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1、天线与电波传播绪论,课程简介,天线与电波传播,微波技术基础,电磁场理论,无线电系统,天线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能。,无线电设备,各种无线电系统,一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、雷达、导航等系统)都是利用无线电波来进行工作的，而从几KHz的超长波到四十多GHz的毫米波段电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。 在我们的日常生活中天线已随处可见。 例如，收听无线电广播的收音机，电视机，手机、汽车、舰船、飞机上等。 收音机、电视机使用的天线一般是接收天线，广播电视台的天线则为发射天线。而手机天线则收发共用，但须经过移
2、动通信基站天线转收和转发。,天线发展简史,一、1886, 赫兹（Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894） 1839年法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）发现、1873年麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831-1879)完成的电磁理论，在1886年由海因里希鲁道夫赫兹建立了第一个无线电系统，首次在实验室证实。,赫兹实验的无线电系统,Hertz ，KIT的教授 无线电之父,天线发展简史,二、1901, 马可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937，1909 年诺贝尔物理学奖） 1901年马可尼成功实现横穿
3、大西洋（英国加拿大）的无线电通信。位于英国（Poldhu, England）的发射天线由50根斜拉导线组成，用悬于60米高的木塔间的钢索支撑。位于加拿大（Newfoundland, Canada）的接收天线是200米长的导线，由风筝牵引。,7,马可尼，意大利人，当时年仅20岁。,天线发展简史,三、1980, 超大阵列（VLA）抛物面天线（Very Large Array Steerable Parabolic Dish Antennas） 位于美国新墨西哥州（Socorro, New Mexico）的超大阵列天线由27面直径为25米的抛物面按Y型方式排列组成，是世界第一个射电天文望远镜。其分辨
4、率相当于36千米跨度的天线，而灵敏度相当于直径为130米的碟型天线。,天线发展简史,五、2000, 移动/手持天线（Mobile/Hand - held Antenna） 工作于800MHz的手持蜂窝电话天线随处可见。 从马可尼时代直到20世纪40年代，天线主要是以导线为辐射单元，工作频率也提高到UHF。 进入二战期间，随着1GHz以上微波源（如调速管、磁控管）的发明，天线开始了一个新的纪元。波导口径天线、喇叭天线和反射面天线等如雨后春笋般出现。,9,天线发展简史,数值方法，如矩量法（Method of Moment, MoM）、有限差分法（Finite-Difference Method,
5、FDM）、有限元法（Finite-Element Method, FEM）、几何绕射理论（Geometrical Theory of Diffraction, GTD）和物理绕射理论（Physical Theory of Diffraction, PTD）等的引入大大推进了天线技术的发展，促进了天线分析和设计技术的逐渐成熟。现在天线的设计不再是修修补补（cut and try）的方法，已经跨入了一个整体系统级的设计阶段。 天线正朝小型化、宽频带、多频段和高频率等方向发展。,10,电磁频谱与无线电频段,12,天线概念,天线是无线系统的重要部件，它是现代信息社会的电子眼、电子耳。 定义 用来辐射或
