天线与电波传播

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1、 天线与电波传播天线部分：引言天线是一种用来发射或接收电磁波的器件，是任何无线电系统中的基本组成部分。换句话说，发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”波，接收天线则与此相反。于是信息可以在不同地点之间不通过任何连接设备传输,可用来传输信息的电磁波频率构成了电磁波谱.人类最大的自然资源之一就是电磁波谱,而天线在利用这种资源的过程中发挥了重要的作用。第一讲：传输线基础知识在通信系统中,传输线(馈线）是连接发射机与发射天线或接收机与接收天线的器件。为了更好的了解天线的性能及参数，首先简单介绍有关传输线的基础知识。传输线根据频率的使用范围区分有两种类型:1、低频传输线；2、微波传输线。这里重

2、点介绍微波传输线中无耗传输线的基础知识，主要包括反映传输线任一点特性的参量：反射系数、阻抗和驻波比。一、 反射系数这里定义传输线上任一点处的电压反射系数为 （)由上式可以看出，反射系数的模是无耗传输线系统的不变量,即 (）此外,反射系数呈周期性,即 （3)二、 阻抗这里定义传输线上任一点处的阻抗为 （4）经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式 （5）三、 驻波比（VSR）这里定义传输线上任一点处的驻波比为 （6）经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式 （）此外,这里还给出反射系数与阻抗的关系表达式 （8) 这里还简单介绍一下传输线理论所要用到的一些基本参数，例如特性阻抗以及相位常数，具体表达式

3、如下: （9)此外，不同的系统有不同的特性阻抗,为了统一和便于研究，常常提出归一化的概念，即阻抗称为归一化阻抗 （1）第二讲：基本振子的辐射一、 电基本振子的辐射电基本振子（leric hortiple)又称电流元,无穷小振子或赫兹电偶极子，它是指一段理想的高频电流直导线,其长度远小于波长，其半径远小于,同时振子沿线的电流处处等幅同相。在通常情况下,导线的末端电流为零,因此电基本振子难以孤立存在，但根据微积分的思想,实际天线常可以看作是无数个电基本振子的叠加，天线的辐射场等于所有这些电基本振子贡献的总和。因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。 考虑一个位于坐标原点、沿轴方向、

4、长为的电流元，其上载有幅度和相位均匀分布的电流，根据电磁场理论,该电流元产生的矢量磁位(只有分量)为: （1)由图17可以看到,长度与波长相比以及与距离相比都比较小，所以从电流元上任一点到场点的距离（是的函数）非常接近于从坐标原点到场点的距离。将式(1）中的替换为后，被积函数已不含带撇坐标，所以积分退化为乘法，于是 （2)得到矢量磁位后,则磁场强度为 （)经过公式替换及推导可得磁场强度(仅有分量） (4)又根据方程,可以得到电场强度（仅有和分量） (） (6）1、 近区场如果场点非常靠近电基本振子：远小于或远小于,则相对应的解为 （7) (8）2、 远区场如果场点非常靠近电基本振子：远大于1或

5、远大于,则相对应的解为 （9） （10） 电基本振子远区场的表达式有看出如下物理意义：(1) 、均与距离成反比，都含有相位因子，说明辐射场的等相位面为等于常数的球面，所以电基本振子发出的是球面波,传播方向上电磁场的分量为零，故称其为横电磁波，即TEM波。(2) 该球面波的传播速度（相速）（真空光速)，与的比值为常数,称为媒质的波阻抗。对于自由空间来说, (3) 远区场是辐射场，但、与成正比，说明电基本振子的辐射具有方向性，辐射场不是均匀球面波.二、 磁基本振子的辐射磁基本振子(Magnetchrt Dipol）又称磁流元,磁偶极子.尽管它是虚拟的，迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和

6、磁流存在,但是它可以与一些实际波源相对应,例如小环天线或者已经建立起来的电场波源，因此讨论它是有必要的。对于磁基本振子场的求解问题，采用对偶原理法进行求解。设想一段长为的磁流元置于球坐标系原点,根据电磁对偶性原理,只需要进行如下变换： （11） 则磁基本振子远去辐射场的表达式为 (12) （13)第三讲:天线的电参数（） 描述天线工作特性的参数成为天线电参数，又称电指标。它们是衡量天线性能的尺度。我们有必要了解天线电参数,以便正确设计或选择天线。1、方向函数 由电基本振子的分析可知，天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波,但却不是均匀球面波，因此,任何一个天线的辐射场都具有方向性。所谓方向性,就是

7、在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向(）的关系.天线在()方向辐射的电场强度（）的大小可以写成 （1)式中，是与方向无关的常熟；为场强方向函数；则可以得到 （2)为了便于比较不同天线的方向性,常采用归一化方向函数，用表示,即 (3）下面以电基本振子为例具体介绍方向函数的概念。 若天线辐射的电场强度为，把电场强度的模值为写成: (4)因此,场强方向函数可定义为 （5)将电基本振子的辐射场表达式代入上式,则电基本振子的方向函数为 （6）因此电基本振子的归一化方向函数可写为 (7) 为了分析和对比方便,我们定义理想点源是无方向性天线,它在各个方向上、相同距离处的辐射场的大小是相等的,因此，

8、它的归一化方向函数为 （8)2、方向图在距天线等距离（r=常数)的球面上，天线在各点产生的功率通量密度或场强（电场或磁场）随空间方向的变化曲线,称为功率方向图或场强方向图,它们的数学表示式称为功率方向函数或场强方向函数。研究超高频天线，通常采用的两个主平面是E面和面。E面是最大辐射方向和电场矢量所在的平面，面是最大辐射方向和磁场矢量所在的平面。此外，方向图形状还可用方向图参数简单地定量表示。例如：零功率波瓣宽度、半功率波瓣宽度、副瓣电平以及前后辐射比等参数。3、 方向系数为了更明确地从数量上描述天线的方向性，说明天线方向性的定义式：在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大辐射方向上辐射的

9、功率密度和无方向性天线（点源）的辐射功率密度之比称为此天线的方向系数，用符号D表示。 （)由于 (1)故 （11）将式（1）代入式（)，得 （2） 第四讲:天线的电参数(2）4、 输入阻抗天线输入阻抗是指天线馈电点所呈现的阻抗值。显然，它直接决定了和馈电系数之间的匹配状态，从而影响了馈入到天线上的功率以及馈电系统的效率等。 输入阻抗和输入端功率与电压、电流的关系是 （1）式中，一般为复功率，和分别为输入电阻和输入电抗.为实现和馈线间的匹配，需要时可用匹配消去天线的电抗并使电阻等于馈线的特性阻抗.5、天线的效率 天线效率，对发射天线来说,用来衡量天线将高频电流或导波能量转换为无线电波能量的有效程度，是天线的一个重要电参数。天线效率（辐射效率）是天线所辐射的总功率与天线从馈线得到的净功率之比，即 (2）、天线的增益 表征天线辐射能量集束程度和能量转换效率的总效益,成为天线增益。天线在某方向的增益是它在该方向的辐射强度同天线以同一输入功率向空间均匀辐射的辐射强度之比,即 (3)未曾指明时，某天线的增益通常指最大辐射方向增益 （)