第1章--天线基础知识..优秀PPT.ppt

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1、本课主要内容本课主要内容电波传播的基础学问电波传播的基础学问地面波传播地面波传播天波传播天波传播视距传播视距传播地面移动通信中接收场强的预料地面移动通信中接收场强的预料天线基础学问天线基础学问常用天线常用天线课程要求课程要求2.2.驾驭电波传播的基本概念；驾驭电波传播的基本概念；3.3.驾驭电波传播的基本特点和规律；驾驭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料方法。了解地面移动通信接收场强的预料方法。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；2.2.天线与电波传播李天线与电波传播李 莉莉 科学出版社科学出版社 2009 2009 天线与电波传播宋铮

2、、张建华、黄冶天线与电波传播宋铮、张建华、黄冶 西安电子科技高校出版社西安电子科技高校出版社 2003教材：教材：参考书：参考书：1.1.天线与电波周朝栋，王元坤，杨恩耀天线与电波周朝栋，王元坤，杨恩耀 西安电子科技高校出版社西安电子科技高校出版社 1994 1994哪些地方须要天线？哪些地方须要天线？中中波波广广播播天天线线移动通信基站天线移动通信基站天线小灵通基站天线小灵通基站天线手机天线手机天线卫星通信天线卫星通信天线云云南南天天文文台台天天线线双频通信天线双频通信天线舰载通信、雷达天线舰载通信、雷达天线雷雷达达天天线线本次课主要内容本次课主要内容2.电基本振子的辐射电基本振子的辐射1.

3、绪论绪论(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 天线基础学问天线基础学问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（）将空间电磁波信号转换成高频电流能量送给接收机。送给接收机。（）将放射机输出的高频电流能量转换成电（）将放射机输出的高频电流能量转换成电磁波辐射出去。磁波辐射出去。天线是任何无线电通信

4、系统都离不开的天线是任何无线电通信系统都离不开的重要前端器件。重要前端器件。绪绪 论论 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，在其四周激发起交变电场和磁场，这种交变的磁四周激发起交变电场和磁场，这种交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，并以确定的速度向四周空间传形成电磁波，并以确定的速度向四周空间传播出去。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 论论电场电场电场电场电场电场振振子子电波传输方向电波传输方向磁

5、场磁场磁场磁场（3）天线的几何尺寸：要有确定的电长度）天线的几何尺寸：要有确定的电长度（2）天线的几何形态：必需是开放系统）天线的几何形态：必需是开放系统（1）天线激励源频率：要有合适的激励频率）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 论论按用途：通信、广播电视、雷达、导航天线按用途：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、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。自适应天线、智能天线等。按极化方式：线极化、圆极化、椭圆极化天线按极化方式：线极化、圆极化、椭圆极化天线按状态：放射

6、天线、接收天线、收发共用天线按状态：放射天线、接收天线、收发共用天线按波长：中波、短波、超短波、微波天线按波长：中波、短波、超短波、微波天线绪绪 论论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精确解法：求解麦克斯韦方程组面天线：用于微波面天线：用于微波线天线：用于长波、短波、超短波线天线：用于长波、短波、超短波7.7.天线探讨方法天线探讨方法(3)(3)数值解法：矩量法、有限元法数值解法：矩量法、有限元法(2)(2)近似解法：微扰法、变分法、迭代法、近似解法：微扰法、变分法、迭代法、几何光学法、几何绕射法几何光学法、几何绕射法绪绪 论论8.8.

7、对天线的基本要求对天线的基本要求()具有确定的方向特性；具有确定的方向特性；()较高的转换效率；较高的转换效率；()能满足系统正常工作的频带宽度。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 论论绪绪 论论绪绪 论论电基本振子：电基本振子：又称电流元，它是指一又称电流元，它是指一 段志向的高频电流直导线，段志向的高频电流直导线，其长度其长度 ，半径，半径 ，1.1.1 电基本振子的辐射电基本振子的辐射振子沿线的电流振子沿线的电流 到处等幅同相。到处等幅同相。电基本振子的辐射特性是探讨更困难天线辐射

8、电基本振子的辐射特性是探讨更困难天线辐射特性的基础。特性的基础。第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问电基本振子模型：电基本振子模型：一段志向高频电流直导线，一段志向高频电流直导线，沿线电流等幅同相。沿线电流等幅同相。PyzxPOr：为射线：为射线OP与振子轴（与振子轴（z轴）之间的夹角轴）之间的夹角：为：为OP在在xoy平面的投影平面的投影OP与与x轴之间的夹角轴之间的夹角首先建立模型，然后求其辐射场首先建立模型，然后求其辐射场第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问v电流分布v矢量磁位可以表示成：v依据v 上式可以表示成v v引用直角坐标和球坐标的变换关系v可以得出关系式v依据v得到v由

9、v得到(111)电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为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 天线基础学问天线基础学问 ：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：场强的下标场强的下标r、表示球坐标系中矢量的各重量表示球坐标系中矢量的各重量其中：其中：第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问(112)分别为球坐标系中沿分别为球坐标系中沿r、增增大方向的单位矢量。大方向的单位矢量。依据距离的远近，必需分区探讨场量的性质。写成矢量表达式为

