電磁場與電磁波綜述教材

1、摘要天線是一種用來發(fā)射或接收無線電波，更廣泛來講屬于電磁波的電子器件。 天線應(yīng)用于廣播和電視、 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線電通信、 雷達(dá)和太空探索等系統(tǒng)。 天線通常 在空氣和外層空間中工作， 也可以在水下運(yùn)行， 甚至在某些頻率下工作于土壤和 巖石之中。從物理學(xué)上講， 天線是一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體的組合， 由它可因施加的交變 電壓和相關(guān)聯(lián)交變電流而產(chǎn)生輻射的電磁場， 或者可以將它放置在電磁場中， 由 于場的感應(yīng)而在天線內(nèi)部產(chǎn)生交變電流并在其終端產(chǎn)生交變電壓。 現(xiàn)在天線已隨 處可見，它已與我們的日常生活密切相關(guān)。 技術(shù)發(fā)展也越來越趨于多樣化并且較 為成熟。本文主要是對(duì)天線的一些知識(shí)進(jìn)行匯總總結(jié)。關(guān)鍵字： 電磁波 傳播 天

2、線目錄1 天線基礎(chǔ)知識(shí)介紹 11.1 天線定義 11.2 應(yīng)用方向 11.3 工作原理 11.4 分類 11.5 天線的相關(guān)參量 21.5.1 天線增益 21.5.2 方向圖 31.5.3 極化 41.5.4 輸入阻抗 42 天線陣與面向天線基本理論 52.1 天線陣 52.2 面向天線基本理論 53 天線未來發(fā)展趨勢(shì)分析 63.1 趨勢(shì)分析 63.2 關(guān)鍵技術(shù)分析 73.2.1 小型化天線技術(shù) 73.2.2 多制式天線技術(shù) 7總結(jié) 8參考文獻(xiàn) 91 天線基礎(chǔ)知識(shí)介紹1.1 天線定義天線( antenna )是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無 界媒介(通常是自由空間)中傳播的電

3、磁波，或者進(jìn)行相反的變換。在無線電設(shè) 備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。1.2 應(yīng)用方向無線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、射電天文等工程 系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進(jìn)行工作。1.3 工作原理當(dāng)導(dǎo)體上通以高頻電流時(shí)，在其周圍空間會(huì)產(chǎn)生電場 與磁場。按電磁場在 空間的分布特性，可分為近區(qū)，中間區(qū)， 遠(yuǎn)區(qū)。設(shè) R為空間一點(diǎn)距導(dǎo)體的距離， 在時(shí)的區(qū)域稱近區(qū)，在該區(qū)內(nèi)的電磁場與導(dǎo)體中電流 , 電壓有緊密的聯(lián)系。在的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)， 在該區(qū)域內(nèi)電磁場能離開導(dǎo)體向空間傳播， 它的變化相 對(duì)于導(dǎo)體上的電流電壓就要滯后一段時(shí)間， 此時(shí)傳播出去的電磁波已不與導(dǎo)線上 的電流、電壓有

4、直接的聯(lián)系了，這區(qū)域的電磁場稱為輻射場。必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長度 L 遠(yuǎn)小于波長 時(shí)，輻射很微弱；導(dǎo)線的長度 L 增大到可與波長相比擬時(shí)， 導(dǎo)線上的電流將大大增加， 因而就能形成較強(qiáng)的輻射。 發(fā)射天線正是利用輻射場的這種性質(zhì)， 使傳送的信號(hào)經(jīng)過發(fā)射天線后能夠充分地 向空間輻射。1.4 分類1、按工作性質(zhì)可分為發(fā)射天線和接收天線。2、按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達(dá)天線等。3、按方向性可分為全向天線和定向天線等。4、按工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短 波天線、微波天線等。5、按結(jié)構(gòu)形式和工作原理可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參量 有方向圖、方向性系

