復(fù)習(xí)課天線與電波傳播精華.ppt

1、電磁波的產(chǎn)生,1.1.1時變場源區(qū)域電磁場的激發(fā) 變化的電場產(chǎn)生變化的磁場 變化的磁場產(chǎn)生變化的電場 交互變化的電磁場在空間傳播電磁波 1.1.2天線電流和空間電磁場相互作用 天線電流激發(fā)空間電磁場（發(fā)射天線） 電磁場又反過來作用到天線電流上，影響天線電流分布（接收天線）,麥克斯韋方程,時變場源區(qū)域麥克斯韋方程,散度定理,旋度定理,以輔助函數(shù)A、， 替代求解,時變電磁場的勢函數(shù),達(dá)朗貝爾方程的解,1.1 時變電流元假設(shè),假定時變場源為一流經(jīng) 導(dǎo)線段上高頻諧變電流,注：時變場源區(qū)域線性 各向同性均勻介質(zhì) 基本電振子或元電輻射體 電偶極子,時變電流元的電磁場,時變電流元在空間引發(fā)的電磁場 P216

2、 坡印廷矢量、性質(zhì)1-4,時變電流元的電磁場討論,時變電流元在空間引發(fā)的遠(yuǎn)區(qū)場,時變電流元的電磁場討論,時變電流元在空間引發(fā)的遠(yuǎn)區(qū)場,輻射場兩個分量 相互垂直、同相 幅值與距離反比 電磁波能量沿 方向傳播,時變電流元的電磁場討論,遠(yuǎn)區(qū)場,輻射場電場與磁場空間方向正交且垂直于傳播方向 、同相；輻射波阻抗： 等相面為球面 球面波，且相位隨 增大不斷滯后；在 極大的空間近似TEM波 場量幅值 ， ， 有效輻射發(fā)生條件： 與 相比擬，頻率越高天線尺寸越小。,輻射場,時變電流元的電磁場討論,輻射場場量幅值 ， 具有方向性，方向函數(shù)： 方向圖：,天線的主向：,1.2求解線狀天線輻射場的基本思路,將線狀天線

3、分解為若干個有序相接的電流元， 依據(jù)電磁場的疊加原理， 線狀天線輻射場等效為這些電流元 輻射場的線性疊加,1.3對稱振子天線,把對稱振子看成是終端開路的傳輸線兩線張開的結(jié)果，這種確定對稱振子上電流分布的方法稱為等效傳輸線方法 分析對稱振子天線的輻射特性： 把對稱振子看作是無窮多個電流元沿振子軸線方向有序排列連接而成。 遠(yuǎn)離對稱振子空間任意一點場等于每個電流元在該點處的疊加。,半波陣子： 全波陣子：,1.4天線的特性參量,天線的方向性特性參量 天線輻射波的極化 天線的輻射功率與輻射電阻 天線的方向系數(shù)和增益 天線的輸入阻抗 天線的有效長度 天線的工作頻帶寬度,方向函數(shù),方向函數(shù)：天線方向性的數(shù)學(xué)

4、表示，就是天線的輻射強度與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系 歸一化方向函數(shù)：為了對不同天線按同一尺度進(jìn)行方向性的比較，把天線的方向函數(shù)對其最大值歸一化,主向、主瓣、副瓣、 主瓣寬度 、主瓣張角P227,天線輻射波的極化,天線的極化特性是由天線發(fā)射時天線輻射波的極化特性來描述的。 線極化：輻射波電場矢量端點的軌跡為直線 圓極化：輻射波電場矢量端點的軌跡為圓 橢圓極化：輻射波電場矢量端點的軌跡為橢圓 收發(fā)天線之間主向?qū)?zhǔn)、極化方向一致。P228,天線的輻射功率與輻射電阻,發(fā)射天線作為發(fā)射機的負(fù)載，其消耗的有功功率包括兩部分：輻射功率和自身的損耗功率。 輻射功率:指隨輻射電磁波傳播出去不能再返回的耗散功率。

