微波技术与天线-第四章-天线基本理论课件.ppt

1、下 页上 页电流元的辐射场电流元的辐射场4.1对称振子的辐射场对称振子的辐射场4.2发射天线的电参数发射天线的电参数4.3面天线的基本理论面天线的基本理论4.5天线阵的方向性天线阵的方向性4.4下 页上 页监测沙尘暴灾害监测沙尘暴自然灾害监测沙尘暴自然灾害下 页上 页导行电磁波导行电磁波发射发射天线天线无线电波无线电波导行电磁波导行电磁波接收接收天线天线均匀平面波均匀平面波Eq 天线的定义天线的定义无线通信天线收发电磁波示意图无线通信天线收发电磁波示意图发射机发射机接收机接收机馈线馈线馈线馈线 天线：辐射和接收电磁波的装置天线：辐射和接收电磁波的装置 天线的作用：天线的作用：发射天线：把高频电

2、流能量转化为在预定方向的电磁波发射天线：把高频电流能量转化为在预定方向的电磁波 接收天线：把空间的电磁波转化为高频电流电压接收天线：把空间的电磁波转化为高频电流电压 天线的地位：天线的地位：高频电流能量和电磁波的接口高频电流能量和电磁波的接口 无线电波的出口和入口无线电波的出口和入口下 页上 页q 天线的种类天线的种类相控阵天线相控阵天线电偶极子天线电偶极子天线微带天线微带天线缝隙天线缝隙天线面天线面天线卫星天线卫星天线返 回 一段载有一段载有均匀同相均匀同相的时变的时变电流的导线称为电流的导线称为电流元电流元，而且，而且有有 d l，l ，l r。Ild内壁电流内壁电流电流元电流元下 页上

3、页 电流元周围是电流元周围是无限大均无限大均匀线性匀线性且且各向同性各向同性的的理想理想介介质。质。利用矢量磁位利用矢量磁位 A 计算辐射场。计算辐射场。rIlzyx,P(x,y,z)OJHH2kJEEj2kAH1 j jAAElrrkIlrrrAd|e4)(|j式中式中k式中式中下 页上 页q 电基本振子的辐射公式电基本振子的辐射公式分析天线的电分析天线的电辐射辐射特性，使用特性，使用球球坐标系较为方便。坐标系较为方便。rIlzyx,lrrll ,lrrkIlrrrAd|e4)(|j又因电流仅具有又因电流仅具有z 分量，即分量，即 。lzddelcoszrAA sinzAA0A 矢量位矢量位

4、 A 在球坐标系在球坐标系中的各分量为中的各分量为 AzAr-AzzAerA)(krzrlIAje4 因此因此,11r rrr2j2jeerr下 页上 页由由 求得求得磁场强度磁场强度各个分量为各个分量为AH1krrkkrlIkHj222e1j4sin 0rHH 由由 ，或者，或者 ，根据，根据磁场强度算出磁场强度算出电场强度电场强度为为 j jAAEEH j e1j2cos jj33223krrrkrklIkEkrrkrkkrlIkEj33223e1j14sin j 0E下 页上 页可见，在球坐标系中，可见，在球坐标系中，z 向电流元场强具有向电流元场强具有 ，及及 三个分量，而分量三个分量

5、，而分量 。HrEE0EHHrkrrkkrlIkHj222e1j4sin 0EHHr e1j2cos jj33223krrrkrklIkEkrrkrkkrlIkEj33223e1j14sin j电流元产生的电磁场为电流元产生的电磁场为TM 波。波。rIlzyx,EErH下 页上 页q 电基本振子的场区划分电基本振子的场区划分 对于对于近区场近区场。因。因 ，则，则低次低次项项 可以忽略，且令可以忽略，且令 ，那么，那么 r12rkrkr11ej kr 4sin 2rlIH3 2cos jrlIEr3 4sin jrlIE 电场与磁场的电场与磁场的时间相位差时间相位差为为 ，复能流密度的，复能流

6、密度的实部实部为为零零。能量没有单向流动，完全被束缚在源的。能量没有单向流动，完全被束缚在源的周围，因此近区场又称为周围，因此近区场又称为束缚束缚场场。2恒定电流元恒定电流元 Il电偶极子电偶极子 qlkrrkkrlIkHj222e1j4sin 0EHHr e1j2cos jj33223krrrkrklIkEkrrkrkkrlIkEj33223e1j14sin j 因此因此 的区域称为的区域称为近区场近区场。近区场与静态。近区场与静态场完全相同，场完全相同，无滞后无滞后现象，又称为现象，又称为似稳场似稳场。r下 页上 页 对于对于远区场远区场。因。因 ，则，则高高次次项可以忽略，只剩下两个分量

