电磁波辐射与天线基础课件.ppt

1、 8.1 电磁波辐射电磁波辐射 8.2 天线基础天线基础 8.3 偶极子天线仿真偶极子天线仿真返回.电磁波辐射电磁波辐射电磁辐射是一种看不见、摸不着的场电磁辐射是一种看不见、摸不着的场.人类生存的地球本身就是一个人类生存的地球本身就是一个大磁场大磁场.它表面的热辐射和雷电都可产生电磁辐射它表面的热辐射和雷电都可产生电磁辐射.太阳及其他星球也太阳及其他星球也从外层空间源源不断地产生电磁辐射从外层空间源源不断地产生电磁辐射.围绕在人类身边的天然磁场、围绕在人类身边的天然磁场、太阳光、家用电器等都会发出强度不同的辐射太阳光、家用电器等都会发出强度不同的辐射.电磁辐射是物质内部电磁辐射是物质内部原子、

2、分子处于运动状态的一种外在表现形式原子、分子处于运动状态的一种外在表现形式.对人类社会生活环境对人类社会生活环境有影响的电磁辐射分为天然电磁辐射和人为电磁辐射两种有影响的电磁辐射分为天然电磁辐射和人为电磁辐射两种.大自然引大自然引起的如雷、电一类电磁辐射属于天然电磁辐射起的如雷、电一类电磁辐射属于天然电磁辐射.而人为电磁辐射则主而人为电磁辐射则主要包括各种形式的有用电磁能量、电磁波和电磁信号要包括各种形式的有用电磁能量、电磁波和电磁信号.如无线输电的如无线输电的能量、射频微波等无线通信信号、脉冲放电产生的电磁能量及电磁波、能量、射频微波等无线通信信号、脉冲放电产生的电磁能量及电磁波、工频交变磁

3、场等工频交变磁场等.下一页返回.电磁波辐射电磁波辐射电磁辐射的定义电磁辐射的定义:能量或信号以电磁波的形式通过空间传播的现象能量或信号以电磁波的形式通过空间传播的现象.是是能量释放和信号传递的一种方式能量释放和信号传递的一种方式.电磁辐射作用的三要素是电磁辐射作用的三要素是:电磁波源、电磁波源、辐射作用空间辐射作用空间(区域、范围区域、范围)、受体、受体.电磁辐射的波源来自天线的时变电磁辐射的波源来自天线的时变电磁振荡电磁振荡.电磁辐射的源主要有天然电磁辐射的源主要有天然(自然自然)和人为两种和人为两种.其中人为辐射其中人为辐射源主要包括源主要包括:()无线电发射台无线电发射台.如广播、电视发

4、射台、雷达系统等如广播、电视发射台、雷达系统等.()工频强电系统工频强电系统.如高压输变电线路、变电站等如高压输变电线路、变电站等.()应用电磁能的工业、医疗及科研设备应用电磁能的工业、医疗及科研设备.如电子仪器、医疗设备、如电子仪器、医疗设备、激光照拍设备和办公自动化设备等激光照拍设备和办公自动化设备等.上一页 下一页返回.电磁波辐射电磁波辐射()人们日常使用的家用电子设备和电器人们日常使用的家用电子设备和电器.如微波炉、电冰箱、空调、如微波炉、电冰箱、空调、电热毯、电视机、录像机、电脑、手机等电热毯、电视机、录像机、电脑、手机等.电磁辐射作用空间本质上就是传播路径电磁辐射作用空间本质上就是

5、传播路径.受体可以是既定目标受体可以是既定目标.也可以也可以是无意是无意(不期望不期望)目标目标.电磁辐射电磁辐射(有时简称有时简称)的形式为在自由空间的形式为在自由空间中或媒质中的自传播波中或媒质中的自传播波.电磁辐射有电磁辐射有两个分量的振荡两个分量的振荡:电场分量和磁场电场分量和磁场分量分量.它们分别在两个相互垂直的方向传播能量它们分别在两个相互垂直的方向传播能量.电磁辐射根据频率或电磁辐射根据频率或波长分为不同类型波长分为不同类型.包括包括(按序增加频率按序增加频率):电力电力.无线电波无线电波.微波微波.太赫太赫兹辐射兹辐射.红外辐射红外辐射.可见光可见光.紫外线紫外线.射线和射线和

6、 射线射线.其中其中.无线电波无线电波的波长最长的波长最长.射线的波长最短射线的波长最短.上一页 下一页返回.电磁波辐射电磁波辐射 8.1.1辐射条件辐射条件对于无限大自由空间的电磁场问题对于无限大自由空间的电磁场问题.为了保证为了保证 方程解方程解的唯一性的唯一性.电磁场必须在无限远处满足一定边界条件电磁场必须在无限远处满足一定边界条件.称为称为 辐射条件辐射条件.简称为辐射条件简称为辐射条件.它具有两大类共五种形式它具有两大类共五种形式:第第一类是四种标量形式一类是四种标量形式.分别适用于三维、二维和一维无限空间以及三分别适用于三维、二维和一维无限空间以及三者统一应用者统一应用.第二类是一

