天线基础知识1.pptx

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1、本课主要内容本课主要内容电波传播的基础知识地面波传播天波传播视距传播地面移动通信中接收场强的预测天线基础知识常用天线第1页/共57页课程要求课程要求2.2.掌握电波传播的基本概念；掌握电波传播的基本概念；3.3.掌握电波传播的基本特点和规律；掌握电波传播的基本特点和规律；4.4.了解地面移动通信接收场强的预测方法。了解地面移动通信接收场强的预测方法。1.1.了解天线的基本特性和电参数；了解天线的基本特性和电参数；第2页/共57页2.2.天线与电波传播天线与电波传播李李 莉莉 科学出版社科学出版社 2009 2009 天线与电波传播宋铮、张建华、黄冶 西安电子科技大学出版社 20032003教材

2、：教材：参考书：参考书：1.1.天线与电波周朝栋，王元坤，杨恩耀 西安电子科技大学出版社 19941994第3页/共57页哪些地方需要天线？哪些地方需要天线？第4页/共57页中波广播天线第5页/共57页移动通信基站天线小灵通基站天线第6页/共57页手机天线第7页/共57页卫星通信天线第8页/共57页云南天文台天线第9页/共57页双频通信天线第10页/共57页舰载通信、雷达天线第11页/共57页第12页/共57页雷达天线第13页/共57页本次课主要内容本次课主要内容2.电基本振子的辐射1.绪论(2)(2)天线的定义、作用天线的定义、作用(1)(1)天线在无线电通信系统中的地位天线在无线电通信系统

3、中的地位(1)(1)电基本振子辐射场表达式电基本振子辐射场表达式(2)(2)电基本振子的辐射特性（电基本振子的辐射特性（重点重点）第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第14页/共57页1.1.天线在无线电通信系统中的地位天线在无线电通信系统中的地位 2.2.天线的作用天线的作用（）将空间电磁波信号转换成高频电流能量送给接收机。（）将发射机输出的高频电流能量转换成电磁波辐射出去。天线是任何无线电通信系统都离不开的重要前端器件。绪绪 论论第15页/共57页 天线在外加高频激励源的作用下，在其天线在外加高频激励源的作用下，在其周围激发起交变电场和磁场，这种交变的磁周围激发起交变电场和磁场，这种交

4、变的磁场和电场周而复始地相互作用、相互转化，场和电场周而复始地相互作用、相互转化，形成电磁波，并以一定的速度向周围空间传形成电磁波，并以一定的速度向周围空间传播出去。播出去。4.4.天线辐射过程天线辐射过程3.3.天线的定义天线的定义天线是用来辐射或接收无线电波的装置。天线是用来辐射或接收无线电波的装置。绪绪 论论第16页/共57页电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场（3）天线的几何尺寸：要有一定的电长度（2）天线的几何形状：必须是开放系统（1）天线激励源频率：要有合适的激励频率5.5.天线有效辐射的条件天线有效辐射的条件绪绪 论论第17页/共57页按用途：通信、广播电视、雷达、导航天线按用途

5、：通信、广播电视、雷达、导航天线6.6.天线的分类天线的分类按天线特色：超宽带天线、非频变天线、自适应天线、智能天线等。按极化方式：线极化、圆极化、椭圆极化天线按状态：发射天线、接收天线、收发共用天线按波长：中波、短波、超短波、微波天线绪绪 论论第18页/共57页通常按天线原理分为两大类：通常按天线原理分为两大类：(1)(1)精确解法：求解麦克斯韦方程组面天线：用于微波线天线：用于长波、短波、超短波7.7.天线研究方法天线研究方法(3)(3)数值解法：矩量法、有限元法(2)(2)近似解法：微扰法、变分法、迭代法、几何光学法、几何绕射法绪绪 论论第19页/共57页8.8.对天线的基本要求对天线的

6、基本要求()具有一定的方向特性；()较高的转换效率；()能满足系统正常工作的频带宽度。9.9.天线分析、设计及仿真软件天线分析、设计及仿真软件（1）MATLAB（2）CST MWS（3）HFSS绪绪 论论第20页/共57页绪绪 论论第21页/共57页绪绪 论论第22页/共57页电基本振子：电基本振子：又称电流元，它是指一 段理想的高频电流直导线，其长度 ，半径 ，1.1.1 电基本振子的辐射振子沿线的电流 处处等幅同相。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。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第23页/共57页电基本振子模型：电基本振子模型：一段理想高频电流直导线，沿线电流等

7、幅同相。PyzxPOr：为射线OP与振子轴（z轴）之间的夹角：为OP在xoy平面的投影OP与x轴之间的夹角首先建立模型，然后求其辐射场第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第24页/共57页电流分布矢量磁位可以表示成：根据 上式可以表示成 第25页/共57页引用直角坐标和球坐标的变换关系可以得出关系式第26页/共57页依据得到第27页/共57页由得到第28页/共57页(111)电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第29页/共57页 ：电场强度：电场强度 （V/mV/m）：磁场强度：磁场强度 （A/mA/m）自由空间相移常数：自由空间相移常数：自由

