11劉瑞玲 20111501085 電偶極型接收天線的最佳放置方位的研究

1、電偶極型接收天線的最佳放置方位的研究劉瑞玲（學號：20111501085）（物理與電子信息學院 物理學專業(yè) 2011級漢班，內蒙古 呼和浩特 011122）指導老師：陳玉和摘要：隨著社會的信息化，通信技術迅速發(fā)展，各種天線對于從不同方向輻射來的無線電波，具有不同的接收效果。本論文先解釋了天線的含義及天線的特性，其次分析了電偶極子型發(fā)射天線的輻射場強；進而利用輻射場強分布規(guī)律及輻射功率并結合天線的接收原理,分析了不同接收天線的最佳放置位置；最后簡要闡述天線實際放置與理論計算結果存在的差別。關鍵詞：電偶極型；接收天線；輻射場強；最佳放置1天線及其特性 1.1天線的含義天線就是作無線電波的發(fā)射或接收

2、用的一種金屬裝置。天線作為通信、廣播、電視等無線電設備不可缺少的一部分，其基本功能是發(fā)射和接收無線電磁波。發(fā)射時把高頻電流轉化為電磁波，接受時把電磁波轉化為高頻電流，如圖1-1。圖1天線發(fā)射和接受示意圖不同的無線電設備對天線的要求不同。例如電視發(fā)射天線為了使四周的電視觀眾都能較好的收看節(jié)目，要求在水平面的各個方向均勻的輻射電磁波，而在垂直面內減少向高空的輻射，而對于雷達天線而言，則要求它集中的向空間某一狹窄范圍輻射電磁能量，以滿足精確定位的需求。1.2天線的特性1.2.1天線方向性天線輻射電磁波的方向性是天線的一個重要特性。例如若某廣播臺的天線設在當?shù)氐牡赜蛑行模瑸槭乖搮^(qū)域內的接收設備都能有較

3、好的接收效果，則廣播臺的天線在該區(qū)域內水平面上就不要有方向性。又如對于點對點的通信系統(tǒng)，一個天線（發(fā)射天線）的輻射就要對準另一個（接收天線），這時天線的輻射就有了方向性了。1.2.2天線的互易性天線的互易性是天線的另一個重要特性?；ヒ仔允侵笩o論天線在發(fā)射模式和接收模式具有相同的方向性。例如一個給定天線工作在發(fā)射模式，且N方向輻射電磁波的能力比M方向輻射電磁波的能力強50倍，那么該天線工作于接受天線模式時，接受N方向輻射來的電磁波靈敏度比M方向接受電磁波的靈敏度也強50倍。利用天線的互易性原理還可以證明天線的其他參數(shù)，如方向性系數(shù)、增益、效率等在天線作用發(fā)射和接受時都相同。2 電偶極子輻射電偶極

4、子和磁偶極子是最基本的電磁波輻射單元。在生活中的眾多天線都可以分解為這兩種偶極子天線的組合。但本論文重點分析電偶極型天線的輻射場。2.1電偶極子輻射電偶極子是指一段高頻電流的短導線L，如圖2導線的直徑為d與波長相比可以忽略即（L1），因此可以用線電流模型近似并假定導線上各點電流的振幅和相位是相同的。關于電偶極子產(chǎn)生的電磁場的分析計算是天線工程的基礎。 圖2電偶極子 圖3電偶極子輻射設短導線上的電流隨時間作正弦變化可表示為it=Icost=ReIeit ,如圖3所示，電偶極子偶極矩 p 的方向沿z軸正方向，中心在坐標原點，長度為L,橫截面積為S 。由磁失勢A=04VJX'eikR-eRX

5、R-eRXdv有考慮RL，并且場點M離電偶極子很遠時即R，故有AX=0eikR4RVJX'dV' 又因為 vJxdv'=LIdl'=vdqdtdl'=ddtqdl'=dpdt=p 所以磁失勢A 為 A=0eikR4Rp則電偶極子輻射場為：BX=×AX=04ReikR×p 因為eikR=ikeikReR=ikeReikR 且有 ikeRt-i所以B=×A=04ReikR=ik04ReR×p又因為ik0=ic0=ic1c2=-1c3t，所以 B=140c3ReikRp （1）有了磁場B的表達式后，利用E=ick