7、种矢量形式第二类是一种矢量形式.下面先介绍标量形式下面先介绍标量形式.辐射条件的标量形式辐射条件的标量形式()对于三维无限空间对于三维无限空间.其辐射条件为其辐射条件为:上一页 下一页返回.电磁波辐射电磁波辐射式中式中.代表无限远处电磁场的横向分量代表无限远处电磁场的横向分量.为场点为场点坐标坐标.为源点坐标为源点坐标.称为传播常数称为传播常数.此极限表明此极限表明.无无限远处电磁场振幅至少与距离限远处电磁场振幅至少与距离 一次方成反比一次方成反比.其相位随距离增加逐其相位随距离增加逐渐滞后渐滞后.与距离与距离 一次方成正比一次方成正比.()对于二维无限空间对于二维无限空间.其辐射条件为其辐射

8、条件为:式式()表明表明.无限远处的电磁场的振幅至少与距离无限远处的电磁场的振幅至少与距离 成反比成反比.其相位与距离关系同式其相位与距离关系同式().无限长线电流产生的电磁场满足此无限长线电流产生的电磁场满足此辐射条件辐射条件.对于无耗空间对于无耗空间.传播常数为实数传播常数为实数.三维和二维无限空间电磁三维和二维无限空间电磁场的振幅衰减是由无限远处电磁场本身的发散特性导致的场的振幅衰减是由无限远处电磁场本身的发散特性导致的.上一页 下一页返回.电磁波辐射电磁波辐射()对于一维无限空间对于一维无限空间.其辐射条件为其辐射条件为:式式()表明表明.如果空间无耗如果空间无耗.传播常数传播常数 为

9、实数为实数.无限远处电磁场无限远处电磁场振幅与距离无关振幅与距离无关.相位与距离的关系同式相位与距离的关系同式().一维空间的电磁场一维空间的电磁场形成平面波形成平面波.自身不具有发散特性自身不具有发散特性.()三种辐射条件可用统一公式表示为三种辐射条件可用统一公式表示为:上一页 下一页返回.电磁波辐射电磁波辐射式中式中 代表维数代表维数.上述辐射条件描述标量场的辐射特性上述辐射条件描述标量场的辐射特性.辐射条件的矢量形式辐射条件的矢量形式无限远处矢量场满足的辐射条件为无限远处矢量场满足的辐射条件为:式中式中.为电场强度为电场强度.为磁场强度为磁场强度.为传播方向为传播方向.可以证明可以证明.

10、一一切有限尺寸的电磁波源在无限远处产生的电磁场满足上述辐射条件切有限尺寸的电磁波源在无限远处产生的电磁场满足上述辐射条件.辐射的基本问题是由已知的时变电荷和电流计算任意点的电磁场辐射的基本问题是由已知的时变电荷和电流计算任意点的电磁场.因因此是边值问题此是边值问题.上一页 下一页返回.电磁波辐射电磁波辐射 8.1.2电磁辐射作用的双重性电磁辐射作用的双重性电场和磁场的交互变化产生的电磁波向空中发射或泄漏的现象电场和磁场的交互变化产生的电磁波向空中发射或泄漏的现象.叫电叫电磁辐射磁辐射.电磁辐射的作用具有双重性电磁辐射的作用具有双重性:有益性和有害性有益性和有害性.有益性有益性(有用性有用性)利

11、用电磁辐射传递能量、信号和信息利用电磁辐射传递能量、信号和信息.最为典型的就是无线通信最为典型的就是无线通信.电磁辐射具体应用领域和范畴主要包括电磁辐射具体应用领域和范畴主要包括:()传递信息和能量传递信息和能量.通信、广播、电视等通信主要有微波通信和长、通信、广播、电视等通信主要有微波通信和长、短波通信短波通信.如手机、卫星电话如手机、卫星电话.此外还有利用长、短波进行通信此外还有利用长、短波进行通信.如对如对讲机讲机.广播是将声音变成电流广播是将声音变成电流.然后通过发射天线以波的形式传播出去然后通过发射天线以波的形式传播出去.能量传递主要有无线输电等能量传递主要有无线输电等.上一页 下一

12、页返回.电磁波辐射电磁波辐射()目标检测和探测目标检测和探测.雷达、导航、遥感、智能交通、智能小区、智雷达、导航、遥感、智能交通、智能小区、智慧社区、安检、人防、环境监测等慧社区、安检、人防、环境监测等.如雷达工作原理是发射机向探测如雷达工作原理是发射机向探测的目标发送脉冲波的目标发送脉冲波.该脉冲波遇到探测目标能反射回来该脉冲波遇到探测目标能反射回来.于是就能测出于是就能测出反射波和发射机之间的时间间隔反射波和发射机之间的时间间隔.从而得知探测目标与雷达所在地点从而得知探测目标与雷达所在地点的距离的距离.()医学应用医学应用.电磁辐射可以用以设计很多种生物医学诊断仪器、治电磁辐射可以用以设计