10、写成矢量表达式为第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问1.近区场近区场或或 的区域称为近区的区域称为近区此区域内此区域内忽视忽视 项，项，第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问近区场表达式为近区场表达式为(113)第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问近区场特点：近区场特点：（1）场振幅表达式与稳态场完全相同。）场振幅表达式与稳态场完全相同。与静电场中电偶极子产生的电场相同，与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。与恒定电流产生的磁场相同。故近区场又称为故近区场又称为似稳场似稳场或准静态场。或准静态场。、第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问（2）电场滞后于磁场电场

11、滞后于磁场 ，坡印廷矢量的平均值为零。，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，所以近区场也称为辐射，所以近区场也称为感应场感应场。第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问2.远区场远区场或或 的区域称为远区的区域称为远区此区域内此区域内保留最大项，电基本振子的远区场表达式为保留最大项，电基本振子的远区场表达式为(114)第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问图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 天线基础学问天线基础学问远区场的坡印廷矢量平均值为远区场的坡印廷矢量平均值为(115)有有能能

12、量量沿沿r方方向向向向外外辐辐射射，故故远远区区场场又又称为称为辐射场辐射场。第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问（1）E、H和和Sav 相互垂直，且符合右手螺旋。相互垂直，且符合右手螺旋。E、H 均与距离均与距离 r 成反比，辐射球面波。成反比，辐射球面波。（2）传播方向上电磁场的重量）传播方向上电磁场的重量Er、Hr 为零，为零，故称其为横电磁波、记为故称其为横电磁波、记为TEM波。波。辐射场有如下性质：辐射场有如下性质：第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问（3）E和和H的比值为常数，称为媒质的的比值为常数，称为媒质的波阻抗，波阻抗，记为记为，对于自由空间，对于自由空间(116)（

13、4）E和和H与与sin成正比，说明电基本成正比，说明电基本振子的辐射具有方向性。振子的辐射具有方向性。第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问 电基本振子向自由空间辐射的总功率电基本振子向自由空间辐射的总功率 称为称为辐射功率，它等于坡印廷矢量在任一包围电基本辐射功率，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 天线基础学问天线基础学问 将天线辐射的功率看成被一个等效电阻所吸将天线辐射的功率看成被一个等效电阻所吸取的功率，这个等效电阻就称为辐射电阻取的功率，这个等效电阻就称为辐射电阻Rr。(119)(118)Rr称为该天

14、线归算于电流称为该天线归算于电流 I 的辐射电阻，这里的辐射电阻，这里 I 是电流的振幅值。将上式代入是电流的振幅值。将上式代入（117），），得电得电基本振子的辐射电阻为基本振子的辐射电阻为辐射电阻：辐射电阻：第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问1.1.2 磁基本振子的辐射磁基本振子的辐射磁基本振子磁基本振子磁基本振子磁基本振子：又称磁流源、磁偶极子。：又称磁流源、磁偶极子。图图114 磁基本振子的坐标磁基本振子的坐标 磁基本振子模型：磁基本振子模型：小电流环，小电流环，周长远小于波长，周长远小于波长，环上电流环上电流I等幅同相等幅同相匀整分布。匀整分布。第第1 1章章 天线基础学问天线

15、基础学问v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：v假如介质 中只存在电荷 和电流 ，则麦克斯韦方程可改写成：v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：v可见两组方程具有对偶性，其解也是对偶的。对偶关系如下：设想一段长为设想一段长为l（l）的磁流元）的磁流元Iml置置于球坐标系原点，依据电磁对偶性原理，只于球坐标系原点，依据电磁对偶性原理，只须要进行如下变换：须要进行如下变换：第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问磁基本振子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磁基本振子远区辐射场的表达式为磁基本振子远区辐射场的表达

16、式为电基本振子辐射场表达式电基本振子辐射场表达式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 天线基础学问天线基础学问图图115 小小电电流流环环和和与与其其等等效效的的磁磁矩矩 (a)小电流环；小电流环；(b)磁矩磁矩 第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问相应的磁矩和环上电流的关系为相应的磁矩和环上电流的关系为 式中式中s为环面积矢量，方向由环电流为环面积矢量，方向由环电流 I 按右手按右手螺旋定则确定。螺旋定则确定。若求小电流环远区的辐射场，我们可把磁矩若求小电流环远区的辐射场，我们可把磁

17、矩看成一个时变的磁偶极子，磁极上的磁荷是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，它们之间的距离是l。（1112）第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问 式中式中 l l 的方向与环面积矢量的方向一样。的方向与环面积矢量的方向一样。比较式（比较式（11121112）（）（11131113），得），得 磁荷之间有假想的磁流磁荷之间有假想的磁流Im，以满足磁流的，以满足磁流的连续性，则磁矩又可表示为连续性，则磁矩又可表示为（1113）第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问（1115）将将式式（11141114）代代入入式式磁磁振振子子的的远远场场区区，经化简可得小

18、电流环的远区场经化简可得小电流环的远区场 用复数表示的磁流为用复数表示的磁流为（1114）第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问磁偶极子的辐射总功率磁偶极子的辐射总功率（1116）其辐射电阻其辐射电阻（1117）第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问本次课内容小结本次课内容小结2.电基本振子的辐射电基本振子的辐射1.绪论绪论(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 天线基础学问天线基础学问思索题思索题1.什么是天线？天线的作用是什么？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？电基本振子有哪些辐射特性？3.如何理解天线的辐射电阻？如何理解天线的辐射电阻？第第1 1章章 天线基础学问天线基础学问