天线理论与设计1课件.ppt

1、天线理论与设计 第一章第一章 天线基础与定义天线基础与定义绪论绪论人类之间的通信最早是用声音声音，通过讲话来实现。随着长距离通信的愿望，出现了诸如鼓之类的装置。然后，使用一些可视的手段如信号旗、烟火等。当然，这些光通信器件应用了电磁谱的光光部分。只是在人类历史的很近代，通过使用无线电无线电，才将可见光区域以外的电磁谱用于通信。 天线的定义天线的定义IEEE官方对天线的定义是：“发射或接收系发射或接收系统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分。 天线是一个装置，它为辐射和接收无线电波天线是一个装置，它为辐射和接收无线电波提供了手段。提供了手段。它提供了从传输线

2、上的导波到从传输线上的导波到“自由空间自由空间”波的转换波的转换。这样，信息可以在异地间传输而不需任何中介结构。携带此信息的电磁波的可能频率则构成电磁频谱。电磁频谱是人类最巨大的自然资源之一，而天线已经是专门利用这一资源的装置。 天线的历史天线的历史最早的辐射实验是由有线电报发明人普林斯顿大学的J.亨利(Henry)完成的。他在上层的房间里从电路中“扔出一个火花”，并观察到了位于地下室的指针被接收电路中的电流所磁化。此实验又被扩展到间隔1公里。亨利还致力于闪电研究，在他家的屋顶上装了个竖直导线。这些实验标志着线天线的起始。1885年, T.爱迪生获得了一个通信系统的专利，其中采用了顶加载的竖直

3、天线。 天线理论基础基于麦克斯韦方程组。1864年，J.C.麦克斯韦在皇家学会发表了这篇论文，它把电力与磁力统一成单一的电磁理论。麦克斯韦还预言，光可以用电磁学来解释，光与电磁扰动二者以同样的速度行进。 1887年，德国物理学家H.赫兹(1857-1894)从实验上证明了麦克斯韦的断言，即电磁作用通过空气传播。赫兹发现，通过适当尺寸达到谐振的带有空气间隙的单个小环，可以产生火花而获得电扰动。赫兹研究的电扰动的主源，由两个处于同一平面的类似的金属板组成，每块板都用导线和电感线圈相连。这种早期天线，称为“赫兹偶极子赫兹偶极子”。赫兹还建成了环天线环天线。在获得更定向辐射需求的驱动下，他又发明了反射

4、器天线反射器天线。1888年，他用锌片制作了一个抛物柱面反射器天线。它由沿着焦线放置的偶极子馈电，工作在455兆赫。 意大利发明家G.马可尼(1874-1937)，为了发送他的原始代码，于1895年建立了一个微波抛物柱面反射器，工作在1.2千兆赫。但是，他随后改进通信范围的工作却在低频段。1901年首次穿越大西洋的无线电通信用的发射天线，是一个由50根导线做成的48米高的扇形单极子。一个70千赫的火花发生器接在天线和地之间。该天线像盘锥形天线的变种。 俄罗斯物理学家A.波波夫(1859-1905)也认识到赫兹发现无线电波的重要性，而且在马可尼之前一年开始接收无线电波。1897年，他在船与岸之间

5、相隔3海里发送了信号，因此，有时以在第一个无线电系统中使用第一个天线而闻名。不过，恰恰是马可尼开发了商用无线电，并开创了越洋通讯。马可尼可以考虑是后来被称作无线的无线之父。从此以后，“无线电(radio)”这个名字一直被使用，但是“无线(wireless)”也重又流行起来。 1912年，无线协会(WI)和无线电工程师学会(SRE)合并成立无线电工程师协会(IRE)。IRE汇刊的第一期的第一篇论文是有关天线的，这一事实标志着天线的重要性5。 早年，天线发展受限于是否有现成的发生器。约在1920年，DeForest三极管用于产生高达1兆赫的连续波信号后，物理上可实现其尺寸的谐振长度天线(例如，半波

