdddd,00IlsIm0j 将式(1-1-14)代入式(1-1-11)，经化简可得小电流环的远区场表达式为kr

10、krrsIHrsIEj000j0e .sin2.e sin2(1-1-15)1.1.2 磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射（续）磁偶极子的辐射总功率是辐射电阻是(1-1-17)av2422d1 Re* d2 160(W)rSSPSsEHssI（1-1-16）32022242sIPRrr1.2 发射天线的电参数发射天线的电参数 1.2.1 方向函数方向函数 天线电参数(电指标)：方向函数、方向图、方向系数、效率、增益系数、极化、有效长度、输入阻抗、辐射阻抗、频带宽度等。图 1-2-1 空间方位角1.2.1 方向函数（续）方向函数（续）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(

11、子午角、方位角)的关系，如图1-2-1所示。若天线辐射的电场强度为E (r, , )，则把电场强度(绝对值)可写|E (r, , )|= (60I/r)f(, ) (1-2-1)式中，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；f(,)为场强方向函数。因此，方向函数可定义为 (1-2-2)( , , )( , )60 /E rfI r 将电基本振子的辐射场表达式(1-1-4)代入上式，可得电基本振子的方向函数为( , )( )sinlff (1-2-3)1.2.1 方向函数（续）方向函数（续） 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(,)表示，即 (1-2-4