電磁波的輻射與接收

1、電磁波的輻射與接收第1頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六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)框圖第2頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六天線的定義 :產(chǎn)生或接收電磁波的裝置。按用途：通信

2、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.第3頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六圖11-1 廣播電視天線發(fā)射與接收示意圖第4頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，

3、星期六圖11-2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖第5頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六(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 各種類型的天線第6頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六11.1 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)的概念第7頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六10.1 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)

4、A矢量磁位u標(biāo)量電位求解方法：格林函數(shù)法第8頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六球坐標(biāo)系下除源點外的無界空間，設(shè)定態(tài)情況第9頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六作變換(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 第10頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六同理電荷電流產(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第11頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六11.2 基本振子的

5、輻射11.2.1 電基本振子 取近似Rr，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。圖11-5 電基本振子zxyzO第12頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六在直角坐標(biāo)下僅有z分量。略去時間因子，并利用 ，在球坐標(biāo)系下，第13頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六討 論1近區(qū)場(場點的距離r遠(yuǎn)小于波長的區(qū)域)或而，僅取高次冪項，有令故稱近區(qū)場為感應(yīng)場。第14頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六2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)場為輻射場第

6、15頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 補(bǔ)充：輻射功率球坐標(biāo)系下：第16頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六（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。zxyzO（3）場隨 r 增大而減小，具有球面波衰減特征。第17頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六+-第18頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星

7、期六 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)。第19頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 補(bǔ)充例題 頻率為10 MHz 的功率源饋送給電偶極子的電流為25 A ，設(shè)電偶極子的長度為50 cm ，試計算： （1）赤道平面上離原點10 km 處的電場和磁場； （2） r =10 km 處的平均功率密度 ； （3）輻射電阻。解：（1） 遠(yuǎn)區(qū)場故第20頁，共72頁，2022年

8、，5月20日，0點13分，星期六（2）（3）第21頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六11.2.2 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 第22頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六式中S=a2r a第23頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 與電基本振子的討論相同，在遠(yuǎn)區(qū)場的情況下，討 論令則有第24頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六（4）場與 成正比，說明遠(yuǎn)區(qū)場具有方向

9、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。zxyzO（3）場隨 r 增大而減小，具有球面波衰減特征。第25頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六11.3 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。第26頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六按功率方向圖因子

10、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第27頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六28 電基本振子振幅方向性因子 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。azyyx（a）（b）（c）第28頁，共72頁，2022年，5月20日，

11、0點13分，星期六29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。主射方向主瓣后瓣副瓣零射方向零射方向1半功率點第29頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六表明電磁場在空間分布具有方向性。有方向性天線在最大輻射方向上某點的輻射功率無方向性天線在同一點的輻射功率定義 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第30頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六又因

12、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。 第31頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六例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第32頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 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

13、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。 第33頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 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) 的幅值等于主瓣峰值一半（或分貝取值-3dB）時，主瓣上兩側(cè)對應(yīng)位置之間的角寬度。(b)直角坐標(biāo)圖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第34頁，共72頁，2022年

14、，5月20日，0點13分，星期六 3輻射效率和增益系數(shù)理想無方向性天線的輸入功率被考察天線的輸入功率輻射效率天線的輻射功率天線的總功率損耗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 第35頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 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)。第36頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 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

15、旋和右旋極化。橢圓極化天線：可分為左旋和右旋極化。第37頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 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。第38頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六10.4 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，

16、為波數(shù)， 為自由空間的波長。第39頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六在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 對稱振子化簡后得第40頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六積分可得對稱振子總輻射場的電場復(fù)振幅為 由第41頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 (a) (b) (c) (d) 圖11-10 不同長度的對稱振子輻射波瓣圖第42頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六補(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：或第43頁，共72頁，2022年，

17、5月20日，0點13分，星期六11.4.2 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。線性二元陣(a)遠(yuǎn)區(qū)輻射場第44頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六線性二元陣(b)遠(yuǎn)區(qū)場，分母中取近似在相位因子中故有 令有第45頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六定義 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

18、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。第46頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六例 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)，有第47頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 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。第48頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六11.4.3 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

19、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)系為第49頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六推廣到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第50頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六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

20、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)系第51頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六而由此可得，均勻直線式天線陣的功率方向圖因子為第52頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六當(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 第53頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 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 第54頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六 （a）XY平面 （b）YZ平面圖11-15 均勻直線式天線陣的方向圖第55頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六拉桿天線第56頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六引向天線第57頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六喇叭天線第58頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六微帶天線第59頁，共72頁，2022年，5月20日，0點13分，星期六衛(wèi)星接收天線寬帶全向天線3m微波接力通信天線第60頁，共72頁，2022年，5月20日，0點1