电磁场天线和电波传播.ppt
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1、关于电磁场天线与电波传播第一张,PPT共七十七页,创作于2022年6月学习天线与电波传播的意义学习天线与电波传播的意义v系统设计系统设计收、发信设备指标收、发信设备指标天线的性能天线的性能天线的架设方式天线的架设方式v通信质量评定通信质量评定v不同通信业务之间相互干扰的预测和不同通信业务之间相互干扰的预测和解决解决第二张,PPT共七十七页,创作于2022年6月影响天线特性的因素影响天线特性的因素v天线的形状天线的形状v采用的材料采用的材料v制作工艺制作工艺v使用环境使用环境v用途用途第三张,PPT共七十七页,创作于2022年6月影响电波传播特性的因素影响电波传播特性的因素v频率频率v距离距离v
2、极化方式极化方式v天线高度天线高度v地形地物地形地物v地面电特性参数地面电特性参数v时间、季节时间、季节 第四张,PPT共七十七页,创作于2022年6月第一部分第一部分 电磁场的基础理论电磁场的基础理论一、麦克斯韦方程组一、麦克斯韦方程组描述了空间电场与磁场的关系描述了空间电场与磁场的关系第五张,PPT共七十七页,创作于2022年6月本构关系式(本构关系式(与媒质有关的特性方程与媒质有关的特性方程):):第六张,PPT共七十七页,创作于2022年6月麦克斯韦方程组的正弦稳态相量形式:麦克斯韦方程组的正弦稳态相量形式:两种特殊的边界条件:两种特殊的边界条件:1)两种理想介质分界面上的边界条件:假
3、设分界面上没有)两种理想介质分界面上的边界条件:假设分界面上没有自由电荷和传导电流,则自由电荷和传导电流,则 和和 的法向分量以及的法向分量以及 和和 的切的切向分量都是连续的;向分量都是连续的;2)理想导体表面的边界条件:自由电荷和电流都集中在表)理想导体表面的边界条件:自由电荷和电流都集中在表面,面,总是垂直于理想导体的表面,总是垂直于理想导体的表面,总是平行于理想导体的总是平行于理想导体的表面。表面。一般的边界条件:一般的边界条件:第七张,PPT共七十七页,创作于2022年6月二、无线电波的辐射二、无线电波的辐射 麦克斯韦方程组说明脱离了电流的变化的电场产生磁场,脱离了电荷的麦克斯韦方程
4、组说明脱离了电流的变化的电场产生磁场,脱离了电荷的变化的磁场产生电场。这种电磁场在空间交替变幻,绵延不断向外传播的过变化的磁场产生电场。这种电磁场在空间交替变幻,绵延不断向外传播的过程就是电磁波的辐射过程。程就是电磁波的辐射过程。辐射场的波源是辐射场的波源是电流电流和和电荷电荷产生辐射场的前提条件是要有产生辐射场的前提条件是要有位移电流位移电流位移电流:由于电位移的变化引起的真实的电的流动。位移电流:由于电位移的变化引起的真实的电的流动。第八张,PPT共七十七页,创作于2022年6月+-ItqI+-第九张,PPT共七十七页,创作于2022年6月三、波动方程三、波动方程第十张,PPT共七十七页,
5、创作于2022年6月四、平面电磁波四、平面电磁波zExHy第十一张,PPT共七十七页,创作于2022年6月平面电磁波的特性平面电磁波的特性第十二张,PPT共七十七页,创作于2022年6月平面电磁波的极化平面电磁波的极化第十三张,PPT共七十七页,创作于2022年6月第二部分第二部分 天线天线一、天线的基本概念一、天线的基本概念第十四张,PPT共七十七页,创作于2022年6月移动通信移动通信A 3G(WCDMA)handsetOutdoor Base Station for 800 and 1900MHz CDMA cells.第十五张,PPT共七十七页,创作于2022年6月卫星通信卫星通信Ea
6、rth Station Satellite Dish(Reflector Antenna)TV Satellite Dish(Reflector Antenna)第十六张,PPT共七十七页,创作于2022年6月广播电视天线广播电视天线第十七张,PPT共七十七页,创作于2022年6月电路的辐射电路的辐射第十八张,PPT共七十七页,创作于2022年6月电缆的辐射电缆的辐射第十九张,PPT共七十七页,创作于2022年6月天线的作用天线的作用空间电磁波空间电磁波高频电流高频电流发射发射接收接收收、发天线具有互易性收、发天线具有互易性第二十张,PPT共七十七页,创作于2022年6月(Propagatio
