天線與電波傳播

1、天線與電波傳播天線部分：引言天線是一種用來發(fā)射或接收電磁波的器件，是任何無線電系統(tǒng)中的基本組成部分。換句話說，發(fā)射天線將傳輸線中的導行電磁波轉換為“自由空間”波，接收天線則與此相反。于是信息可以在不同地點之間不通過任何連接設備傳輸，可用來傳輸信息的電磁波頻率構成了電磁波譜。人類最大的自然資源之一就是電磁波譜，而天線在利用這種資源的過程中發(fā)揮了重要的作用。第一講：傳輸線基礎知識在通信系統(tǒng)中，傳輸線（饋線）是連接發(fā)射機與發(fā)射天線或接收機與接收天線的器件。為了更好的了解天線的性能及參數(shù)，首先簡單介紹有關傳輸線的基礎知識。傳輸線根據(jù)頻率的使用范圍區(qū)分有兩種類型：1、低頻傳輸線；2、微波傳輸線。這里重點

2、介紹微波傳輸線中無耗傳輸線的基礎知識，主要包括反映傳輸線任一點特性的參量：反射系數(shù)、阻抗Z和駐波比。一、反射系數(shù)這里定義傳輸線上任一點處的電壓反射系數(shù)為(z)U(z)/U(z)UoU.0(1)(2)(3)e2zl由上式可以看出，反射系數(shù)的模是無耗傳輸線系統(tǒng)的不變量，即j此外，反射系數(shù)呈周期性，即m/2g、阻抗Z這里定義傳輸線上任一點處的阻抗為經(jīng)過一系列的推導，得出阻抗的最終表達式zzZi咎1z0ZjZta!z0l三、駐波比(VSWR)這里定義傳輸線上任一點處的駐波比為xn經(jīng)過一系列的推導,得出阻抗的最終表達式111J此外,這里還給出反射系數(shù)與阻抗的關系表達式ZZ101ZzZzWi0這里還簡單介

3、紹一下傳輸線理論所要用到的一些基本參數(shù)以及相位常數(shù),具體表達式如下:此外,不同的系統(tǒng)有不同的特性阻抗Z,為了統(tǒng)一和便于研究,0的概念，即阻抗ZT-Z稱為歸一化阻抗0(4)(5)(6)(7)(8)例如特性阻抗Z0(9)常常提出歸一化(10)第二講：基本振子的輻射一、電基本振子的輻射電基本振子（ElectricshortDipole）又稱電流元，無窮小振子或赫茲電偶極子，它是指一段理想的高頻電流直導線，其長度l遠小于波長，其半徑a遠小于l,同時振子沿線的電流I處處等幅同相。在通常情況下，導線的末端電流為零，因此電基本振子難以孤立存在，但根據(jù)微積分的思想，實際天線常可以看作是無數(shù)個電基本振子的疊加，

4、天線的輻射場等于所有這些電基本振子貢獻的總和。因而電基本振子的輻射特性是研究更復雜天線輻射特性的基礎。考慮一個位于坐標原點、沿z軸方向、長為的電流元，其上載有幅度和相位均勻分布的電流I,根據(jù)電磁場理論，該電流元產(chǎn)生的矢量磁位（只有z分量）為：I/2ejkR1(1)z/2由圖1-7可以看到，長度與波長相比以及與距離R相比都比較小，所以從電流元上任一點到場點P的距離R（是z的函數(shù)）非常接近于從坐標原點到場點的距離r。將式中的R替換為r后，被積函數(shù)已不含帶撇坐標，所以積分退化為乘法，于是(2)得到矢量磁位后，則磁場強度為(3)(4)H丄%0經(jīng)過公式替換及推導可得磁場強度（僅有分量）Hjz丄sifl2

5、jr又根據(jù)方程E丄，可以得到電場強度（僅有r和分量）E2jF丸2?.co2rsi(5)(6)1、近區(qū)場如果場點非?？拷娀菊褡樱哼h小于1或r遠小于，則相對應的解為(7)(8)j.01*ej2cossinJr32、遠區(qū)場如果場點非常靠近電基本振子：遠大于1或r遠大于，則相對應的解為(9)(10)Hsi2r電基本振子遠區(qū)場的表達式有看出如下物理意義：E.、均與距離r成反比，都含有相位因子ej，說明輻射場的等相位面為r等于常數(shù)的球面，所以電基本振子發(fā)出的是球面波，傳播方向上電磁場的分量為零，故稱其為橫電磁波，即TEM波。該球面波的傳播速度(相速)vc(真空光速)，E與H的比值為常數(shù),p稱為媒質的波

