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(dǎo)行電磁波轉(zhuǎn)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(diǎn)之間不通過任何連接設(shè)備傳輸，可用來傳輸信息的電磁波頻率構(gòu)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(chǔ)知識(shí)在通信系統(tǒng)中，傳輸線(饋線)是連接發(fā)射機(jī)與發(fā)射天線或接收機(jī)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(jiǎn)單介紹有關(guān)傳輸線的基礎(chǔ)知識(shí)。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

2、點(diǎn)介紹微波傳輸線中無耗傳輸線的基礎(chǔ)知識(shí)，主要包括反映傳輸線任一點(diǎn)特性的參量：反射系數(shù)、阻抗和駐波比。一、 反射系數(shù)這里定義傳輸線上任一點(diǎn)處的電壓反射系數(shù)為 (1)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 (2)此外，反射系數(shù)呈周期性，即 (3)二、 阻抗這里定義傳輸線上任一點(diǎn)處的阻抗為 (4)經(jīng)過一系列的推導(dǎo)，得出阻抗的最終表達(dá)式 (5)三、 駐波比(VSWR)這里定義傳輸線上任一點(diǎn)處的駐波比為 (6)經(jīng)過一系列的推導(dǎo)，得出阻抗的最終表達(dá)式 (7)此外，這里還給出反射系數(shù)與阻抗的關(guān)系表達(dá)式 (8) 這里還簡(jiǎn)單介紹一下傳輸線理論所要用到的一些基本參數(shù)，例如特性阻抗以及相位常數(shù)，具

3、體表達(dá)式如下： (9)此外，不同的系統(tǒng)有不同的特性阻抗，為了統(tǒng)一和便于研究，常常提出歸一化的概念，即阻抗稱為歸一化阻抗 (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(Electric short Dipole)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(dǎo)線，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，其半徑遠(yuǎn)小于，同時(shí)振子沿線的電流處處等幅同相。在通常情況下，導(dǎo)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(shí)際天線常可以看作是無數(shù)個(gè)電基本振子的疊加，天線的輻射場(chǎng)等于所有這些電基本振子貢獻(xiàn)的總和。因而電基本振子的輻射特性是研究更復(fù)雜天線輻射特性的基礎(chǔ)。 考慮一個(gè)

4、位于坐標(biāo)原點(diǎn)、沿軸方向、長(zhǎng)為的電流元，其上載有幅度和相位均勻分布的電流，根據(jù)電磁場(chǎng)理論，該電流元產(chǎn)生的矢量磁位（只有分量）為： (1)由圖1-7可以看到，長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相比以及與距離相比都比較小，所以從電流元上任一點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的距離（是的函數(shù)）非常接近于從坐標(biāo)原點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的距離。將式(1)中的替換為后，被積函數(shù)已不含帶撇坐標(biāo)，所以積分退化為乘法，于是 (2)得到矢量磁位后，則磁場(chǎng)強(qiáng)度為 (3)經(jīng)過公式替換及推導(dǎo)可得磁場(chǎng)強(qiáng)度(僅有分量) (4)又根據(jù)方程，可以得到電場(chǎng)強(qiáng)度（僅有和分量） (5) (6)1、 近區(qū)場(chǎng)如果場(chǎng)點(diǎn)非?？拷娀菊褡樱哼h(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)小于，則相對(duì)應(yīng)的解為 (7) (8)2、 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)如果場(chǎng)

5、點(diǎn)非常靠近電基本振子：遠(yuǎn)大于1或遠(yuǎn)大于，則相對(duì)應(yīng)的解為 (9) (10) 電基本振子遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的表達(dá)式有看出如下物理意義：(1) 、均與距離成反比，都含有相位因子，說明輻射場(chǎng)的等相位面為等于常數(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(chǎng)的分量為零，故稱其為橫電磁波，即TEM波。(2) 該球面波的傳播速度(相速)(真空光速)，與的比值為常數(shù)，稱為媒質(zhì)的波阻抗。對(duì)于自由空間來說， (3) 遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是輻射場(chǎng)，但、與成正比，說明電基本振子的輻射具有方向性，輻射場(chǎng)不是均勻球面波。二、 磁基本振子的輻射磁基本振子(Magnetic short Dipole)又稱磁流元，磁偶極子。盡管它是虛擬的，迄今

