天線與電波傳播第一章課件

天線與電波傳播

第一講天線基礎(chǔ)知識(shí)授課老師：徐云學(xué)課程簡(jiǎn)介2天線與電波傳播微波技術(shù)基礎(chǔ)電磁場(chǎng)理論應(yīng)用3

天線將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。無線電系統(tǒng)5各種無線電系統(tǒng)

一切無線電設(shè)備(包括無線電通訊、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等系統(tǒng))都是利用無線電波來進(jìn)行工作的，而從幾KHz的超長(zhǎng)波到四十多GHz的毫米波段電磁波的發(fā)射和接收都要通過天線來實(shí)現(xiàn)。 在我們的日常生活中天線已隨處可見。 例如，收聽無線電廣播的收音機(jī)，電視機(jī)，手機(jī)、汽車、艦船、飛機(jī)上等。 收音機(jī)、電視機(jī)使用的天線一般是接收天線，廣播電視臺(tái)的天線則為發(fā)射天線。而手機(jī)天線則收發(fā)共用，但須經(jīng)過移動(dòng)通信基站天線轉(zhuǎn)收和轉(zhuǎn)發(fā)。6天線發(fā)展簡(jiǎn)史一、1886,赫茲（HeinrichRudolfHertz,1857-1894）

1839年法拉第（MichaelFaraday,1791-1867）發(fā)現(xiàn)、1873年麥克斯韋(JamesClerkMaxwell,1831-1879)完成的電磁理論，在1886年由海因里希·魯?shù)婪颉ず掌澖⒘说谝粋€(gè)無線電系統(tǒng)，首次在實(shí)驗(yàn)室證實(shí)。赫茲實(shí)驗(yàn)的無線電系統(tǒng)Hertz

，KIT的教授無線電之父7

二、1901,馬可尼（GuglielmoMarconi,1874-1937，1909年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）

1901年馬可尼成功實(shí)現(xiàn)橫穿大西洋（英國—加拿大）的無線電通信。位于英國（Poldhu,England）的發(fā)生天線由50根斜拉導(dǎo)線組成，用懸于60米高的木塔間的鋼索支撐。位于加拿大（Newfoundland,Canada）的接收天線是200米長(zhǎng)的導(dǎo)線，由風(fēng)箏牽引。天線發(fā)展簡(jiǎn)史馬可尼，意大利人，當(dāng)時(shí)年僅20歲。9

五、2000,移動(dòng)/手持天線（Mobile/Hand-heldAntenna）工作于800MHz的手持蜂窩電話天線隨處可見。從馬可尼時(shí)代直到20世紀(jì)40年代，天線主要是以導(dǎo)線為輻射單元，工作頻率也提高到UHF。進(jìn)入二戰(zhàn)期間，隨著1GHz以上微波源（如調(diào)速管、磁控管）的發(fā)明，天線開始了一個(gè)新的紀(jì)元。波導(dǎo)口徑天線、喇叭天線和反射面天線等如雨后春筍般出現(xiàn)。天線發(fā)展簡(jiǎn)史10數(shù)值方法，如矩量法（MethodofMoment,MoM）、有限差分法（Finite-DifferenceMethod,FDM）、有限元法（Finite-ElementMethod,FEM）、幾何繞射理論（GeometricalTheoryofDiffraction,GTD）和物理繞射理論（PhysicalTheoryofDiffraction,PTD）等的引入大大推進(jìn)了天線技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了天線分析和設(shè)計(jì)技術(shù)的逐漸成熟?，F(xiàn)在天線的設(shè)計(jì)不再是修修補(bǔ)補(bǔ)（cutandtry）的方法，已經(jīng)跨入了一個(gè)整體系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)階段。天線正朝小型化、寬頻帶、多頻段和高頻率等方向發(fā)展。天線發(fā)展簡(jiǎn)史電磁頻譜與無線電頻段13天線基本參數(shù)—輻射方向圖

方向圖函數(shù) 天線方向圖是指天線輻射特性與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)。而輻射特性包括輻射場(chǎng)強(qiáng)、輻射功率、相位和極化。 方向圖與天線輻射特性場(chǎng)強(qiáng)方向圖功率方向圖相位方向圖極化方向圖

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方向圖與坐標(biāo)系二維方向圖極坐標(biāo)方向圖和直角坐標(biāo)方向圖（幅度、分貝）三維方向圖球坐標(biāo)三維方向圖和直角坐標(biāo)三維方向圖（幅度、分貝） 天線方向圖獲?。豪碚摲治?、仿真計(jì)算、測(cè)量

一般我們關(guān)心的是功率方向圖和場(chǎng)強(qiáng)方向圖天線基本參數(shù)—輻射方向圖15

方向圖函數(shù)定義：天線位于坐標(biāo)原點(diǎn)，在距天線等距離的球面上，天線在各點(diǎn)產(chǎn)生的功率通量密度或場(chǎng)強(qiáng)隨空間方向的變化曲線。天線基本參數(shù)—輻射方向圖一般天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射電磁場(chǎng)表示為如下形式—