7、项可以忽略，只剩下两个分量 和和 ，得，得r12rkrHEkrrlIHje2sin jkrrlZIEje2sin j式中式中 为周围介质的波阻抗。为周围介质的波阻抗。Z 传播方向为传播方向为 r，电场及磁场均与，电场及磁场均与r 垂直，远垂直，远区场为区场为TEM波波，电场与磁场的关系为，电场与磁场的关系为 。ZHE 电场磁场同相，复能流密度仅有电场磁场同相，复能流密度仅有实部实部，能，能量不断向外量不断向外辐射辐射，所以远区场又称为，所以远区场又称为辐射场辐射场。的区域称为的区域称为远区。远区。电流元电流元远区场远区场的特点：的特点：r下 页上 页krrlIHje2sin jkrrlZIEj

8、e2sin j 远区场强振幅与距离远区场强振幅与距离 r 一次方一次方成反比，这种成反比，这种衰减不是衰减不是介质介质的损耗引起的，而是的损耗引起的，而是球面波球面波的自然的自然扩散扩散。远区场强振幅还与观察点所处的远区场强振幅还与观察点所处的方位方位有关，这有关，这种特性称为天线的种特性称为天线的方向性方向性。与方位角。与方位角 及及 有关的函有关的函数称为数称为方向性因子方向性因子，以，以 f(,)表示。表示。z 方向电流元具有方向电流元具有轴对称轴对称特点，场强与方位角特点，场强与方位角 无无关，即关，即 。sin),(f z 向电流元在向电流元在=0 的轴线方向上辐射为零，在与的轴线方

9、向上辐射为零，在与轴线垂直的轴线垂直的=90方向上辐射最强。方向上辐射最强。下 页上 页 远区场中也有电磁能量的远区场中也有电磁能量的交换交换部分。但是由于部分。但是由于交换交换部分的场强振幅至少与距离部分的场强振幅至少与距离r2 成反比，而成反比，而辐射辐射部分的场强振幅与距离部分的场强振幅与距离 r 成反比，因此，成反比，因此，远区远区中中交交换换部分所占的比重很小，部分所占的比重很小，近区近区中中辐射辐射部分可以忽略。部分可以忽略。近区场近区场远区场远区场ErO下 页上 页返 回 对称天线是一根对称天线是一根中心馈电中心馈电，长度可与，长度可与波长波长相相比拟的载流导线。比拟的载流导线。

10、下 页上 页电场电场电场电场电场电场振子振子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场 对称天线的对称天线的半长半长为为L，沿，沿 z 轴放置，中点为原轴放置，中点为原点，电流点，电流分布函数分布函数可以表示为可以表示为|)|(sinmzLkII式中式中,Im 为电流驻波的为电流驻波的波腹电流波腹电流。2k 对称天线可以看成是由很多对称天线可以看成是由很多电流电流振幅不等振幅不等但但相位相同相位相同的的电流电流元元排成一条直线形成的。排成一条直线形成的。利用利用电流元电流元的远区场公式即可直接计算对称天的远区场公式即可直接计算对称天线的辐射场。线的辐射场。LLdzyxIm下 页上 页已知电流元已

11、知电流元 产生的远区电场强度为产生的远区电场强度为zIdrkrzZIEje2sindjd 由于由于 ，可以认为组成，可以认为组成对称天线的每个电流元对于观对称天线的每个电流元对于观察点察点P 的的指向指向是相同的是相同的,Lr zyxPrdzzzcosr 各个电流元在各个电流元在 P 点产生的远区点产生的远区电场方向电场方向相同，相同，合成电场为各个电流元远区电场的合成电场为各个电流元远区电场的标量和标量和,rkLLrzZIEj e2sindj即即rr/即即下 页上 页 考虑到考虑到 ，可以近似认为，可以近似认为 。但是。但是相位相位因子因子中的中的 r 不能以不能以r 代替代替。rLrr11

12、由于由于 ，可以认为，可以认为rr/coszrrrkLLrzZIEj e2sindj若周围为若周围为理想理想介质，那么介质，那么远区远区辐射电场为辐射电场为krkLkLrIEjmesincos)coscos(60j方向性因子为方向性因子为sincos)coscos()(kLkLf可见，方向性因子可见，方向性因子仅仅为方位角为方位角 的函数。的函数。下 页上 页2L=/22L=2L=22L=3/2sincos2cos)(fsin1)coscos()(fsincos23cos)(fsin1cos2cos)(f半波天线半波天线全波天线全波天线下 页上 页 对称振子辐射场随长度对称振子辐射场随长度 L