13、很多种生物医学诊断仪器、治疗仪器及监护设备等疗仪器及监护设备等.比如利用微波理疗活血、治疗肿瘤等比如利用微波理疗活血、治疗肿瘤等.用微波治用微波治疗肿瘤的天线或辐射器可以将温度控制在只杀死癌细胞的很窄温度范疗肿瘤的天线或辐射器可以将温度控制在只杀死癌细胞的很窄温度范围内围内.电磁辐射热疗利用电磁能使局部组织升温电磁辐射热疗利用电磁能使局部组织升温.提高血液循环提高血液循环.促进促进新陈代谢而达到治疗的目的新陈代谢而达到治疗的目的.上一页 下一页返回.电磁波辐射电磁波辐射()感应加热感应加热.电磁炉、高频淬火、高频熔炼、高频焊接、高频切割电磁炉、高频淬火、高频熔炼、高频焊接、高频切割等利用中、长

14、波波段的高频电磁场能量使导体或半导体本身发热等利用中、长波波段的高频电磁场能量使导体或半导体本身发热.达达到热加工的目的到热加工的目的.()媒质加热媒质加热.微波炉、微波干燥机、塑料热合机等将非导体置于强微波炉、微波干燥机、塑料热合机等将非导体置于强电磁场内电磁场内.其带正电与负电的分子或原子在交变电磁场的作用下其带正电与负电的分子或原子在交变电磁场的作用下.以这以这个电场的频率振荡、个电场的频率振荡、“摩擦摩擦”而引起发热而引起发热.达到加工的目的达到加工的目的.()军事应用军事应用.用于信息战、电子战、电磁武器等用于信息战、电子战、电磁武器等.上一页 下一页返回.电磁波辐射电磁波辐射.有害

15、性有害性电磁辐射对于无意目标电磁辐射对于无意目标(设备、系统、环境、人体或其他生命体设备、系统、环境、人体或其他生命体)而言而言.就是电磁骚扰和干扰就是电磁骚扰和干扰.会造成不同程度的威胁和危害会造成不同程度的威胁和危害.这类电磁辐射又这类电磁辐射又称为电子烟雾称为电子烟雾.参见第参见第 章电磁兼容的内容章电磁兼容的内容.自然辐射源就很好地诠释了电磁辐射的双重性作用自然辐射源就很好地诠释了电磁辐射的双重性作用:一方面一方面.因为任何因为任何物质都具有辐射电磁波的物质都具有辐射电磁波的(潜在潜在)能力能力.比如任何物体都有一定温度比如任何物体都有一定温度.有有温度就有向外界辐射红外线温度就有向外

16、界辐射红外线(红外线是一种电磁波红外线是一种电磁波.所以也叫电磁辐射所以也叫电磁辐射)降温的特性降温的特性.同时有吸收红外线升温的特性同时有吸收红外线升温的特性.所以自然辐射作为一种自所以自然辐射作为一种自然现象然现象.是维系生态平衡的必要条件是维系生态平衡的必要条件.特别地特别地.人体本身就是一种具有人体本身就是一种具有电磁辐射能力的自平衡电磁生态系统电磁辐射能力的自平衡电磁生态系统.另一方面另一方面.上一页 下一页返回.电磁波辐射电磁波辐射 自然辐射主要来源于雷电、太阳热辐射、宇宙射线、地球的热辐射自然辐射主要来源于雷电、太阳热辐射、宇宙射线、地球的热辐射和媒质、物体静电等和媒质、物体静电

17、等.它们会造成不同程度的威胁和危害它们会造成不同程度的威胁和危害.如雷电除了如雷电除了可能对电气设备、飞机、建筑物等直接造成危害外可能对电气设备、飞机、建筑物等直接造成危害外.还会在广泛的区还会在广泛的区域产生频率范围极宽域产生频率范围极宽(从几千从几千 到几百到几百)的严重电磁干扰的严重电磁干扰.而而火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁爆等都会产生电磁干扰火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁爆等都会产生电磁干扰.天天然的电磁辐射对短波通信的干扰极为严重然的电磁辐射对短波通信的干扰极为严重.上一页返回.天线基础天线基础 8.2.1天线的定义及分类天线的定义及分类.标准定义标准定义.电信术语天线

18、电信术语天线 给出天线的定义是给出天线的定义是:无无线电发射或接收系统中辐射或接收无线电波的部分线电发射或接收系统中辐射或接收无线电波的部分.它为发射机或接它为发射机或接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合.注注:在实用中在实用中.对天线的终端或者对被认为是天线与发射机或接收机对天线的终端或者对被认为是天线与发射机或接收机之间的接口应予以规定之间的接口应予以规定.如果发射机或接收机由馈线接到天线则可如果发射机或接收机由馈线接到天线则可将该天线认为是传输线引导的无线电波和空间的辐射波之间的换能器将该天线认为是传输线引导的无线电波和空间的辐射波之

