复习课天线与电波传播

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,燕山大学,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,燕山大学,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,复习课天线与电波传播,麦克斯韦方程,时变场源区域麦克斯韦方程,散度定理,旋度定理,以辅助函数,A,、,， 替代求解,时变电磁场的势函数,达朗贝尔方程的解,1.1,时变电流元假设,假定时变场源为一流经 导线段上高频谐变电流,注：时变场源区域线性,各向同性均匀介质,根本电振子或元电辐射体,电偶极子,时变电流元的电磁场,时变电流元在空间引发的电磁场,P216,坡印廷矢量、性质,1-4,时变电流元的电磁场讨论,时变电流元在空间引发的,远区场,时变电流元的电磁场讨论,时变电流元在空间引发的,远区场,辐射场两个分量,相互垂直、同相,幅值与距离反比,电磁波能量沿,方向传播,时变电流元的电磁场讨论,远区场,辐射场电场与磁场空间方向正交且垂直于传播方向 、同相；辐射波阻抗：,等相面为球面 球面波，且相位随 增大不断滞后；在 极大的空间近似TEM波,场量幅值 ， ， 有效辐射发生条件：,与 相比较，频率越高天线尺寸越小。,辐射场,时变电流元的电磁场讨论,辐射场场量幅值 ， 具有,方向性,，方向函数：,方向图：,天线的主向：,求解线状天线辐射场的根本思路,将线状天线分解为假设干个有序相接的电流元，,依据电磁场的叠加原理，,线状天线辐射场等效为这些电流元,辐射场的线性叠加,p,对称振子天线,把对称振子看成是终端开路的传输线两线张开的结果，这种确定对称振子上电流分布的方法称为,等效传输线方法,分析对称振子天线的辐射特性：,把对称振子看作是无穷多个电流元沿振子轴线方向有序排列连接而成。,远离对称振子空间任意一点场等于每个电流元在该点处的叠加,。,半波阵子,：,全波阵子,：,天线的特性参量,天线的方向性特性参量,天线辐射波的极化,天线的辐射功率与辐射电阻,天线的方向系数和增益,天线的输入阻抗,天线的有效长度,天线的工作频带宽度,方向函数,方向函数：天线方向性的数学表示，就是天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系,归一化方向函数：为了对不同天线按同一尺度进展方向性的比较，把天线的方向函数对其最大值归一化,主向、主瓣、副瓣、,主瓣宽度 、主瓣张角,P227,天线辐射波的极化,天线的极化,特性是由天线发射时天线辐射波的极化特性来描述的。,线极化,：辐射波电场矢量端点的轨迹为直线,圆极化,：辐射波电场矢量端点的轨迹为圆,椭圆极化,：辐射波电场矢量端点的轨迹为椭圆,收发天线之间,主向对准、极化方向一致,。,P228,天线的辐射功率与辐射电阻,发射天线作为发射机的负载，其消耗的有功功率包括两局部：辐射功率和自身的损耗功率。,辐射功率:指随辐射电磁波传播出去不能再返回的耗散功率。,天线效率定义为辐射功率与输入功率的比值。,辐射电阻 :天线辐射到远区空间的有功功率，可等效为在一电阻元件上的损耗功率,这个电阻即是,天线的方向系数和增益,天线的方向系数用以描述主向上辐射功率集束程度,天线的方向系数:天线在主向r远处的辐射功率密度与一样辐射功率平均分配时该点处的辐射功率密度之比 。,增益:天线在主向r远处的辐射功率密度与一样输入功率平均分配时该点处功率密度之比,天线的输入阻抗,输入阻抗,是发射天线的一个重要参量，,对具体的天线作具体的研究。