5、天線效率定義為輻射功率與輸入功率的比值。 輻射電阻 :天線輻射到遠(yuǎn)區(qū)空間的有功功率，可等效為在一電阻元件上的損耗功率,這個電阻即是,天線的方向系數(shù)和增益,天線的方向系數(shù)用以描述主向上輻射功率集束程度 天線的方向系數(shù):天線在主向r遠(yuǎn)處的輻射功率密度與相同輻射功率平均分配時該點處的輻射功率密度之比 。 增益:天線在主向r遠(yuǎn)處的輻射功率密度與相同輸入功率平均分配時該點處功率密度之比,天線的輸入阻抗,輸入阻抗是發(fā)射天線的一個重要參量， 對具體的天線作具體的研究。,天線的有效長度,天線的有效長度是線狀天線的特性參量之一， 它是用來衡量天線輻射或接收電磁波能量效果的參量。 有效長度是對發(fā)射天線提出來的，

6、當(dāng)天線上電流分布不均勻時，在保持天線主向輻射場強值不變的條件下，把電流分布折算成均勻后的天線長度。,天線特性參量中，兩個重要的特性參量 P291(本章小結(jié)5) 方向性 天線阻抗,1.5 接收天線,天線互易定理: 同一天線用于發(fā)射和接收狀態(tài)時，方向函數(shù)、阻抗、有效長度并推廣到方向系數(shù)（增益）都是相同的。 這種相同是數(shù)值上的相同，其意義完全不同的。 有效接收面積:表示接收天線吸收到來電磁波的能力,付里斯傳輸公式P243,發(fā)射機,接收機,電波空間,饋線,饋線,說明付里斯傳輸公式在天線設(shè)計應(yīng)用中的意義， 能夠指出公式中每一項具體含義。,1.6 天線陣列,天線組陣主要意義在于調(diào)控天線系統(tǒng)的方向特性， 方

7、向函數(shù)乘積定理：陣列天線的方向函數(shù)等于陣元天線的方向函數(shù)與陣函數(shù)的乘積。P246,改變陣結(jié)構(gòu) 改變陣函數(shù) 調(diào)控陣列天線方向函數(shù),圖乘P247 例5-4,圖乘:同一表面統(tǒng)一角度上極徑值相乘，模擬乘 圖乘法則 單元天線方向圖是繞單元天線取向軸的旋轉(zhuǎn)對稱圖形，陣函數(shù)的方向圖是繞陣軸的旋轉(zhuǎn)對稱圖形，二元陣列方向圖就是兩個對稱圖形的乘積。 對稱軸所在平面上圖形都一樣，垂直于對稱軸平面上的圖形不是圓來就是點。 坐標(biāo)軸對齊，點點相乘。,等幅同相,例5-4,N元均勻直線陣列,振子 2與振子 1在P點的輻射場相位差：,陣列函數(shù)：,陣函數(shù)最大值：各陣元的輻射場同相位疊加,邊射陣（側(cè)射陣） 端射陣（頂射陣）,邊射陣

8、,邊射陣：各陣元同相饋電,端射陣,端射陣：陣函數(shù)最大值發(fā)生在陣軸線方向，,1.7相控陣天線,相鄰陣元總位相差 ，陣函數(shù)為最大值,1.8 地面對天線特性的影響,分析地面等對天線工作特性的影響時，把地面看成是無限大理想導(dǎo)體平面。 遠(yuǎn)離地面架設(shè)的天線 接收點處的輻射場，是直射波和地面反射波的疊加 近地架設(shè)的天線 天線自身的輻射波與地面感應(yīng)電流的二次輻射波的疊加。P273,1.9 離散陣列中其他常用單元線狀天線,折合振子在遠(yuǎn)區(qū)的輻射場就相當(dāng)于兩個放置于同一位置的電流完全相同的半波振子的輻射效果， 方向函數(shù)與半波振子相同 輻射強度加倍 輸入阻抗為半波振子的四倍,小圓環(huán) 、磁流元和磁偶極子,一饋以高頻電流

9、的尺寸極小 的空心圓環(huán)，由于圓環(huán)尺寸極小，可認(rèn)為整個環(huán)上的電流處處幅值相同，相位相同，即小圓環(huán)天線。小圓環(huán)天線又叫磁流元或稱為磁偶極子。 比照電流元輻射場表達(dá)式，利用對偶性原理，可求得磁流元輻射場表達(dá)式。,1.10以時變電場和時變磁場為源的基本輻射元,由麥克斯韋方程組可知，作為輻射源除了有時變電流，還有時變電場和時變磁場。 惠更斯元 基本縫隙輻射元,惠更斯元 面積單元中具有規(guī)則均勻的內(nèi)場分布,基本隙縫 與條形振子互補，相當(dāng)于磁流元,天線理論研究中的基本輻射元,電流元（電偶極子）、磁流元（磁偶極子）、惠更斯元和基本隙縫。它們都是從具體天線中抽象出來的物理模型，對它們的幾何尺寸和電磁量（電流的幅值