19、间的换能器.天线术语天线术语 等标准引用了此定义等标准引用了此定义.与天线紧密相关与天线紧密相关的概念有的概念有:下一页返回.天线基础天线基础()辐射单元辐射单元:一副天线的基本单元一副天线的基本单元.用来承受直接产生辐射方向图的用来承受直接产生辐射方向图的射频电流或场射频电流或场().注注:一副天线可以包括一个或多个辐射单元一副天线可以包括一个或多个辐射单元.辐射单元可以是受激励的辐射单元可以是受激励的或不受激励的或不受激励的.天线的某些部件天线的某些部件.例如支柱例如支柱.在精确估算天线辐射方向在精确估算天线辐射方向图时图时.应考虑其影响应考虑其影响.()馈线馈线:连接天线与发射机或接收机

20、的射频传输线连接天线与发射机或接收机的射频传输线.对于包括不止一对于包括不止一个受激单元的天线个受激单元的天线.它是连接天线输入端与一受激单元的射频传输线它是连接天线输入端与一受激单元的射频传输线.()天线系统天线系统:天线连同为实现其本身天线连同为实现其本身(它们的正常它们的正常)功能所必需的机功能所必需的机械和电气部件械和电气部件.上一页 下一页返回.天线基础天线基础()天馈系统天馈系统:对于基站来说对于基站来说.天馈系统是一个十分重要的概念天馈系统是一个十分重要的概念.它是它是天线和馈线系统的统称天线和馈线系统的统称.是指在天线及与之连接的发射节点之间是指在天线及与之连接的发射节点之间.

21、传输传输射频信号的设备射频信号的设备(包括天线本身包括天线本身).基站天馈系统是移动基站的重要组基站天馈系统是移动基站的重要组成部分成部分.主要完成的功能有主要完成的功能有:对来自发信机的射频信号进行传输、发射对来自发信机的射频信号进行传输、发射.建立基站到移动台的下行链路建立基站到移动台的下行链路.对来自移动台的上行信号进行接收、对来自移动台的上行信号进行接收、传输传输.建立移动台到基站的上行链路建立移动台到基站的上行链路.天馈系统中除天线外的其他部分天馈系统中除天线外的其他部分主要用来传输天线和发射节点之间的射频信号主要用来传输天线和发射节点之间的射频信号.主要包括塔放雷电保主要包括塔放雷

22、电保护器以及诸多连接器、固定夹、支架、传输线等护器以及诸多连接器、固定夹、支架、传输线等.天线本身的性能直天线本身的性能直接影响整个天馈系统性能并起着决定性作用接影响整个天馈系统性能并起着决定性作用.馈线系统在安装时匹配馈线系统在安装时匹配的好坏的好坏.直接影响天线性能的发挥直接影响天线性能的发挥.上一页 下一页返回.天线基础天线基础天线是一种变换器天线是一种变换器.它把传输线上传播的导行波它把传输线上传播的导行波.变换成在无界媒介变换成在无界媒介(通常是自由空间通常是自由空间)中传播的电磁波中传播的电磁波.或者进行相反的变换或者进行相反的变换.无线电通信、无线电通信、广播、电视、雷达、导航、

23、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统.凡是利用电磁波来传递信息的凡是利用电磁波来传递信息的.都依靠天线来进行工作都依靠天线来进行工作.此外此外.在用电在用电磁波传送能量方面磁波传送能量方面.非信号的能量辐射也需要天线非信号的能量辐射也需要天线.一般天线都具有可一般天线都具有可逆性逆性.即同一副天线既可用作发射天线即同一副天线既可用作发射天线.也可用作接收天线也可用作接收天线.同一天线同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的作为发射或接收的基本特性参数是相同的.这就是天线的互易定理这就是天线的互易定理.上一页 下一页返回.天线基础天线基

24、础天线辐射的是无线电波天线辐射的是无线电波.接收的也是无线电波接收的也是无线电波.然而发射机通过馈线送然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波入天线的并不是无线电波.接收天线也不能把无线电波直接经馈线送接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机入接收机.其中必须经过能量转换过程其中必须经过能量转换过程.如如图图.所示所示.下面以无线下面以无线电通信设备为例介绍信号的传输过程及天线的能量转换作用电通信设备为例介绍信号的传输过程及天线的能量转换作用.在发射端在发射端.发射机产生的已调制的高频振荡电流发射机产生的已调制的高频振荡电流(能量能量)经馈电设备输经馈电设备输入发射天线入发射天线(馈电设

25、备可随频率和形式不同馈电设备可随频率和形式不同.直接传输电流波或电磁直接传输电流波或电磁波波).发射天线将高频电流或导波发射天线将高频电流或导波(能量能量)转变为无线电波转变为无线电波自由电自由电磁波磁波(能量能量)向周围空间辐射向周围空间辐射.在接收端在接收端.无线电波无线电波(能量能量)通过接收天线通过接收天线转变成高频电流或导波转变成高频电流或导波(能量能量)经馈电设备传送到接收机经馈电设备传送到接收机.从上述过程从上述过程可以看出可以看出.天线不但是辐射和接收无线电波的装置天线不但是辐射和接收无线电波的装置.同时也是一个能量同时也是一个能量转换器转换器.是电路与空间的界面或接口是电路与

