长春理工微波与天线期末考点线天线.pptx

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1、6.1 基本振子的辐射n电基本振子:一段载有高频电流的细导线，电流I：振幅均匀分布、相位相同的直线电流元,线天线的基本组成部分,任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。第1页/共96页周周围围空空间间辐辐射射场场第2页/共96页l 近区场准静态场：电场与静电场问题中的电偶极子电场相似,磁场和恒定电流场中的电流元磁场相似;范围小由于场强与1/r的高次方成正比,所以近区场随距离的增大而迅速减小,即离天线较远时,可认为近区场近似为零。感应场或储能场电场与磁场相位相差90,玻印廷矢量为虚数,即,电磁能量在场源和场之间来回振荡,没有能量向外辐射。近区场性质第3页/共96页l 远区场在自由空间中第4

2、页/共96页 远区场为辐射场 在远区,电基本振子的场只有E和H两个分量：空间上相互垂直,时间上同相位 玻印廷矢量S是实数 远区场具有与平面波相同的特性;以球面波的形式向外扩散辐射场的强度与距离成反比,随着距离的增大,辐射场减小。当距离增大时,辐射能量分布到更大的球面面积上;辐射是有方向性：在不同的方向上,辐射强度是不相等的。第5页/共96页|E|=|sin|电基本振子辐射方向图函数：.半功率角：主瓣零点宽度：FNBW=180第6页/共96页波印廷向量：波印廷向量：方向性系数：第7页/共96页n磁基本振子磁基本振子：一个半径为b的细线小环,且小环的周长满足条件：磁偶极矩矢量为第8页/共96页磁基

3、本振子的场远区场与电基本振子相比：有相同的方向函数|sin|,在空间相互正交,相位相差90第9页/共96页图 8-1 细振子的辐射 6.2 对称振子天线1、结构：2、电流分布I(z)=Imsin(h-|z|)第10页/共96页 在距中心点为z处取电流元段dz,则它对远区场的贡献为电流源到场点的距离r与从原点算起的r稍有不同，计算相位时，修正为：r=(r2+z2-2rzcos)1/2r-zcos在幅度计算时：第11页/共96页则细振子天线的辐射场为式中,为对称振子天线的场强方向图函数第12页/共96页图 8 3 对称振子天线的归一化E面方向图 第13页/共96页化简后得对称振子的辐射电阻为:对称

4、振子的辐射功率为第14页/共96页图 8-4 对称振子的辐射电阻与h/的关系曲线第15页/共96页u半波振子的辐射电阻及方向性半波振子的辐射电阻及方向性应用于短波和超短波波段,它既可作为独立天线使用,也可作为天线阵的阵元。在微波波段,还可用作抛物面天线的馈源。半波振子的E面方向图函数面方向图函数为第16页/共96页 Rr=73.1()半波振子的方向函数:D=1.64方向图的主瓣宽度等于方程:0180的两个解之间的夹角 由此可得其主瓣宽度为78。因而,半波振子的方向性比电基本振子的方向性（方向系数1.5,主瓣宽度为90）稍强一些。半波振子的辐射电阻为：第17页/共96页6.3 阵列天线 1.二元

5、阵二元阵天线元的激励电流振幅相等,天线元2的电流相位超前天线元1的角度为,则远区场电场是沿方向为：第18页/共96页将上面两式相加得M点处的场为 由于观察点通常离天线相当远,故可认为自天线元“1”和“2”至点M的两射线平行,所以r2与r1的关系可写成 r2=r1-dsincos同时考虑到第19页/共96页式中:二元阵辐射场的电场强度方向图函数为 式中,|F(,)|称为元因子 称为阵因子。在各天线元为相似元的条件下,天线阵的方向图函数是单元因子与阵因子之积。方向图乘积定理:第20页/共96页 令=0,即得二元阵的E面方向图函数:令=/2，得到二元阵的H面方向图函数:若元因子为半波振子：第21页/

6、共96页例1，画出两个沿x方向排列间距为/2且平行于z轴放置的振子天线在等幅同相激励时的H面方向图。解:由题意知,d=/2,=0,可得到二元阵的H面方向图函数为等幅同相二元阵(边射阵)第22页/共96页等幅反相二元阵(端射阵)例 2画出两个沿x方向排列间距为/2 且平行于z轴放置的振子天线在等幅反相激励时的H面方向图。解：当 d=/2,=时，得到二元阵的H面方向图函数为第23页/共96页例 画出两个平行于z轴放置且沿x方向排列的半波振子,在d=/4、=/2时的H面和E面方向图。解:当d=/4、=/2 时，得到H面方向图函数为第24页/共96页 由图 8-11 可见,在=0 时辐射最大,而在=时