6、振子)得以成为可能。第二次世界大战前夕，开发出了微波(约1兆赫)速调管和磁控管信号发生器与空管波导。这导致了喇叭天线的发展C.Bose(1858-1937)多年前就在印度制造了第一个电磁喇叭天线。1934年，在英国和法国之间，首个商用无线电话系统在1.8千兆赫进行了工作。战时的雷达需求催生了大批“现代”天线。诸如巨大的反射器天线、透镜天线和波导裂缝天线阵6。天线的使用天线的使用 传输电磁能可以利用传输线和天线。对收发距离为R，传输线的功率损耗是 , 其中是传输线的衰减常数。如果天线被用于视距组合中，其功率损耗正比于1/R2。一般而言，在低频和短距离时，用传输线是现实的。但是，由于可用带宽的缘故

7、，高频有吸引力。当距离变长，频率升高时，使用传输线的成本和信号损失变得很大，因此，人们更愿意使用天线。一个明显的例外是光纤，它具有很低的损耗。传输线具有不受干扰的优点，在无线电系统中却经常碰到干扰。而且，加放一根电缆就能得到附加的带宽。不过，使用电缆总会带来显著的花费与架设时间。 2R-)(e 在某些应用中，不得不使用天线天线。例如，移动通信，包括飞机、航天飞机、船舶或地面机动车都需要天线。在广播的场合，天线也很流行，那儿的发射终端能为无限多的接收机服务，这些接收机还可能是移动的。非广播无线电应用，如城市无线电(警察、消防、公用事业)和业余无线电，也需要天线。 此外，个人通信设备，诸如寻呼机、

8、蜂窝电话也是常见场合。天线还有很多非通信应用，其中包括遥感与工业应用。遥感系统既可以是有源的(如雷达)，也可以是无源的(如辐射计)。分别用于接收目标的散射能量或辐射能量。接收到的信号经过处理可推断关于目标或场景的信息。工业应用包括微波加热与干燥。 天线不可能像通常在电子学中发生的那样，小型化到被芯片所取代。虽然长期使用的天线类型将保持它的使用直到遥远的未来，但新的应用还是需要发明新天线系统。例如，要求更多通信，导致了个人通信系统(PCS)的问世。每个人不用受导线连接的约束，只要带一个小无线电，可以在地球上任何地方使用。电子电气工程师协会(IEEE)新技术方向委员会电技术的7个重大挑战性课题中，

9、第一个就是“使任何人任何人，在世界上任何任何可到达的地方地方，在任何时刻任何时刻，能不接电线或电缆就用通信手段按自己的意愿联系上。”“无线(wireless)”社会只有通过天线天线才有可能。可以确信，天线的未来一定灿烂辉煌。 关于辐射问题的麦克斯韦方程的解关于辐射问题的麦克斯韦方程的解 在给定外加流J后，就能够求解A。随后就可以方便地由式(1-37)和下式找出场 矢量波动方程通过分解成三个标量方程来求解。将A分解成直角坐标分量： 首先来求出点源的解。然后，这个单位脉冲响应解可以用来形成一般的解，只要把任意源看作点源的集合。点源的微分方程是 总的解是全部分量的和，为 理想偶极子理想偶极子我们将术

10、语理想偶极子理想偶极子用于指电尺寸小到满足zDr 远场距离远场距离是2D2/。如果天线聚焦在无限远，该区域在历史上称为夫琅禾费区夫琅禾费区，即发射时在离天线甚远处射线都平行。在远场区，辐在远场区，辐射方向图不依赖于距离射方向图不依赖于距离。例如，理想偶极子的sin方向图在其远场区任何地方都有效。rff以内区域，称为近场以内区域，称为近场，又分成两个子区。感应近场区感应近场区最靠近天线，此区中感应场强于感应场强于辐射场辐射场。只要有D，该区域就延伸到0.62 。对理想偶极子，该距离是/2。在感应近场区和远场区之间是辐射近场区，在感应近场区和远场区之间是辐射近场区，其中辐射场占主导地位其中辐射场占