6、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(shí)際波源相對(duì)應(yīng)，例如小環(huán)天線或者已經(jīng)建立起來的電場(chǎng)波源，因此討論它是有必要的。對(duì)于磁基本振子場(chǎng)的求解問題，采用對(duì)偶原理法進(jìn)行求解。設(shè)想一段長(zhǎng)為的磁流元置于球坐標(biāo)系原點(diǎn)，根據(jù)電磁對(duì)偶性原理，只需要進(jìn)行如下變換： (11) 則磁基本振子遠(yuǎn)去輻射場(chǎng)的表達(dá)式為 (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(biāo)。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(shè)計(jì)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

7、個(gè)天線的輻射場(chǎng)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(chǎng)的相對(duì)值與空間方向()的關(guān)系。天線在()方向輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度()的大小可以寫成 (1)式中，是與方向無關(guān)的常熟；為場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)；則可以得到 (2)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)，用表示，即 (3)下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(chǎng)強(qiáng)度為，把電場(chǎng)強(qiáng)度的模值為寫成： (4)因此，場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)可定義為 (5)將電基本振子的輻射場(chǎng)表達(dá)式代入上式，則電基本振子的方向函數(shù)為 (6)因此電基本振子的歸一化方向函數(shù)可寫為 (7) 為了分析和對(duì)比方便，我們定義理想點(diǎn)源是無方向性天線，它在各個(gè)方向

8、上、相同距離處的輻射場(chǎng)的大小是相等的，因此，它的歸一化方向函數(shù)為 (8)2、方向圖在距天線等距離(r=常數(shù))的球面上，天線在各點(diǎn)產(chǎn)生的功率通量密度或場(chǎng)強(qiáng)(電場(chǎng)或磁場(chǎng))隨空間方向的變化曲線，稱為功率方向圖或場(chǎng)強(qiáng)方向圖，它們的數(shù)學(xué)表示式稱為功率方向函數(shù)或場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)。研究超高頻天線，通常采用的兩個(gè)主平面是E面和面。面是最大輻射方向和電場(chǎng)矢量所在的平面，面是最大輻射方向和磁場(chǎng)矢量所在的平面。此外，方向圖形狀還可用方向圖參數(shù)簡(jiǎn)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

9、功率的條件下，某天線在最大輻射方向上輻射的功率密度和無方向性天線(點(diǎn)源)的輻射功率密度之比稱為此天線的方向系數(shù)，用符號(hào)D表示。 (9)由于 (10)故 (11)將式(11)代入式(9)，得 (12) 第四講：天線的電參數(shù)(2)4、 輸入阻抗天線輸入阻抗是指天線饋電點(diǎn)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(guān)系是 (1)式中，一般為復(fù)功率，和分別為輸入電阻和輸入電抗。為實(shí)現(xiàn)和饋線間的匹配，需要時(shí)可用匹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(duì)發(fā)射天線來說，用來衡

10、量天線將高頻電流或?qū)Р芰哭D(zhuǎn)換為無線電波能量的有效程度，是天線的一個(gè)重要電參數(shù)。天線效率(輻射效率)是天線所輻射的總功率與天線從饋線得到的凈功率之比，即 (2)6、天線的增益 表征天線輻射能量集束程度和能量轉(zhuǎn)換效率的總效益，成為天線增益。天線在某方向的增益是它在該方向的輻射強(qiáng)度同天線以同一輸入功率向空間均勻輻射的輻射強(qiáng)度之比，即 (3)未曾指明時(shí)，某天線的增益通常指最大輻射方向增益 (4)7、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(guān)的電參數(shù) (1)、效率 接收天線效率的定義是：天線向匹配負(fù)載輸出的最大功率和假定天線無耗時(shí)向匹配負(fù)載輸出的最大功率(即最佳接收功

11、率)的比值，即 (5) (2)、增益 接收天線的增益定義為：假定從各個(gè)方向傳來電波的場(chǎng)強(qiáng)相同，天線在最大接收方向上接收時(shí)向匹配負(fù)載輸出的功率和天線，在各個(gè)方向接收且天線是理想無耗時(shí)向匹配負(fù)載輸出功率的平均值的比值。不難證明 (6) (3)、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(duì)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) 經(jīng)過公式變換，得到 (8) 天線無耗情況下，最大接收方向的有效接收面積，記為 (9)(4)、弗利斯(Friis)傳輸公式 設(shè)兩相距很遠(yuǎn)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 (10) 第五講：

