電磁場天線與電波傳播

電磁場天線與電波傳播第1頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一學習天線與電波傳播的意義系統(tǒng)設計收、發(fā)信設備指標天線的性能天線的架設方式通信質(zhì)量評定不同通信業(yè)務之間相互干擾的預測和解決第2頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一影響天線特性的因素天線的形狀采用的材料制作工藝使用環(huán)境用途第3頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一影響電波傳播特性的因素頻率距離極化方式天線高度地形地物地面電特性參數(shù)時間、季節(jié)

第4頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一第一部分電磁場的基礎理論一、麥克斯韋方程組描述了空間電場與磁場的關(guān)系第5頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一本構(gòu)關(guān)系式（與媒質(zhì)有關(guān)的特性方程）：第6頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一麥克斯韋方程組的正弦穩(wěn)態(tài)相量形式：兩種特殊的邊界條件：1）兩種理想介質(zhì)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，則和的法向分量以及和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，總是垂直于理想導體的表面，總是平行于理想導體的表面。一般的邊界條件：第7頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一二、無線電波的輻射

麥克斯韋方程組說明脫離了電流的變化的電場產(chǎn)生磁場，脫離了電荷的變化的磁場產(chǎn)生電場。這種電磁場在空間交替變幻，綿延不斷向外傳播的過程就是電磁波的輻射過程。輻射場的波源是電流和電荷產(chǎn)生輻射場的前提條件是要有位移電流位移電流：由于電位移的變化引起的真實的電的流動。第8頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一++++----ItqI~+++---第9頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一三、波動方程第10頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一四、平面電磁波zExHy第11頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一平面電磁波的特性第12頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一平面電磁波的極化第13頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一第二部分天線一、天線的基本概念第14頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一移動通信A3G(WCDMA)handsetOutdoorBaseStationfor800and1900MHzCDMAcells.第15頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一衛(wèi)星通信EarthStationSatelliteDish(ReflectorAntenna)TVSatelliteDish(ReflectorAntenna)第16頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一廣播電視天線第17頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一電路的輻射第18頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一電纜的輻射第19頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一天線的作用空間電磁波高頻電流發(fā)射接收收、發(fā)天線具有互易性第20頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一(Propagation)天線的應用:Communications,Broadcast,Radar,Radiometry,Biomedical,etc.天線第21頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一天線的類型按用途分類，可分為通信天線、測量天線等按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等按外形分類，可分為線天線、面天線等第22頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一線天線：天線的直徑遠小于其幾何長度可不考慮天線橫截面上的電流分布天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。偶極子天線單極天線環(huán)天線螺旋天線第23頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一天線的輻射源結(jié)論：天線的輻射源——電流（位移電流）電流連續(xù)性方程：第24頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一二、天線的特性參數(shù)機械特性參數(shù)：形狀，尺寸，材料，可靠性等電特性參數(shù)一次參數(shù)：方向性圖，輸入阻抗，效率二次參數(shù)：方向性系數(shù)，增益，波瓣寬度，前后比，極化特性等第25頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一1．天線的輻射功率和輻射阻抗輻射功率： 在單位時間內(nèi)通過球面向外輻射的電磁能量的平均值。輻射電阻：將輻射功率視為一個電阻所消耗的功率，并使流過電阻的電流等于天線上的電流振幅，則該電阻就稱為天線的輻射電阻。第26頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一2．天線的方向性

天線的輻射場強與方向有關(guān)的特性，稱為天線的方向性。以電流元為例：第27頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一天線的方向性函數(shù)和方向性圖用于表示天線方向性特性的函數(shù)：電流元的方向性函數(shù)電流元的方向性圖第28頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一赤道面：與天線軸垂直并經(jīng)過天線中心的平面。子午面：包含天線軸的平面。1）電流元在赤道面內(nèi)的方向性函數(shù)和方向性圖：第29頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一2）電流元在子午面內(nèi)的方向性函數(shù)和方向性圖：第30頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一天線的歸一化方向性函數(shù)和歸一化方向性圖歸一化方向性函數(shù)：天線輻射場與最大方向上的場強值之比?！从沉颂炀€在不同方向的場分布。歸一化方向性圖：表示歸一化方向性函數(shù)的空間立體圖形。