11、主导地位，而且角向场分布依赖于离天线的距离。对聚焦在无限远的天线，该区有时称为菲涅耳区菲涅耳区。 场区距离可以总结如下表： _ 区域 离天线的距离 _ 感应近场 0到0.62 (1-100a) 辐射近场 0.62到2 (1-100b) 远 场 2到 (1-100c) 辐射场的推导步骤辐射场的推导步骤求求A。选择一个最适合于天线的几何形状的坐标系统，采用图1-8的标记。一般地，采用(1-58)且令幅度因子中Rr，并以式(1-96)平行射线近似来确定天线上的相位差。在这些条件下得到 求求E。一般地用如下分量它相对于传播方向是横向的。其正规化的表式式是它来源于A相对于远场球面的切向分量。对z向源，

12、求求H一般地，采用平面波关系式 辐射方向图的定义辐射方向图的定义包含最大辐射方向的辐射瓣是最大瓣包含最大辐射方向的辐射瓣是最大瓣，主瓣主瓣，或，或主波束主波束。 归一化功率方向图 方向图通常以分贝为单位作图。 辐射方向图的参数辐射方向图的参数 天线的辐射通过天线方向图函数天线方向图函数作数学表达，对场用F(,)，对功率用P(,)。辐射的这种角度分布可通过方向图的各种图形表达实现可视化，图形表示也用于方向图参数的定义，这些参数普遍用于定量描述辐射方向图的特性。三维图给出了辐射方向图的很好的总体印象，三维图给出了辐射方向图的很好的总体印象，但不可能提供定量信息但不可能提供定量信息。最流行的方向图作

13、最流行的方向图作图是取方向图的剖面。通常包含图是取方向图的剖面。通常包含E面与面与H面方面方向图向图， 旁瓣电平旁瓣电平 -旁瓣方向图峰值与主瓣方向图值的比。整个方向图的最大的旁瓣电平就是最大(相对)旁瓣电平，往往缩写成SLL。用分贝表示时，它由下式给出(max)(log20fSLLFSLLdB半功率束宽半功率束宽HP -是主波束功率方向图等于最大值一半的两点间的夹角： ightHHPleftHPPr 在三维情况三维情况下，辐射方向图主瓣成为立体物，半功率轮廓是一连续曲线。如果该曲线基本上是椭圆，方向图剖面包含椭圆的长轴和短轴，就确定了IEEE所定义的主半功率束宽。天线常常由它们产生的方向图来

14、命名。各向同性天线各向同性天线是一种假想假想的天线，向所有方向均等地辐射，给出一个无变化的辐射方向图。全向天线全向天线的方向图在一个平面里无变化.边射天线边射天线或端射天线端射天线。主瓣最大点的方向垂直于天线所在平面的称为边边射天线射天线。主瓣最大点的方向在天线所在平面内的称为端射端射天线天线。 方向性和增益方向性和增益天线的一个非常重要的描述是，相对于其他方向，它在多大程度上把能量集中辐射到预期的方向。天线的该特性称为方向性方向性 方向性方向性 方向性的定义是在给定方向上的辐方向性的定义是在给定方向上的辐射强度与平均辐射强度之比射强度与平均辐射强度之比 方向性的计算其中A是波束立体角波束立体

