第1章天线基础知识优秀PPT.ppt
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1、第1章天线基础知识现在学习的是第1页,共120页本章内容本章内容 1.1 1.1 基本振子的辐射基本振子的辐射 1.2 1.2 发射天线的电参数发射天线的电参数 1.3 1.3 互易定理与接收天线的电参数互易定理与接收天线的电参数 1.4 1.4 对称振子对称振子 1.5 1.5 天线阵的方向性天线阵的方向性 1.6 1.6 对称振子阵的阻抗特性对称振子阵的阻抗特性 1.7 1.7 无限大理想导电反射面对天线电性能的影响无限大理想导电反射面对天线电性能的影响 现在学习的是第2页,共120页电电基基本本振振子子(Electric Short Dipole)是是指指一一段段理理想想的的高高频频电电
2、流流直直导导线线,其其长长度度l远远小小于于波波长长以以及及观观察察距距离离,其其半半径径a远小于远小于l,同时振子沿线的电流,同时振子沿线的电流I处处等幅同相。处处等幅同相。1.1 基本振子的辐射 Ildu电基本振子(电流元)的辐射电基本振子(电流元)的辐射电基本振子是一种简单的天线,可以构成实际的更复杂的天线,任何线天线均可看成是由很多电流元连续分布形成的,很多面天线也可直接根据面上的电流分布求解其辐射特性。因而其辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。现在学习的是第3页,共120页电基本振子的球坐标电基本振子的球坐标 设电流元位于无限大的空间无限大的空间,周围媒质是均匀线性且各向同性均匀
3、线性且各向同性的理想介质的理想介质。a.建立坐标系建立坐标系现在学习的是第4页,共120页利用矢量磁位 A 计算其辐射场。那么该线电流 I 产生的矢量磁位矢量磁位 A 为式中r 为场点,r为源点。由于 ,可以认为上式中 ,又因电流仅具有z 分量,即 ,因此式中rIlzyx,AAzAr-Ab.位函数位函数现在学习的是第5页,共120页再利用关系式 求得在球坐标系原点O沿z轴放置的电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式现在学习的是第6页,共120页c.电基本振子在无限大自由空间中场强电基本振子在无限大自由空间中场强 为为自自由由空空间间相相移常数,移常数,为自由空间波长。为自由空间波长。u式中略
4、去了时间因子e jt现在学习的是第7页,共120页距离远小于波长(r )的区域称为远区。位于近区中的电磁场称为近区场,位于远区中的电磁场称为远区场。物体对于电磁场的影响,其绝对的几何尺寸是无关紧要的。具有重要意义的是物体的尺寸相对于波长的大小,以波长度量的几何尺寸称为物体的波长尺寸。在球坐标中,z 向电流元场强具有 ,及 三个分量,而 。电流元产生的电磁场为电流元产生的电磁场为TMTM 波波。d.场的特点场的特点现在学习的是第8页,共120页1.1.1.1.近区场近区场 kr1即即(r1即(r/(2))的区域称为远区,在此区域内 因此保留场强公式中的最大项。现在学习的是第13页,共120页 由
5、上式可见,远区场场强只有两个相位相同的分量远区场场强只有两个相位相同的分量(E,H)。电基本振子的远区场电基本振子的远区场现在学习的是第14页,共120页电基本振子远区场 远区场的坡印廷矢量平均值为 有能量沿r方向向外辐射,故远区场又称为辐射场辐射场。现在学习的是第15页,共120页(1 1)远区场为向远区场为向 r r 方向传播的电磁波。电场及磁场均与方向传播的电磁波。电场及磁场均与传播方向传播方向 r r 垂直,远区场为垂直,远区场为TEMTEM波波,电场与磁场的关系为,电场与磁场的关系为 。E E和和H H的比值为常数,称为媒质的波阻抗的比值为常数,称为媒质的波阻抗。对于自由空。对于自由
6、空间间远区场的特点远区场的特点现在学习的是第16页,共120页(2)电电场场与与磁磁场场同同相相,复复能能流流密密度度仅仅具具有有实实部部。又又因因单单位位矢矢量量 与与 矢矢积积为为 ,可可见见能能流流密密度度矢矢量量的的方方向向为为传传播播方方向向 r。这这就就表表明明,远远区区中中只只有有不不断断向向外外辐辐射射的的能能量量,所所以以远远区场又称为区场又称为辐射场辐射场。(3)远区场强振幅与距离远区场强振幅与距离 r 一次方成反比,场强随距离增加不断一次方成反比,场强随距离增加不断衰减。这种衰减不是媒质的损耗引起的,而是球面波固有的扩散特衰减。这种衰减不是媒质的损耗引起的,而是球面波固有
