天线基础幻灯片.ppt

天线基础课件第1页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/1/4常见的天线形式常见的天线形式第2页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/1/4常见的天线形式常见的天线形式第3页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/1/4常见的天线形式常见的天线形式第4页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/1/4常见的天线形式常见的天线形式第5页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/1/4常见的天线形式常见的天线形式第6页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/1/4常见的天线形式常见的天线形式第7页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/1/48 Dept.PEE Hefei Normal Dept.PEE Hefei Normal UniversityUniversity常见的天线形式常见的天线形式第8页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/1/4常见的天线形式常见的天线形式第9页，共24页，编辑于2022年，星期五 本课程旨在使同学系统的掌握天线的基本理论和基本分析方法，理解典型天线的特性和设计原理；从中培育创新精神和科学作风，提高分析问题和解决问题的能力。天线种类繁多、大小不一，千姿百态。绪绪 论论 天线是无线电通信、广播、导航、雷达、测控、微波遥感、射电天文及电子对抗等各种民用和军用无线电系统必不可少的设备之一。各类天线都基于相同的辐射与接收机理，都是以电磁场理论为基础进行分析与设计。天线是在无线电收发系统中，向空间辐射或从空间接收电磁波的装置。第10页，共24页，编辑于2022年，星期五天线的定义：天线的定义：用来辐射或接收无线电波的装置。用来辐射或接收无线电波的装置。一、天线的功能发射机发射机接收机接收机馈线馈线馈线馈线发射天线发射天线接收天线接收天线无线通信系统框图无线通信系统框图第11页，共24页，编辑于2022年，星期五天线的作用：天线的作用：（1）能能量量转转换换 将将发发射射机机送送来来的的高高频频电电流流能能量量转转变变为为电电磁磁波波并并传传送送到到空空间间，或或将将空空间间传传来来的的电电磁磁波波能能量量转转变变为高频电流并传送到接收机。为高频电流并传送到接收机。（2）方向性方向性 定向发射或接收电磁波。定向发射或接收电磁波。（3）极化特性极化特性 辐射或接收特定极化波。辐射或接收特定极化波。天线是一个阻抗匹配器件；天线是一个阻抗匹配器件；天线是一个照射或聚集器件；天线是一个照射或聚集器件；天线是一个极化器件天线是一个极化器件 ；卫星通信示意图卫星覆盖区图示第12页，共24页，编辑于2022年，星期五天线的原理天线的原理:导导线线上上有有交交变变电电流流流流动动时时，就就可可以以发发生生电电磁磁波波的的辐辐射射，辐辐射射的的能能力力与与导导线线的的长长度度和和形形状状有有关关。若若两两导导线线的的距距离离很很近近，电电场场被被束束缚缚在在两两导导线线之之间间，因因而而辐辐射射很很微微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必必须须指指出出，当当导导线线的的长长度度 L 远远小小于于波波长长 时时，辐辐射射很很微微弱弱；导导线线的的长长度度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。第13页，共24页，编辑于2022年，星期五电场电场电场电场电场电场天天线线（振振子子）电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场 电电磁磁波波是是由由同同相相振振荡荡且且互互相相垂垂直直的的电电场场与与磁磁场场在在空空间间中中以以波波的的形形式式移移动动，其其传传播播方方向向垂垂直直于于电电场场与与磁磁场场构构成成的的平平面面，有有效效的的传传递递能能量和动量。