第11章 電磁波的輻射與接收

電磁波的輻射與接收 第十一章 通信的目的是傳遞信息 根據(jù)傳遞信息的途徑不同 可將通信系統(tǒng)大致分為兩大類 有線通信系統(tǒng) 在相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)中用各種傳輸線來傳遞信息 如電話 計算機(jī)局域網(wǎng)等 無線通信系統(tǒng) 是依靠電磁輻射通過無線電波來傳遞信息 如電視 廣播 雷達(dá) 導(dǎo)航 衛(wèi)星等 無線通信系統(tǒng)中 需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波 或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量 用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線 無線電通信系統(tǒng)框圖 天線的定義 產(chǎn)生或接收電磁波的裝置 按用途 通信天線 廣播天線 雷達(dá)天線 導(dǎo)航天線 測向天線等 按工作波段 長波天線 中波天線 短波天線 和微波天線等 按頻帶特性 窄帶天線 寬帶天線和超寬帶天線 按方向性 全向天線 弱方向天線和銳方向天線等 按極化特性 線極化天線 圓極化天線和橢圓極化天線等 按天線的性能 線天線和面天線 天線的分類 線天線是指由半徑遠(yuǎn)小于波長的金屬導(dǎo)線或金屬棒所構(gòu)成的天線 主要用于長波 中波和短波波段 面天線是由物理尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的天線 主要用于微波波段 圖11 1廣播電視天線發(fā)射與接收示意圖 圖11 2衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖 a 細(xì)偶極子天線 b 圓環(huán)形天線 c 拋物面反射天線 d 喇叭天線 e 微帶天線 f 天線陣圖11 3各種類型的天線 11 1位函數(shù)波動方程的解 滯后位11 2基本振子的輻射11 3天線的輻射特性11 4對稱振子天線與天線陣的概念11 5 接收天線的有效面積11 6 雷達(dá)的概念 10 1位函數(shù)波動方程的解 滯后位 達(dá)朗貝爾方程 洛倫茲條件 研究天線的理論基礎(chǔ) A 矢量磁位 u 標(biāo)量電位 求解方法 格林函數(shù)法 球坐標(biāo)系下 除源點外的無界空間 設(shè) 定態(tài)情況 作變換 僅需考慮向外發(fā)散的球面波 在靜場下 點電荷 時變情況 這就是方程的解 同理 電荷電流產(chǎn)生的物理作用不是立即傳至觀察點 而是滯后 推遲 R v的時間 v是電磁作用在介質(zhì)中的傳播速度 所以上述解也稱之為滯后位或推遲勢 如果電荷和電流隨時間作時諧變化 11 2基本振子的輻射 11 2 1電基本振子 取近似R r 帶入公式 電基本振子也稱為赫茲偶極子或電偶極子 是一段載有高頻電流的電流元 其長度遠(yuǎn)小于工作波長 如圖所示 在直角坐標(biāo)下僅有z分量 略去時間因子 并利用 在球坐標(biāo)系下 討論 1 近區(qū)場 場點的距離r遠(yuǎn)小于波長 的區(qū)域 或 令 故稱近區(qū)場為感應(yīng)場 2 遠(yuǎn)區(qū)場 場點的距離r遠(yuǎn)大于波長 的區(qū)域 或 取低次冪項 有 令 則有 遠(yuǎn)區(qū)場為輻射場 補(bǔ)充 輻射功率 球坐標(biāo)系下 4 場與成正比 說明遠(yuǎn)區(qū)場具有方向性 當(dāng)和時 輻射場為零 也就是沿電基本振子軸向的輻射為零 當(dāng)時 輻射場最大 即沿垂直于電基本振子軸向的方向輻射最大 電基本振子遠(yuǎn)區(qū)場輻射場特性 1 成右手螺旋關(guān)系 與平面波的對應(yīng)屬性相同 2 電磁能量沿r方向輻射 3 場隨r增大而減小 具有球面波衰減特征 