7、n)天线的应用天线的应用:Communications,Broadcast,Radar,Radiometry,Biomedical,etc.天线天线第二十一张,PPT共七十七页,创作于2022年6月天线的类型天线的类型v按用途分类,可分为通信天线、测量天按用途分类,可分为通信天线、测量天线等线等v按工作频段分类,可分为短波天线、超按工作频段分类,可分为短波天线、超短波天线、微波天线等短波天线、微波天线等v按方向性分类,可分为全向天线、定向按方向性分类,可分为全向天线、定向天线等天线等v按外形分类,可分为线天线、面天线等按外形分类,可分为线天线、面天线等第二十二张,PPT共七十七页,创作于202
8、2年6月v线天线:线天线:天线的直径远小于其几何长度天线的直径远小于其几何长度可不考虑天线横截面上的电流分布可不考虑天线横截面上的电流分布天线品种繁多,以供不同频率、不同用途、不天线品种繁多,以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。同场合、不同要求等不同情况下使用。偶极子天线偶极子天线单极天线单极天线环天线环天线螺旋天线螺旋天线第二十三张,PPT共七十七页,创作于2022年6月天线的辐射源天线的辐射源结论:天线的辐射源结论:天线的辐射源电流(位移电流)电流(位移电流)电流连续性方程:电流连续性方程:第二十四张,PPT共七十七页,创作于2022年6月二、天线的特性参数二、天线
9、的特性参数机械特性参数:形状,尺寸,材料,可靠性等机械特性参数:形状,尺寸,材料,可靠性等电特性参数电特性参数一次参数:方向性图,输入阻抗,效率一次参数:方向性图,输入阻抗,效率二次参数:方向性系数,增益,波瓣宽度,二次参数:方向性系数,增益,波瓣宽度,前后比,极化特性等前后比,极化特性等第二十五张,PPT共七十七页,创作于2022年6月1 1天线的辐射功率和辐射阻抗天线的辐射功率和辐射阻抗l辐射功率:辐射功率:在单位时间内通过球面向外辐射的电磁能在单位时间内通过球面向外辐射的电磁能量的平均值。量的平均值。v辐射电阻:辐射电阻:将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率,并使流过电将辐射功率视为一个电
10、阻所消耗的功率,并使流过电阻的电流等于天线上的电流振幅,则该电阻就称为天阻的电流等于天线上的电流振幅,则该电阻就称为天线的辐射电阻。线的辐射电阻。第二十六张,PPT共七十七页,创作于2022年6月2 2天线的方向性天线的方向性 天线的辐射场强与方向有关的特性,称为天线的辐射场强与方向有关的特性,称为天线的方向性。天线的方向性。以电流元为例:以电流元为例:第二十七张,PPT共七十七页,创作于2022年6月天线的方向性函数和方向性图天线的方向性函数和方向性图用于表示天线方向性特性的函数:用于表示天线方向性特性的函数:电流元的方向性函数电流元的方向性函数电流元的方向性图电流元的方向性图第二十八张,P
11、PT共七十七页,创作于2022年6月v赤道面:与天线轴垂直并经过天线中心赤道面:与天线轴垂直并经过天线中心 的平面。的平面。v子午面:包含天线轴的平面。子午面:包含天线轴的平面。1)电流元在赤道面内的方向性函数和方向性图:)电流元在赤道面内的方向性函数和方向性图:第二十九张,PPT共七十七页,创作于2022年6月2)电流元在子午面内的方向性函数和方向性图:)电流元在子午面内的方向性函数和方向性图:第三十张,PPT共七十七页,创作于2022年6月天线的归一化方向性函数和归一化方向性图天线的归一化方向性函数和归一化方向性图归一化方向性函数:归一化方向性函数:天线辐射场与最大方向上的场强值之比。天线
12、辐射场与最大方向上的场强值之比。反映了天线在不同方向的场分布。反映了天线在不同方向的场分布。归一化方向性图:归一化方向性图:表示归一化方向性函数的空间立体图形。表示归一化方向性函数的空间立体图形。通常用两个互相垂直的平面上(子午面和赤道面通常用两个互相垂直的平面上(子午面和赤道面/E面面和和H面)的平面图来表示。面)的平面图来表示。第三十一张,PPT共七十七页,创作于2022年6月CDMA天线天线第三十二张,PPT共七十七页,创作于2022年6月CDMA垂直极化定向天线垂直极化定向天线第三十三张,PPT共七十七页,创作于2022年6月方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平主瓣
