電磁場電磁波論文

1、 HEFEI UNIVERSITY電磁場電磁波課程綜述報告題 目： 電磁場電磁波課程綜述報告 系 別： 電子信息與電氣工程 專業(yè) 班級： 11通信工程（1）班 學(xué) 號： 1105021006 姓 名： 郭麗麗 導(dǎo) 師： 李翠花 成 績： 2014年 5 月17 日目 錄1、天線的基本知識21.1什么是天線21.2天線的分類21.3天線的參數(shù)21.3.1方向性函數(shù)和方向圖21.3.2方向性系數(shù)31.3.3輻射效率41.3.4增益系數(shù)41.3.5天線的極化特性41.3.6輸入阻抗41.3.7天線的輻射阻抗51.4天線的作用和地位52、天線的工作原理63、天線的應(yīng)用73.1雙頻雙工雙極化天線的新應(yīng)用

2、73.2八字型全向變形天線應(yīng)用73.3心型全向變形天線應(yīng)用73.4窄波束高增益天線的應(yīng)用83.5低增益天線的應(yīng)用83.6全向天線的基本應(yīng)用84、總結(jié)981、天線的基本知識1.1什么是天線天線是一種用來發(fā)射或接收無線電波的電子器件。從物理學(xué)上講，天線是一個或多個導(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。天線應(yīng)用于廣播和電視、點對點無線電通信、雷達(dá)和空間探索等系統(tǒng)。天線通常在空氣和外層空間中工作，也可以在水下運行，甚至在某些頻率下工作于土壤和巖石之中。1.2天線的分類天線品種繁多，以

3、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。 對于眾多品種的天線，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾模?按用途分類 可分為通信天線、電視天線、雷達(dá)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 可分為線狀天線、面狀天線等.1.3天線的參數(shù)1.3.1方向性函數(shù)和方向圖天線的方向性函數(shù)是描述天線輻射場的大小與空間方向之間關(guān)系的函數(shù)，也就是天線的輻射作用在空間的相對分布情況的數(shù)學(xué)表達(dá)式。把方向性函數(shù)用圖形表示出來就是方向圖，也就是方向性函數(shù)的圖解形式。場強(qiáng)振幅的方向性函數(shù)是表示在以天線為中心，遠(yuǎn)區(qū)場某以恒定半徑的球面上輻射場強(qiáng)的

4、相對分布情況。場強(qiáng)振幅的歸一化方向性函數(shù)一般表示為：式中，為天線在任意方向上的輻射場強(qiáng)，為天線在其最大輻射方向上的輻射場強(qiáng)。單元偶極子的方向圖輻射的方向性用兩個相互垂直的主平面上的方向圖表示，E 平面(電場所在平面) 和 H 平面(磁場所在平面)。E 平面與H 平面的歸一化方向函數(shù)分別為：實際天線比上圖復(fù)雜，方向圖可能包括多個波瓣，分別稱為主瓣、副瓣和后瓣。如圖所示某天線的極坐標(biāo)形式方向圖：主瓣xz副瓣1.0后瓣天線方向圖的波瓣0.707說明：主瓣最大輻射方向兩側(cè)的兩個半功率點（即功率密度下降為最大值的一半，或場強(qiáng)下降為最大值的 ）的矢徑之間的夾角，稱為主瓣寬度，表示為 ，主瓣寬度愈窄，說明天

5、線輻射的能量愈集中，定向性愈好。方向圖的副瓣和后瓣是指不需要輻射的區(qū)域，所以應(yīng)盡可能小。1.3.2方向性系數(shù)某一天線的方向系數(shù)是它在最大輻射方向上某一距離處的輻射功率密度和輻射功率相同的無方向性天線在同一距離處的輻射功率密度之比值，用D表示 。在同一距離及相同輻射功率下，某天線在最大輻射方向上的功率流密度Smax和無方向性天線的功率流密度S0的比值。D的第一表達(dá)式(Pr=Pr0) 在同一距離處產(chǎn)生相同的輻射場，某天線在輻射功率和無方向性天線輻射功率之比。(|Emax|=|E0|) D的第二表達(dá)式由方向性系數(shù)定義，可以得到方向性系數(shù)計算公式D的第三表達(dá)式 1.3.3輻射效率天線的輻射效率表征天線

6、能否有效的轉(zhuǎn)換能量，定義為天線的輻射效率與輸入到天線上的功率(輸入功率)之比：1.3.4增益系數(shù)在定義天線的方向性系數(shù)時，我們使用的是天線輻射功率，由于輻射功率通常由理論計算得出，這就在實際應(yīng)用中帶來一些不便。采用天線的輸入功率作類似定義，則得出的對應(yīng)參數(shù)稱為天線的增益。它是天線的重要指標(biāo)之一。天線增益是這樣定義的。即輸入功率相同時，某天線在某一方向上的遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的功率流密度S1與理想點源（無方向性）天線在同一方向同一距離處產(chǎn)生的功率流密度S0的比值，稱為該天線在該方向上的增益系數(shù)，簡稱增益，常用G表示。天線增益在不加特別說明時，指天線在最大輻射方向上的增益系數(shù)。上述定義可用數(shù)學(xué)形式表示為或(E

