天線原理與設計2

1、2022-5-28UESTC1天線原理與設計阮成禮電子科技大學2022-5-28UESTC2主要內(nèi)容 開拓電磁波資源 頻帶寬度的定義 超寬帶天線原理 天線的電磁理論基礎天線的電磁理論基礎 電小天線、Hertz偶極子 對稱振子2022-5-28UESTC3電磁波譜 電磁頻譜是一種有限的電磁波資源。 高端受量子理論和黑子輻射理論限制，有一個上限； 電磁頻譜的低端受天線輻射能力的限制，有一個下限。LF HF UHFX射線紫外光可見光mmw紅外微波30THz30GHz30MHz30kHz33as33fs33ps33ns33s10nm10m1cm10m10km周期頻率波長2022-5-28UESTC4電

2、磁波資源電磁波資源頻域電磁波資源從HFTHz到射線, 得到充分開發(fā)了, 已經(jīng)非常非常擁擠了!時域電磁波資源是尚待開發(fā)的電磁波資源!2022-5-28UESTC5頻帶寬度的定義 任何一個電子系統(tǒng)都占有一定的頻譜資源，即一定的頻帶寬度。頻譜資源已經(jīng)非常擁擠了。 雷達 通信 電視 頻帶寬度的概念有兩類： 一類是絕對帶寬， 另一類是相對帶寬。 2022-5-28UESTC6絕對帶寬 fl為低端頻率：即在ffl范圍內(nèi)，系統(tǒng)傳輸?shù)男盘柲芰啃∮诳偰芰康?%； fh為高端頻率：即在ffh范圍內(nèi)，系統(tǒng)傳輸?shù)男盘柲芰啃∮诳偰芰康?%； f0為中心頻率：f0=(fl+fh)/2，是高低端頻率的算術中值； 是幾何中值

3、。 絕對帶寬：hlmffflhfff2022-5-28UESTC7相對帶寬-分數(shù)帶寬 分數(shù)帶寬：在通信領域常用的相對帶寬指系統(tǒng)絕對帶寬與中頻之比。 BW1取值范圍為0BW12。 lhlhlhfffffffBW2012022-5-28UESTC8相對帶寬-百分比帶寬 百分比帶寬：BW2取值范圍為0BW21。這個定義常用在超寬帶領域。 lhlhffffBW22022-5-28UESTC9相對帶寬-高低頻之比帶寬 高低頻之比帶寬：BW3取值范圍1BW3，這個定義也常用在超寬帶領域。 lhffBW/32022-5-28UESTC10相對帶寬-倍頻程帶寬 倍頻程帶寬：BW4取值范圍0BW4，倍頻程帶寬B

4、W4一般也是用在超寬帶領域。 2lnln34BWBW 2022-5-28UESTC11相對帶寬-相對帶寬之間的關系11233BWBW1212244BWBW1133BWBW121244BWBW1122BWBWBWBW1122ln/ )22ln(11BWBW2ln/ )11ln(22BWBW定義BW1BW2BW3BW4BW112 BW2BW2BW1/21BW3fh/ft12 BW4BW4ln(fh/ft)/ln2ln(BW3)/ln210ff02ffUWB：BW322022-5-28UESTC12各相對帶寬的取值比較 點頻窄帶倍頻程超寬帶BW1010%50%2/3， 6/514/9, 30/17，

5、2（n-1）/(n+1) 2BW205%25%1/3， 3/57/9, 15/17，（n-1）/(n+1) 1BW311.10531.66672， 48, 16, n, BW400.14440.7371， 23, 4, ln(n)/ln2, 2022-5-28UESTC13天線帶寬 天線輻射能力與天線電長度和結構形式有關。 有限尺寸天線的頻帶寬度總是有限的。 在工作頻段內(nèi),關心的天線參數(shù)（輻射方向圖、輸入阻抗、極化特性、相位中心、等等），保持在允許的范圍內(nèi)，可以定義為天線帶寬。 有很多類型得超寬帶天線，它們在結構上有共同性，這就是“超寬帶天線原理”。2022-5-28UESTC14超寬帶天線原

