第1章(新) 天線理論基礎

第1章天線與電波基礎1.0引言1.1麥克斯韋方程1.2邊界條件1.3媒質的本構關系1.4無線電波的輻射1.5均勻平面波1.6天線極化幾個重要的人物：麥克斯韋：1831年6月出生于英國愛丁堡。

1831年，英國法拉第發(fā)現電流可以產生磁場。麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學大成的偉大科學家。他依據庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現和實驗成果，建立了第一個完整的電磁理論體系，不僅科學地預言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現象的本質的統(tǒng)一性，完成了物理學的又一次大綜合。這一理論自然科學的成果，奠定了現代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無線電工業(yè)的基礎。

1865年，英國麥克斯韋從理論上預言了電的任何波動可以在遠處產生感應即電磁波的存在、并且電磁波能夠從產生的地方以光的速度輻射出去，但他本人未能親自作出實驗驗證。赫茲：德國物理學家，生于漢堡。赫茲對人類最偉大的貢獻是用實驗證實了電磁波的存在。

1888年1月，赫茲將他的研究成果總結在《論動電效應的傳播速度》一文中。赫茲實驗公布后，轟動了全世界的科學界。由法拉第開創(chuàng)，麥克斯韋總結的電磁理論，至此才取得決定性的勝利。

1888年，成了近代科學史上的一座里程碑。赫茲的發(fā)現具有劃時代的意義，它不僅證實了麥克斯韋發(fā)現的真理，更重要的是開創(chuàng)了無線電電子技術的新紀元。

赫茲對人類文明作出了很大貢獻，正當人們對他寄以更大期望時，他卻于1894年元旦因血中毒逝世，年僅36歲。為了紀念他的功績，人們用他的名字來命名各種波動頻率的單位，簡稱“赫”。

馬可尼：人類無線電通信的創(chuàng)始人——意大利的馬可尼（Marconi,G.W.,1874～1937）與俄國的波波夫（Πoπoβ,A.C.1859～1906）成功地進行了世界上最早的無線電通訊活動，開創(chuàng)了人類通訊的新紀元。

無線電通訊是利用電磁波的輻射和傳播、經過空間傳送信息的通信方式。敏感的發(fā)明家們已經意識到電磁波可以用于無線電通訊。以意大利的馬可尼和俄國的波波夫為代表的科學家、發(fā)明家，在前人已掌握的電磁學和電磁波知識的基礎上，大膽探索、奮勇實踐，開啟了電磁波應用的大門并開創(chuàng)了無線電通信這門新技術。意大利人馬可尼1901年向新來臨的20世紀奉獻上的珍貴禮品是一項科技創(chuàng)新與發(fā)明——成功地進行了首次無線電通訊，無線電技術的大發(fā)展從而成為20世紀的熱門事情。1906年，美國物理學家費森登發(fā)明無線電廣播，使無線電波進入千家萬戶，預示著一個信息時代的肇始。頻段2

音頻（VF)）

8

基低頻（VLF）

4

低頻（LF）

5

中頻（MF）

6高頻（HF）

7

甚高頻（VHF）

8

特高頻（UHF）

9超高頻（SHF）

10極高頻（EHF）

11121314

超長波（VLW）

長波（LW）

中波（MW）

超短波（VSW）（米波）分米波厘米波毫米波

3Hz30Hz300Hz3kHz30kHz300kHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz3THz30THz300THz105km104km103km102km10km1km100m10m1m10cm1cm1mm100101

（公里）（米）（厘米）（毫米）（微米）

無線電電磁頻譜表

短波（SW）

音頻雷達頻率微波頻率紅外視頻場源關系——Maxwell’sequations1.1麥克斯韋方程組2.微分形式1.積分形式變化的磁場產生渦旋電場,

改寫了電場的環(huán)路定理:表明:任何電場中,電場強度沿任意閉合曲線的線積分等于通過以該曲線為邊界的任意曲面的磁通量的時間變化率.時變磁場激發(fā)時變電場電磁感應定律法拉第電磁感應定律變化的電場產生磁場,

磁場的環(huán)路定理:表明:任何磁場中,磁感應強度沿任意閉合曲線的線積分等于通過以該曲線為邊界的任意曲面的全電流(全電流定律)傳導電流和時變電場均激發(fā)時變磁場安培定律高斯電場定律：電場通過閉合曲面S的凈通量等于S所包圍體積V中的總電荷。微分形式穿過封閉曲面的電通量等于該封閉曲面包圍的自由電荷量高斯磁場定律：通過閉合曲面S的磁通量橫為零。高斯磁場定律說明磁單極子不存在。微分形式穿過封閉曲面的磁通量恒等于0麥克斯韋方程描述了空間電磁場與場源之間的關系。麥克斯韋的四個方程分別表達了：變化的磁場是如何產生電場（法拉第電磁感應定律）；電流和變化的電場是怎樣產生磁場的（麥克斯韋修正的安培環(huán)路定律）；電荷是如何產生電場的（高斯定理）；驗證了磁單極子的不存在（高斯磁場定律）。而當這時空間存在變化的電磁場（自由電磁場）電磁波表明變化電場與變化磁場相互激發(fā)，相互依存的關系！1.2邊界條件從一種媒質進入到另一媒質時，電場強度矢量E的切向分量在分界面上是連續(xù)的，矢量D的法向分量在分界面上是不連續(xù)的從一種媒質進入到另一媒質時，矢量B的法向分量在分界面上是連續(xù)的，矢量H的切向分量在分界面上是不連續(xù)的兩種特殊的邊界條件：1）兩種理想介質分界面上的邊界條件：假設分界面上沒有自由電荷和傳導電流，則D和B的法向分量以及E和H的切向分量都是連續(xù)的；2）理想導體表面的邊界條件：自由電荷和電流都集中在表面，E總是垂直于理想導體的表面。本構關系場量與場量之間的關系簡單媒質：線性、均勻、各向同性線性媒質：媒質的參數與場強的大小無關均勻媒質：媒質的參數與位置無關各向同性媒質：媒質的參數與場強的方向無關非色散媒質：媒質參數與頻率無關1.3媒質的本構關系（各向同性線性均勻媒質）1.3媒質的本構關系第1章電磁場理論基礎：介電常數，單位是法拉每米（F/m）,可認為是單位長度的電容。：磁導率，單位是亨利每米（H/m）,可認為是單位長度的電感。：電導率，單位是西門子每米（S/m）,可認為是單位長度的電導。簡單媒質的本構關系：自由空間：σ=0理想媒質σ=∞