,天线的有效长度,天线的,有效长度,是线状天线的特性参量之一，,它是用来衡量天线辐射或接收电磁波能量效果的参量。,有效长度是对,发射天线,提出来的，,当天线上电流分布不均匀时，,在保持天线,主向,辐射场强值不变的条件下，把电流分布折算成均匀后的天线长度。,天线特性参量中，两个重要的特性参量,P291(,本章小结,5),方向性,天线阻抗,1.5,接收天线,天线互易定理:,同一天线用于发射和接收状态时，方向函数、阻抗、有效长度并推广到方向系数增益都是一样的。,这种一样是数值上的一样，其意义完全不同的。,有效接收面积:表示接收天线吸收到来电磁波的能力,付里斯传输公式,P243,发射机,接收机,电波空间,馈线,馈线,说明付里斯传输公式在天线设计应用中的意义，,能够指出公式中每一项具体含义。,1.6,天线阵列,天线组阵主要意义在于调控天线系统的,方向特性,，,方向函数乘积定理,：阵列天线的方向函数等于阵元天线的方向函数与阵函数的乘积。,P246,改变阵构造 改变阵函数 调控阵列天线方向函数,图乘,P247,例,5-4,图乘:同一外表统一角度上极径值相乘，模拟乘,图乘法那么,单元天线方向图是绕单元天线取向轴的旋转对称图形，阵函数的方向图是绕阵轴的旋转对称图形，二元阵列方向图就是两个对称图形的乘积。,对称轴所在平面上图形都一样，垂直于对称轴平面上的图形不是圆来就是点。,坐标轴对齐，点点相乘。,等幅同相,例,5-4,N,元均匀直线阵列,振子,2,与振子,1,在,P,点的辐射场相位差：,阵列函数：,阵函数最大值,：各阵元的辐射场同相位叠加,边射阵侧射阵,端射阵顶射阵,边射阵,边射阵,：各阵元同相馈电,端射阵,端射阵,：阵函数最大值发生在阵轴线方向，,相控阵天线,相邻阵元总位相差 ，阵函数为最大值,1.8,地面对天线特性的影响,分析地面等对天线工作特性的影响时，把地面看成是,无限大理想导体平面,。,远离地面架设的天线,接收点处的辐射场，是,直射波,和,地面反射波,的叠加,近地架设的天线,天线,自身的辐射波,与,地面感应电流的二次辐射波,的叠加。,P273,1.9,离散阵列中其他常用单元线状天线,折合振子在远区的辐射场就相当于两个放置于同一位置的电流完全一样的半波振子的辐射效果，,方向函数与半波振子一样,辐射强度加倍,输入阻抗为半波振子的四倍,小圆环 、磁流元和磁偶极子,一馈以高频电流的尺寸极小 的空心圆环，由于圆环尺寸极小，可认为整个环上的电流处处幅值一样，相位一样，即小圆环天线。小圆环天线又叫磁流元或称为磁偶极子。,比照电流元辐射场表达式，利用对偶性原理，可求得磁流元辐射场表达式。,以时变电场和时变磁场为源的根本辐射元,由麦克斯韦方程组可知，作为辐射源除了有时变电流，还有时变电场和时变磁场。,惠更斯元,根本缝隙辐射元,惠更斯元,面积单元中具有规那么均匀的内场分布,根本隙缝,与条形振子互补，相当于磁流元,天线理论研究中的根本辐射元,电流元电偶极子、磁流元磁偶极子、惠更斯元和根本隙缝。它们都是从具体天线中抽象出来的物理模型，对它们的几何尺寸和电磁量电流的幅值相位，内场的构造等都有相应的规定。其中电流元又是分析其它几种根本辐射元的根底，电流元的场解是直接求解麦克斯韦方程得到的。,四种辐射元辐射方向特性比较,2.1,电磁波在自然环境中的传播,地外表波地波传播,长、中、短波段,电离层反射天波传播,中波和短波波段,散射波传播,超短波波段,直视空间波传播,超短波和微波波段,电磁波沿地面传播时，电荷在地外表产生感应电荷，感应电荷随电磁波的传播而移动形成电流，所造成的欧姆损耗就是地外表对地外表波的吸收衰减。