復(fù)習(xí)課天線與電波傳播精華課件

1、電磁波的產(chǎn)生1.1.1時(shí)變場(chǎng)源區(qū)域電磁場(chǎng)的激發(fā)變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)交互變化的電磁場(chǎng)在空間傳播電磁波1.1.2天線電流和空間電磁場(chǎng)相互作用天線電流激發(fā)空間電磁場(chǎng)（發(fā)射天線）電磁場(chǎng)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(shí)變場(chǎng)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(shí)變電磁場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)達(dá)朗貝爾方程的解1.1 時(shí)變電流元假設(shè)假定時(shí)變場(chǎng)源為一流經(jīng) 導(dǎo)線段上高頻諧變電流注：時(shí)變場(chǎng)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(shí)變電流元的電磁場(chǎng)時(shí)變電流元在空間引發(fā)的電磁場(chǎng) P216 坡印廷矢量、性質(zhì)1-4時(shí)變電流元的電磁場(chǎng)

2、討論時(shí)變電流元在空間引發(fā)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)時(shí)變電流元的電磁場(chǎng)討論時(shí)變電流元在空間引發(fā)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射場(chǎng)兩個(gè)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(shí)變電流元的電磁場(chǎng)討論 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射場(chǎng)電場(chǎng)與磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)時(shí)變電流元的電磁場(chǎng)討論輻射場(chǎng)場(chǎng)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(chǎng)的基本思路將線狀天線分解為若干個(gè)有序相接的電流元，依據(jù)電磁場(chǎng)的疊加原理，線狀天線輻射場(chǎng)等效為這些

3、電流元 輻射場(chǎng)的線性疊加p1.3對(duì)稱振子天線把對(duì)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(duì)稱振子上電流分布的方法稱為等效傳輸線方法分析對(duì)稱振子天線的輻射特性：把對(duì)稱振子看作是無窮多個(gè)電流元沿振子軸線方向有序排列連接而成。遠(yuǎn)離對(duì)稱振子空間任意一點(diǎn)場(chǎng)等于每個(gè)電流元在該點(diǎn)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(zhǎng)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)表示，就是天線的輻射強(qiáng)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(duì)不同天線按同一尺度進(jìn)行方向性

4、的比較，把天線的方向函數(shù)對(duì)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(shí)天線輻射波的極化特性來描述的。線極化：輻射波電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的軌跡為直線圓極化：輻射波電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的軌跡為圓橢圓極化：輻射波電場(chǎng)矢量端點(diǎn)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(jī)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。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(gè)電

5、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(shí)該點(diǎn)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(shí)該點(diǎn)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(gè)重要參量，對(duì)具體的天線作具體的研究。天線的有效長(zhǎng)度天線的有效長(zhǎng)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(zhǎng)度是對(duì)發(fā)射天線提出來的，當(dāng)天線上電流分布不均勻時(shí)，在保持天線主向輻射場(chǎng)強(qiáng)值不變的條件下，把電流分布折算成均勻后的天線長(zhǎng)度。天線特性參量中，兩個(gè)重要的特性參量 P291(本

6、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(shí)，方向函數(shù)、阻抗、有效長(zhǎng)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(jī)接收機(jī)電波空間饋線饋線說明付里斯傳輸公式在天線設(shè)計(jì)應(yīng)用中的意義，能夠指出公式中每一項(xiàng)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

7、，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(duì)稱圖形，陣函數(shù)的方向圖是繞陣軸的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱圖形，二元陣列方向圖就是兩個(gè)對(duì)稱圖形的乘積。對(duì)稱軸所在平面上圖形都一樣，垂直于對(duì)稱軸平面上的圖形不是圓來就是點(diǎn)。坐標(biāo)軸對(duì)齊，點(diǎn)點(diǎn)相乘。等幅同相例5-4N元均勻直線陣列振子 2與振子 1在P點(diǎn)的輻射場(chǎng)相位差：陣列函數(shù)：陣函數(shù)最大值：各陣元的輻射場(chǎng)同相位疊加邊射陣（側(cè)射陣） 端射陣（頂射陣） 邊射陣邊射陣：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(duì)天線特性的影響分析地面等對(duì)天線工作特性的影響時(shí)，把地面看成是無限大理想導(dǎo)體平

8、面。遠(yuǎn)離地面架設(shè)的天線接收點(diǎn)處的輻射場(chǎng)，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。P2731.9 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(chǎng)就相當(dāng)于兩個(gè)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(qiáng)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(gè)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(chǎng)表達(dá)式，利用對(duì)偶性原理，可求得磁流元輻射場(chǎng)表達(dá)式。 1.10以時(shí)變電場(chǎng)和時(shí)變磁場(chǎng)為源的基本

9、輻射元由麥克斯韋方程組可知，作為輻射源除了有時(shí)變電流，還有時(shí)變電場(chǎng)和時(shí)變磁場(chǎng)。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(chǎng)分布 基本隙縫與條形振子互補(bǔ)，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(duì)它們的幾何尺寸和電磁量（電流的幅值相位，內(nèi)場(chǎng)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(chǎng)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輻射元方向函數(shù)電場(chǎng)分量、參考方向電流元電流元方向磁流元磁流元方向惠更斯元沿傳播法線基本隙縫沿隙縫方向2.1 電

10、磁波在自然環(huán)境中的傳播地表面波（地波）傳播長(zhǎng)、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(shí)，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(dòng)形成電流，所造成的歐姆損耗就是地表面對(duì)地表面波的吸收衰減。地表面波的頻率越高，地表對(duì)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(duì)電磁波的吸收的物理解釋 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(yáng)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(shí)，電波頻

11、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(shí)，入射角越大，越易反射。 電離層的電子分布規(guī)律對(duì)電離層來說，D層晚間將會(huì)消失。而D層對(duì)電磁波的吸收最為嚴(yán)重，因此晚間天波信號(hào)將會(huì)大大增強(qiáng)，所以晚間接收到的短波電臺(tái)非常多。2.2 直立天線長(zhǎng)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。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

12、天線天波傳播實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的短波專用發(fā)射天線，一個(gè)銳角端接饋線與發(fā)射機(jī)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(gè)如五單元引向天線：除有源振子外還有一個(gè)作為反射器和三個(gè)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，當(dāng)L0.5，螺線的每匝可近似為尺寸極小的圓環(huán)，其輻射主向與螺旋軸線垂直，稱為法向輻射模式。 當(dāng)0.8 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

13、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(gè)振子相互垂直（空間正交），等幅相位差90o饋電（時(shí)間正交），2.8 移動(dòng)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?yàn)槭殖謾C(jī)的天線都是與地面垂直使用的；基站臺(tái)的架設(shè)高度不必如電視中心發(fā)射天線那樣高，因?yàn)榉涓C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(dòng)通信臺(tái)用天線設(shè)計(jì)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(yùn)用電磁場(chǎng)的對(duì)偶原理，分析隙縫的輻