補(bǔ)充 輻射電阻 輻射功率 輻射電阻低 因l遠(yuǎn)小于波長 電基本振子幅射出去的電磁能量既然不能返回波源 因此對波源而言也是一種損耗 利用電路理論的概念 引入一個等效電阻 輻射電阻 輻射電阻是一個等效電阻 與天線的輻射功率相對應(yīng) 是天線輻射能力的體現(xiàn) 補(bǔ)充例題頻率為10MHz的功率源饋送給電偶極子的電流為25A 設(shè)電偶極子的長度為50cm 試計算 1 赤道平面上離原點10km處的電場和磁場 2 r 10km處的平均功率密度 3 輻射電阻 解 1 遠(yuǎn)區(qū)場 故 2 3 11 2 2磁基本振子 不講 圖11 6磁基本振子 磁基本振子也稱為磁偶極子 是一個通有高頻電流的小圓環(huán) 小圓環(huán)的半徑a遠(yuǎn)小于波長 設(shè)一磁基本振子如所示 省略時間因子 有 對取近似 有 則 式中S a2 r a 與電基本振子的討論相同 在遠(yuǎn)區(qū)場的情況下 討論 令 則有 4 場與成正比 說明遠(yuǎn)區(qū)場具有方向性 當(dāng)和時 輻射場為零 也就是沿磁基本振子軸向的輻射為零 當(dāng)時 輻射場最大 即沿垂直于磁基本振子軸向的方向輻射最大 磁基本振子遠(yuǎn)區(qū)場輻射場特性 1 成右手螺旋關(guān)系 與平面波的對應(yīng)屬性相同 2 電磁能量沿r方向輻射 3 場隨r增大而減小 具有球面波衰減特征 11 3天線的輻射特性 1 天線的方向圖和方向系數(shù) 任意方向功率密度 同一距離輻射方向最強(qiáng)的功率密度 振幅方向性因子 功率方向圖因子 電基本振子 天線的的方向性是天線的重要特性之一 按功率方向圖因子畫出的曲線稱之為該天線的方向圖 磁基本振子的方向圖因子與電基本振子的方向圖因子相同 但E面方向圖和H面方向圖正好相反 與磁基本振子軸相垂直的平面為E面 2 而包含磁基本振子軸的平面為H面 a 平面方向圖 b 平面方向圖圖11 7電基本振子的輻射波瓣圖 28 圖a是E面 電場矢量所在的 并包含最大輻射方向在內(nèi)的平面 方向圖 圖b是H面 磁電場矢量所在的 并包含最大輻射方向在內(nèi)的平面 方向圖 圖c是立體方向圖 29 實際天線的方向圖要復(fù)雜得多 可能含多個波瓣 如下圖所示 表明電磁場在空間分布具有方向性 定義 實際上 無方向性天線是不存在的 它不僅僅是為了便于比較而采用的理想模型 無方向性天線也稱為 點源 天線 方向性系數(shù)D定量描述輻射場能量在空間分布的集束程度 有方向性天線通過球面的總輻射功率為 所以 理想的無方向性天線通過球面的輻射功率為 又因為 所以 可用分貝來表示方向性系數(shù) 某天線的方向性系數(shù) 表征該天線在其最大輻射方向上比起無方向性天線來說把輻射功率增大了D倍 例如為了在空間一定距離的M點產(chǎn)生一定的場強(qiáng) 若使用無方向性天線 需要饋給無方向性天線10W的輻射功率 但是若使用方向性系數(shù)D 10的有方向性天線 并將有方向性天線對準(zhǔn)M點 就只需1W的輻射功率 例11 1計算電基本振子的方向性系數(shù) 解 對于電基本振子 則有 2 天線的波束寬度和零點波束寬度 某些天線的波瓣圖波束很窄 方向性很強(qiáng) 表示為分貝形式 為了方便起見 通常選取球坐標(biāo)系的特定平面繪制天線的輻射波瓣圖 比如平面或者平面 a 極坐標(biāo)圖圖11 8天線的波瓣圖 圖11 8 a 就是在極坐標(biāo)系下以dB為單位繪制的某天線的波瓣圖 這種表示方向圖的格式可以方便直觀地對天線的輻射波瓣作出解釋 另外一種常用的天線波瓣圖格式適用于窄波束 采用的是直角坐標(biāo) 如圖11 8 b 所示 當(dāng)?shù)姆档扔谥靼攴逯狄话?