26、空间的界面或接口.上一页 下一页返回.天线基础天线基础我们认为我们认为:从天线的原理、特性、功能和应用来看从天线的原理、特性、功能和应用来看.天线不仅是一种换天线不仅是一种换能器能器.而本质上还是一种广义的传感器而本质上还是一种广义的传感器.它用来检测和监测空间电磁信它用来检测和监测空间电磁信号及能量号及能量.注意注意:我们所说的天线我们所说的天线.是指有意为之的天线是指有意为之的天线.即为实现某种目的而设即为实现某种目的而设计和制造的天线计和制造的天线.在有意天线外在有意天线外.还有一类是无意天线还有一类是无意天线.是一种干扰源是一种干扰源辐射器辐射器.是电磁兼容研究的一个主要对象、需要解决

27、的一个主要问题是电磁兼容研究的一个主要对象、需要解决的一个主要问题.天线发射条件天线发射条件如何使导体成为一个有效辐射的天线系统呢如何使导体成为一个有效辐射的天线系统呢?这就提出了天线必须满这就提出了天线必须满足的发射条件足的发射条件:上一页 下一页返回.天线基础天线基础()必须存在时变源必须存在时变源.时变源可以是时变电荷源、时变电流源或时变时变源可以是时变电荷源、时变电流源或时变电磁场电磁场.()时变源的频率应足够高时变源的频率应足够高.才有可能产生明显的、较大的、有效的才有可能产生明显的、较大的、有效的辐射辐射.()波源电路必须开放波源电路必须开放.源电路的结构方式对辐射强弱有极大影响源

28、电路的结构方式对辐射强弱有极大影响.封封闭的电路结构如谐振腔等闭的电路结构如谐振腔等.是不会产生电磁辐射的是不会产生电磁辐射的.()天线振子长度可以与波长相比拟天线振子长度可以与波长相比拟.当作为天线振子的导体当作为天线振子的导体.其长度其长度 远小于波长远小于波长 时时.辐射很微弱辐射很微弱.导体导体长度长度 增大到可与波长相比拟时增大到可与波长相比拟时.导线上的电流将大大增加导线上的电流将大大增加.因而就因而就能形成较强的辐射能形成较强的辐射.发射天线正是利用辐射场的这种性质发射天线正是利用辐射场的这种性质.使传送的信使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射号经过发射天线后能够充分地

29、向空间辐射.上一页 下一页返回.天线基础天线基础.天线的分类天线的分类按照不同方式按照不同方式.可以将天线分为多种类型可以将天线分为多种类型.()按工作性质可分为发射天线和接收天线、收发共用天线按工作性质可分为发射天线和接收天线、收发共用天线.()按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、手机按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、手机天线、基站天线等天线、基站天线等.()根据使用场合的不同可分为手持台天线、车载天线、基地台天根据使用场合的不同可分为手持台天线、车载天线、基地台天线、机载天线、舰载天线、星载天线等线、机载天线、舰载天线、星载天线等.上一页 下一页返回.天线

30、基础天线基础()按方向性可分为全向天线和定向天线等按方向性可分为全向天线和定向天线等.调节成形天线方向的方调节成形天线方向的方式有多种式有多种.其中一种就是调节下倾角其中一种就是调节下倾角.按天线下倾角调节方式按天线下倾角调节方式.分为机分为机械天线和电调天线两类械天线和电调天线两类.机械天线指使用机械调整下倾角度的天线机械天线指使用机械调整下倾角度的天线.电电调天线指使用电子调整下倾角度的天线调天线指使用电子调整下倾角度的天线.()按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等超短波天线、微波天线等.

31、其中一种典型的微波天线如其中一种典型的微波天线如图图.所示所示.按频率特性可分为窄频带天线、宽频带天线、超宽频带天线、双频带按频率特性可分为窄频带天线、宽频带天线、超宽频带天线、双频带天线和三频带天线等天线和三频带天线等.()按天线外形可分为线天线、杆状天线、平板天线、菱形天线、螺按天线外形可分为线天线、杆状天线、平板天线、菱形天线、螺旋天线、喇叭天线、反射面天线等旋天线、喇叭天线、反射面天线等.上一页 下一页返回.天线基础天线基础()按馈电方式可分为对称天线、不对称天线按馈电方式可分为对称天线、不对称天线.()按极化方式可分为线极化天线按极化方式可分为线极化天线.其中包括垂直极化、水平极化、

