微波技术课件第五章节课件

《微波技术课件第五章节课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微波技术课件第五章节课件（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第5章 电磁辐射理论基础,5.1 概述 5.2 基本辐射单元 5.3 发射天线的主要参数 5.4 接收天线,5.1 概述,1. 天线的定义 天线的基本功能是辐射和接收无线电波 发射时，把高频电流转换为电磁波； 接收时，把电滋波转换为高频电流。 不同的无线电设备对天线的要求不同。,图5-1-1 无线电设备的信道方框图,5.1 概述,2. 天线的分类 按频率不同分长波、中波、短波、超短波和微波天线。 按用途不同分发射和接收天线。 按场合不同分通讯、广播、雷达、导航天线。 按性能不同分窄带、宽带和超宽带天线，全向和定向天线（低副瓣、超低副瓣和极低副瓣天线），以及移动和固定天线。 按结构不同分线天线和

2、面天线。 按发展阶段分传统天线和现代天线（自适应天线、智能天线和软件天线）。,5.2 基本辐射单元,5.2.1 基本电振子的辐射 1. 基本电振子的电磁场,5.2.1 基本电振子的辐射,2. 近区和远区电磁场及其特点 （1）近区（ 的区域） 近区磁场的瞬时分布与恒定电流元所激发的恒定磁场相似，近区电场的瞬时分布与电偶极子的静电场相似； 近区电磁场能量不能脱离波源辐射出去，称为束缚场或感应场。这一束缚场随着距离的增加衰减得很快。,5.2.1 基本电振子的辐射,2. 近区和远区电磁场及其特点 （2）远区（ 的区域） 远区场只有 和 两个分量。 远区场为辐射场。 远区场场强随 的一次方下降。 辐射场

3、具有方向性。,图5-2-1 基本电振子辐射场的方向图,5.2.1 基本电振子的辐射,3. 研究基本电振子的意义 基本电振子也称为电偶极子，任何线天线都可看成由大量首尾相连的电偶极子所组成。 如果已知电偶极子的电磁场，则任何具有确定电流分布的线天线的电磁场即可计算。,图5-2-2 线天线由基本电振子组成示意图,5.2.2 基本磁振子的辐射,1. 对偶原理 引入自由磁荷 和传导磁流 麦克斯韦方程 连续性方程 边界条件,5.2.2 基本磁振子的辐射,1. 对偶原理 电荷、电流产生的场与磁荷、磁流产生的场之间具有对偶关系。 对偶量 对偶原理：利用对偶关系写出对偶量的场分布。,5.2.2 基本磁振子的辐

4、射,2. 基本磁振子的物理模型 （1）用表面的切向磁场表示基本电振子的电流和辐射场。 电流 辐射场,图5-2-3 基本电振子与基本磁振子的对比 a) 基本电振子 b) 基本磁振子,5.2.2 基本磁振子的辐射,（ 2）用表面的切向电场表示基本磁振子的磁流和辐射场。 电流 辐射场 3. 基本磁振子的实际模型 可将载流小圆环看成一长为l、磁流 的基本磁振子。,5.2.3 基本缝隙的辐射,1. 概念 基本缝隙：指一无限大理想导体平面上所开的窄缝，缝长 ，缝宽 ，其上分布有均匀的切向电场 。 基本缝隙是一种基本磁振子，其电力线终止于缝隙的边缘。,图5-2-4 基本缝隙及其坐标系 a）基本缝隙 b）坐标

5、系,5.2.3 基本缝隙的辐射,2. 巴俾涅(Babinet)原理 巴俾涅原理指出，满足互补条件的问题是一对偶问题。 对基本缝隙而言，其互补问题是互补电振子。条件是互补电振子的形状和尺寸与基本缝隙相同，将它填入基本缝隙中即得一完整的理想导体平面。,图5-2-5 基本缝隙及其互补电振子 a) 基本缝隙 b) 互补电振子,5.2.3 基本缝隙的辐射,3. 互补电振子的辐射场 互补电振子上的电流 互补电振子的辐射场,5.2.3 基本缝隙的辐射,4. 基本缝隙的辐射场 基本缝隙的对应关系式 基本缝隙的辐射场,5.2.4 惠更斯面元的辐射,1. 概念 根据惠更斯原理，实际天线的辐射场可以由包围天线的某个

6、封闭面上的场来计算 。 包围天线的封闭面上足够小的面元称为惠更斯面元。 面元足够小指可将它看成平面且其中的场是均匀的。,5.2.4 惠更斯面元的辐射,2. 惠更斯面元的等效 惠更斯面元的切向磁场可以等效成一个沿负y轴放置的基本电振子 惠更斯面元的切向电场可以等效成一个沿x轴放置的基本磁振子 惠更斯面元可以等效成两个互相垂直的电流元和磁流元的组合。,图5-2-6 惠更斯面元及其坐标系,5.2.4 惠更斯面元的辐射,3. 惠更斯面元的辐射场 在 的平面( 平面，又称H面) 在 的平面( 平面，又称E面),5.2.4 惠更斯面元的辐射,3. 惠更斯面元的辐射场 （1）惠更斯面元在两个主平面上各只有一

