1、电波传播原理与应用电波传播原理与应用第一章第一章 天线的基本理论天线的基本理论研究电波传播特性的目的研究电波传播特性的目的 系统设计系统设计 收、发信设备指标收、发信设备指标 天线的性能天线的性能 天线的架设方式天线的架设方式 通信质量评定通信质量评定 不同通信业务之间相互干扰的预测和解决不同通信业务之间相互干扰的预测和解决八木天线八木天线对数周期天线对数周期天线高增益栅状抛物面天线高增益栅状抛物面天线室内吸顶天线室内吸顶天线 室内壁挂天线室内壁挂天线 单极天线单极天线 扩频天线扩频天线 背射天线背射天线 天线的作用天线的作用空间电磁波空间电磁波高频电流高频电流发射发射接收接收收、发天线具有互
2、易性收、发天线具有互易性 麦克斯韦方程组说明脱离了电流的变化的电场产生磁场，麦克斯韦方程组说明脱离了电流的变化的电场产生磁场，脱离了电荷的变化的磁场产生电场。这种电磁场在空间交替变脱离了电荷的变化的磁场产生电场。这种电磁场在空间交替变幻，绵延不断向外传播的过程就是电磁波的辐射过程。幻，绵延不断向外传播的过程就是电磁波的辐射过程。辐射场的波源是辐射场的波源是电流电流和和电荷电荷产生辐射场的前提条件是要有产生辐射场的前提条件是要有位移电流位移电流位移电流：由于电位移的变化引起的真实的电的流动。位移电流：由于电位移的变化引起的真实的电的流动。tDJd第一节第一节 发射天线的辐射原理发射天线的辐射原理
3、+-IEHtqI+-天线的辐射源天线的辐射源结论：天线的辐射源结论：天线的辐射源电流（位移电流）电流（位移电流）Jt电流连续性方程：电流连续性方程：天线的类型天线的类型 按用途分类，可分为通信天线、测量天按用途分类，可分为通信天线、测量天线等线等 按工作频段分类，可分为短波天线、超按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等短波天线、微波天线等 按方向性分类，可分为全向天线、定向按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等天线等 按外形分类，可分为线状天线、面状天按外形分类，可分为线状天线、面状天线等线等 线天线：线天线：天线的直径远小于其几何长度天线的直径远小于其几何长度可不考虑天线横
4、截面上的电流分布可不考虑天线横截面上的电流分布天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。不同场合、不同要求等不同情况下使用。接收天线的等效电路接收天线的等效电路Z0ZA0IA 0：接收天线输入端的等效电动势接收天线输入端的等效电动势Z0：接在振子中心的接收机的输入接在振子中心的接收机的输入阻抗阻抗IA：流经负载的电流，也即天线输流经负载的电流，也即天线输入端的感应电流入端的感应电流ZA：天线的输入阻抗天线的输入阻抗第二节第二节 接收天线的特性接收天线的特性 接收天线感应电流的求解接收天线感应电流的求解接收机接收机Z0ZlE0
5、EZld0i0Ezdzi2EZ：振子上振子上Z处单位长度感应出的电动势处单位长度感应出的电动势cos0sinsinjkzZeEEE根据互易定理，有根据互易定理，有020idzEidZdziiEdZ020 llZZdzzfEdzzfEdiizf0002则令假设电流在振子上按正弦规律分布，则假设电流在振子上按正弦规律分布，则 0sinsin0sinsinzlklzlklzklzlkzf,sinsincoscoscossin00000000FZZElfklZZEklklklZZEZZdzzfEZZIAeAAAllZAA结论：结论：1)接收天线的感应电流与来波方向有关接收天线的感应电流与来波方向有关
6、接收天线的方向性接收天线的方向性 2)天线用作发射和接收的方向性函数相等天线用作发射和接收的方向性函数相等 收、发天线的互易性收、发天线的互易性 接收天线的输出功率接收天线的输出功率Z0ZA0IA000,jXRZjXRZAAA设则接收天线的输出功率：则接收天线的输出功率：0221RIPAM,2,2200220FZZRlEPFZZElIAeAeAM 天线向接收机输出的最大功率天线向接收机输出的最大功率 当天线的最大接收方向对准来波方向，并且接收机当天线的最大接收方向对准来波方向，并且接收机的输入阻抗与天线完全匹配时，天线向接收机的输出功的输入阻抗与天线完全匹配时，天线向接收机的输出功率最大。率最
7、大。时，即当1,00FRRXXAAAeAAeRlERRlEP82222222max WDEPDRlAe96012022max 接收天线的有效面积接收天线的有效面积 定义：假设最大接收功率定义：假设最大接收功率Pmax是被一块与来波方向垂直的是被一块与来波方向垂直的面积所接收，这面积就称为接收天线的有效面积面积所接收，这面积就称为接收天线的有效面积A。自由空间上电磁波的功率为：与来波垂直的单位面积120212ES 22max4mDSPAAD24天线方向性系数的另一个表达式：020max021,RVPV则为设接收机输入端的电压 VElVRlERlEPeeAe2188002222max又 ,K 就称
8、为天线的校正系数就称为天线的校正系数dBldBVdBEdBldBEdBVee6log206log20006log20elK令KdBVdBE0 接收天线的校正系数接收天线的校正系数机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等电特性参数电特性参数一次参数：方向性图，输入阻抗，效率一次参数：方向性图，输入阻抗，效率二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度，二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度，前后比，极化特性等前后比，极化特性等第三节第三节 天线的特性参数天线的特性参数一、天线的辐射功率和辐射阻抗一、天线的辐射功率和辐射阻抗1.辐射功率：辐射功率：在单位时间内通过球面