15、角，它被定义为 当仅提到方向图的数值而不涉及方向时，通常就指方向图的最大值(峰值)。由式(1-140)得到最大方向性最大方向性为 例例1-2 理想偶极子的方向性理想偶极子的方向性 增益增益 方向性方向性 完全由天线的辐射方向图决定完全由天线的辐射方向图决定。当天线用于一个系统时(比如说作为发射天线)，实际上感兴趣的是，天线如何有效地把其终端接收天线如何有效地把其终端接收到的资用功率转换成辐射功率以及其定向性到的资用功率转换成辐射功率以及其定向性。功率增益功率增益 (或简称增益)就用来对此作定量描述，且被定义成4乘以给定方向的功率强度除以天线从所连接的发射机得到的净功率 辐射效率辐射效率er方向

16、性与增益的单位方向性与增益的单位 增益往往被用来描述天线相对于某些标准参考天线的性能。相对增益相对增益被定义为，同样输入功率下，天线的最大辐射强度Um与参考天线的最大辐射强度Um,ref之比,或 天线阻抗、辐射效率和短振子天线阻抗、辐射效率和短振子 一个天线的输入阻抗输入阻抗 就是呈现在天线终端的阻抗。因此，必须给天线定义适当的终端。输入阻抗可能受附近其他天线或物体的影响，但是，在这里我们假定天线是孤立的。输入阻抗包含实部和虚部 输入电阻RA代表耗散，它以两种方式出现。离开天线而永不返回的功率(即辐射)是一种耗散。另外还有欧姆损耗附带加热天线结构。但对许多天线，欧姆损耗比辐射耗散小。不过，对尺

17、寸远小于波长的电小天线，它的欧姆损耗通常较显著。输入电抗代表XA储存在天线近场中的功率。作为互易性的结果，天线的阻抗在接收与发射时是一样的。 短振子的三角形电流分布导致其等效长度等于其物理长度的一半。这是由于等效长度正比于电流与距离关系曲线下的面积(示于图1-20)，它来自积分公式(1-103)，且对于短振子有exp(jzcos)1。辐射场也同样正比于等效长度。由于辐射电阻正比于远区场平方的积分，而理想偶极子与短振子的方向图又相同，所有辐射电阻正比于等效长度的平方。短振子上三角形电流的面积只有均匀电流面积的一半，所以，辐射电阻只有理想偶极子的四分之一。 例例1-4 调幅汽车收音机天线的辐射效率

18、调幅汽车收音机天线的辐射效率大多数装在档泥板上的汽车收音机天线长约31英寸。假设档泥板成为单极子天线的镜面，构成62英寸(L=1.575米)长的振子，直径1/8英寸(a=0.159厘米)。工作频率1兆赫(=300米)时，电长度为0.00525,是电小天线。假如采用短振子模型 天线极化天线极化天线极化天线极化 是天线辐射时辐射波的极化。因此，所有关于波极化的讨论都适用于天线极化。天线辐射波的极化随方向而变。通常，天线的极化特性在主瓣上保持相对恒定，而主瓣峰的极化就用来描述天线极化。不过，旁瓣辐射的极化可能与主瓣的极化大不一样。当测量天线的辐射时，为完整起见，E和E二者都需测量。一个完全线极化天线

19、，例如z轴上的线源，当一个线极化探针天线指向响应E，其主平面方向图是完全确定的。 椭圆的倾角是x轴(水平轴)与椭圆长轴间的夹角。由图1-24可见，空间角是 其中椭圆轴比|AR|是长轴电场分量与短轴电场分量之比。AR的符号对右旋为正，对左旋为负。轴比常常以分贝为单位，用20log| AR |表示。 互易天线在发射和接收时，具有同样的辐射方向图。这可以扩展到辐射的矢量状态，包括极化。如果一个发射天线的极化椭圆轴比、旋转方向、长轴指向与接收天线的一样(在发射天线方向)，该发射天线就是与接收天线极化匹配的。例如，一个右旋圆极化接收天线与右旋圆极化波是匹配的。作为机械上的相似性，考虑一右手螺纹杆相应于右旋圆极化(RHCP)波，而右手螺孔代表RHCP天线。在拧进或拧出时，相当于接收或发射，杆和孔是匹配的。