通常用兩個互相垂直的平面上（子午面和赤道面/E面和H面）的平面圖來表示。第31頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一CDMA天線第32頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一CDMA垂直極化定向天線第33頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一方向性圖的主瓣寬度和旁瓣電平主瓣寬度：主瓣電平的最大值降到該值的0.707倍（即-3dB）時，兩個方向之間的張角寬度。

在方向性圖中，一般有兩個或更多個波瓣。在這些波瓣中，最大輻射方向所在波瓣稱為主瓣，其余波瓣稱為旁瓣。

－3dB點峰值－3dB點第34頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一旁瓣電平：相對主瓣最大值的比值。前后抑制比：

方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為F/B。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。第35頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一前后比F/B的計算：F/B=10Lg{（前向功率密度）/（后向功率密度）}第36頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一3.天線的方向性系數(shù)定義：天線輻射功率一定，在任意方向輻射功率密度與相等的輻射功率均勻輻射時的平均功率密度之比。第37頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一物理意義：由于天線有方向性，使某方向的輻射功率密度比均勻輻射時增加的倍數(shù)D。實際上，D反映了天線集中輻射能量的特性。方向性系數(shù)的求法：

1）已知歸一化方向性函數(shù)求D先求全向天線(點源)均勻輻射時的平均輻射功率密度:第38頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一

通常方向性系數(shù)指的是天線最大輻射方向上的方向性系數(shù)，此時，第39頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一2）已知天線的輻射電阻和最大輻射方向的方向性函數(shù)，求D第40頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一

當天線位于自由空間時，；在最大輻射方向上，大多數(shù)簡單常規(guī)天線的最大場強值又第41頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一例：求電流元的方向性系數(shù)？解：第42頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一4.天線增益定義：在任意方向,輻射功率密度與將相等的輸入功率均勻輻射時的平均功率密度之比，即天線增益為：第43頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一物理意義：為了在觀察點有相等的輻射功率密度，方向性天線的輸入功率應小于均勻輻射天線輸入功率的G倍。dBi：表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源；

dBd：表示以半波對稱振子為比較對象。

增益的單位：第44頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一近似計算方法：1）若已知天線在E面和H面的方向性圖，則在E面和H面上，以度為單位的波瓣寬度。2）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益：第45頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一3）對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益：式中，D為拋物面直徑；λ0

為中心工作波長。4）對于直立全向天線，可用下式近似計算其增益：式中，l為天線長度；λ0

為中心工作波長。第46頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一定義：天線輻射功率與輸入有功功率的比值，稱為天線的效率。5.天線效率第47頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一物理意義：

表示有百分之幾的高頻電流的輸入有功功率轉(zhuǎn)變成了輻射出去的電磁波能量。結(jié)論：

越大，越小，天線的就越高。在工程設計中，往往給定，這時就需要降低來提高天線的效率。第48頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一天線方向系數(shù)和天線增益的關(guān)系：第49頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一6.天線的有效長度定義：用一等效天線代替被研究天線，此等效天線上的電流是以被研究天線的輸入電流振幅均勻分布，并在最大輻射方向產(chǎn)生與被研究天線相等的電場強度。則等效天線的長度就稱為被研究天線的有效長度。等效天線實際為一電流元第50頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一7.天線的極化方向定義：天線向周圍空間輻射電磁波，電磁波由電場和磁場構(gòu)成。規(guī)定電場的方向就是天線極化方向。天線的垂直極化：電場垂直于入射面天線的水平極化：電場平行于入射面第51頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一第52頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一三、接收天線的特性接收天線接收電磁波的過程電磁波高頻電流感應注：只有電場沿天線導體表面的切向分量才能感應出電流，垂直分量不能。第53頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)論：1)接收天線的感應電流與來波方向有關(guān)