7、1=E0時)（Pin1=Pin0） Pin0和Pin1分別為理想點源天線和實際天線的輸入功率。1.3.5天線的極化特性天線的極化特性是以天線輻射的電磁波在最大輻射方向上電磁強(qiáng)度矢量的空間取向來定義的，分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化又分為水平極化和垂直極化；圓極化又分為左旋極化和右旋極化。天線不能接收與其正交的極化分量，線極化天線不能接收來波中與極化方向垂直的線極化波；圓極化天線不能接收來波中與其旋轉(zhuǎn)方向相反的圓極化分量。1.3.6輸入阻抗天線通過傳輸線與發(fā)射機(jī)相連，天線作為傳輸線的負(fù)載，與傳輸線之間存在阻抗匹配的問題。天線與傳輸線連接處稱為天線的輸入端，天線輸入端呈現(xiàn)的阻抗值定義為天線的

8、輸入阻抗，用Zin表示輸入電阻，對應(yīng)有功功率，以輻射和損耗兩種方式耗散掉輸入電抗，對應(yīng)無功功率，貯存在近區(qū)中天線的輸入阻抗決定于天線的結(jié)構(gòu)、工作頻率以及周圍的環(huán)境。輸入阻抗的計算是比較困難的，因為它需要知道天線上的激勵電流，除了少數(shù)天線外，大多數(shù)天線的輸入阻抗在工程中采用近似計算或?qū)嶒灉y定1.3.7天線的輻射阻抗將計算輻射功率的封閉面設(shè)置在天線的近區(qū)，用天線的近區(qū)場進(jìn)行計算，則求出的的輻射功率將包含有功功率和無功功率兩部分。引入歸算電流，可定義輻射阻抗輸入實功率為輻射功率和損耗功率之和，當(dāng)所有功率都?xì)w于輸入電流時，有8.頻帶寬度窄帶天線 百分之幾 當(dāng)工作頻率發(fā)生變化時，天線的有關(guān)電參數(shù)變化的程

9、度在所允許的范圍內(nèi)，此時對應(yīng)的頻率范圍稱為頻帶寬度。相對帶寬寬帶天線 百分之幾十超寬帶天線 幾個倍頻程絕對帶寬 天線的帶寬都是就某個參數(shù)而言的，不同的天線參數(shù)，如最大輻射方向、波瓣寬度、副瓣電平、增益、極化等往往有不同的帶寬。通常方向圖和輸入阻抗隨頻率的變化具有很大區(qū)別，因而使用方向圖帶寬和阻抗帶寬以示分別。與方向圖帶寬有關(guān)的參數(shù)包括最大輻射方向、波瓣寬度、旁瓣電平、方向性系數(shù)和增益。與阻抗帶寬有關(guān)的是輸入阻抗和輻射效率。若對方向圖帶寬和阻抗帶寬同時提出要求，取其窄的做為整個天線的帶寬。1.4天線的作用和地位 無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出

10、去。電磁波到達(dá)接收地點后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機(jī)?？梢?，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。2、天線的工作原理導(dǎo)線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長短和形狀有關(guān)；v當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子。電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面，有效的傳遞能量和動量。l 天線工作帶寬l 無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)

11、工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。vl 天線工作帶寬有幾種不同的定義： 一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度；一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，就是當(dāng)天線的輸入駐波比1.5時，天線的工作帶寬。l 天線的方向性v天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示. 方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。l 天線輻射的電磁場

12、的電場方向就是天線的極化方向3、天線的應(yīng)用在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，天線的選擇是一個很重要的部分，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋要求、話務(wù)量、干擾和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等實際情況來選擇天線。天線選擇得當(dāng)，可以增大覆蓋面積，減少干擾，改善服務(wù)質(zhì)量。根據(jù)地形或話務(wù)量的分布可以把天線使用的環(huán)境分為7種類型：山區(qū)（或丘陵，用戶稀疏）、開闊平坦區(qū)域（用戶居住集中）、城區(qū)（高樓多，話務(wù)大）、郊區(qū)（樓房較矮，開闊）、農(nóng)村（話務(wù)少）和公路（帶狀覆蓋）、近海（覆蓋極遠(yuǎn)，用戶少）、隧道。3.1雙頻雙工雙極化天線的新應(yīng)用目前雙頻段定向天線的結(jié)構(gòu)和安裝方法與現(xiàn)有的單頻段天線相同，但重量有所增加。在城市內(nèi)的樓頂或郊區(qū)鐵塔平臺上，難以增加天線安裝位置