32、其中包括垂直极化、水平极化、斜极化等斜极化等.以及圆极化天线以及圆极化天线.还有椭圆极化天线等还有椭圆极化天线等.其中包括左旋圆其中包括左旋圆(椭椭圆圆)极化和右旋圆极化和右旋圆(椭圆椭圆)极化天线极化天线.()按天线特性分类按天线特性分类.在方向性和增益方面在方向性和增益方面.可分为强方向性天线或高可分为强方向性天线或高增益天线、弱方向性天线或低增益天线、定向天线、全向天线、笔形增益天线、弱方向性天线或低增益天线、定向天线、全向天线、笔形波束天线、扇形波束天线、余割平方波束天线、赋形波束天线等波束天线、扇形波束天线、余割平方波束天线、赋形波束天线等.()按维数来分可分为一维天线、二维天线和多

33、维天线按维数来分可分为一维天线、二维天线和多维天线.上一页 下一页返回.天线基础天线基础()按天线基本单元按天线基本单元(振子振子)个数及其排列可分为单振子天线和阵列个数及其排列可分为单振子天线和阵列天线天线.而阵列又有线阵、圆阵、平面阵、柱形阵、锥形阵、球形阵、而阵列又有线阵、圆阵、平面阵、柱形阵、锥形阵、球形阵、共形阵、相控阵等共形阵、相控阵等.()按天线是否具有智能性、自适应性等可分为普通天线和智能天按天线是否具有智能性、自适应性等可分为普通天线和智能天线、自适应天线线、自适应天线.()按天线设计和发明以及应用的年代、历史、理论技术按天线设计和发明以及应用的年代、历史、理论技术.又可以又

34、可以分为经典天线和新型天线等分为经典天线和新型天线等.其中新型天线包括相控阵天线、自适应其中新型天线包括相控阵天线、自适应天线、智能天线、天线、智能天线、天线、单脉冲天线、共形天线、射频综合天线、单脉冲天线、共形天线、射频综合集成天线、宽带天线、微带天线、微型天线、新型面天线、选择表面集成天线、宽带天线、微带天线、微型天线、新型面天线、选择表面天线、新材料天线如左手材料天线、太赫兹天线、纳米天线等天线、新材料天线如左手材料天线、太赫兹天线、纳米天线等.上一页 下一页返回.天线基础天线基础 8.2.2天线的基本原理天线的基本原理电磁波是由运动电荷辐射出来的电磁波是由运动电荷辐射出来的.产生辐射离

35、不开天线产生辐射离不开天线(包括人造天线、包括人造天线、自然天线和无意天线自然天线和无意天线).例如无线电波是由发射天线上的时变电流辐射例如无线电波是由发射天线上的时变电流辐射出来的出来的.电流在导体内的流动会产生电场电流在导体内的流动会产生电场.电流在导体内变化会产生磁电流在导体内变化会产生磁场场.将向外辐射电磁波将向外辐射电磁波.严格地说严格地说.天线上的电流和它激发的电磁场是相互作用的天线上的电流和它激发的电磁场是相互作用的.天线电流激天线电流激发电磁场发电磁场.而电磁场反过来作用到天线电流上而电磁场反过来作用到天线电流上.影响着天线电流的分布影响着天线电流的分布.所以辐射问题本质上也是

36、一个边值问题所以辐射问题本质上也是一个边值问题.天线电流和空间电磁场是相天线电流和空间电磁场是相互作用的两个方面互作用的两个方面.需要应用天线表面上的边界条件需要应用天线表面上的边界条件.上一页 下一页返回.天线基础天线基础同时确定空间中的电磁波形式和天线上的电流分布同时确定空间中的电磁波形式和天线上的电流分布.显然这个问题的显然这个问题的求解比较复杂求解比较复杂.本章不做深入探讨本章不做深入探讨.而仅讨论在人造简单天线模型上给而仅讨论在人造简单天线模型上给定电流分布如何计算辐射电磁波的问题定电流分布如何计算辐射电磁波的问题.对天线对天线.不仅需要满足麦克斯韦波动方程及其边界条件不仅需要满足麦

37、克斯韦波动方程及其边界条件.而且还应满足而且还应满足辐射条件辐射条件.天线的激励源分布在有限区域天线的激励源分布在有限区域.无穷远处不存在场源无穷远处不存在场源.满足满足的是齐次波动方程的是齐次波动方程.求解该齐次方程即得到辐射条件式求解该齐次方程即得到辐射条件式().上一页 下一页返回.天线基础天线基础式式()这个方程的物理含义是这个方程的物理含义是:在天线场无穷远处在天线场无穷远处.位函数和场位函数和场均为均为.即只有出射波即只有出射波.没有入射波没有入射波.这是天线问题与一般电磁方程和这是天线问题与一般电磁方程和辐射条件辐射条件.才能形成天线才能形成天线.电流元电流元研究天线问题研究天线

38、问题.实质上是研究天线所产生的空间电磁场分布实质上是研究天线所产生的空间电磁场分布.以及由空以及由空间电磁场分布所决定的天线特性间电磁场分布所决定的天线特性.空间任一点的电磁场都应满足电磁空间任一点的电磁场都应满足电磁场方程场方程(麦克斯韦方程麦克斯韦方程)和边界条件和边界条件.因此因此.求解天线问题实质上是求解求解天线问题实质上是求解电磁方程并满足边界条件电磁方程并满足边界条件.天线问题实质上是电磁场问题天线问题实质上是电磁场问题.它的理论基它的理论基础是电磁场理论础是电磁场理论.上一页 下一页返回.天线基础天线基础研究天线从电流元开始研究天线从电流元开始.电流元也叫作基本振子电流元也叫作基

