无线通信第二章

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1、无线数据通信,第二章 无线电磁场与天线技术,电磁波 变化的电磁和磁场从产生的区域由近及远地向周围空间传播开去，就形成了电磁波 天线 把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间 收集无线电波并产生电信号 天线的互易定理 一切无线通信设备都离不开天线 无线电视 雷达 制导 广播 手机,2.1 无线电磁场理论,法拉第电磁感应现象 法拉第从1820年开始探索磁场产生电场的可能性，1831年实验发现，当穿过闭合线圈的磁通量发生变化时，闭合导线中有感应电流产生，感应电流方向总是以激发磁通量对抗原磁通量的改变,2.1 无线电磁场理论,法拉第电磁感应实验表明： 变化的磁场可以产生感应电场，该电场与静电场都

2、对电荷有力的作用，所不同的是感应电场沿闭合回路的积分不为零，具有涡旋场的性质，变化的磁场是其旋涡源 （变化）磁场 电场,2.1 无线电磁场理论,麦克斯韦方程组的积分形式,H：磁场强度，B：磁感应强度；E：电场强度；D：电位移矢量,2.1 无线电磁场理论,麦克斯韦方程组的微分形式,H：磁场强度，B：磁感应强度；E：电场强度；D：电位移矢量,2.1 无线电磁场理论,时变电场的激发源除了电荷以外，还有变化的磁场；而时变磁场的激发源除了传导电流以外，还有变化的电场。电场和磁场互为激发源，相互激发 时变电磁场的电场和磁场不再相互独立，而是相互关联，构成一个整体电磁场。电场和磁场分别是电磁场的两个分量 在

3、离开辐射源（如天线）的无源空间中，电荷密度和电流密度矢量为零，电场和磁场仍然可以相互激发，从而在空间形成电磁振荡并传播，这就是电磁波,2.1 无线电磁场理论,在无源空间中，两个旋度方程分别为,可以看到两个方程的右边相差一个负号，而正是这个负号使得电场和磁场构成一个相互激励又相互制约的关系。当磁场减小时，电场的旋涡源为正，电场将增大；而当电场增大时，使磁场增大，磁场增大反过来又使电场减小。,2.1 无线电磁场理论,麦克斯韦方程适用范围：一切宏观电磁现象,2.1 无线电磁场理论,电磁场的边界条件 实际电磁场问题都是在一定的空间和时间范围内发生的，它有起始状态（静态电磁场例外）和边界状态。即使是无界

4、空间中的电磁场问题，该无界空间也可能是由多种不同介质组成的，不同介质的交界面和无穷远界面上电磁场构成了边界条件 所谓边界条件，即电磁场在不同介质的边界面上服从的条件，也可以理解为界面两侧相邻点在无限趋近时所要满足的约束条件。边界条件是完整的表示需要导出界面两侧相邻点电磁场矢量所满足的约束关系,2.1 无线电磁场理论,电磁场的边界条件 由于在分界面两侧介质的特性参数发生突变，场在界面两侧也发生突变。所以Maxwell方程组的微分形式在分界面两侧失去意义（因为微分方程要求场量连续可微）。而积分方程则不要求电磁场量连续，从积分形式的麦克斯韦方程组出发，导出电磁场的边界条件 天线与电磁波传播理论归根到

5、底是求解满足一定边界条件的麦克斯韦方程组,2.2 天线原理,天线的发展 自1886年德国物理学家Hertz在实验室采用一个长度为半波长的偶极子传送一个电火花脉冲，并在附近的谐振圆环内检测，证实了Maxwell方程以来，天线的发展已经历了120多年的时间 在1940以前，天线的发展是在广播、电视和通信技术的推动下发展的，那时候有关长波、中波和短波线形天线的理论大体上已经成熟。一些主要天线形式直到现在还在使用 在第二次世界大战期间，随着电子技术和雷达技术的发展，超短波与微波天线得到了飞速的发展。如喇叭天线、反射面天线、透镜天线、介质棒天线、波导缝隙天线、阵列天线等,2.2 天线原理,天线的发展 第

6、二次世界大战之后，无线电技术的发展更加迅速，微波中继通信、散射通信、广播、电视技术的发展对天线提出了许多新的要求。 上世纪五十年代提出了非频变天线理论，相继出现了对数周期、等角螺旋、阿基米德螺旋等宽带天线 五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现后，人类进入了宇宙空间时代，航空航天技术的发展对天线的研究又提出了许多新的课题，这时要求解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速扫描和精密跟踪等问题,2.2 天线原理,六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这个时期在天线理论方法方面以及各项技术的应用方面都在突飞猛进的发展 天线理论方法方面,几何绕射理论,平面波谱展开法,矩量法,有限元法,时域有限差分法,时域积

7、分方程法,天线近场测量理论,阵列分析与综合理论,这些理论方法为天线的工程设计奠定了坚实的基础，随着计算机技术的发展大都形成了计算机仿真的电子自动化设计软件, HFSS软件, CST软件, IE3D软件, FIDELITY软件, FEKO软件,2.2 天线原理,在天线技术应用方面 卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面天线馈源 雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展 半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带化等一系列要求，出现了有源天线