,地外表波的频率越高，地表对地外表波吸收越严重。,这种吸收和电磁波极化状态有关，水平极化电磁波更容易产生较大的吸收。,地表对电磁波的吸收的物理解释,可把电离层分为,D,、,E,、,F1,、,及,F2,各层，每层中都有一电子密度的最大值。,电离层中,电子密度不是恒定不变,，与太阳辐射直接相关。,电离层反射电波的能力与,电波频率,有关。在入射角一定时，电波频率越低，越易反射。,电波在电离层中的反射情况还与,入射角,有关。当电波频率一定时，入射角越大，越易反射。,电离层的电子分布规律,对电离层来说，,D,层晚间将会消失。而,D,层对电磁波的吸收最为严重，因此晚间天波信号将会大大增强，所以,晚间接收到的短波电台非常多,。,2.2,直立天线,长波和中波波段，采用地外表波传播方式，,要求天线辐射垂直极化波，,直立天线性能的改善,加,顶负载：,在天线的顶端加,金属球,，,金属圆盘,或,金属辐射叶,。,增加了天线顶端与地的分布电容，,使天线顶端电流不再为零,增加了天线的有效高度,，提高天线效率,加感：,在天线中串入电感，可,增大天线电流,，提高天线效率,2.3,水平偶极天线,天波,传播方式的地,-,地间,短波,远程通信。,2.4 菱形天线,天波,传播实现远距离通信的,短波,专用发射天线，,一个锐角,端接馈线与发射机相连，,另一锐角,端接匹配负载。,2.5 引向天线,八木天线,超短波段,应用极广泛的一种线状天线,(,空间波,),用一根,折合阵子,作,有源阵子,用,一根,无源振子作,反射器,多根,无源振子作,引向器,，不超过,12个,如五单元引向天线：,除有源振子外还有一个作为反射器和三个作为引向器的无源振子,2.6,螺旋天线,超短波段,的典型天线之一，,，螺线的每匝可近似为尺寸极小的圆环，其辐射,主向,与螺旋轴线垂直，称为,法向辐射模式,。, ,，天线上的电流近似于行波分布，此时天线的辐射,主向,沿螺旋轴线方向，称为,轴向辐射模式,。,，天线辐射,主向,与螺线轴线成斜射角度，称为,圆锥辐射模式,。,螺旋天线的构造与辐射模式,2.7 正交振子与电视发射天线,超短波段；,水平面无方向性，主向沿地表；,辐射水平极化波，以在接收端极大可能地防止各种垂直极化干扰波。,两个振子相互垂直空间正交，,等幅相位差90o馈电时间正交，,2.8 移动通信用天线,超短波,；,水平面全向,，,垂直面主向沿地表,；,辐射波的极化方向应与地表垂直,，因为手持机的天线都是与地面垂直使用的；,基站台的,架设高度,不必如电视中心发射天线那样高，因为蜂窝制的小区半径一般不超过,15,公里。,比较电视中心发射天线和移动通信台用天线设计的要求有何异同。,2.9 波导隙缝阵列天线,隙缝阵列天线、微带天线和口径面天线是典型的微波天线。,微波频段是以惠更斯元、根本隙缝等作为根本辐射源,在金属波导或谐振腔的壁面上开的隙缝，可用来辐射或接收电磁波。,运用电磁场的对偶原理，分析隙缝的辐射问题。,2.10 微带贴片天线的根本原理,微带贴片天线的,辐射机理,实质上是,高频电磁泄漏,。,2.11 口径面天线,口径面,：以,内场,作为辐射源的,面状天线,和自由空间的分界面，,面状天线的,辐射面,就是口径面。,辐射源是分布在口径面上的,时变电磁场,，,等效为,惠更斯元,辐射场的叠加。,从波导终端口径面到电磁喇叭，再到反射面天线的演变过程,，可以看到口径面上内场的分布规律，特别是内场相位分布规律及其校正对调整和改善天线方向性的重要作用。,感谢大家！,Thank You !,不尽之处，恳请指正！,