39、本振子.也称电流源也称电流源.电流元电流元具备的很多电磁辐射特性是任何其他天线所共有的具备的很多电磁辐射特性是任何其他天线所共有的.任何线天线均可任何线天线均可看成是由很多电流元连续分布形成的看成是由很多电流元连续分布形成的.电流元是线天线的基本单元电流元是线天线的基本单元.而而很多面天线也可直接根据面上的电流分布求解其辐射特性很多面天线也可直接根据面上的电流分布求解其辐射特性.电基本振子电基本振子)定义定义一段理想的高频电流直导线一段理想的高频电流直导线.长度长度.半径半径.沿线电流沿线电流()等幅同相均匀分布等幅同相均匀分布.电基本振子也叫作电流元电基本振子也叫作电流元.电流电流元上电流对

40、应电荷的流动元上电流对应电荷的流动.在微分电流段两端形成在微分电流段两端形成(时变的时变的)正负电荷正负电荷积累积累.等效为时变电偶极子等效为时变电偶极子.上一页 下一页返回.天线基础天线基础 这正是赫兹最先研究和使用的偶极子这正是赫兹最先研究和使用的偶极子.故又常称为赫兹偶极子故又常称为赫兹偶极子.也叫也叫作无穷小振子作无穷小振子.电流元长度一半限定为电流元长度一半限定为/.当当/时称为短偶极子时称为短偶极子.除此之外的有限长度偶极子就是通常所除此之外的有限长度偶极子就是通常所说的偶极子天线说的偶极子天线.也称为对称振子也称为对称振子(天线天线).)空间场分布空间场分布假设电流源位于坐标原点

41、假设电流源位于坐标原点.沿着沿着 轴放置轴放置.长度为长度为.其上电流等幅同其上电流等幅同相分布相分布.即即 .这里这里 是常数是常数.电基本振子坐标示意图如电基本振子坐标示意图如图图.所示所示.上一页 下一页返回.天线基础天线基础为求电基本振子空间的场分布为求电基本振子空间的场分布.首先求出其矢量磁位首先求出其矢量磁位.再由再由 求出求出电场强度电场强度 和磁场强度和磁场强度.根据电磁场理论根据电磁场理论.电流分布电流分布 的电流元的电流元.其矢量磁位其矢量磁位 可以表示为可以表示为:式中式中(.)观察点坐标观察点坐标.(.)源点坐标源点坐标.源点到观察点的距离源点到观察点的距离.上一页 下

42、一页返回.天线基础天线基础由于基本电振子的长度由于基本电振子的长度 远小于波长远小于波长 和距离和距离.因此式因此式()可可以表示成以表示成:引用直角坐标与球坐标的变换关系引用直角坐标与球坐标的变换关系.将式将式()改写为改写为:上一页 下一页返回.天线基础天线基础又又 得到磁场分量表达式得到磁场分量表达式:由由 可得电场分量表达式为可得电场分量表达式为:上一页 下一页返回.天线基础天线基础由此可见由此可见.基本电振子的场强矢量由三个分量基本电振子的场强矢量由三个分量、组成组成.式式()、式、式()、式、式()是一般表达式是一般表达式.对于任意距离对于任意距离 的场点都适用的场点都适用.上一页

43、 下一页返回.天线基础天线基础)场区域划分场区域划分根据电基本振子的场矢量与距离根据电基本振子的场矢量与距离 的关系的关系.分为近区场、临界区和远分为近区场、临界区和远区场区场.磁基本振子磁基本振子磁基本振子又称磁流源磁基本振子又称磁流源(元元)或磁偶极子或磁偶极子.不能孤立存在不能孤立存在.其实际物理模其实际物理模型是小电流环型是小电流环.下面介绍磁基本振子的辐射场下面介绍磁基本振子的辐射场.长度为长度为()的磁流源的磁流源.置于球坐标系的原点置于球坐标系的原点.可根据基本可根据基本电振子的辐射电磁场电振子的辐射电磁场.由对偶原理得到基本磁振子的远区辐射场分量由对偶原理得到基本磁振子的远区辐

44、射场分量为为:上一页 下一页返回.天线基础天线基础注意式中各个场量与电基本振子中场量的对偶关系注意式中各个场量与电基本振子中场量的对偶关系.与电基本振子的与电基本振子的辐射场相比辐射场相比.磁基本振子的辐射场只是电场和磁场的方向发生变化磁基本振子的辐射场只是电场和磁场的方向发生变化.其其他特性完全相同他特性完全相同.磁基本振子的实际模型是小电流环磁基本振子的实际模型是小电流环.假设小电流环半径为假设小电流环半径为.环面积环面积 .环上电流为环上电流为.磁基本振子与小电流环的等价关系为磁基本振子与小电流环的等价关系为 .由此可得小电流环的辐射场表达式为由此可得小电流环的辐射场表达式为:上一页 下