6、阻抗.。對于自由空間來說，1200遠區(qū)場是輻射場，但E.、H與sin成正比，說明電基本振子的輻射具有方向性，輻射場不是均勻球面波。二、磁基本振子的輻射磁基本振子(MagneticshortDipole)又稱磁流元，磁偶極子。盡管它是虛擬的，迄今為止還不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是它可以與一些實際波源相對應，例如小環(huán)天線或者已經(jīng)建立起來的電場波源，因此討論它是有必要的。對于磁基本振子場的求解問題，采用對偶原理法進行求解。設想一段長為的磁流元I置于球坐標系原點，根據(jù)電磁對偶性原m理，只需要進行如下變換：( )EHemHEemII,Qeme00Qm.則磁基本振子遠去輻射場的表達式

7、為E耳*eHsi.2.rHmsin2r0(12)(13)第三講：天線的電參數(shù)(1)描述天線工作特性的參數(shù)成為天線電參數(shù)，又稱電指標。它們是衡量天線性能的尺度。我們有必要了解天線電參數(shù)，以便正確設計或選擇天線。1、方向函數(shù)由電基本振子的分析可知，天線輻射出去的電磁波雖然是一球面波，但卻不是均勻球面波，因此，任何一個天線的輻射場都具有方向性。所謂方向性，就是在相同距離的條件下天線輻射場的相對值與空間方向()的關系。天線在()方向輻射的電場強度(E勺大小可以寫成EA0f式中，A0是與方向無關的常熟；f場強方向函數(shù)；則可以得到為了便于比較不同天線的方向性，常采用歸一化方向函數(shù)，(2)用F表示,F/g磐

8、maxmax(3)面以電基本振子為例具體介紹方向函數(shù)的概念。若天線輻射的電場強度為把電場強度的模值寫成:TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark126ElR.60If“r因此，場強方向函數(shù)f可定義為注叫阪將電基本振子的輻射場表達式E上擘e-jBLsin代入上式，則電基本振子的2r方向函數(shù)為 HYPERLINK l bookmark134ffZ|sin因此電基本振子的歸一化方向函數(shù)可寫為F（7）為了分析和對比方便，我們定義理想點源是無方向性天線，它在各個方向上、相同距離處的輻射場的大小是相等的，因此，它的歸一化方向函數(shù)為FW2、方向圖在距天線等距離（r=常數(shù)）的球面上

9、，天線在各點產(chǎn)生的功率通量密度或場強（電場或磁場）隨空間方向的變化曲線，稱為功率方向圖或場強方向圖，它們的數(shù)學表示式稱為功率方向函數(shù)或場強方向函數(shù)。研究超高頻天線，通常采用的兩個主平面是E面和H面。E面是最大輻射方向和電場矢量所在的平面，H面是最大輻射方向和磁場矢量所在的平面。此外，方向圖形狀還可用方向圖參數(shù)簡單地定量表示。例如：零功率波瓣寬度、半功率波瓣寬度、副瓣電平以及前后輻射比等參數(shù)。3、方向系數(shù)為了更明確地從數(shù)量上描述天線的方向性，說明天線方向性的定義式：在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射方向上輻射的功率密度Pmax和無方向性天線（點源）的輻射功率密度P之比稱為此天線的

10、方向系數(shù)，用符號D0( )表示。PDmaxP0P相同Ema2xE02P相同由于E20-(10)E(11)IE2!max將式(11)代入式(9)，得(12)r2D60P第四講：天線的電參數(shù)4、輸入阻抗天線輸入阻抗是指天線饋電點所呈現(xiàn)的阻抗值。顯然，它直接決定了和饋電系數(shù)之間的匹配狀態(tài)，從而影響了饋入到天線上的功率以及饋電系統(tǒng)的效率等。輸入阻抗和輸入端功率與電壓、電流的關系是2PVTOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark154Z注+=RjX(1)inI2Iinininin式中，P一般為復功率，R和X分別為輸入電阻和輸入電抗。ininin為實現(xiàn)和饋線間的匹配，需要時可用匹