7、辐射为零,方向图的最大辐射方向沿着阵的轴线（这也是端射阵）。将d=/4、=/2代入式（8-2-10），得到E面方向图函数为 显然,E面的阵方向图函数必须考虑单个振子的方向性。图 8-12 示出了利用方向图乘积定理得出的E面方向图。第25页/共96页图 8 11 天线阵的H面方向图第26页/共96页第27页/共96页 2.均匀直线阵均匀直线阵 均匀直线阵是等间距、各阵元电流的幅度相等（等幅分布）而相位依次等量递增或递减的直线阵,如图 8-15 所示。N个天线元沿x轴排成一行,且各阵元间距相等、相邻阵元之间相位差为。因为天线元的类型与排列方式相同,所以天线阵方向图函数依据方向图乘积定理,等于元因子

8、与阵因子的乘积。这里,我们主要讨论阵因子。类似二元阵的分析,可得N元均匀直线阵的辐射场:第28页/共96页图 8 15 均匀直线阵第29页/共96页 在上式中令=/2,得到H平面方向图函数即阵因子方向函数为式中 =kdcos+(8-2-19)式（8-2-18）右边的多项式是一等比级数,其和为 上式就是均匀直线阵的归一化阵因子的一般表示式。图 8-16 是五元阵的归一化阵因子图。第30页/共96页图 8 16 五元阵的归一化阵因子图第31页/共96页6.4 直立振子天线与水平振子天线特点：垂直极化与对称振子场分布一样，但方向性系数是其2倍。最大辐射方向沿地表方向。n直立天线第32页/共96页图

9、8 21 直立天线及其等效分析第33页/共96页方向图函数为：第34页/共96页1、实际上大地为非理想导电体。即实际架设在地面上的单极天线方向图与上述方向图有些差别,主要是因为架设在地面上单极天线辐射的电磁场以地面波方式传播。2、有效高度对于直立天线而言就是有效高度,它是一个衡量单极天线辐射强弱的重要的电指标。当单极天线的高度远小于波长是，有效高度只为实际高度的一半。直立天线缺点第35页/共96页电感加载单极子天线作用：使天线上电流分布均匀，使水平方向获得最强辐射电容加载单极子天线作用：可增加天线有效高度，使实际天线可减少尺寸2、改进型单极子天线第36页/共96页 图 8-23加顶单极天线(a

10、)T形天线；(b)倒L形天线;(c)伞形天线；(d)带辐射叶形、圆盘形、球形天线第37页/共96页3、降低损耗电阻的鞭状天线第38页/共96页n水平振子天线水平振子天线双极天线（形天线）水平振子天线经常应用于短波通信、电视或其它无线电系统中。特点：水平极化，可抗垂直极化干扰（工业干扰）架设与馈电方便，馈线为600欧平行双导线地面电导率的变化对水平振子天线的影响较直立天线小第39页/共96页 其中,是射线与振子轴线即y轴之间的夹角,1)水平振子天线的垂直方向图第40页/共96页第41页/共96页第42页/共96页 (2)水平平面方向图 仰角为不同常数时的水平平面方向函数为第43页/共96页 由图

11、 8-27 可见:架设在理想地面上的水平对称振子不同仰角时的水平平面方向图与架设高度无关,但跟天线仰角有关,并且仰角越大,其方向性越弱。由于高仰角水平平面方向性不明显,因此在短波300 km以内距离的通信时,常把它作全方向性天线使用。应该指出,上述分析仅当天线架设高度H0.2时是正确的。如果不满足上述条件,就必须考虑地面波的影响了。第44页/共96页nT型天线、型天线结构：T和应用：超长波、长波天线的形式T型天线：第45页/共96页型天线，又称倒L型天线 与鞭状天线的差别在于多了一条水平臂。水平臂用于改善垂直部分电流分布，提高辐射效率。与T型天线不同，水平臂将参与辐射，对天线的水平方向图有一定

12、影响。第46页/共96页6.5 引向天线与背射天线 1.引向天线引向天线 尺寸：反射器L1，有源振子L2，引向器L3：八木宇田天线间距d:第47页/共96页第48页/共96页第49页/共96页二元引向天线的辐射场：F1()为有源对称振子的方向函数(元因子)；F2()为二元阵阵因子方向函数。F2()=1+Mej(kd cos+)第50页/共96页第51页/共96页2、背射天线第52页/共96页 3.电视发射天线电视发射天线 1)电视发射天线的特点 频率范围宽。我国电视广播所用的频率范围:112频道（VHF频段）为 48.5223MHz;1368频道（UHF频段）为 470956MHz。覆盖面积大