6、理角形結構天線角形結構天線 理論模型： 無限長、天線結構與徑向坐標無關、從頂點饋電。 和無限長傳輸線一樣，其輸入阻抗與頻率無關。 角形結構天線輻射的是TEM波。 角形結構的天線有雙錐天線、V-錐天線、螺旋天線、Bow-tie天線等。2022-5-28UESTC15角形結構天線角形結構天線 雙圓錐天線V-錐天線2022-5-28UESTC16自補結構天線自補結構天線 互補天線就像照片的正負片一樣，把金屬換成介質(zhì)（大氣），把介質(zhì)換成金屬就得到其互補結構，互補天線的輸入阻抗就為。 自補結構：天線與其互補天線結構相同，稱為自補22236004)120(4airmetalZZ602airmetalZZ2

7、022-5-28UESTC17自補天線著色區(qū)域位金屬，未著色區(qū)域為介質(zhì)張角為90度。V-錐天線V-錐形槽天線2022-5-28UESTC18自相似天線自相似天線 自相似性：局部與整體相似自相似性：局部與整體相似（分形幾何學）（分形幾何學）。 天線結構上結構上具有自相似性（自相似性（角形結構的雙錐天線、v-錐天線、對數(shù)周期天線、螺旋天線都有自相似性自相似性） 。 典型代表是分形天線。已利用分形幾何改善天線的輻射特性，提高輻射電阻，擴展天線帶寬。2022-5-28UESTC19自相似分形天線自相似分形天線Sierpinski分形天線Koch 分形天線2022-5-28UESTC20增大電流輻射面積

8、增大電流輻射面積 增大導電電流面積，增大導電電流面積，用較厚較粗的金屬材料用較厚較粗的金屬材料。例如，雙錐天線是加粗了的對稱振子天線，它的輻射面積比一般的偶極子天線大得多，也比V-錐天線的輻射面積大，所以它的輻射電阻比 偶極子天線小和V-錐天線大， V-錐天線輸入電抗比偶極子天線小。2022-5-28UESTC21雙錐天線是加粗了的對稱振子天線2022-5-28UESTC22補償與加載補償與加載 根據(jù)天線的傳輸線模型，應用傳輸線方法對天線進行補償和加載。 各種偶極子形式的電小天線都有相似的特性（利用Papas和King給出的有限長圓錐天線輸入阻抗公式，導出了用短路傳輸線表示的電小偶極子天線等效

9、電路，實現(xiàn)完全電抗補償。這種方法用分布參數(shù)電路補償分布參數(shù)的天線，真正實現(xiàn)了超寬帶補償）。 各種補償方法，已經(jīng)研究了超過70年。2022-5-28UESTC23單級子天線加載技術單級子單級子加載金屬圓盤折合振子加載2022-5-28UESTC24多回路微帶天線多回路微帶天線 微帶天線本來是窄帶天線，采用互相偶合的多回路原理擴展天線帶寬。 每一個微帶貼片可用一個諧振回路描述，尺寸不同的微帶貼片諧振頻率也不相同，通過適當方式耦合起來，則整個天線天線的帶寬得到展寬。 開槽（不同尺寸的槽諧振頻率不同）。2022-5-28UESTC25多回路微帶天線多回路微帶天線 五個貼片每一貼片諧振頻率不同； 互相耦

10、合展寬頻帶。(b)2022-5-28UESTC26開槽微帶天線每個金屬槽諧振頻率不同，相當于多個貼片，但天線尺寸保持不變2022-5-28UESTC27天線的電磁理論基礎天線的電磁理論基礎 基本方程是Maxwell方程組tBEJTDHD0B0tJ 已知源分布的情況下，E、H、D、B四個矢量共有個分量。根據(jù) 式，令 0 B2022-5-28UESTC28矢量位A A 其中A為矢量位，是標量位。A和一共只有四個分量。任意一個矢量場如果只給出它的旋度，則這個矢量場并不是唯一的，規(guī)定ABt AE0tAtttEAEAEA0)(02022-5-28UESTC29洛侖茲規(guī)范和庫侖規(guī)范 在無源區(qū)域，J=0,