5、數(shù)、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻寬。6、按維數(shù)來分可以分成兩種類型：一維天線和二維天線7、天線根據(jù)使用場合的不同可以分為：手持臺(tái)天線、車載天線、基地天線三大類圖一（天線種類）1.5 天線的相關(guān)參量1.5.1 天線增益增益是天線系統(tǒng)的最重要參數(shù)之一， 天線增益的定義與全向天線或半波振子 天線有關(guān)。 全向輻射器是假設(shè)在所有方向上都輻射等功率的輻射器， 在某一方向 的天線增益是該方向上的場強(qiáng)。 定向輻射器在該方向產(chǎn)生輻射強(qiáng)度之比， 見圖二注：dBi 表示天線增益是方向天線相對(duì)于全向輻射器的參考值， dBd 是相對(duì)于半波振子天線 參考值。1.5.2 方向圖天線的輻射電磁場在固定距離上隨角坐標(biāo)分布

6、的圖形，稱為方向圖。用輻射 場強(qiáng)表示的稱為場強(qiáng)方向圖， 用功率密度表示的稱之功率方向圖， 用相位表示的 稱為相位方向圖。 天線方向圖是空間立體圖形， 但是通常應(yīng)用的是兩個(gè)互相垂直 的主平面內(nèi)的方向圖，稱為平面方向圖。在線性天線中，由于地面影響較大，都 采用垂直面和水平面作為主平面。在面型天線中，則采用 E 平面和 H 平面作為 兩個(gè)主平面。 歸一化方向圖取最大值為一。 在方向圖中， 包含所需最大輻射方向 的輻射波瓣叫天線主波瓣， 也稱天線波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或邊瓣， 與主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣。圖三：全向天線水平波瓣和垂直波圖，其天線外為圓柱型； 圖四：定向天線水平波瓣和垂直波瓣

7、圖，其天線外形為板狀。圖三（ 全向天線波瓣示意圖）圖四（ 定向天線 波瓣示意圖） 通常會(huì)用到天線方向圖的以下一些參數(shù)：（1）主瓣寬度，指主瓣最大輻射方向兩側(cè)的兩個(gè)半功率點(diǎn)的矢徑之間的夾角，記為 0.5 主瓣寬度越小，說明天線輻射的電磁能量越集中，定向性越好。（2）副瓣電平，指副瓣最大輻射方向上的功率密度和主瓣最大輻射方向上 的功率密度之比。（3）前后向抑制比，后瓣最大輻射方向上的功率密度主瓣最大輻射方向上 的功率密度之比。1.5.3 極化極化是描述電磁波場強(qiáng)矢量空間指向的一個(gè)輻射特性，當(dāng)沒有特別說明時(shí)， 通常以電場矢量的空間指向作為電磁波的極化方向， 而且是指在該天線的最大輻 射方向上的電場矢

8、量來說的。 電場矢量在空間的取向在任何時(shí)間都保持不變的電 磁波叫直線極化波， 有時(shí)以地面作參考， 將電場矢量方向與地面平行的波叫水平 極化波， 與地面垂直的波叫垂直極化波。 由于水平極化波和入射面垂直， 故又稱 正交極化波； 垂直極化波的電場矢量與入射平面平行， 稱之平行極化波。 電場矢 量和傳播方向構(gòu)成平面叫極化平面。電場矢量在空間的取向有的時(shí)候并不固定， 電場失量端點(diǎn)描繪的軌跡是圓， 稱圓極化波；若軌跡是橢圓， 稱之為橢圓極化波， 橢圓極化波和圓極化波都有旋相性。 不論圓極化波或橢圓極化波， 都可由兩個(gè)互 相垂直線性極化波合成。若大小相等合成圓極化波，不相等則合成橢圓極化波。 天線可能會(huì)在

9、非預(yù)定的極化上輻射不需要的能量。 這種不需要的能量稱為交叉極 化輻射分量。 對(duì)線極化天線而言， 交叉極化和預(yù)定的極化方向垂直。 對(duì)于圓極化 天線，交叉極化與預(yù)訂極化的旋向相反。所以交叉極化稱正交極化。1.5.4 輸入阻抗天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。 天線與饋線的連 接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗， 這時(shí)饋線終端沒 有功率反射， 饋線上沒有駐波， 天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。 天線的 匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量， 使電阻分量盡可能地接近饋線的 特性阻抗。2 天線陣與面向天線基本理論2.1 天線陣許多天線按照一定的規(guī)律放在一起就