6、接收无线电波的装置，导行波与自由空间波互相转换区域的结构，转换器件或换能器 能量转换。 电路的观点 从传输线看向天线这一段等效于一个电阻 ，是从空间耦合到天线终端的电阻，与天线结构自身的任何电阻无关。,天线与电波传播第一章 电磁场方程及其解,1.1 辅助函数法,Maxwell方程,Maxwell方程,磁矢量位函数,1.1 辅助函数法,1.1 辅助函数法,洛伦兹条件：,因此，知道,1.1 辅助函数法,体电流,面电流,线电流,远场辐射，忽略高阶项,1.1 辅助函数法,在远场区,天线辐射问题分析过程,1.2 电基本振子,什么是电基本振子？,一段通有高频电流的直导线，当导线长度远远小于波长时，该导线被
7、称为电基本振子。,当： , 可近似地认为导线上每一点的电流都是等幅同相的。,电基本振子天线结构,电场方向,1.2 电基本振子,常数,磁矢位：,其中：,1.2 电基本振子,磁场：,对于磁场：,1.2 电基本振子,电场：,对于电场：,近区场：当 时称为近区，电磁场主要由 的,高次幂项决定，故可略去 的低次幂项，得,1.2 电基本振子,近区场辐射功率密度：,1.2 电基本振子,近区场的性质：由于电场和磁场相差90度，故坡印廷矢量的平均值等于零，这说明无电磁场能量辐射，称为感应场。,远区场：当 时称为远场区，电磁场主要由 的低次幂项决定，故可略去 的高次幂项，得,波阻抗：,固有阻抗：,1.2 电基本振
8、子,远区场的性质： （1）电场与磁场在空间相互垂直，它们均与r 成反比。因等相位面为球面，故为球面电磁波。 （2）因在传播方向上电磁场的分量为零，故为横电磁波，记为TEM波。 （3）电场与磁场的比值等于 ，称为波阻抗； （4）由于电场和磁场相位相同，且均与 成正比，故电基本振子在远区为辐射场，且具有方向性。,1.2 电基本振子,电基本振子的场辐射,1.3 磁基本振子,麦克斯韦电磁理论获得了巨大的成功。电和磁的对称性问题，至今尚未解决。 电的基本单元是电荷。正负电荷可以分开，自由电荷能单独存在，因而我们可以引进电荷密度和电流密度的概念。 磁的基本单元是磁偶极矩，它可以看作是正负磁荷的组合。然而，
9、正负磁荷却不能分开，自由磁荷不能单独存在。所以，在电磁理论中我们不能引入磁荷密度和磁流密度等概念。,1.3 磁基本振子,1931年，英国的著名物理学家狄拉克（1933年诺贝尔物理学奖获得者）首先从理论上讨论了磁单极子存在的问题。1975年，加利福尼亚和休斯顿大学的一个小组宣称，他们从高空气球的实验中发现了磁单极子，曾哄动了当时的物理学界。但后来发现，如果正确考虑实验中的系统误差，从他们的实验结果中并不能得出这个结论。1982年3月，美国斯坦福大学的卡布莱拉又宣称，他利用一个在9K温度下的铌超导线圈捕捉到一个磁单极子。不过至今许多类似的实验始终未能发现同样的事例。,1.3 磁基本振子,【对偶定理
10、】 尽管自由磁荷存在与否现在依然没有定论，但这并不妨碍在数学上引入假想磁荷 和假想磁流 ，其目的是使Maxwell方程在形式上对称。,1.3 磁基本振子,1.3 磁基本振子,什么是磁基本振子？,一段通有高频磁流的直导线，当导线长度远远小于波长时，该导线被称为磁基本振子。,当： , 可近似地认为导线上每一点的磁流都是等幅同相的。,根据对偶定理可写出磁基本振子的辐射场,1.3 磁基本振子,已知电基本振子的辐射场,对偶定理,可得磁基本振子的辐射场,远区辐射场,1.3 磁基本振子,磁基本振子电磁场的性质： 1）电场与磁场在空间相互垂直，均与r 成反比； 2）电场与磁场在时间上相差180度，平均坡印廷矢
11、量为实数，且沿r 方向，为横电磁波； 3）电场与磁场的比值等于 ； 4） 具有方向性，在 度方向上有最大辐射。,1.3 磁基本振子,【小电流环的电磁场】设有小电流环位于xoy平面坐标原点，其周长l 远小于波长，环上电流等幅同相，其磁偶极矩为 ，磁偶极矩方向与环电流成右手关系。,1.3 磁基本振子,小电流环辐射电磁场的性质： 电场与磁场在空间相互垂直，均与r 成反比； 电场与磁场在时间上相差180度，平均坡印廷矢量为实数，且沿r 方向，为横电磁波； 电场与磁场的比值等于 ； 具有方向性，在 度方向有最大辐射； 场与环的面积成正比，与环的形状无关。,天线与电波传播第二章 天线的基本电参数,2.1