6、×B，可求出電場 E=ick×B=cB×eR=eikR40c2Rp×eR （2） 設電偶極輻射模型為：p=p0e-it，則有 p×eR=psine，所以電偶極子輻射場的場強為： B=140c3ReikRpsine （3） E=eikR40c2Rpsine （4） 其中偶極矩p 中包含推遲時間，為（t-Rc）從以上計算可知電偶極子輻射場中B 沿緯線上振蕩，E 沿經(jīng)線上振蕩即BR=0，B=0,B0 ER=0 , E0 , B=02.2電偶極子輻射場的特性根據(jù)（1）、（2）對電偶極子輻射場的性質作以下討論：（1）電磁波能量沿徑向輻射，且場的振幅與R成

7、反比，這是由于電偶極子由源點向遠處輻射，其能量逐漸擴散。設輻射場的電磁波是沿徑向 R 輻射的，且平均能流密度 S 為： S=12ReE×H*=12ReeE×eH*=eR12ReE*（2）輻射場是橫電波（TEM波），輻射場的電場只有橫向分量 E=eE , B= eB ,E 與 B 相互垂直且都垂直于傳播方向。（3）輻射場是非均勻球面波。相位因子eikR表明波的等相位面是 R=C 的球面，在該相位面上電場的振幅并不是各處相等的故為非球面波。（4）輻射場分布具有方向性，當 =2 時輻射最強， =0或時輻射最弱。電偶極子輻射的平均能流密度為 S=12ReE*×H=c20R

8、eB*×eR×B =c20B2eR=p23202c3R2sin2eR （5） 通過與eR 方向垂直的面元d的輻射功率P為 dP=SR2d=p23220c3sin2d （6）由（5）、（6）可以看出因子sin2 表示輻射角分布，即輻射的方向性。在R=C的球面上 取不同的值時場的振幅都不同，如在=2 的平面上輻射最強，而沿電偶極矩p 軸線方向（即=0和）沒有輻射。所以，我們只要把接收天線放置在合理的方位就能得到最佳的接收效果。3 接收天線的原理3.1 接收天線接收電磁波的物理原理將一天線置于某發(fā)射天線的遠去即輻射區(qū)，由于遠離發(fā)射天線，可以認為接收天線的輻射場是平面波，如圖4所示

9、。圖中接收天線為一振子天線沿z軸放置，輻射來的波的方向與振子軸線夾角為 ，對入射面而言射來波的電場可分解為E (垂直分量)和 E (平行分量)其中只有與振子平行的分量 Ez=Esin 才能在振子表面激勵起電流。圖4天線的接受原理示意圖 圖5 短天線的模型圖 在振子上取線元 dz 在 Ez 的作用下線元 dz 的表面將感應出一個反向電場-Ez 以滿足理想導體的邊界條件。于是在 dz 上的感應電動勢為：d=-Ezdz ，且記該電動勢在負載上產(chǎn)生的電流為dI 則流過負載的總電流應是每段線元上的感應電動勢所引起的電流之和，即I=-LLdI。由于電磁波到達天線各處有波程差，故沿天線各處的 Ez 的相位是

10、不同的，且與來波方向 有關。因此流過負載的總電流 I 必然是 的函數(shù)進而可知接收天線也具有方向性。4 天線的最佳放置的理論分析生活中廣播、電視等電臺的發(fā)射天線可以看成豎直放置的電偶極型輻射天線，其輻射場強由（3）、（4）式表示，在 =2 處場強 E、B 均最強。所以最佳接收位置是在與天線在同一水平面內。4.1電偶極型接收天線的實例-短天線的放置 當直天線的長度L遠小于波長時，它的輻射就是電偶極輻射如圖5.在天線的兩半段上電流方向相同，天線中點處電流有最大值 I0 ,在天線兩端電流為零即電流在天線上形成駐波。則天線上兩端電流分布為： I=I01-2Lz ， zL2 。故短天線的輻射功率為 dP=

11、SR2d=0I021282c34L4sin2d ,所以在單位立體角內的輻射功率與 sin2 成正比，沿發(fā)射天線方向即 =0或的強度為零，這時接收天線水平放置接收效果最差。在垂直天線方向（ =2 ）即向前方向上的輻射最強，若接收天線垂直地面放置接收效果最好。4.2電偶極型接收天線的類型的放置 （1）拉桿天線 對接收天線是拉桿天線如圖6，由（4）式的表示式可知，E只有角分量，當 =2 時場強 E 最強，這時 方向正好為豎直方向，因此在地面上的拉桿天線最佳放置位置是與地面垂直。例如半導體收音機的拉桿天線要豎直放置。 圖6拉桿天線 圖7磁棒天線（2）磁棒天線在上述的輻射場中，如果接收天線是磁棒如圖7，

