天線基礎(chǔ)知識()

天線基礎(chǔ)知識()第一頁，共四十九頁，2022年，8月28日本課主要內(nèi)容電波傳播的基礎(chǔ)知識地面波傳播天波傳播視距傳播地面移動通信中接收場強(qiáng)的預(yù)測天線基礎(chǔ)知識常用天線第二頁，共四十九頁，2022年，8月28日課程要求2.掌握電波傳播的基本概念；3.掌握電波傳播的基本特點(diǎn)和規(guī)律；4.了解地面移動通信接收場強(qiáng)的預(yù)測方法。1.了解天線的基本特性和電參數(shù)；第三頁，共四十九頁，2022年，8月28日2.《天線與電波傳播》李莉科學(xué)出版社2009《天線與電波傳播》宋錚、張建華、黃冶西安電子科技大學(xué)出版社2003教材：參考書：1.《天線與電波》周朝棟，王元坤，楊恩耀西安電子科技大學(xué)出版社1994第四頁，共四十九頁，2022年，8月28日哪些地方需要天線？第五頁，共四十九頁，2022年，8月28日中波廣播天線第六頁，共四十九頁，2022年，8月28日移動通信基站天線小靈通基站天線第七頁，共四十九頁，2022年，8月28日手機(jī)天線第八頁，共四十九頁，2022年，8月28日衛(wèi)星通信天線第九頁，共四十九頁，2022年，8月28日云南天文臺天線第十頁，共四十九頁，2022年，8月28日雙頻通信天線第十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日艦載通信、雷達(dá)天線第十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日第十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日雷達(dá)天線第十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日本次課主要內(nèi)容2.電基本振子的輻射1.緒論(2)天線的定義、作用(1)天線在無線電通信系統(tǒng)中的地位(1)電基本振子輻射場表達(dá)式(2)電基本振子的輻射特性（重點(diǎn)）第1章天線基礎(chǔ)知識第十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日1.天線在無線電通信系統(tǒng)中的地位

2.天線的作用（２）將空間電磁波信號轉(zhuǎn)換成高頻電流能量送給接收機(jī)。（１）將發(fā)射機(jī)輸出的高頻電流能量轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去。天線是任何無線電通信系統(tǒng)都離不開的重要前端器件。緒論第十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日

天線在外加高頻激勵源的作用下，在其周圍激發(fā)起交變電場和磁場，這種交變的磁場和電場周而復(fù)始地相互作用、相互轉(zhuǎn)化，形成電磁波，并以一定的速度向周圍空間傳播出去。4.天線輻射過程3.天線的定義天線是用來輻射或接收無線電波的裝置。緒論第十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場（3）天線的幾何尺寸：要有一定的電長度（2）天線的幾何形狀：必須是開放系統(tǒng)（1）天線激勵源頻率：要有合適的激勵頻率5.天線有效輻射的條件緒論第十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日按用途：通信、廣播電視、雷達(dá)、導(dǎo)航天線6.天線的分類按天線特色：超寬帶天線、非頻變天線、自適應(yīng)天線、智能天線等。按極化方式：線極化、圓極化、橢圓極化天線按狀態(tài)：發(fā)射天線、接收天線、收發(fā)共用天線按波長：中波、短波、超短波、微波天線緒論第十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日通常按天線原理分為兩大類：(1)精確解法：求解麥克斯韋方程組面天線：用于微波線天線：用于長波、短波、超短波7.天線研究方法

(3)數(shù)值解法：矩量法、有限元法(2)近似解法：微擾法、變分法、迭代法、幾何光學(xué)法、幾何繞射法緒論第二十頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.對天線的基本要求(１)具有一定的方向特性；(２)較高的轉(zhuǎn)換效率；(３)能滿足系統(tǒng)正常工作的頻帶寬度。9.天線分析、設(shè)計(jì)及仿真軟件（1）MATLAB（2）CSTMWS（3）HFSS緒論第二十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日緒論第二十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日緒論第二十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日電基本振子：又稱電流元，它是指一段理想的高頻電流直導(dǎo)線，其長度，半徑，

1.1.1電基本振子的輻射振子沿線的電流

處處等幅同相。

電基本振子的輻射特性是研究更復(fù)雜天線輻射特性的基礎(chǔ)。第1章天線基礎(chǔ)知識第二十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日電基本振子模型：一段理想高頻電流直導(dǎo)線，

，

，沿線電流等幅同相。φPyzxP'θOr：為射線OP與振子軸（z軸）之間的夾角：為OP在xoy平面的投影OP′與x軸之間的夾角首先建立模型，然后求其輻射場第1章天線基礎(chǔ)知識第二十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日(1―1―1)電基本振子在無限大自由空間中場強(qiáng)的表達(dá)式為第1章天線基礎(chǔ)知識第二十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日

：電場強(qiáng)度（V/m）

：磁場強(qiáng)度（A/m）自由空間相移常數(shù)：自由空間介電常數(shù)：自由空間導(dǎo)磁系數(shù)：場強(qiáng)的下標(biāo)r、θ、φ表示球坐標(biāo)系中矢量的各分量其中：第1章天線基礎(chǔ)知識第二十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日(1―1―2)分別為球坐標(biāo)系中沿r、θ、φ增大方向的單位矢量。