11、=0,取適當?shù)腁和可得庫侖規(guī)范這個關系稱之為洛侖茲規(guī)范。應用洛侖茲規(guī)范可以得到矢量位A和標量位滿足的波方程JAA222t222t也就是說，在在無源區(qū)域電磁場只有兩個獨立分量，這是引入赫茲矢量位的基礎。引入極化矢量P,0A2022-5-28UESTC30源與波方程 它們的數(shù)學形式完全一樣，可以預料它們的求解方法是一樣的。定義算符和源函數(shù)分別為JAA222t222tP222t222tL),(trff ),(),(trftrL2022-5-28UESTC31源與解dtfrgtrfLtr),(),(),(),(1其中L-1是積分算符，g(r,)是核函數(shù)。帶入波方程),(),(),(),(),(),(t

12、rfdtfrLgdtfrgLtrL)(),(rrLgrrRjkRRRG),exp(41)(2022-5-28UESTC32電磁場分量 引入輔助位簡化電磁矢量 導出輔助位波方程 輔助位的積分表達式 從已知源分布求輔助位函數(shù) 根據(jù)輔助位求解電磁場分量AH1)1(2AAEkjvvdjkRRtt)exp(),4),rJ(A(rvvdjkRRtrtr)exp(),(41),(vvdjkRRtt)exp(),41),rP(r2022-5-28UESTC33電小天線電小天線 -需求 隨著移動通信技術、空間技術、軟件無線電和超寬帶電子技術的發(fā)展，電子設備均向小型化與微型化方向發(fā)展, 天線也必然向小型化方向發(fā)展

13、。 在HF、UHF頻段,波長很長， 可實現(xiàn)的工程天線尺寸受到極大限制。 軟件無線電和超寬帶電子技術要求在極寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)高質(zhì)量通信，在低端天線是屬于電小尺寸范圍。一定程度上UWB天線就是電小天線。2022-5-28UESTC34電小天線定義在整個工作頻段內(nèi)，天線幾何長度與波長相比很小的天線，惠勒（H.A.Wheeler）定義電小天線長度滿足式中l(wèi)為天線的最大幾何尺寸；為工作波長。21l2022-5-28UESTC35頻帶寬度：對電小天線的基本限制 惠勒（用集中參數(shù)理論分析了電小天線的輻射電阻、輻射效率和系統(tǒng)Q值）、朱蘭臣（用模式匹配法對其中比較簡單的模式，即軸對稱場進行了分析）、哈林登（同

14、時考慮了激勵相等的TE和TM模），他們的共同結論是： 天線的品質(zhì)因數(shù)Q與天線球半徑（電長度）的三次方成反比。天線的電尺寸越小，它的Q值就愈高，工作頻帶寬度也就越窄。頻帶寬度是對電小天線的基本限制。2022-5-28UESTC36電小天線三種基本形式 把天線看成是一個帶有少量輻射的電感器，電容器或兩者的某種組合。 電小天線具有三種基本形式： 電振子型天線，它是一類容性天線； 磁振子天線，它是一類感性天線； 兩者的組合。 2022-5-28UESTC37三類電小天線-容性天線 1.電偶極子（或單極子）電偶極子電單極子2022-5-28UESTC38三類電小天線-感性天線 2.磁偶極子小環(huán)天線加補償

15、的小環(huán)天線2022-5-28UESTC39三類電小天線-組合型天線3.組合型天線短槽（notch）天線加載的傳輸線型天線螺旋線天線2022-5-28UESTC40Hertz偶極子之一 Hertz偶極子：理想化電流元 長度遠遠小于波長 直徑趨近于零，電流絲 電流均勻分布 從中心饋電IxyzpRrz2022-5-28UESTC41Hertz偶極子之二, )()(zyxIJ22zzzzvvdjkRRtt)exp(),4),rJ(A(rzdRjkRIzzz2/2/)exp(4A用矢量位A（輔助位函數(shù)）2022-5-28UESTC42Hertz偶極子之三 在“點”電流元近似條件下，有 zAzzrjkrI