13、。在以零辐射方向为中心的一定的立体角所对的区域,电视信号变得十分微弱,因此零辐射方向的出现,对电视广播来说是不好的。第53页/共96页 由于工业干扰大多是垂直极化波,因此我国的电视发射信号采用水平极化,即天线及其辐射电场平行于地面。为了扩大服务范围,发射天线必须架在高大建筑物的顶端或专用的电视塔上。这就要求天线必须承受一定的风荷、防雷等。以上这些特点除了要求电视发射天线功率大、频带宽、水平极化,还要求天线在水平面内无方向性,而在铅垂平面有较强的方向性。第54页/共96页 2)旋转场天线 设有两个电流大小相等I1=I2、相位差=90 的直线电流元,在水平面内垂直放置。两电流元的合成场为：E=As

14、in(t+）第55页/共96页旋转场天线方向图是一个“8”字以角频率在水平面内旋转,其效果是在水平面内没有方向性,稳态方向图是个圆。其方向图在水平面内基本上是无方向的,如图 8-37 所示。第56页/共96页 图 8-38正交半波振子阵正交半波振子的水平面方向图特点：铅垂面内的方向性好结构简单 频带比较窄正交半波振子阵第57页/共96页图 8 39 蝙蝠翼天线(a)结构；(b)馈电蝙蝠翼天线特点：宽频带！第58页/共96页6.6 移动通信基站天线 1.移动通信基站天线的特点移动通信基站天线的特点移动通信是指通信双方至少有一方在移动中进行信息传输和交换。也就是说,通信中的用户可以在一定范围内自由

15、活动,因此其通信的运行环境十分复杂,多径效应、衰落现象及传输损耗等都比较严重;而且移动通信的用户由于受使用条件的限制,只能使用结构简单、小型轻便的天线。第59页/共96页移动通信基站天线的要求移动通信基站天线的要求：为尽可能避免地形、地物的遮挡,天线应架设在很高的地方,这就要求天线有足够的机械强度和稳定性;为使用户在移动状态下使用方便,天线应采用垂直极化;根据组网方式的不同,如果是顶点激励,采用扇形天线;如果是中心激励,采用全向天线;为了节省发射机功率,天线增益应尽可能的高;为了提高天线的效率及带宽,天线与馈线应良好地匹配 目前,陆地移动通信使用的频段为150 MHz(VHF)和450 MHz

16、、900 MHz（UHF）、1800 MHz。第60页/共96页2.移动通信基站天线移动通信基站天线 VHF和UHF移动通信基站天线一般是由馈源和角形反射器两部分组成的。馈源一般采用并馈共轴阵列和串馈共轴阵列两种形式;反射器可以采用条形结构,只要导线之间距d小于0.1,它就可以等效为反射板。两块反射板构成120反射器。反射器与馈源组成扇形定向天线,3个扇形定向天线组成全向天线。图 120角形反射器第61页/共96页图 8 41 并馈共轴阵列3、并馈共轴阵列由功分器将输入信号均分,然后用相同长度的馈线将其分别送至各振子天线上。由于各振子天线电流等幅、同相,根据阵列天线的原理,其远区场同相叠加,因

17、而其方向性得到加强。第62页/共96页图 8 42 串馈共轴阵列串馈共轴阵列利用180移相器,使各振子天线上的电流分布相位接近同相,以达到提高方向性的目的。每段同轴线的长度为：第63页/共96页图 8 43 同轴高增益天线特点：具有体积小,增益高,垂直极化,水平面内无方向性。如果加角形反射器后,增益将更高。结构：利用同轴线外导体为辐射振子，同轴线内外导体交叉形成第64页/共96页6.7 螺旋天线螺旋天线的参数有:螺旋直径d=2b;螺距h;圈数N;每圈的长度c;螺距角;轴向长度L。第65页/共96页图 8 45 螺旋天线的辐射特性与螺旋的直径的关系法向模式天线轴向模式天线圆锥形模式天线第66页/

18、共96页 图 8-46法向模螺旋天线的辐射特性分析(a)电基本振子与磁基本振子的组合;(b)E面方向图辐射效率和增益都较低,主要用于超短波手持式通信机。l法向模螺旋天线第67页/共96页 2.轴向模螺旋天线轴向模螺旋天线 当d/0.250.45 时,螺旋天线的一圈的周长接近一个波长,此时天线上的电流呈行波分布,则天线的辐射场呈圆极化,其最大辐射方向沿轴线方向。瞬时电流分布第68页/共96页经过四分之一周期后,轴向辐射场由y方向变为x方向,即场矢量旋转了90,但振幅不变。依次类推,经过一个周期的时间,电场矢量将连续地旋转360,从而形成了圆极化波。第69页/共96页天线上电流分布是行波。通常,行