11、配消去天線的電抗并使電阻等于饋線的特性阻抗。5、天線的效率天線效率，對發(fā)射天線來說，用來衡量天線將高頻電流或導波能量轉換為無線電波能量的有效程度，是天線的一個重要電參數(shù)。天線效率(輻射效率)是天A線所輻射的總功率P與天線從饋線得到的凈功率P之比，即AP才APA6、天線的增益表征天線輻射能量集束程度和能量轉換效率的總效益，成為天線增益。天線在某方向的增益G是它在該方向的輻射強度U同天線以同一輸入功率向空間均勻輻射的輻射強度之比，即(3)(4)G.“空才PDA未曾指明時，某天線的增益通常指最大輻射方向增益G4UmgPAA7、接收天線的電參數(shù)以及弗利斯傳輸公式通常用互易定理分析接收天線，繼而得到相關

12、的電參數(shù)、效率接收天線效率的定義是：天線向匹配負載輸出的最大功率和假定天線無耗時向匹配負載輸出的最大功率(即最佳接收功率)的比值，即Pmax(5)APopt、增益接收天線的增益定義為：假定從各個方向傳來電波的場強相同，天線在最大接收方向上接收時向匹配負載輸出的功率和天線，在各個方向接收且天線是理想無耗時向匹配負載輸出功率的平均值的比值。不難證明(6)GD、有效接收面積接收天線在某方向的有效接收面積是天線在極化匹配和共軛匹配條件下對該方向來波的接收功率與入射平面波功率通量密度之比，即(7)PRSGF2經(jīng)過公式變換，得到(8)(9)天線無耗情況下，最大接收方向的有效接收面積，記為4(4)、弗利斯(

13、Friis)傳輸公式設兩相距很遠的天線，天線1為發(fā)射天線，天線2為接收天線。則兩天線的功率傳遞比為P4Br2GGtr4B(10)(9)(9)第五講：天線陣的方向性為了加強天線方向性，由若干輻射單元按某種方式排列而成的天線系統(tǒng)，成為天線陣。組成天線陣的輻射單元成為天線元或陣元，可以是任何形式的天線。一、二元陣與方向圖乘積定理設由空間取向一致的兩個相同形式及尺寸的天線構成一個二元陣。通過數(shù)學物理推導出次二元陣的輻射場表達式。繼而得到方向圖乘積定理，即fa二、均勻直線陣均勻直線陣是等間距，且各元電流的幅度相等(等幅分布)而相位依次等量遞增的直線陣。通過幾何數(shù)學推導，得到均勻直線陣的表達式為a(2)(

14、9)繼而得到均勻直線陣的通用方向圖。接著，分析幾種常見的均勻直線陣，例如：邊射直線陣、原型端射直線陣、相位掃描直線陣以及強端射直線陣等。對幾種均勻直線陣進行方向性分析，例如：零輻射方向、主瓣寬度、副瓣最大值方向、副瓣電平以及方向系數(shù)等。第六講：理想導電平面上天線的方向性以上討論中，我們均假定天線處于無窮大自由空間中，實際上，天線都是架設在地面上或其附近存在金屬導體?？臻g任一點的場是天線直接激發(fā)的場與二次場的疊加。由電磁場理論可知，當?shù)孛婊蚪饘賹w面可以看成是無窮大導電平面時，可以用鏡像法來處理。一、鏡像原理無窮大理想導電平面上，對于垂直、水平和傾斜放置的電基本振子，垂直電基本振子和水平電基本振

15、子的鏡像振子分別與原振子相同。鏡像電流則分別與原振子的電流等幅同相和等副反相。傾斜電基本振子的鏡像振子也是傾斜的，但取向相反。鏡像電流的垂直和水平分量分別是原電流的垂直和水平分量的正像和負像。二、理想導電平面上天線的方向性主要介紹三個方面的內(nèi)容：1、垂直接地振子；2、垂直對稱振子；3、水平對稱振子。第七講：對稱陣子的方向性分析將終端開路的平行雙導線張開180即構成了直線對稱振子。對稱振子可以看成是無數(shù)個電流為I,成為z的電基本振子串聯(lián)組成的。利用線性媒質中的電磁場疊加定理，對稱振子的輻射場是這些基本振子輻射場之和。經(jīng)過一系列分析，可知，對稱振子的遠區(qū)輻射場為TOC o 1-5 h z HYPE