7、的扩散特性导致的。因为通过包围电流元球面的功率是一定的,但球面的面性导致的。因为通过包围电流元球面的功率是一定的,但球面的面积与半径成正比,因此能流密度与距离平方成反比,场强振幅与距积与半径成正比,因此能流密度与距离平方成反比,场强振幅与距离一次方成反比。离一次方成反比。(4)远区场强振幅不仅与距离有关,而且与观察点所处的方位远区场强振幅不仅与距离有关,而且与观察点所处的方位也有关,即在相等距离上处于不同方向的辐射场不等,这种特也有关,即在相等距离上处于不同方向的辐射场不等,这种特性称为天线的性称为天线的方向性方向性。场强公式中与方位角。场强公式中与方位角 及及 有关的函数称有关的函数称为为方
8、向性因子方向性因子,以,以 f(,)表示。表示。由于电流元沿由于电流元沿Z 轴放置,具有轴对称特点,场强与方位角轴放置,具有轴对称特点,场强与方位角 无关,方向性因子仅为方位角无关,方向性因子仅为方位角 的函数,即的函数,即 。可。可见,电流元在见,电流元在=0 的轴线方向上辐射为零,在与轴线垂直的的轴线方向上辐射为零,在与轴线垂直的=90方向上辐射最强。方向上辐射最强。(5)电场及磁场的方向与时间无关。可见,电流元的辐射场具有电场及磁场的方向与时间无关。可见,电流元的辐射场具有线线极化极化特性。当然在不同的方向上,场强的极化方向是不同的。特性。当然在不同的方向上,场强的极化方向是不同的。远区
9、场的特点远区场的特点现在学习的是第17页,共120页 除了上述线极化特性外,其余四种特性是一切尺寸有限的天线远区场的共性,即一切有限尺寸的天线,其远区场为TEM波,它是一种辐射场,其场强振幅不仅与距离 r 成反比,同时也与方向有关。现在学习的是第18页,共120页辐射电阻辐射电阻 Rr电偶极子向自由空间辐射的总功率即电偶极子向自由空间辐射的总功率即辐射功率辐射功率Pr 为了衡量天线辐射功率的大小,以辐射电阻Rr表述天线的辐射功率的能力,其定义为 由此可见,电流元长度越长,则电磁辐射能力越强。现在学习的是第19页,共120页 1.1.2 1.1.2 1.1.2 1.1.2 磁基本振子的辐射磁基本
10、振子的辐射磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射 磁基本振子(Magnetic Short Dipole)又称磁流元、磁偶极子。来源:小环天线或者已建立起来的电场波源。现在学习的是第20页,共120页*对偶原理对偶原理 电荷与电流是产生电磁场的惟一源。自然界中至今尚未发现任何磁荷与磁流存在。但是对于某些电磁场问题,可引入假想的磁荷与磁流。认为磁荷与磁流也产生电磁场。那么,描述正弦电磁场的麦克斯韦方程修改如下:式中式中 J m(r)磁流密度;磁流密度;m(r)磁荷密度磁荷密度。磁荷守恒定律磁荷守恒定律:现在学习的是第21页,共120页 如果将上述电场及磁场分为两部分:一部分是由电荷及电流产生的电场 及
11、磁场 ;另一部分是由磁荷及磁流产生的电场 及磁场 ,即 麦克斯韦方程是线性的麦克斯韦方程是线性的电荷和电流产生的电磁场电荷和电流产生的电磁场磁荷和磁流产生的电磁场磁荷和磁流产生的电磁场现在学习的是第22页,共120页比较上述两组方程后,可以获得以下对应关系:这个对应关系称为对偶原理对偶原理或二重性原理二重性原理。对偶原理建立了电荷及电流产生的电磁场和磁荷及磁流产生的电磁场之间存在的对应关系。现在学习的是第23页,共120页 设想一段长为l(l)的磁流元Iml置于球坐标系原点,根据电磁对偶性原理对偶性原理,进行如下变换:现在学习的是第24页,共120页磁基本振子远区辐射场的表达式为电电基基本本振
12、振子子的的辐辐射射场场与与磁磁基基本本振振子子辐辐射射场场的的极极化化方方向向相相互互正正交交,其其它特性完全相同。它特性完全相同。现在学习的是第25页,共120页所谓方方向向性性,就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向(子午角、方位角)的关系。1.2 发射天线的电参数 1.2.1 方向函数方向函数空间方位角空间方位角 现在学习的是第26页,共120页场强f(,)可定义为对电基本振子,方向函数为方向函数为若天线辐射的电场强度为E(r,),把电场强度(绝对值)写成方向函数方向函数现在学习的是第27页,共120页为了便于比较不同天线的方向性,常采用归归一一化化方方向向函数函数,用F(,
13、)表示,即 电基本振子电基本振子的归一化方向函数可写为 F(,)=|sin|理理想想点点源源是无方向性天线,它在各个方向上、相同距离处产生的辐射场的大小是相等的,因此,它的归一化方向函数为 F(,)=1现在学习的是第28页,共120页将方向函数用曲线描绘出来,称之为方向图。方向图方向图就是与天线等距离处,天线辐射场大小在空间中的相对就是与天线等距离处,天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。分布随方向变化的图形。依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图归一化方向图。变化及得出的方向图是立体方向图。立体方向图。1.2.2 方向图方向图现在学习的是第29页,共120页基本振子立体方向图
