第1章(新)天线理论基础

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1、,第1章 天线与电波基础,1.0 引言 1.1 麦克斯韦方程 1.2 边界条件 1.3 媒质的本构关系 1.4 无线电波的辐射 1.5 均匀平面波 1.6 天线极化,几个重要的人物：,麦克斯韦：1831年6月出生于英国爱丁堡。 1831年，英国法拉第发现电流可以产生磁场。 麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业

2、的基础。,1865年，英国麦克斯韦从理论上预言了电的任何波动可以在远处产生感应即电磁波的存在、并且电磁波能够从产生的地方以光的速度辐射出去，但他本人未能亲自作出实验验证。,赫兹：德国物理学家，生于汉堡。 赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。 1888年1月，赫兹将他的研究成果总结在论动电效应的传播速度一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。 1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。 赫兹对人类文明作出了很大贡献，

3、正当人们对他寄以更大期望时，他却于1894年元旦因血中毒逝世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称“赫”。,马可尼：人类无线电通信的创始人意大利的马可尼（Marconi,G.W., 18741937）与俄国的波波夫（oo,A.C. 18591906）成功地进行了世界上最早的无线电通讯活动，开创了人类通讯的新纪元。 无线电通讯是利用电磁波的辐射和传播、经过空间传送信息的通信方式。 敏感的发明家们已经意识到电磁波可以用于无线电通讯。以意大利的马可尼和俄国的波波夫为代表的科学家、发明家，在前人已掌握的电磁学和电磁波知识的基础上，大胆探索、奋勇实践，开启了电磁波应

4、用的大门并开创了无线电通信这门新技术。 意大利人马可尼1901年向新来临的20世纪奉献上的珍贵礼品是一项科技创新与发明成功地进行了首次无线电通讯，无线电技术的大发展从而成为20世纪的热门事情。1906年，美国物理学家费森登发明无线电广播，使无线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。,场源关系Maxwells equations,1.1 麦克斯韦方程组,2. 微分形式,1. 积分形式,变化的磁场产生涡旋电场, 改写了电场的环路定理:,表明:任何电场中,电场强度沿任意闭合曲线的线积分等于通过以该曲线为边界的任意曲面的磁通量的时间变化率.,时变磁场激发时变电场,电磁感应定律,法拉第电磁感应定律

5、,变化的电场产生磁场, 磁场的环路定理:,表明:任何磁场中,磁感应强度沿任意闭合曲线的线积分等于通过以该曲线为边界的任意曲面的全电流,(全电流定律),传导电流和时变电场均激发时变磁场,安培定律,高斯电场定律：电场通过闭合曲面S的净通量等于S所包围体积V中的总电荷。,微分形式,穿过封闭曲面的电通量等于该封闭曲面包围的自由电荷量,高斯磁场定律：通过闭合曲面S的磁通量横为零。,高斯磁场定律说明磁单极子不存在。,微分形式,穿过封闭曲面的磁通量恒等于0,麦克斯韦方程描述了空间电磁场与场源之间的关系。麦克斯韦的四个方程分别表达了： 变化的磁场是如何产生电场（法拉第电磁感应定律） ； 电流和变化的电场是怎样

6、产生磁场的（麦克斯韦修正的安培环路定律）； 电荷是如何产生电场的（高斯定理）； 验证了磁单极子的不存在（高斯磁场定律）。,而当,这时空间存在变化的电磁场（自由电磁场）,电磁波,表明变化电场与变化磁场相互激发，相互依存的关系！,1.2 边界条件,从一种媒质进入到另一媒质时，电场强度矢量E的切向分量在分界面上是连续的，矢量D的法向分量在分界面上是不连续的,从一种媒质进入到另一媒质时，矢量B的法向分量在分界面上是连续的，矢量H的切向分量在分界面上是不连续的,两种特殊的边界条件：,1）两种理想介质分界面上的边界条件：假设分界面上没有自由电荷和传导电流，则 D 和 B 的法向分量以及 E 和 H的切向分