13、 的变化的变化返 回对称振子辐射场动画演示对称振子辐射场动画演示使用使用归一化归一化方向性因子描述方向性比较方便。方向性因子描述方向性比较方便。式中，式中，fm 为方向性因子的为方向性因子的最大值最大值。归一化方向性因子的最大值归一化方向性因子的最大值 Fm=1。式中，式中，为为最强最强辐射方向上的场强振幅。辐射方向上的场强振幅。m|Em),(),(ffF其定义为：其定义为：任何天线的辐射场任何天线的辐射场振幅振幅可用归一化方向性因可用归一化方向性因子表示为：子表示为：),(|mFEE 下 页上 页q 天线方向性天线方向性 利用归一化方向性因子绘制天线的方向图。利用归一化方向性因子绘制天线的方

14、向图。通常使用通常使用直角坐标系直角坐标系或或极坐标系极坐标系。z 方向电流元的方向性因子方向电流元的方向性因子 ，。sin),(f1mfsin),(F 若用若用极坐标极坐标系系，在任，在任何何 等于等于常数的平面内，常数的平面内，函数函数 的变化轨迹为的变化轨迹为两个圆两个圆。),(Fyzyx 在在 的平面内，以的平面内，以 为变量的函数的轨迹为为变量的函数的轨迹为一一个圆个圆。2下 页上 页 辐射最强的方向称为辐射最强的方向称为主射方向主射方向，辐射为零的方向，辐射为零的方向称为称为零射方向零射方向。具有主射方向的方向叶称为。具有主射方向的方向叶称为主瓣主瓣，其，其余称为余称为副瓣副瓣。场

15、强为主射方向上场强振幅的场强为主射方向上场强振幅的 倍的两个方向之倍的两个方向之间的夹角称为间的夹角称为半功率角半功率角，以，以 表示；表示；两个零射方向两个零射方向之间的夹角称为之间的夹角称为零功率角零功率角，以，以 表示。表示。215.02022 0主射方向主射方向主瓣主瓣后瓣后瓣副瓣副瓣零射方向零射方向零射方向零射方向12 0.52121下 页上 页 当当有向有向天线在天线在主射方向主射方向上与上与无向无向天线在天线在同一同一距离距离处获得相等场强时，无向天线所需的处获得相等场强时，无向天线所需的辐射辐射功功率率 与有向天线的与有向天线的辐射辐射功率功率 之比值称为方向性之比值称为方向性

16、系数系数 D，0rPrP式中式中,为为有向有向天线主射方向上的场强振幅。天线主射方向上的场强振幅。为为无向无向天线的场强振幅。天线的场强振幅。m|E|0E方向性愈强，方向性愈强，D 值愈高。值愈高。0rrPP 方向性系数常以分贝表示。方向性系数常以分贝表示。0m|r0rEEPPD即即1DDDlg10dB即即下 页上 页q 天线的方向系数天线的方向系数 实际天线具有实际天线具有损耗损耗，输入输入功率功率PA大于大于辐射辐射功率功率Pr。Pr与与PA 之比称为天线的之比称为天线的效率效率,天线的天线的增益增益以以G表示。增益是在相同的场强下，无表示。增益是在相同的场强下，无向天线的向天线的输入输入

17、功率功率PA0与有向天线的与有向天线的输入输入功率功率PA 之比：之比：无向无向天线的效率天线的效率 ，得：，得：10DGGGlg10dB地球站的大型抛物面天线增益高达地球站的大型抛物面天线增益高达50dB以上。以上。ArPP即即|A0A0mEEPPG下 页上 页q 天线的效率及增益天线的效率及增益返 回由多个简单天线构成的复合天线称为由多个简单天线构成的复合天线称为天线阵天线阵。调整单元天线的调整单元天线的类型类型、数目数目、电流、电流振幅振幅及及相位相位、取向取向及及间隔间隔，即可形成所需的方向性。，即可形成所需的方向性。若各个单元天线的若各个单元天线的类型类型和和取向取向均相同，且以相等