12、引言,【目的】描述天线的电性能，定义天线的各种电参数。 【电参数】 辐射方向图； 波束范围； 波束效率； 方向性系数； 增益； 辐射电阻； 天线阻抗； 极化等 【标准】 IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas （IEEE Std 145-1983）,2.2 辐射方向图,【定义】天线的辐射特性是关于空间坐标的函数，若在固定距离上，此函数通过数学函数或者图形来描述，则得到的数学函数或者图形即为辐射方向图，简称方向图。 【注意】 （1）方向图一般描述天线远场区的辐射特性。 （2）辐射特性有功率通量密度（Power flux density）、辐
13、射强度（Radiation intensity）、场强（Fields strength）、相位（Phase）、极化（Polarization）等。 （3）空间坐标有三维坐标系或者二维坐标系。 辐射特性和空间坐标任何组合，即可得到不同的辐射方向图。,2.2 辐射方向图,球坐标系（三维坐标系）,2.2 辐射方向图,（4）固定距离，即坐标原点到观察点的距离保持不变。而且结合（1）的远场条件， ，因此一般功率方向图和场强方向图与距离 无关，而相位方向图与距离 有关。 （5）三维方向图是一系列二维方向图的组合。通过几组二维方向图，即可得到所需要的天线辐射性能的信息。工程上用两个相互垂直的主平面内的方向图
14、表示。 （6）归一化方向图，某天线的方向图为 ，则归一化方向图为 。,2.2.1 辐射方向图波瓣,包含最大辐射方向的波瓣叫主瓣，其余叫副瓣，与主瓣相反方向上的副瓣叫后瓣。,2.2.2 场强方向图和功率方向图,方向图函数定义：天线位于坐标原点，在距天线等距离的球面上，天线在各点产生的功率通量密度或场强随空间方向 的变化曲线。,42,一般天线的远区辐射电磁场表示为如下形式, 场强方向图函数,2.2.2 场强方向图和功率方向图,43, 归一化场强方向图函数,其中 天线最大辐射方向， 天线方向图函数最大值。,由方向图函数 和归一化方向图函数 表示的方向图统称为天线的辐射场强方向图。,2.2.2 场强方
15、向图和功率方向图,归一化功率方向图 归一化功率方向图与归一化场强方向图关系,44,功率通量密度（坡印廷矢量的幅值）,功率通量密度的最大值,通常方向图用分贝（dB）表示，则,2.2.3 E-面H-面辐射方向图,以E平面和H平面为主平面的二维方向图叫做E-面和H-面方向图。 E-平面：通过最大辐射方向与电场矢量方向构成的平面。 H-平面：通过最大辐射方向与磁场矢量方向构成的平面。,E面,H面,对阵振子方向图,2.2.4 波瓣宽度,【半功率波瓣宽度或者3dB波束宽度】主瓣最大值两边场强等于最大场强的0.707倍（最大功率密度的0.5倍）的两辐射方向之间的夹角，表示为 【零功率波瓣宽度】主瓣最大值两边
16、两个零辐射方向之间的夹角，表示为,HPBW (Half Power Beam Width),FNBW (First Null Beam Width),2.2.5 辐射场区,电抗性近场区： ，天线与大部分能量的场相互作用。 辐射进场（Fresnel）区： ，场方向图随着 变化，而且在传播方向上有场分量。 远场（Fraunhofer）区： ，场方向图基本没有变化，传播平面波。,2.2.6 立体角,在球坐标系中，球面上的微分面积 是 方向的弧 和沿 方向的弧长 的乘积。 表示立体角，即 所张开的立体角。表示为立体弧度（sr）或者平方度（ ） 球面的面积为 因此球面所张开的立体 角为 sr 立体弧度与平方度的 关系,2.3 辐射功率密度及辐射强度,【辐射功率密度】即为时间平均坡印廷矢量 辐射功率可表示为 对于理想点源，功率密度为 其辐射的功率为,2.3 辐射功率密度及辐射