量和动量。第14页，共24页，编辑于2022年，星期五 1887 1887年德国青年学者海因里希年德国青年学者海因里希-赫兹的著名实验证实了电磁波的赫兹的著名实验证实了电磁波的存在。他当时所用的电偶极子谐存在。他当时所用的电偶极子谐振器就是最早的发射天线，因此振器就是最早的发射天线，因此天线发明至今还只有天线发明至今还只有120120多年的历多年的历史。史。二、天线的发展简史第15页，共24页，编辑于2022年，星期五1.线天线时期（线天线时期（19世纪末至世纪末至20世纪世纪30年代初）年代初）19011901年年马马可可尼尼在在加加拿拿大大纽纽芬芬兰兰岛岛收收到到了了横横渡渡大大西西洋洋由由英英国国康康泛泛尔尔半半岛岛发发来来的的“S”S”字字母母信信号号，开开辟辟了了无无线线电电远远距距离离通通信信的的新新时时代代。他他当当时时所所用用的的发发射射天天线线是是从从48m48m高高的的横横挂挂线线上上斜斜拉拉下下5050根根铜铜导导线线来来形形成成一一扇扇形形结结构构，可可以以认认为为是是第一副实用的单极天线第一副实用的单极天线。随随着着2020世世纪纪初初电电子子管管的的发发明明和和发发展展，这这一一时时期期开开头头利利用用长长波波进进行行通通信信，随随后后发发展展到到中中波波通通信信，并并因因电电离离层层的的发发现现，19241924年年前前后后开开始始了了短短波波通通信信和和远程广播。远程广播。这这一一时时期期典典型型的的天天线线形形式式有有：菱菱形形天天线线、鱼鱼骨骨型型天天线线、对对称称振振子子等等，这这些些都都是是线线天天线线。这这一一时时期期也也建建立立了了线线天天线线的的基基本本理理论论，如如提提出出了了对对称称振振子子电电流的积分方程和正弦近似分布，提出了感应电动势、对偶原理等。流的积分方程和正弦近似分布，提出了感应电动势、对偶原理等。第16页，共24页，编辑于2022年，星期五2.面天线时期（面天线时期（20世纪世纪30年代初至年代初至50年代末）年代末）第第二二次次世世界界大大战战前前夕夕，随随着着微微波波速速调调管管和和磁磁控控管管的的发发明明，导导致致了了微微波波雷雷达达的的发发展展。战战时时炮炮瞄瞄雷雷达达广广泛泛采采用用抛抛物物面面天天线线，同同时时也也发发展展了了由由波波导导开开口口延延伸伸的的喇喇叭叭天天线线、在在喇喇叭叭前前加加介介质质的的透透镜镜天天线线等等反反射射面面天天线线。这这些些天天线线都都是是面面天天线线或或称口径天线。称口径天线。此此外外，又又出出现现了了波波导导缝缝隙隙天天线线、介介质质棒棒天天线线、螺螺旋旋天天线线及及蝙蝙蝠蝠翼翼型型天天线线等等。战战后后微微波波中中继继通通信信、广广播播和和射射电电天天文文等等应应用用使使面面天天线线和和线线天天线线技技术术获获得得了了进进一一步步的的提提高高。这这时时期期建建立立了了口口径径天天线线的的基基本本理理论论，如如几几何何光光学学法法、口口径径场场法法和和电电流流分分步步法法等等；发发展展了了天天线线测测试试技技术术，产产生生了了分分析析天天线线公公差差的的统统计计理理论论，开开发发了了天线阵的综合技术。天线阵的综合技术。第17页，共24页，编辑于2022年，星期五3.大发展时期（大发展时期（20世纪世纪50年代末至今）年代末至今）19571957年年人人造造地地球球卫卫星星上上天天标标志志着着人人类类进进入入了了开开发发宇宇宙宙的的新新时时代代，也也对对天天线线提提出出了了多多方方面面的的高高要要求求，如如高高增增益益、精精密密跟跟踪踪、快快速速扫扫描描、宽宽频频带带等等。同同时时，计计算算机机、微微电电子子技技术术和和现现代代材材料料的的进进展展又又为为天天线线理理论论与与技技术术的的发发展展提提供供了了必必要要基基础础。如如美美国国制制成成的的用用于于精精密密跟跟踪踪雷雷达达AN/FPS-16AN/FPS-16的的单单脉脉冲冲天天线线，其跟踪精度比二战时的圆锥扫描体制提高了一个量级，达其跟踪精度比二战时的圆锥扫描体制提高了一个量级，达0.060.06度。度。