19、波天线是由导线末端接匹配负载来消除反射波而构成。最简单的有行波单导线天线、V形天线和菱形天线等,它们都具有较好的单向辐射特性、较高的增益及较宽的带宽,因此在短波、超短波波段都获得了广泛的应用。但由于部分能量被负载吸收,所以天线效率不高。6.8 行波天线第70页/共96页图 8-50V形天线(l/=10,=15)第71页/共96页图 8 51 菱形天线及其平面方向图第72页/共96页图 8 49 l=4和8时行波单导线方向图 第73页/共96页6.9 宽 频 带 天 线 在许多场合中,要求天线有很宽的工作频率范围。按工程上的习惯用法,若天线的阻抗、方向图等电特性在一倍频程（fmax/fmin=2

20、）或几倍频程范围内无明显变化,就可称为宽频带天线;若天线能在更大频程范围内（比如fmax/fmin10）工作,而其阻抗、方向图等电特性基本上不变化时,就称为非频变天线。第74页/共96页图 8 52 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线第75页/共96页图 8 53 平面等角螺旋天线第76页/共96页图 8 54 平面对数周期天线平面对数周期天线第77页/共96页图 8 55 对数周期偶极子天线阵对数周期偶极子天线阵第78页/共96页6.10 缝隙天线 如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝,可使电磁波通过缝隙向外空间辐射而形成一种天线,这种天线称为缝隙天线。由于缝隙的尺寸小于

21、波长,且开有缝隙的金属外表面的电流将影响其辐射,因此对缝隙天线的分析一般采用对偶原理。第79页/共96页图 8 57 理想缝隙天线的辐射第80页/共96页理想缝隙天线方向函数为 根据对偶原理,理想缝隙天线的方向函数与同长度的对称振子的方向函数E面和H面相互交换。图 8 58 理想缝隙(2l=/2)辐射方向图第81页/共96页2.波导缝隙天线 实际应用的波导缝隙天线通常是开在传输TE10模的矩形波导壁上的半波谐振缝隙,如果所开缝隙截断波导内壁表面电流（即缝隙不是沿电流线开）,表面电流的一部分绕过缝隙；一部分以位移电流的形式沿原来的方向流过缝隙,因而缝隙被激励,向外空间辐射电磁波。第82页/共96

22、页图 8 60 波导缝隙天线辐射方向图第83页/共96页6.11 微带天线 微带天线自20世纪70年代以来引起了广泛的重视与研究,各种形状的微带天线已在卫星通信、多普勒雷达及其它雷达导弹遥测技术以及生物工程等领域得到了广泛应用。第84页/共96页图 8 62 微带天线的馈电第85页/共96页馈电方式馈电方式：侧面馈电,也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面底馈,同轴线的外导体直接与接地板相接,内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。主要特点主要特点:体积小、重量轻、低剖面,因此容易做到与高速飞行器共形,且电性能多样化（如双频微带天线、圆极化天线等）,尤其是容易和有源器件、微波电路集成为统一组件,

23、因而适合大规模生产。在现代通信中,微带天线广泛地应用于100MHz到50GHz的频率范围。第86页/共96页矩形微带天线开路端电场结构微带天线的辐射原理微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列。第87页/共96页图 8 65 等效辐射缝隙第88页/共96页图 8 67 微带天线方向图3.辐射方向函数第89页/共96页6.12 智能天线 由于无线电频率资源的日益紧张,导致蜂窝系统的容量受到限制,因此把空域处理看作无线容量战中最后的阵地,从而引起对智能天线技术的重视。智能天线在蜂窝系统中的应用研究始于20世纪90年代初,人们希望通过引入智能天线来扩大系统容量,同时克服共信道、多径衰落等无

24、线移动通信技术中急需解决的问题。使用智能天线技术的主要优点有:具有较高的接收灵敏度;使空分多址系统（SDMA）成为可能;消除在上下链路中的干扰;抑制多径衰落效应。下面简要介绍智能天线的工作原理。第90页/共96页图 8 68 自适应天线原理框图第91页/共96页图 8 69 智能天线原理框图第92页/共96页图 8 70 智能天线信道方向图第93页/共96页 智智能能算算法法分为两大类:一类是在时域中进行处理来获得天线最优加权,这些算法起源于自适应数字滤波器,像最小均方算法、递归最小均方误差算法等;另一类是在空间域对频谱进行分析来获得DOA的估计,它是通过使用瞬时空间取样,空间谱估计算法来得到天线的最优权值,如果处理速度足够快,可以跟踪信道的时变,所以空间谱估计算法在快衰落信道上优于时域算法。近来,人们又提出了时空联合算法以提高分辨率。当然,智能算法还在不断的研究探索中,相信在不远的将来会有更好的算法来满足日益增长的移动通信需求。第94页/共96页 提高通信系统的容量和频谱利用效率;增大基站的覆盖面积;提高数据传输速率;降低基站发射功率,节省系统成本,减少了信号干扰与电磁环境污染。可见,智能天线技术对提高未来移动通信系统的性能起着举足轻重的作用,它已成为实现第三代移动通信的关键技术之一。智能天线的作用第95页/共96页感谢您的观看！第96页/共96页