7、量都是连续的；,2）理想导体表面的边界条件：自由电荷和电流都集中在表面，E 总是垂直于理想导体的表面。,本构关系,场量与场量之间的关系,简单媒质：线性、均匀、各向同性 线性媒质：媒质的参数与场强的大小无关 均匀媒质：媒质的参数与位置无关 各向同性媒质：媒质的参数与场强的方向无关 非色散媒质：媒质参数与频率无关,1.3 媒质的本构关系,（各向同性线性均匀媒质）,1.3 媒质的本构关系,第1章 电磁场理论基础,：介电常数，单位是法拉每米（F/m）,可认为是单位长度的电容。,：磁导率，单位是亨利每米（H/m）,可认为是单位长度的电感。,：电导率，单位是西门子每米（S/m）,可认为是单位长度的电导。,

8、简单媒质的本构关系：,自由空间：,=0 理想媒质 = 理想导体 0 导电媒质 足够大：良导体,均匀理想媒质中的麦克斯韦方程组的微分形式,1.4 无线电波的辐射,物理意义：电场随时间的变动产生磁场，磁场随时间的变动产生电场，能量交夫替变换，形成电磁波。,麦克斯韦方程组说明变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。这种电磁场在空间交替变换，绵延不断向外传播的过程就是电磁波的辐射过程。 产生辐射场的前提条件是要有位移电流。,位移电流,1.4 无线电波的辐射,电磁波发射条件：有能量来源：发射机，溃电线（发射机与天线的连接线），是有线传输线 有效发射的其他条件?,例1：双线传输线,例2：LC振荡回路（存储

9、能量、振荡周期）,怎样有效发射电磁波?,电容储存电能 电感储存磁能,发射电磁波（场分布在全空间）： 减小L，C形成开放电路,LC振荡回路，最后演变成一根直导线，电路变成开放电路。这根直导线就是传说中的线天线，用来向外辐射电磁波。电流在导线上往复流动来回振荡，导线两端（电容器的两个极板）每一端都有正负电荷电荷交替出现，两端电荷的极性相反。当导线的长度0时，称为电基本振子 。,周围形成位移电流,电波传播：主要研究电磁波在介质中传播的过程中，电磁波与传播媒质相互作用及其在有关电子系统工程和环境探测研究中的应用。电波传播研究的基本问题是不同频段的电波通过各种自然环境媒质的传播效应及其在时域、空域、频域

10、的变化规律。电波传播在很大程度上也是一门实验性科学，需要在长期大量的实测积累和应用实践中不断完善和发展。 例：平面电磁波在真空与介质中传播特性比较 相速度、波长、波数、波阻抗等参数,TEM波,平面波：电场强度和磁场强度矢量都在同一个平面内，而且在任何两个不同点处的平面都是相互平行的。,如果平面波等相面上场强的幅度均匀不变，则称为均匀平面波。,一、有关定义,E S = H S = 0,均匀平面波为横电磁波：,1.5 均匀平面波,一个场矢量是均匀场矢量的准则意味着它们必须独立于x和y坐标,对于场矢量的正弦稳态变量,简单形式的解：,其中,参数 指的是衰减常数，单位是奈培每米（Np/m）,参数 指的是

11、相位常数，单位是弧度每米（rad/m）,参数 指的是传播常数,参数 指的是媒质的固有阻抗，单位是欧姆,1.均匀平面波波阻抗：,二、有关参数,均匀平面波波阻抗只与媒质特性有关。,2.自由空间的波阻抗为：,3.相速：,真空中的光速：,5.电磁波在任意一点的复功率密度矢量（坡印廷矢量）S：,正弦振荡电磁波的平均功率密度为:,4.波长：,电磁波的极化 电磁波的极化是指电磁波在传播过程中，在垂直其传播方向的平面上，其电场矢量方向端点的运动轨迹。,1.6 天线的极化,垂直极化,1.6 天线的极化 天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化

12、的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化-是最常用的；水平极化-也是要被用到的。,水平极化,垂直极化,1.6.1 双极化天线 下图示出了另两种单极化的情况：+45 极化 与 -45 极化，它们仅仅在特殊场合下使用。 这样，共有四种单极化了，见下图。 把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者， 把 +45 极化和 -45 极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线-双极化天线。,水平极化,+45 极化,-45 极化,下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。 双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。,V/H（垂直

13、/水平）型 双 极 化,+ 45 / -45 型 双 极 化,1.6.2 极化损失 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收； 水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收； 右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收； 左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。,1.6.2 极化损失 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。 例如：当用+ 45 极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收 +45 极化或 -45极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。 用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失-只能接收到来波的一半能量。,1.6.2 极化损失 当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。 例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，,