或分貝取值 3dB 時 主瓣上兩側(cè)對應(yīng)位置之間的角寬度 半功率波束寬度 零點波束寬度 波束寬度 零點波束寬度定量描述天線的方向特性 3 輻射效率和增益系數(shù) 輻射效率 天線的總功率 天線的增益 天線增益用于描述天線的歐姆損耗 對于無耗天線 4 天線的輻射電阻 天線阻抗可分為 輻射電阻Rr和損耗電阻Rloss 平均輻射功率 耗散功率 電基本振子 輻射電阻低 因l遠(yuǎn)小于波長 輻射電阻是一個等效電阻 與天線的輻射功率相對應(yīng) 是天線輻射能力的體現(xiàn) 5 天線的極化特性 線極化天線 可分為水平極化和垂直極化 圓極化天線 可分為左旋和右旋極化 橢圓極化天線 可分為左旋和右旋極化 6 天線的工作帶寬 天線的帶寬通常用絕對帶寬和相對帶寬來表示 絕對帶寬是指在中心頻率f0兩側(cè) 當(dāng)天線特性下降到規(guī)定值時所對應(yīng)的兩個頻點之間范圍 即 相對帶寬是絕對帶寬與中心頻率的比值 10 4對稱振子天線與天線陣的概念 11 4 1對稱振子天線 等效傳輸線近似方法 把對稱振子天線認(rèn)為是由開路的雙線傳輸線張開而成 天線上的電流近似認(rèn)為是正弦分布 圖11 9對稱振子 式中I0為天線上波腹點的電流 l為天線單臂的長度 為波數(shù) 為自由空間的波長 在 z處取一線電流元 在遠(yuǎn)區(qū)的輻射電場為 分母中 相位因子中 圖11 9對稱振子 化簡后得 積分可得對稱振子總輻射場的電場復(fù)振幅為 由 a b c d 圖11 10不同長度的對稱振子輻射波瓣圖 補(bǔ)充1 輻射功率及輻射阻抗 輻射功率 輻射電阻 對稱天線中應(yīng)用最廣的 半波天線 補(bǔ)充2 或 11 4 2天線陣的概念 線天線輻射場具有對稱性 F 與 無關(guān) 如圖所示 天線陣 采用具有相同結(jié)構(gòu)形狀和相同尺寸的線天線平行排列 可增加天線的方向性 單個線天線稱之為陣元 遠(yuǎn)區(qū)輻射場 遠(yuǎn)區(qū)場 分母中取近似 在相位因子中 故有 令 有 定義為天線陣 方向性因子 則有 其中乘積稱之為天線陣振幅方向性因子 雖然以上討論的是二元陣的情況 但同樣適用于多元陣 由此可以得出天線陣的方向性乘積定理 由相同或相似陣元構(gòu)成的天線陣 其振幅方向性因子為陣元振幅方向性因子與天線陣 方向因子的乘積 例11 2根據(jù)等幅同相二元陣的方向因子 畫出天線陣方向圖 解等幅同相二元陣 令 得到最大輻射的方向為 根據(jù)余弦函數(shù)的性質(zhì) 有 n僅取正整數(shù) 其數(shù)值決定方向圖波瓣的個數(shù)和最大值的方向 取 根據(jù)方向圖因子畫等幅同相二元陣的方向圖如圖11 12所示 11 4 3均勻直線式天線陣 圖11 13均勻直線式天線陣 兩相鄰陣元產(chǎn)生的電場在場點P的相位差為 二元陣對場的方向性的控制是有限的 為了更好的改善場輻射的方向性 可采用直線式天線陣 如圖11 13所示 N個陣元排列在一條直線上 相鄰陣元的間距均為d 各陣元的電流幅值相等 相鄰陣元電流的相位差均為 取m 1 相鄰陣元電流的關(guān)系為 推廣到N元陣的情況 有 按級數(shù)求和 得到 由此可得天線陣 方向因子為 天線陣方向 方向圖因子為 例11 3已知均勻直線陣由20個相同的電基本振子構(gòu)成 相鄰陣元間距為d 各陣元電流幅值相等 且相鄰陣元電流的相位差 0 畫出XY面和YZ面內(nèi)的波瓣圖 解根據(jù)圖11 14可知 在XY平面 有 且 圖11 14角與和之間的關(guān)系 而 由此可得 均勻直線式天線陣的功率方向圖因子為 當(dāng)和時 具有極大值 有 XY平面內(nèi)的方向圖如圖11 15 a 所示 在YZ平面 有 均勻直線式天線陣的方向圖因子為 YZ平面內(nèi)的方向圖如圖11 15 b 所示 a XY平面 b YZ平面圖11 15均勻直線式天線陣的方向圖 拉桿天線 引向天線 喇叭天線 微帶天線 衛(wèi)星接收天線 寬帶全向天線 3m微波接力通信天線 中國遠(yuǎn)程相控陣?yán)走_(dá) 艦載對空搜索雷達(dá)天線 相控陣?yán)走_(dá)天線 螺旋天線 俄羅斯新型有源相控陣?yán)走_(dá)天線 俄軍巨型雷達(dá)天線陣列 第十章小結(jié) 一 位函數(shù)波動方程的解 滯后位 二 基本振子的輻射