9、向外辐射的在单位时间内通过球面向外辐射的电磁能量的平均值电磁能量的平均值。HES21例：求电流元的辐射功率？例：求电流元的辐射功率？rdzxyrIsinrdrsinddddrdssin2通过小面积通过小面积ds的功率为的功率为ddrHEdPsin212ddrEdPEHsin222WdEdrddrEP 2002220022sin2sin2将将 代入，得：代入，得：22322lIPE在自由空间，电流元的辐射功率为：在自由空间，电流元的辐射功率为：2240IlP2.辐射电阻：辐射电阻：将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，并使流过电阻的电流等于天线上的电流振幅，并使
10、流过电阻的电流等于天线上的电流振幅，则该电阻就称为天线的辐射电阻。则该电阻就称为天线的辐射电阻。根据定义，根据定义，RIPm22122mIPR 称为辐射电阻称为辐射电阻R例：求电流元的辐射电阻例：求电流元的辐射电阻？22322lIP电流元的辐射功率为：电流元的辐射功率为：232lR在自由空间中，在自由空间中，2280lR二、天线的方向性二、天线的方向性 天线的辐射场强与方向有关的特性，称天线的辐射场强与方向有关的特性，称为天线的方向性。为天线的方向性。以电流元为例：以电流元为例：0sin2sin60HHEEerIljHerIljErrjkrjkr 天线的方向性函数和方向性图天线的方向性函数和方
11、向性图1.用于表示天线方向性特性的函数：用于表示天线方向性特性的函数：2.电流元的方向性函数电流元的方向性函数3.电流元的方向性图电流元的方向性图),(fjkrerIljEsin60sin)(),(lff 赤道面：与天线轴垂直并经过天线中心赤道面：与天线轴垂直并经过天线中心 的平面。的平面。子午面：包含天线轴的平面。子午面：包含天线轴的平面。90某一常数1）电流元在赤道面内的方向性函数和方向性图：）电流元在赤道面内的方向性函数和方向性图：lf)(090270180E2）电流元在子午面内的方向性函数和方向性图：）电流元在子午面内的方向性函数和方向性图：sin)(lf90 0180270E 天线的
12、归一化方向性函数和归一化方向性图天线的归一化方向性函数和归一化方向性图1.归一化方向性函数：归一化方向性函数：天线辐射场与最大方向上的场强值之比。天线辐射场与最大方向上的场强值之比。,/,/,),(maxmaxffEEF 反映了天线在不同方向的场分布。反映了天线在不同方向的场分布。2.归一化方向性图：归一化方向性图：表示归一化方向性函数的空间立体图形。表示归一化方向性函数的空间立体图形。通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤道通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤道面面/E面和面和H面）的平面图来表示。面）的平面图来表示。方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平1.主瓣宽度：主
13、瓣宽度：主瓣电平的最大值降到该值的主瓣电平的最大值降到该值的0.707倍（即倍（即-3dB）时，两个方向之间的张角宽度。）时，两个方向之间的张角宽度。在方向性图中，一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣中，在方向性图中，一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣中，最大辐射方向所在波瓣称为最大辐射方向所在波瓣称为主瓣主瓣，其余波瓣称为，其余波瓣称为旁瓣旁瓣。3dB点点峰值峰值3dB点点5.022.旁瓣电平：相对主瓣最大值的比值。旁瓣电平：相对主瓣最大值的比值。),(maxmaxmaxnnnFEE3.前后抑制比：前后抑制比：方向图中，前后瓣最大值之比称为前方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为后比，记为
14、 F/B。前后比越大，天线的前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。后向辐射（或接收）越小。前后比前后比F/B 的计算：的计算：F/B=10 Lg（前向功率密度）（前向功率密度）/（后向功率密度）后向功率密度）三、天线的方向性系数三、天线的方向性系数1.定义：定义：天线辐射功率一定，在任意方向天线辐射功率一定，在任意方向 辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时的平均功率密度之比。的平均功率密度之比。),(11DSSD),(112.物理意义：物理意义：由于天线有方向性，使某方向的辐射功由于天线有方向性，使某方向的辐射功率密度比均匀辐射时增加的倍数率密度比均
15、匀辐射时增加的倍数D。实际上，。实际上，D反映了天线集中辐射能量的特性。反映了天线集中辐射能量的特性。3.方向性系数的求法：方向性系数的求法：1）已知归一化方向性函数求）已知归一化方向性函数求D先求全向天线先求全向天线(点源点源)均匀辐射时的平均辐射功率密度均匀辐射时的平均辐射功率密度:24 rPSD点源通过球面无穷小单位面积的功率为：点源通过球面无穷小单位面积的功率为：ddrFEddrEdPsin,21sin21222max22 20022max2sin,2ddFErP 20022max20022max2sin,8sin,84ddFZEddFErPSD在任意方向在任意方向),(111122m