12、由（3）式可以看出 B 只有 角方向的分量，在球坐標系中，當 =2 時， 方向正好是水平方向。因此，用磁棒天線接收時，磁棒最佳位置是水平放置，而且與電磁波傳播方向垂直。5 天線的最佳放置的實驗研究以上在理論上分析了兩種天線的最佳放置位置,為了計算的方便在理論上作了近似處理,分母上 r=R-eRX 忽略去了 -eRX 項,若考慮這些項的影響,實際放置方位與以上分析結果是否一致。筆者還用收音機天線在校園接收內蒙古廣播電臺，由于電臺的位置已固定，只要根據(jù)收音所處的地理位置，調整機上的拉桿天線的方向和天線所處位置高度，就能使天線感受到的電波能量最大、最靈敏，就能獲得最佳的收視效果，做了一系列的實驗。實

13、驗結果如下：天線接收效果與天線的方位和天線高度的關系拉桿天線水平放置接收效果最差拉桿天線與地面的夾角為30-60度接收效果一般拉桿天線與地面的夾角為88.5度接收效果最佳拉桿天線豎直放置接收效果大致最佳10#一樓接收效果最差10#三樓（約6米）接收效果一般10#五樓（約12米）接收效果較好10#六樓（約15米）接收效果最佳6討論對磁棒天線, 由電偶極子激發(fā)的場強的一般表達式(1)知,B 最強的位置仍在 =2 處,可見近似處理不影響實際放置位置,仍為水平放置,且垂直于輻射天線與接收天線的連線,即垂直于電磁波傳播方向。對拉桿天線, 由電偶極子激發(fā)的場強的一般表達式(2)知,E最強的位置將不是嚴格地

14、在 =2 處,因而此時 E不是嚴格地沿豎直方向,那么實際放置中,拉桿天線就應偏離豎直方向一定角度,接收效果才最佳。可見豎直方向只是拉桿天線的大致合理放置方位。通過實驗可以看出天線所處的位置越高接收效果越好，但是隨著社會的不斷進步，城市有許多高大建筑物，對拉桿天線接收效果增加許多附加因素。因為，電臺發(fā)射出的無線電波撞上這些建筑物時，會被反射回來且在很多情況下還會從其它高大建筑物上反射過來。這樣，收音機接收電波的最佳方向就不一定正好是電臺發(fā)射的方向。所以，只能通過實驗來確定拉桿天線的最佳方向了。7結束語天線研究范圍比較廣，涉及衛(wèi)星導航系統(tǒng)、衛(wèi)星電視、帶寬等的接受天線方位的研究，且取得了比較理想的研

15、究成果。由于本人能力和時間的限制，僅限于基本的電偶極型接收天線（拉桿和磁棒）的最佳放置方位的研究，雖然在現(xiàn)實生活中很少有這兩種天線了，但可以給大家提供最基本的理論基礎。 參考文獻：1 郭碩鴻.電動力學M.北京：高等教育出版社,1997 年第 2 版.236-245.2 徐立勤，曹偉.電磁場與電磁波理論M.北京:高等教育出版社,1999.154-170.3明冬.拉桿天線學問多J.農(nóng)家顧問.1996.10;47-484 徐銳敏，唐璞.微波技術基礎M.上海:科學出版社,2009.327-333THE BEST PLACED BEARING TYPE ELECTRIC DIPOLE ANTENNA S

16、TUDYLiu Ruiling (Student ID: 20111501085)(Class of Physics Han, Grade 2011, College of Physics and Electronic Information, Inner Mongolia Normal University, Hohhot, Inner Mongolia 010022)Director: Chen YuheAbstract: along with the information of the society, the communication technology rapid develo

17、pment, all kinds of antenna for radio waves, radiation from different directions to different reception. This paper first explains the meaning of the antenna and the characteristics of the antenna, secondly analyzed the type electric dipole antenna radiation field intensity; Then the radiation field intensity distribution and the radiation power and the combination of antenna receiving principle, analyzes the opt