13、宽度:主瓣宽度:主瓣电平的最大值降到该值的主瓣电平的最大值降到该值的0.707倍(即倍(即-3dB)时,两个方向之间的张角宽度。)时,两个方向之间的张角宽度。在方向性图中,一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣中,在方向性图中,一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣中,最大辐射方向所在波瓣称为主瓣,其余波瓣称为旁瓣。最大辐射方向所在波瓣称为主瓣,其余波瓣称为旁瓣。3dB点点峰值峰值3dB点点第三十四张,PPT共七十七页,创作于2022年6月旁瓣电平:相对主瓣最大值的比值。旁瓣电平:相对主瓣最大值的比值。前后抑制比:前后抑制比:方向图中,前后瓣最大值之比称为前后方向图中,前后瓣最大值之比称为前后比,记为
14、比,记为 F/B。前后比越大,天线的后向前后比越大,天线的后向辐射(或接收)越小。辐射(或接收)越小。第三十五张,PPT共七十七页,创作于2022年6月前后比前后比F/B 的计算:的计算:F/B=10 Lg(前向功率密度)(前向功率密度)/(后向功率密度)后向功率密度)第三十六张,PPT共七十七页,创作于2022年6月3.3.天线的方向性系数天线的方向性系数l定义:定义:天线辐射功率一定,在任意方向天线辐射功率一定,在任意方向 辐射功率辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时的平均功率密度之比。密度与相等的辐射功率均匀辐射时的平均功率密度之比。第三十七张,PPT共七十七页,创作于2022年6月l
15、物理意义:物理意义:由于天线有方向性,使某方向的辐射功率密由于天线有方向性,使某方向的辐射功率密度比均匀辐射时增加的倍数度比均匀辐射时增加的倍数D。实际上,。实际上,D反映了反映了天线集中辐射能量的特性。天线集中辐射能量的特性。l方向性系数的求法:方向性系数的求法:1)已知归一化方向性函数求)已知归一化方向性函数求D先求全向天线先求全向天线(点源点源)均匀辐射时的平均辐射功率密度均匀辐射时的平均辐射功率密度:第三十八张,PPT共七十七页,创作于2022年6月 通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方向性系数,此时,向性系数,此时,第三十九张,PPT共
16、七十七页,创作于2022年6月 2)已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向性)已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向性函数,求函数,求D第四十张,PPT共七十七页,创作于2022年6月 当天线位于自由空间时,当天线位于自由空间时,;在最大辐射方向上,在最大辐射方向上,大多数简单常大多数简单常规天线的最大规天线的最大场强值场强值又又第四十一张,PPT共七十七页,创作于2022年6月例:求电流元的方向性系数?例:求电流元的方向性系数?解:解:第四十二张,PPT共七十七页,创作于2022年6月4.4.天线增益天线增益l定义:定义:在任意方向在任意方向 ,辐射功率密度与将相等的输辐射功率密度与将相等的
17、输入功率均匀辐射时的平均功率密度之比,即天线入功率均匀辐射时的平均功率密度之比,即天线增益为:增益为:第四十三张,PPT共七十七页,创作于2022年6月l物理意义:物理意义:为了在观察点有相等的辐射功率密度,方为了在观察点有相等的辐射功率密度,方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线输入向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线输入功率的功率的G倍。倍。dBi:表示比较对象是各向均匀辐射的理想:表示比较对象是各向均匀辐射的理想 点源;点源;dBd:表示以半波对称振子为比较对象。:表示以半波对称振子为比较对象。l 增益的单位:增益的单位:第四十四张,PPT共七十七页,创作于2022年6月l近似计算方法:
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- 关 键 词:
- 电磁场 天线 电波 传播
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