天線與電波傳播-第一章

1、天線與電波傳播第一講 天線基礎(chǔ)知識授課老師：徐云學(xué)課程簡介2天線與電波傳播微波技術(shù)基礎(chǔ)電磁場理論應(yīng)用3天線將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。無線電系統(tǒng)4無線電設(shè)備無線電設(shè)備5各種無線電系統(tǒng) 一切無線電設(shè)備(包括無線電通訊、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等系統(tǒng))都是利用無線電波來進行工作的，而從幾KHz的超長波到四十多GHz的毫米波段電磁波的發(fā)射和接收都要通過天線來實現(xiàn)。 在我們的日常生活中天線已隨處可見。 例如，收聽無線電廣播的收音機，電視機，手機、汽車、艦船、飛機上等。 收音機、電視機使用的天線一般是接收天線，廣播電視臺的天線則為發(fā)射

2、天線。而手機天線則收發(fā)共用，但須經(jīng)過移動通信基站天線轉(zhuǎn)收和轉(zhuǎn)發(fā)。6天線發(fā)展簡史一、1886, 赫茲（Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894）1839年法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）發(fā)現(xiàn)、1873年麥克斯韋(James Clerk Maxwell, 1831-1879)完成的電磁理論，在1886年由海因里希魯?shù)婪蚝掌澖⒘说谝粋€無線電系統(tǒng)，首次在實驗室證實。赫茲實驗的無線電系統(tǒng)Hertz ，KIT的教授無線電之父7二、1901, 馬可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937，1909 年諾貝爾物理學(xué)獎） 1901年馬可

3、尼成功實現(xiàn)橫穿大西洋（英國加拿大）的無線電通信。位于英國（Poldhu, England）的發(fā)生天線由50根斜拉導(dǎo)線組成，用懸于60米高的木塔間的鋼索支撐。位于加拿大（Newfoundland, Canada）的接收天線是200米長的導(dǎo)線，由風(fēng)箏牽引。天線發(fā)展簡史馬可尼，意大利人，當(dāng)時年僅20歲。8三、1980, 超大陣列（VLA）拋物面天線（Very Large Array Steerable Parabolic Dish Antennas）位于美國新墨西哥州（Socorro, New Mexico）的超大陣列天線由27面直徑為25米的拋物面按Y型方式排列組成，是世界第一個射電天文望遠(yuǎn)鏡。其

4、分辨率相當(dāng)于36千米跨度的天線，而靈敏度相當(dāng)于直徑為130米的碟型天線。天線發(fā)展簡史9五、2000, 移動/手持天線（Mobile/Hand - held Antenna）工作于800MHz的手持蜂窩電話天線隨處可見。從馬可尼時代直到20世紀(jì)40年代，天線主要是以導(dǎo)線為輻射單元，工作頻率也提高到UHF。進入二戰(zhàn)期間，隨著1GHz以上微波源（如調(diào)速管、磁控管）的發(fā)明，天線開始了一個新的紀(jì)元。波導(dǎo)口徑天線、喇叭天線和反射面天線等如雨后春筍般出現(xiàn)。天線發(fā)展簡史10數(shù)值方法，如矩量法（Method of Moment, MoM）、有限差分法（Finite-Difference Method, FDM）

5、、有限元法（Finite-Element Method, FEM）、幾何繞射理論（Geometrical Theory of Diffraction, GTD）和物理繞射理論（Physical Theory of Diffraction, PTD）等的引入大大推進了天線技術(shù)的發(fā)展，促進了天線分析和設(shè)計技術(shù)的逐漸成熟。現(xiàn)在天線的設(shè)計不再是修修補補（cut and try）的方法，已經(jīng)跨入了一個整體系統(tǒng)級的設(shè)計階段。天線正朝小型化、寬頻帶、多頻段和高頻率等方向發(fā)展。天線發(fā)展簡史電磁頻譜與無線電頻段12天線概念天線是無線系統(tǒng)的重要部件，它是現(xiàn)代信息社會的電子眼、電子耳。定義 用來輻射或接收無線電波的

6、裝置，導(dǎo)行波與自由空間波互相轉(zhuǎn)換區(qū)域的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換器件或換能器 能量轉(zhuǎn)換。 電路的觀點 從傳輸線看向天線這一段等效于一個電阻 ，是從空間耦合到天線終端的電阻，與天線結(jié)構(gòu)自身的任何電阻無關(guān)。13天線基本參數(shù)輻射方向圖方向圖函數(shù) 天線方向圖是指天線輻射特性與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)。而輻射特性包括輻射場強、輻射功率、相位和極化。 方向圖與天線輻射特性場強方向圖功率方向圖相位方向圖極化方向圖14 方向圖與坐標(biāo)系二維方向圖 極坐標(biāo)方向圖和直角坐標(biāo)方向圖（幅度、分貝）三維方向圖 球坐標(biāo)三維方向圖和直角坐標(biāo)三維方向圖（幅度、分貝） 天線方向圖獲?。豪碚摲治?、仿真計算、測量 一般我們關(guān)心的是功率方向圖和場強方向圖天