10、相位，內(nèi)場的結(jié)構(gòu)等）都有相應(yīng)的規(guī)定。其中電流元又是分析其它幾種基本輻射元的基礎(chǔ)，電流元的場解是直接求解麥克斯韋方程得到的。,四種輻射元輻射方向特性比較,2.1 電磁波在自然環(huán)境中的傳播,地表面波（地波）傳播 長、中、短波段 電離層反射（天波）傳播 中波和短波波段 散射波傳播 超短波波段 直視（空間波）傳播 超短波和微波波段,電磁波沿地面?zhèn)鞑r，電荷在地表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷隨電磁波的傳播而移動形成電流，所造成的歐姆損耗就是地表面對地表面波的吸收衰減。 地表面波的頻率越高，地表對地表面波吸收越嚴(yán)重。 這種吸收和電磁波極化狀態(tài)有關(guān)，水平極化電磁波更容易產(chǎn)生較大的吸收。,地表對電磁波的吸收的物理

11、解釋,可把電離層分為D、E、F1、及F2各層，每層中都有一電子密度的最大值。 電離層中電子密度不是恒定不變，與太陽輻射直接相關(guān)。 電離層反射電波的能力與電波頻率有關(guān)。在入射角一定時，電波頻率越低，越易反射。 電波在電離層中的反射情況還與入射角有關(guān)。當(dāng)電波頻率一定時，入射角越大，越易反射。,電離層的電子分布規(guī)律,對電離層來說，D層晚間將會消失。而D層對電磁波的吸收最為嚴(yán)重，因此晚間天波信號將會大大增強，所以晚間接收到的短波電臺非常多。,2.2 直立天線,長波和中波波段，采用地表面波傳播方式， 要求天線輻射垂直極化波，,直立天線性能的改善,加頂負(fù)載： 在天線的頂端加金屬球，金屬圓盤或金屬輻射葉。

12、增加了天線頂端與地的分布電容，使天線頂端電流不再為零 增加了天線的有效高度，提高天線效率 加感： 在天線中串入電感，可增大天線電流，提高天線效率,2.3 水平偶極天線,天波傳播方式的地-地間短波遠(yuǎn)程通信。,2.4 菱形天線,天波傳播實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的短波專用發(fā)射天線， 一個銳角端接饋線與發(fā)射機相連， 另一銳角端接匹配負(fù)載。,2.5 引向天線,八木天線 超短波段應(yīng)用極廣泛的一種線狀天線(空間波),用一根折合陣子作有源陣子 用一根無源振子作反射器 多根無源振子作引向器，不超過12個 如五單元引向天線：除有源振子外還有一個作為反射器和三個作為引向器的無源振子,2.6 螺旋天線,超短波段的典型天線之一，

13、,當(dāng)L1.3 ，天線輻射主向與螺線軸線成斜射角度，稱為圓錐輻射模式。,螺旋天線的結(jié)構(gòu)與輻射模式,2.7 正交振子與電視發(fā)射天線,超短波段； 水平面無方向性，主向沿地表； 輻射水平極化波，以在接收端極大可能地避免各種垂直極化干擾波。 兩個振子相互垂直（空間正交）， 等幅相位差90o饋電（時間正交），,2.8 移動通信用天線,超短波； 水平面全向，垂直面主向沿地表； 輻射波的極化方向應(yīng)與地表垂直，因為手持機的天線都是與地面垂直使用的； 基站臺的架設(shè)高度不必如電視中心發(fā)射天線那樣高，因為蜂窩制的小區(qū)半徑一般不超過15公里。,比較電視中心發(fā)射天線和移動通信臺用天線設(shè)計的要求有何異同。,2.9 波導(dǎo)隙縫陣列天線,隙縫陣列天線、微帶天線和口徑面天線是典型的微波天線。 微波頻段是以惠更斯元、基本隙縫等作為基本輻射源 在金屬波導(dǎo)或諧振腔的壁面上開的隙縫，可用來輻射或接收電磁波。 運用電磁場的對偶原理，分析隙縫的輻射問題。,