13、，因此將舊天線移到農(nóng)村使用，更換新的雙頻段天線是最好解決天線安裝位置困難的方法。由于DCS1800基站主要用于吸收部分話務(wù)，因此兩個天線的俯仰角度控制可以是同時的，避免采用高成本的兩個頻段獨立控制的雙頻天線。為了減少饋線，通常這種天線集雙頻、雙工、雙極化于一體。在機(jī)房一側(cè)利用雙工器將兩個頻段的信號分開。雙頻天線用于城市或話務(wù)量特大的地方，因此水平面半功率波束寬度65°天線為主選，同時要求有6°或9°的固定電下傾或可調(diào)（0-10°）電下傾，增益采用中等（15dBi16dBi）即可。3.2八字型全向變形天線應(yīng)用純公路覆蓋是指無人居住的山區(qū)、沙漠的重要等級公路

14、覆蓋，話務(wù)量少，為減少基站數(shù)量，降低建設(shè)成本，通常采用O2以下站型，因此覆蓋距離應(yīng)盡量遠(yuǎn)，象這種無線覆蓋區(qū)域，采用地形匹配天線是最理想的，如：8字形的變形全向天線可以增加需要覆蓋方向的增益（在最大方向上增益約增加3dB），減少公路兩旁無用戶區(qū)的覆蓋能量。這種天線的站址選擇很重要，公路的延伸方向應(yīng)與天線方向圖匹配。 這種天線實際上就是普通全向天線與對稱兩根輔助反射金屬管組成，反射金屬管的作用是通過耦合改變?nèi)蛱炀€水平面的方向圖。對于純粹的公路覆蓋或其它無建筑物覆蓋可以不考慮塔下黑，因為信號進(jìn)入車內(nèi)的衰減比進(jìn)入建筑物內(nèi)的衰減小得多。3.3心型全向變形天線應(yīng)用在農(nóng)村地區(qū)，許多小村鎮(zhèn)建在公路的一側(cè)，在

15、做公路覆蓋時可以兼顧這些村鎮(zhèn)的覆蓋，采用以下變形全向天線（心形方向圖），在公路和村鎮(zhèn)方向的天線增益可以提高到13-15dBi，可以使村鎮(zhèn)和公路覆蓋更有效，這種天線實際上就是普通全向天線與一根輔助反射金屬管組成，反射金屬管的作用是通過耦合改變?nèi)蛱炀€水平面的方向圖。3.4窄波束高增益天線的應(yīng)用純公路覆蓋也可以采用窄波束天線，如水平面半功率波束寬度為30-33°，增益高達(dá)21dBi，這種兩扇區(qū)定向站可以使覆蓋距離增加，減少基站數(shù)量從而降低用戶的建設(shè)成本。當(dāng)然，采用過高增益天線，其體積明顯增大，一定要考慮天線的風(fēng)載荷，在工程設(shè)計和安裝時都要謹(jǐn)慎。3.5低增益天線的應(yīng)用隧道覆蓋。盡管采用高增

16、益窄波束天線可以用于隧道覆蓋，但由于這種天線體積大，在隧道口不宜安裝，且成本較高，實驗證明可以采用低增益天線來覆蓋（增益在10-12dBi），這中低增益天線可以是價格低廉的八木天線，也可以是小的平板天線，前者更適合安裝在隧道口內(nèi)側(cè)，后者可以安裝在離隧道口較近外側(cè)，天線的最大波束指向與隧道口的法線方向夾角應(yīng)小于5度。隧道的長度不超過2Km，彎曲點不超過一個。采用直放站時應(yīng)采用高前后比的對數(shù)周期偶極子天線或平板陣列天線，并盡可能安裝在洞口內(nèi)側(cè)。超過兩公里長的隧道建議在隧道兩端口安裝基站或直放站。城市內(nèi)的陰影區(qū)或需要增補的微小區(qū)。這些區(qū)域可以采用低增益平板天線配置的微基站或基站進(jìn)行覆蓋，平板天線的增

17、益在12-14dBi，波束寬度取決于需要覆蓋區(qū)域的形狀，可以1個扇區(qū)，2個扇區(qū)，也可以3個扇區(qū)。3.6全向天線的基本應(yīng)用高增益普通全向天線的最大增益在10.5-11dBi之間，可以有固定電下傾角。由于其垂直面的波束寬度較小（約6.5-7.5度），因此對于沒有固定電下傾的全向天線，建議用于天線掛高不超過50m的平原地區(qū)基站，以免出現(xiàn)嚴(yán)重的“塔下黑”現(xiàn)象。對于原處覆蓋不重要的基站，可以采用適當(dāng)固定電下傾的全向天線，以便使覆蓋區(qū)內(nèi)的信號電平更強(qiáng)。高增益賦形全向天線的最大增益為12dBi，我司選擇該類型天線的零點填充水平為25%（即第一零點的深度為-12dB）、3度固定電下傾。由于存在3度下傾，因此在0度方向的增益與普通高增益全向天線相同（10.5-11dBi）。這種天線用于山區(qū)、丘陵覆蓋比較理想，可以有效解決由于天線掛高太高而出現(xiàn)的塔下黑現(xiàn)象。由于賦形天線只對天線下方第一個零點進(jìn)行填充，因此如果天線掛高過高，該天線也將無能為力。因此建議需要有效覆蓋的建筑物距離天線的徑向距離R與天線掛高H滿足以下關(guān)系HR×tg