45、一页返回.天线基础天线基础图图.所示为磁基本振子的坐标示意图所示为磁基本振子的坐标示意图.辐射总功率为辐射总功率为:上一页 下一页返回.天线基础天线基础由上述讨论可以看出由上述讨论可以看出.同样长度的导线绕制成的电流环同样长度的导线绕制成的电流环.在电流幅度相在电流幅度相同的情况下同的情况下.远区的辐射能力比电基本振子的小几个数量级远区的辐射能力比电基本振子的小几个数量级.所以可以所以可以通过增加匝数的方法提高辐射能力通过增加匝数的方法提高辐射能力.8.2.3偶极子偶极子(对称振子对称振子)的辐射的辐射偶极子是中点断开、其两臂由两段等长导线构成并接以馈电源的线性偶极子是中点断开、其两臂由两段等

46、长导线构成并接以馈电源的线性导体导体.也称为对称振子也称为对称振子.两臂之间的间隙很小两臂之间的间隙很小.理论上可忽略不计理论上可忽略不计.所所以振子的总长度以振子的总长度.对称振子的长度与波长相比拟对称振子的长度与波长相比拟.本身也可本身也可以构成实用天线以构成实用天线.偶极子主要有半波偶极子、全波偶极子两种偶极子主要有半波偶极子、全波偶极子两种.半波偶半波偶极子天线极子天线(对称振子对称振子)是每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波是每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的天线长的天线.全长与波长相等的振子全长与波长相等的振子.称为全波对称振子称为全波对称振子.上一页 下一页返回.天

47、线基础天线基础偶极子的辐射是最基本的一种辐射偶极子的辐射是最基本的一种辐射.偶极子天线是一种经典的、迄今偶极子天线是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线为止使用最广泛的天线.单个半波偶极子可简单地独立使用或用作抛单个半波偶极子可简单地独立使用或用作抛物面天线的馈源物面天线的馈源.也可采用多个半波偶极子天线组成天线阵也可采用多个半波偶极子天线组成天线阵.它在宏观它在宏观无线电辐射和微观带电粒子辐射中都占有重要地位无线电辐射和微观带电粒子辐射中都占有重要地位.偶极子的辐射源是在馈电电源作用下偶极子的辐射源是在馈电电源作用下.在偶极子天线振子上所建立的在偶极子天线振子上所建立的电流电流.8.2.4天

48、线的基本参数天线的基本参数下面以半波对称振子为例下面以半波对称振子为例.定义并说明天线的基本参数定义并说明天线的基本参数.上一页 下一页返回.天线基础天线基础对称振子结构如对称振子结构如图图.所示所示.它由两根同样粗细、同样长度的直它由两根同样粗细、同样长度的直导线构成导线构成.在中间的两个端点馈电在中间的两个端点馈电.每根导线的长度为每根导线的长度为.称为对称振称为对称振子的臂长子的臂长.为导线的半径为导线的半径.取对称振子中心为坐标原点取对称振子中心为坐标原点.振子轴沿振子轴沿 轴轴.其电流分布近似地表示其电流分布近似地表示为为:对于半波振子对于半波振子.其全长其全长.上一页 下一页返回.

49、天线基础天线基础(一一)辐射方向图辐射方向图天线的辐射方向图简称为方向图天线的辐射方向图简称为方向图.也叫波瓣图也叫波瓣图.辐射方向图是天线的功辐射方向图是天线的功率通量密度、场强、相位和极化等辐射参量随空间方向变化的图形显率通量密度、场强、相位和极化等辐射参量随空间方向变化的图形显示示.辐射方向图通常在远区测定辐射方向图通常在远区测定.并表示为空间方向坐标的函数并表示为空间方向坐标的函数.称为方向称为方向性函数性函数.一般情况下一般情况下.辐射方向图指功率通量密度的空间分布辐射方向图指功率通量密度的空间分布.有时指有时指场强的空间分布场强的空间分布.实际上常用功率通量密度或场强的归一化值表示

50、方实际上常用功率通量密度或场强的归一化值表示方向图向图.称为归一化方向图称为归一化方向图.归一化功率方向图方程归一化功率方向图方程:上一页 下一页返回.天线基础天线基础归一化场强方向图方程归一化场强方向图方程:式中式中.(.?)为坡印廷矢量的幅值且为坡印廷矢量的幅值且(.?)(.?)?(.?)/(/).(.?)和和(.?)分别是功率通量密度和场分别是功率通量密度和场强的最大值强的最大值.为空间的本征阻抗为空间的本征阻抗.等于等于.归一化功率方向归一化功率方向图与归一化场强方向图的关系是图与归一化场强方向图的关系是:上一页 下一页返回.天线基础天线基础上一页 下一页返回立体方向图形象、直观立体方