在在此此期期间间除除单单脉脉冲冲天天线线和和相相控控阵阵天天线线外外，在在天天线线内内部部运运用用信信号号处处理理技技术术的的信信号号处处理理天天线线获获得得了了发发展展。这这一一时时期期理理论论上上的的重重大大进进展展是是，创创立立了了矩矩量量法法、时时域域有有限限差差分分法法和和几几何何绕绕射射理理论论等等分分析析方方法法，并并已已形形成成商商用用软软件件，能能够够较较准准确的预算与优化天线的设计。确的预算与优化天线的设计。当当今今，天天线线技技术术已已具具有有成成熟熟科科学学的的许许多多特特征征，但但它它仍仍然然是是一一个个富富有有活活力力的的技技术术领领域域。主主要要发发展展方方向向是是：多多功功能能化化（一一副副天天线线代代替替多多副副，适适应应电电磁磁兼兼容容要要求求）、智智能能化化（提提高高信信息息处处理理能能力力）、小小型型化化、集集成成化化及及高高性性能能化化（宽频带、高增益、低旁瓣、低交叉极化等）。（宽频带、高增益、低旁瓣、低交叉极化等）。第18页，共24页，编辑于2022年，星期五 在在此此，值值得得提提及及我我国国几几位位老老前前辈辈对天线研究的贡献。对天线研究的贡献。美美国国华华裔裔电电磁磁学学家家朱朱兰兰成成最最早早提提出出了了小小天天线的物理限制；线的物理限制；上上海海大大学学前前终终身身教教授授鲍鲍家家善善发发明明了了用用于测高雷达的扇形波束反射面天线；于测高雷达的扇形波束反射面天线；从从事事中中国国革革命命的的老老前前辈辈李李强强（19491949年年中中国国电电信信总总局局局局长长）于于19351935年年发发表表了了研研究究论论文文“发发信信菱菱形形天天线线”，最最先先给给出出了了这这种种天天线线的的理理论论计计算算公公式式，并并在在19511951年年出出版版了了中中文文发发信信菱菱形形天天线线，他他就就是是我我国出版的第一本中文天线专著。国出版的第一本中文天线专著。第19页，共24页，编辑于2022年，星期五板状天线板状天线帽形天线帽形天线鞭状天线鞭状天线面状天线面状天线按外部形状划分八木天线八木天线三、天线的分类第20页，共24页，编辑于2022年，星期五按极化方向划分第21页，共24页，编辑于2022年，星期五 按用途分：按用途分：通信天线，广播电视天线和雷达天线；通信天线，广播电视天线和雷达天线；按按波波长长分分：长长波波天天线线；中中波波天天线线；短短波波天天线线；超超短短波波天天线线，微微波天线；波天线；按极化类型分：按极化类型分：线极化天线，圆极化天线和椭圆极化天线。线极化天线，圆极化天线和椭圆极化天线。按按天天线线特特性性分分：按按方方向向特特性性分分，有有定定向向天天线线、全全向向天天线线、强强方方向向性性天天线线和和弱弱方方向向性性天天线线；按按极极化化特特性性分分，有有线线极极化化(垂垂直直极极化化和和水水平平极极化化)天天线线和和圆圆极极化化天天线线；按按频频带带特特性性分分，有有窄窄频频带带天天线线、宽宽频带天线和超宽频带天线。频带天线和超宽频带天线。按馈电方式分：按馈电方式分：有对称天线和非对称天线。有对称天线和非对称天线。按天线上的电流分按天线上的电流分:有行波天线和驻波天线。有行波天线和驻波天线。第22页，共24页，编辑于2022年，星期五 线线天天线线：基本辐射源为电流元，最基本形式是对称振子和由对称振子组成的天线阵、环形天线及螺旋天线；缝缝天天线线：基本辐射源为缝隙上的磁流元，最常见的形式是波导缝隙天线阵、微带贴片天线、及微带天线阵等；面面天天线线（口径天线）：基本辐射源为口径面上的惠更斯元，最典型的是喇叭天线、抛物反射面天线和透镜天线；按按天天线线外外形形分分:有有V V形形天天线线、菱菱形形天天线线、环环行行天天线线、螺螺旋旋天天线线、喇喇叭叭天天线线和和反射面天线等。反射面天线等。按结构形式分：按结构形式分：线天线，缝天线，面天线。线天线，缝天线，面天线。第23页，共24页，编辑于2022年，星期五四、教材及参考书教 材：电磁波工程基础参考书：1.钟顺时.天线理论与技术.电子工业出版社 2.刘克成.天线原理与设计.长沙：国防科技大学出版社 3.谢处方.近代天线理论.成都：成都电讯工程学院出版社 五、成绩评定到课率：超过4次点名不到成绩定为不及格。作 业：超过4次不交作业成绩定为不及格。成绩构成：作业+测验第24页，共24页，编辑于2022年，星期五