7、个分量。 （2）在惠更斯面元的法向（ ），辐射场与面元上的场同方向。 （3）惠更斯面元的辐射场具有方向性。,图5-2-7 惠更斯面元 的平面方向图,5.3 发射天线的主要参数,5.3.1 天线的输入阻抗 将整个天线等效成接在馈线终端的一个集中参数阻抗，称为天线的输入阻抗。 定义 为输入电阻，表示天线消耗的发射功率。 为输入电抗，表示天线近场的贮存功率。,5.3.2 方向性图,1. 概念 （1）方向性函数 在距天线 的球面上，天线辐射场强 是坐标 和的函数，称为方向性函数，用 表示。 归一化方向性函数 （2）方向性图 如果天线在各方向辐射的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则连接全部矢量端点所形

8、成的包络就是天线的方向性图。,5.3.2 方向性图,2. 方向性图的类型 （1）立体方向图和平面方向图。 （2）场强方向图和功率方向图。 （3）非归一化方向图和归一化方向图。 （4） 极坐标方向图和直角坐标方向图。,图5-3-1 立体方向图,5.3.2 方向性图,以基本电振子为例,图5-3-2 基本电振子E面方向图 a) 极坐标 b) 直角坐标,图5-3-3 基本电振子H面方向图 a)极坐标 b)直角坐标,5.3.2 方向性图,3. 关于天线方向图的几个术语 （1）主瓣、尾瓣和副瓣 天线方向图一般由若干个波瓣组成。 最大的波瓣称为主瓣，与主瓣反方向的称为尾瓣，其余的波瓣称为副瓣（或旁瓣、边瓣）

9、 。,图5-3-4 天线方向图的主瓣、尾瓣和副瓣,5.3.2 方向性图,（2）主瓣宽度 用来描述天线辐射功率的集中程度。 半功率宽度：主瓣中辐射功率密度为最大值一半时两个矢径间的夹角。 零值主瓣宽度：主瓣两侧辐射功率密度(或场强)为零时两个矢径间的夹角。,图5-3-4 天线方向图的主瓣、尾瓣和副瓣,5.3.2 方向性图,（3）副瓣电平(SLL) 用来描述副瓣相对于主瓣的强弱程度。 副瓣峰值电平，定义为副瓣最大值与主瓣最大值之比，单位为dB。,5.3.3 方向性系数、效率和增益,1. 理想点源 理想点源向四周均匀地辐射，也称为无方向性天线或各向同性天线 2. 方向性系数 1）定义,图5-3-5

10、方向性系数的说明,5.3.3 方向性系数、效率和增益,2）用方向性函数计算方向性系数,5.3.3 方向性系数、效率和增益,3. 效率 定义 以天线输入端的电流 为基准引入辐射电阻 和损耗电阻,5.3.3 方向性系数、效率和增益,4. 增益 定义 增益和方向性系数的定义的区别 比较的前提不同。 参考天线不同。 增益与方向性系数、效率的关系,5.3.4 工作频带宽度,天线的电参数一般都与工作频率有关，保证电参数指标容许的频率变化范围，即天线的工作频带宽。 天线的带宽都是就某个参数而言的，不同的天线参数，如输入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、增益、极化等往往有不同的带宽。通常，取其中较窄的

11、一个作为整个天线的带宽。 对于宽频带天线，带宽可用工作频率的上、下限之比表示；对于窄带天线，带宽用上、下限频率差与频带中心频率的百分比表示。,5.4 接收天线,5.4.1 天线接收电磁波的物理过程,对入射面而言，来波的电场一般可分解为两个分量：（垂直分量 ）和（平行分量 ），其中，只有与振子平行的分量 才能在振子表面激励起电流。 在 的作用下线元 的表面将感应一反向电场 ，线元 上的感应电动势为 电动势在负载上产生电流 ，是 的函数，即接收天线也具有方向性。,分析接收天线的感应电动势法,5.4.2 天线方向性的互易原理,1. 天线信道的等效二口网络 （1）天线1发射，天线2接收 （2）天线2发

12、射，天线1接收,图5-4-2 收、发天线的互易原理 a) 天线1是发射天线 b) 天线2是发射天线,5.4.2 天线方向性的互易原理,2. 天线方向性的互易原理 图5-4-2所示为一互易二口网络 对于任何接收天线，它供给负载的电流 与该天线用作发射时的方向性函数 成正比。 接收天线的方向性与该天线用作发射天线时的方向性完全相同，这称为天线方向性的互易原理。 根据互易原理法，天线的其它参数，如方向性系数、增益、效率等在天线用作发射和接收时都相同。,5.4.3 接收天线的等效电路和最大输出功率,1. 接收天线的等效电路 内阻 就是天线作发射天线时的输入阻抗 。 为负载阻抗。 等效电动势为,图5-4-3 接收天线的等效电路,5.4.3 接收天线的等效电路和最大输出功率,2. 天线最大输出功率 电源内阻与负载共轭匹配时电源输出最大功率 接收天线的共轭匹配条件是 ，,5.4.4 接收天线的有效接收面积,接收天线的有效接收面积表示其接收电磁波的能力。 定义：假定有一天线平面，它垂直于来波方向并且将截获的来波能量全部转变为输出功率送到接收机，则该天线平面的面积称为天线的有效接收面积或天线孔径。 基本电振子的有效接收面积,