理想導體0＜σ＜∞導電媒質

σ足夠大：良導體為電導率:

為介電常數:，其中

為磁導率:，其中

均勻理想媒質中的麥克斯韋方程組的微分形式

1.4無線電波的輻射物理意義：電場隨時間的變動產生磁場，磁場隨時間的變動產生電場，能量交夫替變換，形成電磁波。麥克斯韋方程組說明變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場。這種電磁場在空間交替變換，綿延不斷向外傳播的過程就是電磁波的輻射過程。產生輻射場的前提條件是要有位移電流。位移電流1.4無線電波的輻射電磁波發(fā)射條件：有能量來源：發(fā)射機，潰電線（發(fā)射機與天線的連接線），是有線傳輸線

有效發(fā)射的其他條件?例1：雙線傳輸線例2：LC振蕩回路（存儲能量、振蕩周期）怎樣有效發(fā)射電磁波?電容儲存電能電感儲存磁能發(fā)射電磁波（場分布在全空間）：減小L，C形成開放電路

LC振蕩回路，最后演變成一根直導線，電路變成開放電路。這根直導線就是傳說中的線天線，用來向外輻射電磁波。電流在導線上往復流動來回振蕩，導線兩端（電容器的兩個極板）每一端都有正負電荷電荷交替出現，兩端電荷的極性相反。當導線的長度→0時，稱為電基本振子。++++----I~+++---周圍形成位移電流電波傳播：主要研究電磁波在介質中傳播的過程中，電磁波與傳播媒質相互作用及其在有關電子系統(tǒng)工程和環(huán)境探測研究中的應用。電波傳播研究的基本問題是不同頻段的電波通過各種自然環(huán)境媒質的傳播效應及其在時域、空域、頻域的變化規(guī)律。電波傳播在很大程度上也是一門實驗性科學，需要在長期大量的實測積累和應用實踐中不斷完善和發(fā)展。例：平面電磁波在真空與介質中傳播特性比較相速度、波長、波數、波阻抗等參數TEM波平面波：電場強度和磁場強度矢量都在同一個平面內，而且在任何兩個不同點處的平面都是相互平行的。如果平面波等相面上場強的幅度均勻不變，則稱為均勻平面波。一、有關定義ES=H

S=0均勻平面波為橫電磁波：1.5均勻平面波一個場矢量是均勻場矢量的準則意味著它們必須獨立于x和y坐標對于場矢量的正弦穩(wěn)態(tài)變量簡單形式的解：其中參數指的是衰減常數，單位是奈培每米（Np/m）參數指的是相位常數，單位是弧度每米（rad/m）參數指的是傳播常數參數指的是媒質的固有阻抗，單位是歐姆1.均勻平面波波阻抗：二、有關參數均勻平面波波阻抗只與媒質特性有關。2.自由空間的波阻抗為：3.相速：真空中的光速：5.電磁波在任意一點的復功率密度矢量（坡印廷矢量）S：正弦振蕩電磁波的平均功率密度為:4.波長：電磁波的極化電磁波的極化是指電磁波在傳播過程中，在垂直其傳播方向的平面上，其電場矢量方向端點的運動軌跡。

1.6天線的極化垂直極化1.6天線的極化

天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構成。人們規(guī)定：電場的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化---是最常用的；水平極化---也是要被用到的。水平極化EE垂直極化1.6.1雙極化天線

下圖示出了另兩種單極化的情況：+45°

極化與-45°

極化，它們僅僅在特殊場合下使用。這樣，共有四種單極化了，見下圖。把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，或者，把+45°極化和-45°極化兩種極化的天線組合在一起，就構成了一種新的天線---雙極化天線。水平極化+45°

極化-45°

極化EEEE

下圖示出了兩個單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線，注意，雙極化天線有兩個接頭。雙極化天線輻射（或接收）兩個極化在空間相互正交（垂直）的波。V/H（垂直/水平）型雙極化+45°/-45°

型雙極化1.6.2極化損失

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收；水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收；右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。

1.6.2極化損失當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說，發(fā)生極化損失。例如：當用+