——接收天線的方向性

2)天線用作發(fā)射和接收的方向性函數(shù)相等

——收、發(fā)天線的互易性Z0ZA0IA第54頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一1．接收功率和接收面積

當天線的最大接收方向?qū)蕘聿ǚ较?，并且接收機的輸入阻抗與天線完全匹配時，天線向接收機的輸出功率最大。

假設最大接收功率Pmax是被一塊與來波方向垂直的面積所接收，這面積就稱為接收天線的有效面積A。第55頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一2．天線的校正系數(shù)K就稱為天線的校正系數(shù)第56頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一例：求半波對稱振子的校正系數(shù)？解：對于半波對稱振子第57頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一

第三部分電波傳播電磁波在收、發(fā)天線之間的空間中傳播第58頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一1．三種電波傳播的基本方式及其特點電波利用電離層的折射、反射和散射作用進行傳播的方式稱為天波。

沿地球表面進行傳播的電波傳播模式稱為地表面波。

在大氣對流層中進行的電波傳播方式稱為空間波。

第59頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一各種電波傳播方式的主要特點空間波：在傳播過程中，電波會發(fā)生折射、反射、散射等現(xiàn)象。在微波通信中采用視距傳播。天線架設在地面以上大于幾個波長處。地表面波：長波，中波一般采用這種傳播方式。天線直接架設在地面。

天波：只有這種電波傳播方式才能將電波傳送到數(shù)千公里以外。短波通信采用的就是這種傳播方式。

第60頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一1)費涅爾帶的劃分按照下列等式劃分費涅爾帶：

可見，分布在相鄰兩帶邊界上的二次波源在觀察點產(chǎn)生的場是反相的，且單位面積上的二次波源產(chǎn)生的場的振幅相差不大。OM0r0nrnS01r1R12．電波傳播的費涅爾區(qū)第61頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一2)合成赫芝矢量設第n費涅爾帶的二次波源在觀察點產(chǎn)生的合成波矢量為，則因為而相位相反所以，合成矢量的振幅為第62頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一且級數(shù)每一項與左右相鄰項的算術(shù)平均值相差不大

由于上述級數(shù)是收斂的，且收斂很快，所以在觀察點的合成場基本上是由分布在前幾個費涅爾帶內(nèi)的二次波源產(chǎn)生的。3)費涅爾帶的半徑OM0r0nrnS01r1R1由圖可知，第63頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一OM0r0nrnS01r1Rn

位于S0面上某一范圍內(nèi)的二次波源對觀察點的場起主導作用，該范圍的尺寸由費涅爾半徑?jīng)Q定。第64頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一4)空間費涅爾區(qū)

當S0面沿著直線OM移動時，每一費涅爾帶的邊界將構(gòu)成一個旋轉(zhuǎn)橢球體，焦點在O點和M點。相鄰兩旋轉(zhuǎn)橢球體之間的空間稱為空間費涅爾區(qū)。結(jié)論：對電波傳播起主導作用的空間區(qū)域是一個旋轉(zhuǎn)橢球體。在OM的中點空間費涅爾區(qū)的半徑最大。為一次波源與觀察點之間的距離第65頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一5)最小費涅爾半徑

可證明三分之一第一費涅爾帶的面積在觀察點產(chǎn)生的波振幅為B。用R0表示從S0面中心處到三分之一第一費涅爾帶面積的半徑，則R0稱為最小費涅爾帶半徑。落入最小費涅爾帶內(nèi)的地形地物將對電波傳播產(chǎn)生極大的影響。第66頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一R1電波傳播的費涅爾區(qū)6)費涅爾區(qū)的應用第67頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一例：設通信距離為10km，求150MHz電波傳播的最小費涅爾帶的半徑R0。解：第68頁，共74頁，2023年，2月20日，星期一1）自由