14、u对于电电基基本本振振子子,由于归一化方向函数F(,)=|sin|,因此其立体方向图如下。点击播放现在学习的是第30页,共120页工程上常常采用两个特定正交平面方向图。在自由空间中,两个最重要的平面方向图是E面和H面方向图。E面面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面;H面面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。现在学习的是第31页,共120页电基本振子E平面方向图 电基本振子H平面方向图E面面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面;H面面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。现在学习的是第32页,共120页功功功功率率率率方方方方向向向向图图图图(Power Patter
15、n)(,):辐射的功率密度(坡印廷矢量模值)与方向之间的关系。它与场强方向图之间的关系为 (,)=F2(,)电基本振子E平面功率方向图也标示在E面方向图上。现在学习的是第33页,共120页天线方向图的一般形状 1.2.3 方向图参数方向图参数(1)零功率点波瓣宽度零功率点波瓣宽度零功率点波瓣宽度零功率点波瓣宽度(Beam Widthbetween FirstNulls,BWFN)20E或20H(下标E、H表示E、H面):指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。(2)半功率点波瓣宽度半功率点波瓣宽度半功率点波瓣宽度半功率点波瓣宽度(HalfPower Beam Width,HPBW)20.5E
16、或20.5H:指主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707倍(或等于最大功率密度的一半)的两辐射方向之间的夹角,又叫3分贝波束宽度。如果天线的方向图只有一个强的主瓣,其它副瓣均较弱,则它的定向辐射性能的强弱就可以从两个主平面内的半功率点波瓣宽度来判断。(3)副瓣电平副瓣电平副瓣电平副瓣电平(Side Lobe Lever,SLL):指副瓣最大值与主瓣最大值之比,一般以分贝表示,即 Sav,max2和Sav,max分别为最大副瓣和主瓣的功率密度最大值;Emax2和Emax分别为最大副瓣和主瓣的场强最大值。副瓣一般指向不需要辐射的区域,因此要求天线的副瓣电平应尽可能地低。(4)前后比前后比前后比前后
17、比:指主瓣最大值与后瓣最大值之比。现在学习的是第34页,共120页在同一距离及相同辐辐射射功功率率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax(或场强|Emax|2的平方)和无方向性天线(点源)的辐射功率密度S0(或场强|E0|2的平方)之比,记为D。用公式表示如下:1.2.4 方向系数方向系数(Directivity)式中Pr、Pr0分别为实际天线和无方向性天线的辐射功率。无方向性天线的方向系数为?现在学习的是第35页,共120页 由定义计算方向系数由定义计算方向系数无方向性天线在r处产生的辐射功率密度为所以由方向系数的定义得 现在学习的是第36页,共120页 以方向函数表示方向系
18、数以方向函数表示方向系数天线的辐射功率可由坡印廷矢量积分法来计算,此时可在天线的远区以r为半径做出包围天线的积分球面:所以现在学习的是第37页,共120页有 主瓣功率最大值,与 无关现在学习的是第38页,共120页 且以方向函数表示的方向系数方向函数表示的方向系数最终计算公式为 现在学习的是第39页,共120页 由波瓣宽度近似表示方向系数由波瓣宽度近似表示方向系数 当副瓣电平较低时(-20dB以下),可根据两个主平面的波瓣宽度来近似估算方向系数,即式中波瓣宽度均用度数表示。现在学习的是第40页,共120页 其它方向上的方向系数其它方向上的方向系数D(,)与天线的最大方向系数max的关系为方向系
19、数也可以用分贝表示为10lgD。现在学习的是第41页,共120页天线效率定义为天线辐射功率Pr与输入功率Pin之比,记为A,即 通常,超短波和微波天线的效率很高,接近于1。考虑到天线输入端的电压反射系数为,则天线的总效率为 =(1-|2)A 1.2.5 天线效率天线效率(Efficiency)现在学习的是第42页,共120页增增增增益益益益系系系系数数数数的定义是:在同一距离及相同输入功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax(或场强|Emax|2的平方)和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度S0(或场强|E0|2的平方)之比,记为G。式中Pin、Pin0分别为实际天线和