18、的均相同，且以相等的间隔间隔 d 排列在一条排列在一条直线直线上。各单元上。各单元天线的电流天线的电流振幅振幅均为均为 I，但相，但相位依次逐一滞后位依次逐一滞后同一同一数值数值 ，那么，这种天线阵称为那么，这种天线阵称为均匀直均匀直线式天线阵线式天线阵。Ixzydddn4312I e-jI e-j2I e-j3I e-j(n-1)dcosr1r4r3r2rnP下 页上 页 可见，阵因子与单元天线的可见，阵因子与单元天线的数目数目n、间距间距 d 及及电流的电流的相位差相位差 有关。有关。天线阵的阵因天线阵的阵因子为：子为：)cos(21sin)cos(2sin),(kdkdnfn 适当地变更

19、单元天线的适当地变更单元天线的数目数目、间距间距及及电流相位电流相位，即可改变天线阵的方向性。即可改变天线阵的方向性。根据给定的方向性，确定天线阵的结构，这是根据给定的方向性，确定天线阵的结构，这是天线阵的天线阵的综合综合问题。问题。下 页上 页单元天线电流单元天线电流相位相同相位相同的天线阵称为的天线阵称为同相阵同相阵。由由 ，得，得02m 可见，若不考虑可见，若不考虑单元天线单元天线的方向性，则主射的方向性，则主射方向垂直于天线阵的轴线，这种天线阵称为方向垂直于天线阵的轴线，这种天线阵称为边射边射式天线阵式天线阵。若电流相位差若电流相位差 ，得，得kd0m 可见，若不考虑可见，若不考虑单元

20、天线单元天线的方向性，则主射的方向性，则主射方向指向电流相位滞后的一端，这种天线阵称为方向指向电流相位滞后的一端，这种天线阵称为端射式天线阵端射式天线阵。下 页上 页三种二元阵的方向图三种二元阵的方向图 0d=/200d=/20 2d=/4 根据根据方向图乘法规则方向图乘法规则即可理解这些二元阵方即可理解这些二元阵方向图的形成原因。向图的形成原因。下 页上 页GSMGSM、CDMACDMA移动通信系统基站天线移动通信系统基站天线下 页上 页基站天馈系统示意图基站天馈系统示意图8防雷保护器防雷保护器主馈线（主馈线（7/8“）5馈线卡馈线卡6走线架走线架4接地装置接地装置3接头密封件接头密封件绝缘

21、密封胶带，绝缘密封胶带，PVC绝缘胶带绝缘胶带1天线调节支架天线调节支架GSM/CDMA板状天线板状天线抱杆（抱杆（50114mm）2室外馈线室外馈线9室内超柔馈线室内超柔馈线7馈线过线窗馈线过线窗基站主设备基站主设备下 页上 页大灵通通信系统基站天线大灵通通信系统基站天线小灵通通信系统基站天线小灵通通信系统基站天线下 页上 页下 页上 页超视距雷达天线阵超视距雷达天线阵下 页上 页装备了雷神公司装备了雷神公司APG-63(V)2有源电子扫描阵列天线有源电子扫描阵列天线 下 页上 页返 回口口 径径抛物面天线抛物面天线口口 径径透镜天线透镜天线喇叭天线喇叭天线口口 径径 三种天线都是通过一个三

22、种天线都是通过一个平面口径平面口径向外辐射电磁向外辐射电磁能量，因此，这类天线称为能量，因此，这类天线称为面天线面天线。面天线的求解分为面天线的求解分为两步两步：首先求出口径场，然：首先求出口径场，然后根据口径场再求解空间场。后根据口径场再求解空间场。下 页上 页可见，方向性因子为可见，方向性因子为sinsin)sinsinsin(cossin)cossinsin()cos1(),(kbkbkakaf实际中，仅需实际中，仅需 及及 两个主平面内的方向图。两个主平面内的方向图。20sin)sinsin()cos1()0 ,(kakafsin)sinsin()cos1()2,(kbkbf0j00e

23、sinsin)sinsinsin(cossin)cossinsin()cos1(2jkrSPkbkbkakarabEE面天线在空间中某点面天线在空间中某点 P 处产生的辐射电场为：处产生的辐射电场为：下 页上 页若若 ，则两个主平面的方向图如下：，则两个主平面的方向图如下：52 ,32baba442.0 442.025.0或ba 20或主叶半功率角主叶半功率角20.5和零功率角和零功率角20 分别近似为分别近似为 方向性系数为方向性系数为 24AD 可见，口径的可见，口径的波长尺寸波长尺寸越大，越大，主叶主叶越窄，越窄，方方向性系数向性系数越大。越大。式中式中abA4f(,0)XaxyzOb-