16、ax11211,21,21,FEZEZHES 200211211sin,4,ddFFSSDD 通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方向性系数，此时，向性系数，此时，1),(11F 2002sin,4ddFD 2）已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向）已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向性函数，求性函数，求D2112114,21,rPSEZSD2112112,rZPESSDD 当天线位于自由空间时，当天线位于自由空间时，；在最大辐射方向上，在最大辐射方向上，,60),(maxmax11frIEEm1200Z大多数简单大多数简单常规天线的常规天线的
17、最大场强值最大场强值又又RIPm221DdBDfRRIfIDmmlg10,1202160,602max22max2四、天线的增益四、天线的增益1.定义：定义：在任意方向在任意方向 ,辐射功率密度与将相等辐射功率密度与将相等的输入功率均匀辐射时的平均功率密度之比，的输入功率均匀辐射时的平均功率密度之比，即天线增益为：即天线增益为：),(11GSSG),(1124 rPSAG2.物理意义：物理意义：为了在观察点有相等的辐射功率密度，为了在观察点有相等的辐射功率密度，方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线输入功率的输入功率的G倍。倍。dBi：表示比较对象是各向均
18、匀辐射的理想点源；：表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源；dBd：表示以半波对称振子为比较对象。：表示以半波对称振子为比较对象。3.3.增益的单位：增益的单位：4.4.近似计算方法：近似计算方法：1 1）若已知天线在）若已知天线在E E面和面和H H面的方向性图，则面的方向性图，则HEG27000在在E E面和面和H H面上，以度为单位的波瓣宽度。面上，以度为单位的波瓣宽度。:,HE2 2）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：可用下式估算其增益：HEidBG32000lg103 3）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：对
19、于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：025.4lg10DdBGi式中，式中，D D 为抛物面直径；为抛物面直径；0 0 为中心工作波长。为中心工作波长。4 4）对于直立全向天线，可用下式近似计算其增益：对于直立全向天线，可用下式近似计算其增益：02lg10ldBGi式中，式中，l l 为天线长度为天线长度；0 0 为中心工作波长。为中心工作波长。1.定义：定义：天线辐射功率与输入有功功率的比值，天线辐射功率与输入有功功率的比值，称为天线的效率称为天线的效率。五、天线的效率五、天线的效率RIPRIPPPPmnmnnA222121nnARRRPPPPPRRRRRnn112.物理意义：物理意义：表
20、示有百分之几的高频电流的输入有功表示有百分之几的高频电流的输入有功功率转变成了辐射出去的电磁波能量。功率转变成了辐射出去的电磁波能量。结论：结论：越大，越大，越小，天线的越小，天线的 就越高。在就越高。在工程设计中，工程设计中，往往给定，这时就需要降低往往给定，这时就需要降低 来提高天线的效率。来提高天线的效率。RnRRnR3.天线方向系数和天线增益的关系天线方向系数和天线增益的关系：DSSSSGSrPrPSPPDGDAGA111122,44GdBGDGlg10六、天线的有效长度六、天线的有效长度1.定义：定义：用一等效天线代替被研究天线，此等效用一等效天线代替被研究天线，此等效天线上的电流是
21、以被研究天线的输入电流振天线上的电流是以被研究天线的输入电流振幅均匀分布，并在最大辐射方向产生与被研幅均匀分布，并在最大辐射方向产生与被研究天线相等的电场强度。则等效天线的长度究天线相等的电场强度。则等效天线的长度就称为被研究天线的有效长度。就称为被研究天线的有效长度。2.2.天线有效长度的求法：天线有效长度的求法：1）根据定义）根据定义 先求出被研究天线在最大辐射方向上的电场先求出被研究天线在最大辐射方向上的电场振幅值，令其与电流元的最大场强值相等即可。振幅值，令其与电流元的最大场强值相等即可。2）通过电流矩求有效长度）通过电流矩求有效长度 前提条件：已知被研究天线的电流分布前提条件：已知被
22、研究天线的电流分布 。ZIllzAellzeAdzIIldzIlI13）利用方向性系数求解）利用方向性系数求解 对于电流元，对于电流元，PrlIPrEDrlIEeAeA22222maxmax606060 mDRlRlDPRIRIPAeAeAAAm1201202121122222时，当又七、天线的极化方向七、天线的极化方向1.定义：定义：天线向周围空间辐射电磁波，电磁天线向周围空间辐射电磁波，电磁波由电场和磁场构成。规定电场的方向波由电场和磁场构成。规定电场的方向就是天线极化方向。就是天线极化方向。天线的垂直极化：电场垂直于入射面天线的垂直极化：电场垂直于入射面天线的水平极化：电场平行于入射面天线的水平极化：电场平行于入射面