20、理想无方向性天线的输入功率。理想无方向性天线本身的增益系数为1。1.2.6 增益系数增益系数现在学习的是第43页,共120页 考虑到效率的定义,在有耗情况下,功率密度为无耗时的A倍,上式可改写为由此可见,增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数,它是方向系数与天线效率的乘积。向特性的参数,它是方向系数与天线效率的乘积。现在学习的是第44页,共120页在实际中,天线的最大增益系数是比方向系数更为重要的电参量。由此 增益系数也可以用分贝表示为10lgG。因为一个增益系数为10、输入功率为1W的天线和一个增益系数为2、输入功率为5W的天线在最大辐射方向
21、上具有同样的效果,所以又将PrD或PinG定义为天线的有效辐射功率。天线的有效辐射功率。现在学习的是第45页,共120页天天线线的的极极化化是是指指该该天天线线在在给给定定方方向向上上远远区区辐辐射射电电场场的空间取向。的空间取向。一般而言,特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向。实际上,天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变,天线不同辐射方向可以有不同的极化。1.2.7 天线的极化天线的极化(Polarization)现在学习的是第46页,共120页辐辐射射场场的的极极化化在空间某一固定位置上电电场场矢矢量量端点随时间运动的轨迹,按其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化线极化
22、动态演示现在学习的是第47页,共120页某一时刻x方向线极化的场强矢量线在空间的分布 线极化动态演示线极化现在学习的是第48页,共120页圆圆极极化化还可以根据其旋转方向分为右旋圆极化和左旋圆极化。符合右手螺旋,则为右旋圆极化右旋圆极化,若符合左手螺旋,则为左旋圆极化左旋圆极化。右旋圆极化左旋圆极化圆极化现在学习的是第49页,共120页某一时刻右旋圆极化右旋圆极化的场强矢量线在空间的分布图(以z轴为传播方向)注意 固定时间的场强矢量线在空间的分布旋向与固定时间的场强矢量线在空间的分布旋向与固定位置的场强矢量线随时间的旋向相反。固定位置的场强矢量线随时间的旋向相反。现在学习的是第50页,共120
23、页某一时刻左旋圆极化左旋圆极化的场强矢量线在空间的分布图(以z轴为传播方向)现在学习的是第51页,共120页椭圆极化椭圆极化的旋向定义与圆极化类似。右旋椭圆极化左旋椭圆极化现在学习的是第52页,共120页天线不能接收与其正交的极化分量天线不能接收与其正交的极化分量。例如,线极化天线不能接收来波中与其极化方向垂直的线极化波;圆极化天线不能接收来波中与其旋向相反的圆极化分量,对椭圆极化来波,其中与接收天线的极化旋向相反的圆极化分量不能被接收。极化失配极化失配意味着功率损失。为衡量这种损失,特定义极化失配因子p(Polarizationmismatch Factor),其值在01之间。现在学习的是第
24、53页,共120页有效长度:在在保保持持实实际际天天线线最最大大辐辐射射方方向向上上的的场场强强值值不不变变的的条条件下,假设天线上的电流分布为均匀分布时天线的等效长度。件下,假设天线上的电流分布为均匀分布时天线的等效长度。通常将归算于输入电流Iin的有效长度记为lein,把归算于波腹电流Im的有效长度记为lem。1.2.8 有效长度有效长度(Effective Length)天线有效长度示意图 现在学习的是第54页,共120页 设实际长度为l的某天线的电流分布为I(z),考虑到各电基本振子辐射场的叠加,此时该天线在最最大大辐辐射射方方向产生的电场向产生的电场为 若以该天线的输入端电流Iin为
25、归算电流,则电流以Iin为均匀分布、长度为lein时天线在最大辐射方向产生的电场可类似于电基本振子的辐射电场,即现在学习的是第55页,共120页引入有效长度以后,考虑到电基本振子的最大场强的计算,可写出线天线辐射场强的一般表达式为式中le与F(,)均用同一电流I归算。令上两式相等,得 由上式可看出,以高度为一边,则实际电流与等效均匀电实际电流与等效均匀电流所包围的面积相等。流所包围的面积相等。现在学习的是第56页,共120页天线与传输线的连接处称为天线的输入端,天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输输输输入入入入阻阻阻阻抗抗抗抗,即天线的输入阻抗Zin为天线的输入端电压与电流之比:天线的输入阻抗
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