10、構(gòu)成了天線陣。 這種天線陣的方向圖可 把各天線的方向圖疊加在一起求得。 因此天線陣的方向圖與每一天線的型式、 取 向以及天線上電流分布的大小與相位等有關(guān)。 調(diào)整天線之間的相對(duì)位置和電流關(guān) 系，可以得到各種形狀的方向圖。組成天線陣的獨(dú)立單元為陣元或天線單元， 如果陣元排列在一條直線或者一個(gè)平 面上，稱為直線陣或者平面陣。（1）二元天線陣P點(diǎn)的合成場強(qiáng)為（2）均勻直線式天線陣 定義：指各元天線除了以相同的取向和相等的間距排列成一直線外， 它們的電 流大小相等，而相位則以均勻的比例遞增或遞減。P點(diǎn)的合成場強(qiáng)為式中陣函數(shù)，最大值條件為2.2 面向天線基本理論應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法分析研究面天線問題的理論。面

11、狀天線（簡稱面天線）包 括：聲學(xué)型，如叭天線和開口波導(dǎo)輻射器；光學(xué)型，如拋物面反射器天線和 透鏡天線；表面波型，如介質(zhì)棒天線和各種形式的平面形結(jié)構(gòu)表面波天線。電磁場的邊值問題對(duì)于標(biāo)量亥姆霍茲方程， 有 11 個(gè)可分離變量的坐標(biāo)系 , 對(duì)于矢量亥姆霍茲方 程有 6 個(gè)可分離變量的坐標(biāo)系。 當(dāng)天線的外表面能與某個(gè)可分離變量坐標(biāo)系中的 一個(gè)坐標(biāo)面重合時(shí)， 就可用分離變量法來求解。 或者， 當(dāng)某個(gè)可分離變量坐標(biāo)系 中的幾個(gè)坐標(biāo)面的各一部分或全部與天線的外表面重合時(shí) （即這些坐標(biāo)面將天線 包圍），也可用分離變量法求解。 使用這種方法時(shí)， 首先根據(jù)所研究的天線外形， 選擇一個(gè)合適的可分離變量的坐標(biāo)系， 再

12、用坐標(biāo)面將天線的表面包圍起來， 將外 部空間按坐標(biāo)面分成若干區(qū)， 然后用本征模函數(shù)表示各區(qū)的場和源， 根據(jù)問題的 邊界條件來定本征值， 并根據(jù)各區(qū)之間的邊界條件求本征模函數(shù)的系數(shù)。 這種分 析方法僅適用于極少數(shù)的天線問題， 例如用球面坐標(biāo)系解球面反射鏡天線。 這種 方法未能推廣的原因是由于數(shù)學(xué)上的困難。 對(duì)于絕大多數(shù)天線來說， 很難找到合 適的可分離變量的坐標(biāo)系， 另一方面， 即使有了合適的坐標(biāo)系， 其解的表達(dá)式也 非常復(fù)雜。3 天線未來發(fā)展趨勢(shì)分析3.1 趨勢(shì)分析從無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)及運(yùn)營商面臨的各種挑戰(zhàn)來看， 天線技術(shù)未來的發(fā)展必 將遵循以下幾個(gè)方向。天線體積小型化 天線小型化是在保證 天線

13、性能基本不變的條件下，減小天線的體積。小型化是一個(gè)基礎(chǔ)性技術(shù)， 是天線永恒的發(fā)展方向。多種制式網(wǎng)絡(luò)共天饋應(yīng)用 未來多種制式共用一面超寬帶天線， 不僅天線工作頻段覆蓋多個(gè)制式， 而且 可以根據(jù)系統(tǒng)的不同要求實(shí)現(xiàn)每一個(gè)制式的獨(dú)立調(diào)節(jié)。 多制式天線的應(yīng)用將節(jié)省 建站成本和天面資源，靈活滿足每種制式的網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求。天線功能模式向智能化功能方向發(fā)展 未來天線實(shí)現(xiàn)智能化的波束賦形、 波束指向控制、 波束分裂和遠(yuǎn)程控制， 靈 活滿足各種場景的應(yīng)用需求。 通過天線的智能化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間互操作和資源的優(yōu)化 利用，最終實(shí)現(xiàn)智能化的運(yùn)維方式。天線與射頻模塊連接由分離式向集中式發(fā)展 未來集中式的設(shè)備代替分離式的設(shè)備， 光