7、線基本參數(shù)輻射方向圖15方向圖函數(shù)定義：天線位于坐標(biāo)原點，在距天線等距離的球面上，天線在各點產(chǎn)生的功率通量密度或場強隨空間方向 的變化曲線。天線基本參數(shù)輻射方向圖一般天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射電磁場表示為如下形式 場強方向圖函數(shù)16天線基本參數(shù)輻射方向圖 歸一化場強方向圖函數(shù)其中 天線最大輻射方向， 天線方向圖函數(shù)最大值。由方向圖函數(shù) 和歸一化方向圖函數(shù) 表示的方向圖統(tǒng)稱為天線的輻射場強方向圖。17天線基本參數(shù)輻射方向圖歸一化功率方向圖歸一化功率方向圖與歸一化場強方向圖關(guān)系功率通量密度（坡印廷矢量的幅值）功率通量密度的最大值通常方向圖用分貝（dB）表示，則18三維方向圖&二維方向圖天線基本參數(shù)輻射方向圖1

8、9天線基本參數(shù)輻射方向圖E面方向圖&H面方向圖E面：天線最大輻射方向和電場矢量方向構(gòu)成的平面。H面：天線最大輻射方向和磁場矢量方向構(gòu)成的平面。20天線基本參數(shù)輻射方向圖E面H面對陣振子方向圖21天線基本參數(shù)輻射方向圖主瓣 包含最大輻射方向的波瓣副瓣 除主瓣外的所有波瓣后瓣 位于主瓣反方向的副瓣半功率波瓣寬度 副瓣電平 22天線基本參數(shù)輻射方向圖零點 輻射為零的方向角度第一零點波瓣寬度 在包含主瓣的平面內(nèi)，主瓣兩側(cè)第一零點間的夾角前后比 主瓣最大值和后瓣最大值之比23天線基本參數(shù)輻射方向圖主瓣寬度(半功率波束寬度、3dB波束寬度)定義：方向圖主瓣上兩個半功率點(即場強下降到最大值的0.707倍處

9、或分貝值從最大值下降3dB處所對應(yīng)的兩點)之間的夾角。極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)幅度方向圖極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)分貝方向圖24天線基本參數(shù)輻射方向圖副瓣電平定義：指副瓣最大值模值與主瓣最大值模值之比，通常用分貝表示。為第 個副瓣的場強最大值為主瓣最大值25天線基本參數(shù)輻射方向圖對不同的用途，要求天線有不同的方向圖。廣播電視發(fā)射天線，移動通訊基站天線等，要求在水平面內(nèi)為全向方向圖。微波中繼通訊、遠(yuǎn)程雷達(dá)、射電天文、衛(wèi)星接收等用途的天線，要求為筆形波束方向圖。對搜索雷達(dá)、警戒雷達(dá)天線則要求天線方向圖為扇形波束。 水平全向方向圖筆形波束方向圖余割平方波束方向圖26天線基本參數(shù)輸入阻抗輸入阻抗傳輸線特性阻抗輸入阻抗2

10、7天線基本參數(shù)輸入阻抗對稱振子的輻射電阻和輸入電阻波腹電流歸算于波腹電流的輻射電阻輸入電流歸算于輸入電流的輻射電阻 -輸入電阻輻射電阻半波振子的輸入阻抗為：28天線基本參數(shù)天線效率天線（輻射）效率定義：天線輻射的總功率與天線從饋線獲得的凈功率（即輸入功率）之比天線的輸入功率等于輻射功率和損耗功率之和考慮到天線的輸入電阻等于輻射電阻和損耗電阻，則天線效率又可表示為輻射電阻損耗電阻29天線基本參數(shù)方向系數(shù)定義：天線方向系數(shù)是定量表示天線輻射的電磁能量集中程度以描述方向特性的一個參數(shù)，也稱方向性系數(shù)。在相同輻射功率情況下，天線在給定方向的輻射強度 與理想點源天線在同一方向的輻射強度 之比。天線輻射強

11、度：某方向單位立體角的輻射功率30天線基本參數(shù)方向系數(shù)平均輻射強度：理想電源在某單位立體角的輻射功率是立體角元 對應(yīng)的球面面元，方向系數(shù)最大方向系數(shù)31天線基本參數(shù)方向系數(shù)工程中，方向系數(shù)還常用分貝（dB）表示：例3：自由空間半波振子的方向系數(shù)。計算得 。例1：無方向性理想天線的方向系數(shù)。此時， ，計算得 。例2：電基本振子的方向系數(shù)。電基本振子的方向函數(shù)是 ，計算得 。32天線基本參數(shù)方向系數(shù)定義：在相同輸入功率條件下，某天線在給定方向上的輻射強度 與理想點源天線在同一方向的輻射強度 的比值。最大輻射方向的增益為33天線基本參數(shù)極化電磁波的極化：在空間某位置上，沿電磁波的傳播方向看去，其電場

12、矢量在空間的取向隨時間變化所描繪出的軌跡。天線極化：發(fā)射天線 天線在某方向所輻射電波的極化；接收天線 天線在該方向接收獲得最大接收功率（極化匹配）時入射平面波的極化。軌跡是一條直線 線極化軌跡是一個圓 圓極化軌跡是橢圓 橢圓極化34天線基本參數(shù)極化極化失配一般而言，接收天線的極化與來波方向的極化不同，這就是所謂的極化失配。因此，天線從來波中截獲的功率達(dá)不到最大。線極化圓極化或者橢圓極化35天線基本參數(shù)帶寬所有參數(shù)正常工作的交集：極化增益駐波方向圖半功率波瓣寬度噪聲溫度等頻率工作帶寬36天線基本參數(shù)有效面積定義：天線的有效面積（或有效口徑）表征天線截獲來波能量的能力。天線的有效面積定義為“天線接收的功率與入射功率密度之比”當(dāng)滿足最大功率傳輸條件（即共軛匹配）時，若不考慮損耗有效面積達(dá)到最大，稱為最大有效面積。37天線基本參數(shù)有效面積最大方