微波技术与天线课件第6章

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1、第6章 天线辐射与接收的基本理论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习习 题题 第6章 天线辐射与接收的基本理论第6章 天线辐射与接收的基本理论6.1 概论概论 通信的目的是传递信息, 根据传递信息的途径不同, 可将通信系统大致分为两大类: 一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息, 即所谓的有线通信, 如电话、计算机局域网等有线通信系统; 另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息, 即所谓的无线通信, 如电视、 广播、 雷达、 导航、卫星等无线通信系统。 在如图 6 -1 所示的无线通信系统中, 需要将来

2、自发射机的导波能量转变为无线电波, 或者将无线电波转换为导波能量, 用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。 第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6 1 无线电通信系统框图第6章 天线辐射与接收的基本理论 发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线, 通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量, 并向所需方向辐射出去。到达接收点后, 接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量, 经馈线输送至接收机输入端。天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备, 它的选择与设计是否合理, 对整个无线电通信系统的性能有很大的影响, 若天线设计不当, 就

3、可能导致整个系统不能正常工作。 第6章 天线辐射与接收的基本理论 综上所述, 天线应有以下功能: 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, 其次要求天线与发射机或接收机匹配。 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性。 天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当的极化。 天线应有足够的工作频带。 第6章 天线辐射与接收的基本理论 以上四点是天线最基本的功能, 据此可定义若干参数作为设计和评价天线的依据。通信的飞速发展对天线提出了许多新的要求,天线的功能也不断有新的突破。除了完成高频能量

4、的转换外, 还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理, 如信号处理天线、单脉冲天线、自适应天线和智能天线等。特别是自1997年以来, 第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点, 而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技术之一。 第6章 天线辐射与接收的基本理论 天线的种类很多，按用途可将天线分为通信天线、 广播电视天线、雷达天线等; 按工作波长, 可将天线分为长波天线、 中波天线、 短波天线、 超短波天线和微波天线等； 按辐射元的类型可将天线分为两大类: 线天线和面天线。所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成, 主要用于长波、中波和短波波段; 面天线是由尺寸大于波长

5、的金属或介质面构成的, 主要用于微波波段, 超短波波段则两者兼用。 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。 馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线、同轴线传输线、 波导或微带线等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密, 有时把天线和馈线系统看成是一个部件, 统称为天线馈线系统, 简称天馈系统。 第6章 天线辐射与接收的基本理论6.2 基本振子的辐射基本振子的辐射 1. 电基本振子电基本振子 电基本振子是一段长度l远小于波长, 电流I振幅均匀分布、 相位相同的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。 下面首先介绍电基本振子的辐射特性。 在

6、电磁场理论中, 已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电基本振子(图6 -2)在周围空间产生的场为第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6 2 电基本振子的辐第6章 天线辐射与接收的基本理论式中, ，是媒质中电磁波的波数 k krrkrkrrrkrIlHHHErkrkrIlErkrIlEj2j2230j230ej1sin4000e )jj(sin14e )j(cos24(6-2-1)第6章 天线辐射与接收的基本理论 下面介绍电基本振子的电磁场特性。 (1) 近区场 在靠近电基本振子的区域（kr1即r1, 即r/2）, 在这种情况下, 式（6-2-1）中的1/r2和1/r3项比起1/r项而言, 可忽略

7、不计, 于是电基本振子的电磁场表示式简化为krrIlkEj02esin 4jkrrkIlHjesin4j(6-2-3)第6章 天线辐射与接收的基本理论7010412000 将上式代入式（6-2-3）得电基本振子的远区场为krrIlEjesin60jkrrIlHjesin2j 对式（6-2-5）进行分析可知: /22,0022cfk9010361式中, (6-2-4)(6-2-5)(F/m)(H/m)第6章 天线辐射与接收的基本理论 在远区, 电基本振子的场只有 和 两个分量, 它们在空间上相互垂直, 在时间上同相位, 所以其玻印廷矢量 是实数, 且指向 r 方向。 这说明电基本振子的远区场是一

8、个沿着径向向外传播的横电磁波, 所以远区场又称辐射场; / = =120（）是一常数, 即等于媒质的本征阻抗, 因而远区场具有与平面波相同的特性; 辐射场的强度与距离成反比, 随着距离的增大, 辐射场减小。 这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的, 当距离增大时, 辐射能量分布到更大的球面面积上; 00/HES21HHEE第6章 天线辐射与接收的基本理论 在不同的方向上, 辐射强度是不相等的。 这说明电基本振子的辐射是有方向性的。 2. 磁基本振子的场磁基本振子的场 在讨论了电基本振子的辐射情况后, 现在再来讨论一下磁基本振子的辐射。我们知道, 在稳态电磁场中, 静止的电荷产生电场, 恒定的

9、电流产生磁场。那么, 是否有静止的磁荷产生磁场, 恒定的磁流产生电场呢？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, 如果引入这种假想的磁荷和磁流的概念, 将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代,即将“电源”换成等效“磁源”, 可以大大简化计算工作。 第6章 天线辐射与接收的基本理论 稳态场有这种特性, 时变场也有这种特性。 小电流环的辐射场与磁偶极子的辐射场相同。 磁基本振子是一个半径为b的细线小环, 且小环的周长满足条件：2b, 如图6-3所示。假设其上有电流i(t)=Icost, 由电磁场理论, 其磁偶极矩矢量为m2mpabIapzz

10、 根据电与磁的对偶性原理, 只要将电基本振子场的表达式（6- 2 -1）中的E换为2H, H换为-E, 并将电偶极矩p=Il/(j)换为磁偶极矩pm, 就可以得到沿z轴放置的磁基本振子的场: (6-2-6)(Am2)第6章 天线辐射与接收的基本理论图 6 3 磁基本振子的辐射第6章 天线辐射与接收的基本理论0HEErkrrrkp Ej2m0e1jsin4jkrmrrrkpHj32e )1j(cos2jkrrrkrkpHj322me1jjsin2j与电基本振子做相同的近似得磁基本振子的远区场为: krrpEjm0esin2 krmrp Hj0esin21(6-2-7)(6-2-8)第6章 天线辐

11、射与接收的基本理论6.3 天线的电参数天线的电参数 1. 天线方向图及其有关参数天线方向图及其有关参数 所谓天线方向图， 是指在离天线一定距离处, 辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图, 通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。 1) 在地面上架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示其方向图 （1） 水平面 当仰角及距离r为常数时, 电场强度随方位角 的变化曲线, 参见图 6 - 4;第6章 天线辐射与接收的基本理论 （2） 铅垂平面 当 及r为常数时, 电场强度随仰角的变化曲线, 参见图 6 - 4。 2) 超高频天线, 通常采用与场矢量相平行的两个平