16、RLINK l bookmark215601COSklCClOS HYPERLINK l bookmark217EjMeSjkr(1) HYPERLINK l bookmark237rsin60IM，則對稱振子的場強方向函數(shù)為CkOlS(2)接著，根據(jù)方向函數(shù)，可以得到對稱振子的方向圖，對方向圖進行分析，可以得到對稱振子的各個電參量。第八講：常用線天線介紹但凡截面由半徑遠小于波長的金屬導體構成的天線均歸類于線天線，在長、中、短波及超短波所應用的天線，基本上均屬于此類天線。線天線的形式很多，這里僅介紹常用的典型的線狀天線。主要包括八木天線、菱形天線、螺旋天線、V形天線以及其他寬頻帶天線形式。介紹

17、各個天線的結構與幾何特性以及各自的工作原理。第九講：微帶天線及反射面天線一、微帶天線微帶天線是在帶有導體接地板的介質基片上貼加導體薄片而形成的天線。1、微帶天線的基本分析方法：分析方法主要有傳輸線模理論和腔模理論2、矩形微帶天線：分析其方向函數(shù)及方向圖3、其他形式的微帶天線4、微帶天線的饋電方式：微帶線饋電和同軸電纜饋電二、反射面天線、拋物面天線的幾何關系式和幾何光學性質、拋物面天線的輻射場、方向系數(shù)和增益、饋源以及拋物面天線的偏焦特性及其應用、其他常見的反射面天線：卡塞格倫天線、格力高里天線、環(huán)焦天線以及扇形波束天線等。電波部分：引言頻率從幾十赫茲到3000GHz頻譜范圍內(nèi)的電磁波成為無線電

18、波。發(fā)射天線或自然輻射源所輻射的無線電波，在媒質中的傳播過程就稱為無線電波傳播。根據(jù)不同頻段的電波在媒質中傳播的物理過程，可將電波傳播方式分類為：1、地波傳播2、對流層電波傳播：其中重點介紹視距傳播3、電離層電波傳播：其中重點介紹天波傳播4、其他類型的電波傳播電波總是在實際媒質中傳播的，人們常把在真空中進行的“自由空間傳播”這種理想情況，作為研究實際問題的起點。因此，首先討論自由空間傳播的菲涅爾區(qū)。第十講：菲涅爾區(qū)際菲涅爾半徑在收、發(fā)天線之間的電波傳播所經(jīng)歷的空間，存在著對傳輸電磁能量起主要作用的空間區(qū)域，稱為傳播主區(qū)。若在這一區(qū)域中符合自由空間的傳播條件，則可認為電波是在自由空間內(nèi)傳播。一、

19、菲涅爾區(qū)當需要估算傳播主區(qū)的幾何尺寸時，要應用到惠更斯-菲涅爾原理?；诨莞?菲涅爾原理，得出菲涅爾帶的定義，繼而得出任一點的輻射場就是各菲涅爾帶輻射場的總和。二、菲涅爾半徑及傳播主區(qū)的概念第十一講：視距傳播及傳輸損耗一、視距傳播：是一種常用的傳播方式，它是指發(fā)射天線和接收天線間能相互“看見”的距離內(nèi)，電波直接從發(fā)射點傳到接收點的一種傳播方式。二、傳輸損耗傳輸損耗，主要是自由空間傳輸損耗Lo此外，還應考慮大氣吸收、雨衰bf減以及天線跟蹤誤差和極化方向誤差所引起的損耗等。根據(jù)弗利斯傳輸公式，得到自由空間傳輸損耗L的計算公式為：bfL32.41520MHzr20!gdB()()(1)bf第十二講

20、：媒質對電波傳播的影響、大氣折射及等效地球半徑1、大氣對電波的折射作用2、等效地球半徑：實際上，電波在大氣層內(nèi)的傳播軌跡都是彎曲的，但是習慣上人們在處理電波傳播問題時，認識把電波射線當作沿直線傳播的，因而引出了等效地球半徑因子來進行修正。令K表示等效地球半徑R與實際地球半徑eR之比，稱為等效地球半徑因子。即：0RK(1)R0二、傳播余隙及余隙標準傳播余隙H是指收、發(fā)兩天線的連線與地面障礙物最高點之間的垂直距離。c一般來說，微波電路應選擇開電路，即傳播余隙H至少應等于或略大于最小菲c涅爾區(qū)半徑F。但由于大氣折射影響，是電波射線軌跡經(jīng)常處于變動之中，因0而引起傳播余隙的相應變化。傳播余隙變化量H與K的關系為cHcdd2K2RK(2)三、衰落衰落，一