14、纖代替電纜， 天線與主設(shè)備實(shí)現(xiàn)小 型化和一體化并充分結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)天面資源的節(jié)約和靈活的部署方式， 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)扁 平化的發(fā)展趨勢(shì)。3.2 關(guān)鍵技術(shù)分析3.2.1 小型化天線技術(shù)天線小型化有兩種實(shí)現(xiàn)方式。 第一種是通過優(yōu)化天線設(shè)計(jì)方案， 實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū) 外電平快速下降、壓低旁瓣和后瓣，降低交叉極化電平，采用低損耗、無表面波 寄生輻射、低 VSWR的饋電網(wǎng)絡(luò)等途徑提高天線輻射效率，從而實(shí)現(xiàn)同等增益下 天線體積的縮小。 這種方式天線的性能指標(biāo)不變， 但是限于技術(shù)難度， 體積下降 程度有限， 實(shí)現(xiàn)難度比較大而且成本較高。 第二種實(shí)現(xiàn)方式是通過降低天線的增 益來實(shí)現(xiàn)體積的減小。這種方式的體積下降明顯，增益每降

15、3 dB 體積就會(huì)縮小 一半，比較容易實(shí)現(xiàn)，但是小型化之后增益指標(biāo)的下降會(huì)限制天線的應(yīng)用范圍。 為保證天線小型化后的性能滿足不同場景的應(yīng)用需求， 未來天線小型化技術(shù)應(yīng)在 第一種實(shí)現(xiàn)方式上發(fā)展。目前移動(dòng)通信天線通過第一種方式實(shí)現(xiàn)一定程度的小型化， 業(yè)內(nèi)也有小型化 天線的應(yīng)用案例， 但限于各種因素， 目前小型化天線的安裝仍需要一定的天面資 源，而且性能指標(biāo)有待提高，工作頻段較窄。如果在網(wǎng)應(yīng)用，需要多個(gè)小型化天 線同時(shí)工作才能全頻段覆蓋，這就失去了小型化的優(yōu)勢(shì)和意義。未來運(yùn)營商應(yīng)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)力量， 推動(dòng)天線后端設(shè)備充分一體化， 達(dá)到利用 環(huán)境實(shí)現(xiàn)美化和隱身要求， 實(shí)現(xiàn)天面資源的真正節(jié)約和靈活的部署方

16、式。 在推動(dòng) 天線小型化的同時(shí)， 實(shí)現(xiàn)天線工作頻段的寬帶化， 以利于減少天線數(shù)量和未來系 統(tǒng)升級(jí)，充分體現(xiàn)小型化天線的優(yōu)勢(shì)。3.2.2 多制式天線技術(shù)多制式天線就是讓不同通信系統(tǒng)共用一副天線，以便有效地節(jié)約安裝空間。 多制式天線的實(shí)現(xiàn)主要是通過在天線內(nèi)部合理的放置輻射單元實(shí)現(xiàn)天線工作頻 段的寬帶化，以及通過信號(hào)合路和分路實(shí)現(xiàn)不同頻段信號(hào)的調(diào)節(jié)和控制總結(jié)天線的知識(shí)是電磁場與電磁波這一書中第七章的內(nèi)容。經(jīng)過此次的整理 該方面的知識(shí)使本人對(duì)天線方面的知識(shí)有了一定的了解。 天線的作用就是輻射和 接受電磁波，天線的技術(shù)性能優(yōu)劣不同， 必須規(guī)定一些能夠表征天線性能的參數(shù)， 以上本人所介紹的參數(shù)就可以說明天線的性能優(yōu)劣，幫助我們了解天線的性能。 天線的發(fā)展，從以前的收音機(jī)，到現(xiàn)在的對(duì)講機(jī)、手機(jī)等電子產(chǎn)品，以及現(xiàn)在比 較高科技的智能天線都明顯的體現(xiàn)出來了。 一直在發(fā)展應(yīng)用天線的技術(shù)， 說明天 線的重要性以及實(shí)用性。經(jīng)過這一次的天線知識(shí)總結(jié)，我初步掌握了有關(guān)天線的簡要基本理論。在自 學(xué)的過程中， 遇到了不少的困難， 因