場(chǎng)強(qiáng)方向圖函數(shù)17天線基本參數(shù)—輻射方向圖歸一化功率方向圖歸一化功率方向圖與歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向圖關(guān)系

—功率通量密度（坡印廷矢量的幅值）功率通量密度的最大值通常方向圖用分貝（dB）表示，則18三維方向圖&二維方向圖天線基本參數(shù)—輻射方向圖19天線基本參數(shù)—輻射方向圖E面方向圖&H面方向圖

E面：天線最大輻射方向和電場(chǎng)矢量方向構(gòu)成的平面。

H面：天線最大輻射方向和磁場(chǎng)矢量方向構(gòu)成的平面。21天線基本參數(shù)—輻射方向圖主瓣

—

包含最大輻射方向的波瓣副瓣

—

除主瓣外的所有波瓣后瓣

—

位于主瓣反方向的副瓣半功率波瓣寬度—副瓣電平—22天線基本參數(shù)—輻射方向圖零點(diǎn)—

輻射為零的方向角度第一零點(diǎn)波瓣寬度—

在包含主瓣的平面內(nèi)，主瓣兩側(cè)第一零點(diǎn)間的夾角前后比—

主瓣最大值和后瓣最大值之比23天線基本參數(shù)—輻射方向圖主瓣寬度(半功率波束寬度、3dB波束寬度)

定義：方向圖主瓣上兩個(gè)半功率點(diǎn)(即場(chǎng)強(qiáng)下降到最大值的0.707倍處或分貝值從最大值下降3dB處所對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn))之間的夾角。極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)幅度方向圖極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)分貝方向圖25天線基本參數(shù)—輻射方向圖

對(duì)不同的用途，要求天線有不同的方向圖。 廣播電視發(fā)射天線，移動(dòng)通訊基站天線等，要求在水平面內(nèi)為全向方向圖。 微波中繼通訊、遠(yuǎn)程雷達(dá)、射電天文、衛(wèi)星接收等用途的天線，要求為筆形波束方向圖。 對(duì)搜索雷達(dá)、警戒雷達(dá)天線則要求天線方向圖為扇形波束。水平全向方向圖筆形波束方向圖余割平方波束方向圖26天線基本參數(shù)—輸入阻抗輸入阻抗傳輸線特性阻抗輸入阻抗29天線基本參數(shù)—方向系數(shù)

定義：天線方向系數(shù)是定量表示天線輻射的電磁能量集中程度以描述方向特性的一個(gè)參數(shù)，也稱方向性系數(shù)。在相同輻射功率情況下，天線在給定方向的輻射強(qiáng)度與理想點(diǎn)源天線在同一方向的輻射強(qiáng)度之比。

天線輻射強(qiáng)度：某方向單位立體角的輻射功率30天線基本參數(shù)—方向系數(shù)

平均輻射強(qiáng)度：理想電源在某單位立體角的輻射功率是立體角元對(duì)應(yīng)的球面面元，，方向系數(shù)最大方向系數(shù)31天線基本參數(shù)—方向系數(shù)

工程中，方向系數(shù)還常用分貝（dB）表示：例3：自由空間半波振子的方向系數(shù)。計(jì)算得。例1：無方向性理想天線的方向系數(shù)。此時(shí)，，計(jì)算得。例2：電基本振子的方向系數(shù)。電基本振子的方向函數(shù)是

，計(jì)算得。32天線基本參數(shù)—方向系數(shù)

定義：在相同輸入功率條件下，某天線在給定方向上的輻射強(qiáng)度

與理想點(diǎn)源天線在同一方向的輻射強(qiáng)度的比值。最大輻射方向的增益為33天線基本參數(shù)—極化

電磁波的極化：在空間某位置上，沿電磁波的傳播方向看去，其電場(chǎng)矢量在空間的取向隨時(shí)間變化所描繪出的軌跡。

天線極化：發(fā)射天線—

天線在某方向所輻射電波的極化；接收天線—

天線在該方向接收獲得最大接收功率（極化匹配）時(shí)入射平面波的極化。 軌跡是一條直線—

線極化 軌跡是一個(gè)圓—

圓極化 軌跡是橢圓—

橢圓極化34天線基本參數(shù)—極化極化失配 一般而言，接收天線的極化與來波方向的極化不同，這就是所謂的極化失配。因此，天線從來波中截獲的功率達(dá)不到最大。線極化圓極化或者橢圓極化35天線基本參數(shù)—帶寬

所有參數(shù)正常工作的交集：極化增益駐波方向圖半功率波瓣寬度噪聲溫度等頻率工作帶寬36天線基本參數(shù)—有效面積

定義：天線的有效面積（或有效口徑）表征天線截獲來波能量的能力。天線的有效面積定義為“天線接收的功率與入射功率密度之比”當(dāng)滿足最大功率傳輸條件（即共軛匹配）時(shí)，若不考慮損耗有效面積達(dá)到最大，稱為最大有效面積。37天線基本參數(shù)—有效面積

最大方向系數(shù)和最大有效面積如果考慮天線的輻射效率，上式進(jìn)一步可寫出當(dāng)接收天線和