8、空间介电常数：自由空间介电常数：自由空间导磁系数：自由空间导磁系数：场强的下标r、表示球坐标系中矢量的各分量其中：第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第30页/共57页(112)分别为球坐标系中沿r、增大方向的单位矢量。根据距离的远近，必须分区讨论场量的性质。写成矢量表达式为第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第31页/共57页1.近区场或 的区域称为近区此区域内忽略 项，第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第32页/共57页近区场表达式为近区场表达式为(113)第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第33页/共57页近区场特点：近区场特点：（1）场振幅表达式与稳态场完全相同。与

9、静电场中电偶极子产生的电场相同，与恒定电流产生的磁场相同。故近区场又称为似稳场或准静态场。、第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第34页/共57页（2）电场滞后于磁场 ，坡印廷矢量的平均值为零。能量在电场和磁场以及场与源之间交换而没有辐射，所以近区场也称为感应场。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第35页/共57页2.远区场或 的区域称为远区此区域内保留最大项，电基本振子的远区场表达式为(114)第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第36页/共57页图112 电基本振子电力线 图113 电基本振子远区场 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第37页/共57页远区场的坡印廷矢量

10、平均值为远区场的坡印廷矢量平均值为(115)有能量沿r方向向外辐射，故远区场又称为辐射场。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第38页/共57页（1）E、H和Sav 相互垂直，且符合右手螺旋。E、H 均与距离 r 成反比，辐射球面波。（2）传播方向上电磁场的分量Er、Hr 为零，故称其为横电磁波、记为TEM波。辐射场有如下性质：辐射场有如下性质：第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第39页/共57页（3）E和H的比值为常数，称为媒质的波阻抗，记为，对于自由空间(116)（4）E和H与sin成正比，说明电基本振子的辐射具有方向性。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第40页/共57页

11、 电基本振子向自由空间辐射的总功率 称为辐射功率，它等于坡印廷矢量在任一包围电基本振子的球面上的积分，即(117)辐射功率辐射功率第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第41页/共57页 将天线辐射的功率看成被一个等效电阻所吸收的功率，这个等效电阻就称为辐射电阻Rr。(119)(118)Rr称为该天线归算于电流 I 的辐射电阻，这里 I 是电流的振幅值。将上式代入（117），得电基本振子的辐射电阻为辐射电阻：辐射电阻：第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第42页/共57页1.1.2 磁基本振子的辐射磁基本振子磁基本振子：又称磁流源、磁偶极子。图114 磁基本振子的坐标 磁基本振子模型：小

12、电流环，周长远小于波长，环上电流I等幅同相均匀分布。第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第43页/共57页假设介质 中存在电荷 、磁荷 ，以及电流 、磁流 ，产生的场满足下面的麦克斯韦方程：第44页/共57页如果介质 中只存在电荷 和电流 ，则麦克斯韦方程可改写成：第45页/共57页对于介质 中只存在磁荷 和磁流 ，其场满足如下麦克斯韦方程：第46页/共57页可见两组方程具有对偶性，其解也是对偶的。对偶关系如下：第47页/共57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，只需要进行如下变换：第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第48页/共57页磁基本振子

13、远区辐射场的表达式为磁基本振子远区辐射场的表达式为电基本振子辐射场表达式电基本振子辐射场表达式辐射场的极化方向相互正交，其它特性完全相同辐射场的极化方向相互正交，其它特性完全相同第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第49页/共57页图115 小电流环和与其等效的磁矩 (a)小电流环；(b)磁矩 第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第50页/共57页相应的磁矩和环上电流的关系为 式中s为环面积矢量，方向由环电流 I 按右手螺旋定则确定。若求小电流环远区的辐射场，我们可把磁矩看成一个时变的磁偶极子，磁极上的磁荷是+qm,-qm，它们之间的距离是l。（1112）第第1 1章章 天线基础知识天

14、线基础知识第51页/共57页 式中 l 的方向与环面积矢量的方向一致。比较式（11121112）（11131113），得 磁荷之间有假想的磁流Im，以满足磁流的连续性，则磁矩又可表示为（1113）第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第52页/共57页（1115）将式（11141114）代入式磁振子的远场区，经化简可得小电流环的远区场 用复数表示的磁流为（1114）第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第53页/共57页磁偶极子的辐射总功率（1116）其辐射电阻（1117）第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第54页/共57页本次课内容小结本次课内容小结2.电基本振子的辐射1.绪论(2)(2)天线的定义、作用天线的定义、作用(1)(1)天线在无线电通信系统中的地位天线在无线电通信系统中的地位(1)(1)电基本振子辐射场表达式电基本振子辐射场表达式(2)(2)电基本振子的辐射特性（电基本振子的辐射特性（重点重点）第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第55页/共57页思考题1.什么是天线？天线的作用是什么？2.电基本振子有哪些辐射特性？3.如何理解天线的辐射电阻？第第1 1章章 天线基础知识天线基础知识第56页/共57页感谢您的观看。第57页/共57页