24、a-bf(,)2下 页上 页下 页上 页由初级照射器和抛物面由初级照射器和抛物面反射器两部分组成。最常采用反射器两部分组成。最常采用的抛物面天线是旋转抛物面天的抛物面天线是旋转抛物面天线，即由抛物线绕轴线旋转而线，即由抛物线绕轴线旋转而成的反射面组成的天线。初级成的反射面组成的天线。初级照射器与馈线相联照射器与馈线相联,其作用是其作用是向反射面上辐射电磁波，其位向反射面上辐射电磁波，其位置在抛物面的焦点上。然后由置在抛物面的焦点上。然后由反射器将初级照射器的辐射的反射器将初级照射器的辐射的电磁波变为方向性较强波束辐电磁波变为方向性较强波束辐射出去。故有较强的方向性和射出去。故有较强的方向性和较

25、高的增益。较高的增益。抛物面天线抛物面天线背包式自动寻星天线背包式自动寻星天线下 页上 页下 页上 页 卡塞格伦天线是一种具有卡塞格伦天线是一种具有双反射器的天线系统。初级照双反射器的天线系统。初级照射器所发出的球面波束射器所发出的球面波束,首先首先射向前方的旋转双曲面射向前方的旋转双曲面,再经再经旋转双曲面的反射后投射到旋旋转双曲面的反射后投射到旋转抛物面上转抛物面上,最后由抛物面再最后由抛物面再次反射成为平行光束辐射出去。次反射成为平行光束辐射出去。它是低噪声它是低噪声,高增益的天线高增益的天线,常常用于卫星地面站和中继通信站。用于卫星地面站和中继通信站。卡塞格伦天线是利用卡塞格伦卡塞格伦

26、天线是利用卡塞格伦天文望远镜的几何光学原理演天文望远镜的几何光学原理演变而来的变而来的,故由此而得名。故由此而得名。卡塞格伦天线卡塞格伦天线下 页上 页艾伦望远镜阵列包括艾伦望远镜阵列包括42个碟形卫星天线个碟形卫星天线 下 页上 页微带天线微带天线微带天线是微带天线是20世纪世纪70年代初期研究成功的一种新型天线。年代初期研究成功的一种新型天线。它是由一个薄的介质片它是由一个薄的介质片(厚度厚度k)上用金属沉积法沉积成矩上用金属沉积法沉积成矩形，圆形或其他几何形状的辐射元，而背面贴以金属薄层形，圆形或其他几何形状的辐射元，而背面贴以金属薄层作接地板而构成的，图中给出了常用的矩形和圆形的微带作

27、接地板而构成的，图中给出了常用的矩形和圆形的微带线的结构示意图。线的结构示意图。下 页上 页q 其它天线简介其它天线简介设计实例设计实例下 页上 页 螺旋天线是用导电性良好螺旋天线是用导电性良好的金属做成的螺旋形导线天线的金属做成的螺旋形导线天线,常用同轴线激励，同轴线外导常用同轴线激励，同轴线外导体张开为反射屏。螺旋天线可体张开为反射屏。螺旋天线可工作于多种模式，但在超高频工作于多种模式，但在超高频波段，最为常用的是轴向辐射波段，最为常用的是轴向辐射的工作模式，讨论螺旋天线为的工作模式，讨论螺旋天线为辐射场时，不能仅仅只讨论辐射场时，不能仅仅只讨论E分量了，这是因为波源分布在分量了，这是因为

28、波源分布在立体的螺旋线上，它的辐射场立体的螺旋线上，它的辐射场既有既有E分量还有分量还有E分量（分量（Er分分量可忽略）。量可忽略）。螺旋天线螺旋天线下 页上 页 在短波远距离通信中，常需要方向性很强的天线，故在短波远距离通信中，常需要方向性很强的天线，故采用天线阵来提高其方向性，同相水平天线是最常采用的采用天线阵来提高其方向性，同相水平天线是最常采用的一种。它的优点是方向性图主瓣尖锐，副瓣少而小，天线一种。它的优点是方向性图主瓣尖锐，副瓣少而小，天线效率在效率在95%95%以上缺点是只能用于很窄的频带，装置复杂，以上缺点是只能用于很窄的频带，装置复杂，维护费用较多，故一般用于高质量的通信主干线上。维护费用较多，故一般用于高质量的通信主干线上。同相水平天线同相水平天线美国海军实验室建立的电离气体等离子体天线实验系统美国海军实验室建立的电离气体等离子体天线实验系统等离子体天线等离子体天线 下 页上 页中科院空间科学与应用研究中心建立的离子体天线实验装置中科院空间科学与应用研究中心建立的离子体天线实验装置下 页上 页返 回结结 束束 放放 映映下 页上 页