8、、微带天线和印刷天线、印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等 微带天线和印刷天线由于其具有小型化、低剖面、便于集成，成本低、天线图案千变万化，所以至今仍在发展，其方向包括阵列、极化、宽带、高效率、双频和多频谐振等,2.2 天线原理,相控阵天线 有源天线的发展形成了现在非常先进的有源相控阵雷达天线。二维有源相控阵已装备在最先进的猛禽F22第四代战机上。值得一提的是相控阵天线，因为相控阵雷达技术含量最高，功能最强 到了80年代，由于电子计算机和超大规模集成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及智能化理论和技术

9、的不断发展，使得80年代成为国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国也不例外，到1993年，我国的相控阵雷达不仅在军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经从军用扩展到了民用,按天线上电流分布分类,有行波天线、驻波天线。,按使用波段分类,有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波 天线、微波天线和毫米波天线。,按载体分,有车载天线、机载天线、星载天线，弹载天线等。,按天线外形分类,有鞭状天线、T形天线、V形天线、菱形天线、环天线、螺旋天线、波导口天线、波导缝隙天线、喇叭天线、反射面天线等。,另外，还有八木天线，对数周期天线、阵列天线。阵列天线又有

10、直线阵天线、平面阵天线、附在某些载体表面的共形阵列天线等。,为便于分析和研究天线性能出发，按结构形式可以将天线分为如下几大类：,(1) 线天线(Wire Antennas),(2) 口径天线(Aperture Antennas),(3) 阵列天线(Array Antennas),(4) 透镜天线(Lens Antennas),(5) 反射器天线(Reflector Antennas),(6) 微带天线(Microstrip Antennas),2.2 天线原理,天线的作用：能量转换+定向辐射或接收 将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁

11、能 要了解天线的特性就必然需要了解自由空间中的电磁波及高频传输线的一些相关的知识,2.2 天线原理,天线性能需要一套电气指标来衡量，这些电气指标由天线的特性参数来描述： 天线方向图 阻抗 辐射效率 方向性系数 增益 有效长度 天线系数 极化,2.2.1天线辐射电磁波的基本原理,导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关 如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱 如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强,2.2.1天线辐射电磁波的基本原理,当导线的长度远小于

12、波长时，导线的电流很小，辐射很微弱 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子 两臂长度相等的振子叫做对称振子，每臂长度为四分之一波长；全长与波长相等的振子，称为全波对称振子；将振子折合起来的，称为折合振子,2.2.1天线辐射电磁波的基本原理,天线的方向图 天线方向图是指天线辐射特性与空间坐标之间的函数图形。大多情况下，天线方向图是在远场区确定的，所以又叫做远场方向图 天线辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位和极化。因此，天线方向图又分为： 场强方向图 功率方向图 相位方向图 极化方向图,2.2.1天线辐射电磁波

13、的基本原理,2.2.1天线辐射电磁波的基本原理,天线的方向图 天线方向图一般呈花瓣状，称之为波瓣或波束。其中包含最大辐射方向的波瓣称之为主瓣，其它的称为副瓣或旁瓣，并分为第一副瓣、第二副瓣等，与主瓣方向相反的波束称为后瓣或尾瓣 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为1，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力,2.2.1天线辐射电磁波的基本原理,方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强

14、,2.2.1天线辐射电磁波的基本原理,顶视,侧视,在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈” 压成扁平的,一个单一的对称振子具有“面包圈” 形的方向图,侧视,在这儿增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd,对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”,2.2.2 发射天线的阻抗和辐射效率,输入阻抗 定义：天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比 输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻,2.2.2 发射天线的阻抗和辐射效率,天线的辐射效率（Radi

15、ation Efficiency）表征天线能否有效地转换能量，定义为天线的辐射功率与输入到天线上的功率（输入功率）之比,式中的 表示天线的总损耗功率。通常，发射天线的损耗功率包括：天线导体中的热损耗、介质材料的损耗、天线附近物体的感应损耗等等 要提高天线的效率，必须尽可能的提高天线的辐射电阻，减小天线的损耗电阻,2.2.3 方向性系数和增益,天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力,2.2.3 方向性系数和增益

16、,增益：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比 增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高,2.2.3 方向性系数和增益,当采用全向天线来比，从而得到增益数值时用dBi 当增益是和一个半波对称阵子比较式用dBd,2.2.4 有效长度,天线上的电流分布不均匀，也就是说天线上各部位的辐射能力不一致，为了衡量天线的实际辐射能力，常采用有效长度 定义：保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下，假设天线上的电流分布为均匀时天线的等效长度,2.2.6 接收天线的噪声温度,噪声温度（Ta）： 噪声温度是衡量接收弱信号时的一个重要参数。进入天线的噪声主要来自宇宙的噪声和来自大自然、大气层的热噪声。在C波段，宇宙噪声很小，主要是大地和大气层的热噪声。在Ku波段，这些噪声也随着频率的增加而增大。噪声温度还与天线的仰角、口径、效率、精度、焦距/口径比等因素有关。仰角越小，信号穿过大气层的厚度越大，所以气象噪声