根據(jù)距離的遠(yuǎn)近，必須分區(qū)討論場量的性質(zhì)。寫成矢量表達(dá)式為第1章天線基礎(chǔ)知識第二十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日1.近區(qū)場或的區(qū)域稱為近區(qū)此區(qū)域內(nèi)忽略項(xiàng)，第1章天線基礎(chǔ)知識第二十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日近區(qū)場表達(dá)式為

(1―1―3)第1章天線基礎(chǔ)知識第三十頁，共四十九頁，2022年，8月28日近區(qū)場特點(diǎn)：（1）場振幅表達(dá)式與穩(wěn)態(tài)場完全相同。與靜電場中電偶極子產(chǎn)生的電場相同，與恒定電流產(chǎn)生的磁場相同。故近區(qū)場又稱為似穩(wěn)場或準(zhǔn)靜態(tài)場。、第1章天線基礎(chǔ)知識第三十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日（2）電場滯后于磁場，坡印廷矢量的平均值為零。能量在電場和磁場以及場與源之間交換而沒有輻射，所以近區(qū)場也稱為感應(yīng)場。第1章天線基礎(chǔ)知識第三十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日2.遠(yuǎn)區(qū)場或的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)此區(qū)域內(nèi)保留最大項(xiàng)，電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場表達(dá)式為(1―1―4)第1章天線基礎(chǔ)知識第三十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日圖1―1―2電基本振子電力線

圖1―1―3電基本振子遠(yuǎn)區(qū)場

第1章天線基礎(chǔ)知識第三十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日遠(yuǎn)區(qū)場的坡印廷矢量平均值為(1―1―5)

有能量沿r方向向外輻射，故遠(yuǎn)區(qū)場又稱為輻射場。第1章天線基礎(chǔ)知識第三十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日（1）E、H和Sav相互垂直，且符合右手螺旋。Eθ、Hφ均與距離r成反比，輻射球面波。（2）傳播方向上電磁場的分量Er、Hr

為零，故稱其為橫電磁波、記為TEM波。輻射場有如下性質(zhì)：第1章天線基礎(chǔ)知識第三十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日（3）Eθ和Hφ的比值為常數(shù)，稱為媒質(zhì)的波阻抗，記為η，對于自由空間(1―1―6)（4）Eθ和Hφ與sinθ成正比，說明電基本振子的輻射具有方向性。第1章天線基礎(chǔ)知識第三十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日

電基本振子向自由空間輻射的總功率稱為輻射功率，它等于坡印廷矢量在任一包圍電基本振子的球面上的積分，即(1―1―7)輻射功率第1章天線基礎(chǔ)知識第三十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日將天線輻射的功率看成被一個(gè)等效電阻所吸收的功率，這個(gè)等效電阻就稱為輻射電阻Rr。(1―1―9)(1―1―8)Rr稱為該天線歸算于電流I的輻射電阻，這里I是電流的振幅值。將上式代入（1―1―7），得電基本振子的輻射電阻為輻射電阻：第1章天線基礎(chǔ)知識第三十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日1.1.2磁基本振子的輻射磁基本振子：又稱磁流元、磁偶極子。

圖1―1―4磁基本振子的坐標(biāo)

磁基本振子模型：小電流環(huán)，周長遠(yuǎn)小于波長，環(huán)上電流I等幅同相均勻分布。第1章天線基礎(chǔ)知識第四十頁，共四十九頁，2022年，8月28日（1―1―10）設(shè)想一段長為l（l<<λ）的磁流元Iml置于球坐標(biāo)系原點(diǎn)，根據(jù)電磁對偶性原理，只需要進(jìn)行如下變換：第1章天線基礎(chǔ)知識第四十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日磁基本振子遠(yuǎn)區(qū)輻射場的表達(dá)式為電基本振子輻射場表達(dá)式（1―1―4）（1―1―11）輻射場的極化方向相互正交，其它特性完全相同第1章天線基礎(chǔ)知識第四十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日圖1―1―5小電流環(huán)和與其等效的磁矩(a)小電流環(huán)；(b)磁矩第1章天線基礎(chǔ)知識第四十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日相應(yīng)的磁矩和環(huán)上電流的關(guān)系為式中s為環(huán)面積矢量，方向由環(huán)電流I按右手螺旋定則確定。若求小電流環(huán)遠(yuǎn)區(qū)的輻射場，我們可把磁矩看成一個(gè)時(shí)變的磁偶極子，磁極上的磁荷是+qm,-qm，它們之間的距離是l。（1―1―12）第1章天線基礎(chǔ)知識第四十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日式中l(wèi)的方向與環(huán)面積矢量的方向一致。比較式（1―1―12）（1―1―13），得磁荷之間有假想的磁流Im，以滿足磁流的連續(xù)性，則磁矩又可表示為（1―1―13）第1章天線基礎(chǔ)知識第四十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日（1―1―15）

將式（1―1―14）代入式（1―1―11），經(jīng)化簡可得小電流環(huán)的遠(yuǎn)區(qū)場

用復(fù)數(shù)表示的磁流為（1―1―14）第1章天線基礎(chǔ)知識第四十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日磁偶極子的輻射總功率（1―1―16）其輻射電阻

（1―1―17）第1章天線基