16、z4)exp(ArRz，有因為)1(2AAEkjAH12022-5-28UESTC43Hertz偶極子之四在 條件下， Hertz偶極子的遠區(qū)輻射場為2, 1kkrsin)exp(4rjkrzIjEsin)exp(4rjkrzjkIH2022-5-28UESTC44Hertz偶極子之五 遠區(qū)輻射場結論： 遠區(qū)輻射場E和H空間正交； E和H同相位 ； E和H的比值等于是媒質(zhì)波阻抗（在自由空間 ）； 場矢量E和H與r坐標和角坐標有相同的函數(shù)關系； 輻射場，近似為橫平面波，有能量輻射。 12002022-5-28UESTC45Hertz偶極子之六 在Hertz電偶極子的近區(qū) ，忽略高階小量，保留主項

17、得到近場表達式2, 1kkrcos)exp(2sin)exp(433rjkrkzIjrrjkrkzIjnEsin)exp(42rjkrzInH2022-5-28UESTC46Hertz偶極子之七 近區(qū)靜態(tài)場結論： 遠區(qū)輻射場E和H空間仍然正交； E和H相位差為90度； 磁場Hnr-2,而電場Enr-3, En和Hn的比值是虛數(shù)，而且與頻率和坐標r有關 ； 靜態(tài)場，沒有能量輻射，僅有能量儲存。2022-5-28UESTC47Hertz偶極子之八reKfrEjkr),(),(sin)exp(4rjkrzIjEsin,f標準表達式2022-5-28UESTC48Hertz偶極子之九yx（a）yxzE

18、-面H-面z(d)場分量三維方向圖電場分量在E-面上，它包含z軸， 的平面 ，E-面方向圖反映場矢量隨坐標變化的情況。磁場分量在H-面上，它包含xy軸，=90的平面，H-面方向圖反映場矢量隨坐標變化的情況。常數(shù)2022-5-28UESTC49Hertz偶極子之十yxzsin90(c)H-面方向圖E-面方向圖E-面方向圖和H-面方向圖是主平面方向圖。Hertz電偶極子的E-面方向圖是一個雙圓環(huán)，H-面方向圖是一個圓，稱H-面方向圖是全向的。2022-5-28UESTC50對稱振子之一)()()()(yxzIrJzzdRjkRzIAz)exp()(4比較Hertz偶極子2022-5-28UESTC

19、51對稱振子之二 與Hertz偶極子比較 長度遠遠小于波長 直徑趨近于零，電流絲 電流均勻分布 從中心饋電,222zyr,cosrz sinry 2/1222/122)cos2()(z rzrzzyR223222cossin2sincosrzrzzrR2022-5-28UESTC52對稱振子之三 近似： 在分母，僅僅影響矢量位幅值，取近似Rr 在相位項在相位項中，很小的距離變化會引起很大的相位變化，從而疊加結果有很大差異。 coszrR2022-5-28UESTC53對稱振子之四)cossin(1)(1zzzArAAzHzdezIrezdrzrjkzIAzjkjkrzcos)(4)cos(ex

20、p()(42022-5-28UESTC54對稱振子之五 因為Az是坐標r和的函數(shù)，磁場僅有向分量，所以直接用球坐標的旋度公式代入)cos()sin(1zzArArrH)cosexp()(cos1)cosexp()(sin4)exp(zdzjkzIrzdzjkzIjkrjkr2022-5-28UESTC55對稱振子之六 第一項的幅值遠遠大于第二項，2, 1kkr磁場H H的遠場近似為sin)cosexp()(4)exp(sinzAjkzdzjkzIrjkrjkH求出電場E E，對于遠場可保留r-1項，近似為sinzAjE 2022-5-28UESTC56對稱振子之七 這里沒有限制電流分布的具體形式，任意z-方向線源的遠區(qū)輻射場都由式（1.80）和（1.81）給出。剩下的問題是計算AZ。 式（1.80）和（1.81）的比值kHE/等于媒質(zhì)波阻抗，和Hertz電偶極子的結論一致，局部范圍內(nèi)可以看成平面波，電場分量垂直于磁場分量，二者都垂直于徑向矢量，是熟知的橫電磁波(TEM)。 2022-5-28UESTC57對稱振子之八 Rayleigh距離 223222cossin2sincosrzrzzrR22Drf162)2(2frD2022-5-28UESTC58對稱振子之九 關心遠區(qū)輻射特性 實際工程中測量天線的場地常常不能滿足遠