12、天線陣的方向性為了加強(qiáng)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(shè)由空間取向一致的兩個(gè)相同形式及尺寸的天線構(gòu)成一個(gè)二元陣。通過數(shù)學(xué)物理推導(dǎo)出次二元陣的輻射場(chǎng)表達(dá)式。繼而得到方向圖乘積定理，即 (1)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(xué)推導(dǎo)，得到均勻直線陣的表達(dá)式為 (2)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(qiáng)端射直線陣等。對(duì)幾種均勻直線

13、陣進(jìn)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(dǎo)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(shí)際上，天線都是架設(shè)在地面上或其附近存在金屬導(dǎo)體?？臻g任一點(diǎn)的場(chǎng)是天線直接激發(fā)的場(chǎng)與二次場(chǎng)的疊加。由電磁場(chǎng)理論可知，當(dāng)?shù)孛婊蚪饘賹?dǎo)體面可以看成是無窮大導(dǎo)電平面時(shí)，可以用鏡像法來處理。一、鏡像原理無窮大理想導(dǎo)電平面上，對(duì)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

14、量分別是原電流的垂直和水平分量的正像和負(fù)像。二、理想導(dǎo)電平面上天線的方向性主要介紹三個(gè)方面的內(nèi)容：1、垂直接地振子；2、垂直對(duì)稱振子；3、水平對(duì)稱振子。第七講：對(duì)稱陣子的方向性分析將終端開路的平行雙導(dǎo)線張開180°即構(gòu)成了直線對(duì)稱振子。對(duì)稱振子可以看成是無數(shù)個(gè)電流為I，成為的電基本振子串聯(lián)組成的。利用線性媒質(zhì)中的電磁場(chǎng)疊加定理，對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)是這些基本振子輻射場(chǎng)之和。經(jīng)過一系列分析，可知，對(duì)稱振子的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)為 (1)取，則對(duì)稱振子的場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)為 (2)接著，根據(jù)方向函數(shù)，可以得到對(duì)稱振子的方向圖，對(duì)方向圖進(jìn)行分析，可以得到對(duì)稱振子的各個(gè)電參量。 第八講：常用線天線介紹但凡截面由

15、半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的金屬導(dǎo)體構(gòu)成的天線均歸類于線天線，在長(zhǎng)、中、短波及超短波所應(yīng)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。介紹各個(gè)天線的結(jié)構(gòu)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(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)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 1、拋物面天線的幾何

16、關(guān)系式和幾何光學(xué)性質(zhì) 2、拋物面天線的輻射場(chǎng)、方向系數(shù)和增益 3、饋源以及拋物面天線的偏焦特性及其應(yīng)用 4、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波。發(fā)射天線或自然輻射源所輻射的無線電波，在媒質(zhì)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(zhì)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(duì)流層電波傳播：其中重點(diǎn)介紹視距傳播3、 電離層電波傳播：其中重點(diǎn)介紹天波傳播4、 其他類型的電波傳播電波總是在實(shí)際媒質(zhì)中傳播的，人們常把在真空中進(jìn)行的“自由空間傳播”這種理

17、想情況，作為研究實(shí)際問題的起點(diǎn)。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(duì)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(rèn)為電波是在自由空間內(nèi)傳播。一、 菲涅爾區(qū)當(dāng)需要估算傳播主區(qū)的幾何尺寸時(shí)，要應(yīng)用到惠更斯-菲涅爾原理。基于惠更斯-菲涅爾原理，得出菲涅爾帶的定義，繼而得出任一點(diǎn)的輻射場(chǎng)就是各菲涅爾帶輻射場(chǎng)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(diǎn)傳

18、到接收點(diǎn)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。此外，還應(yīng)考慮大氣吸收、雨衰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的計(jì)算公式為： (1)第十二講：媒質(zhì)對(duì)電波傳播的影響一、大氣折射及等效地球半徑1、大氣對(duì)電波的折射作用2、等效地球半徑：實(shí)際上，電波在大氣層內(nèi)的傳播軌跡都是彎曲的，但是習(xí)慣上人們?cè)谔幚黼姴▊鞑栴}時(shí)，認(rèn)識(shí)把電波射線當(dāng)作沿直線傳播的，因而引出了等效地球半徑因子來進(jìn)行修正。令K表示等效地球半徑與實(shí)際地球半徑之比，稱為等效地球半徑因子。即： (1)二、傳播余隙及余隙標(biāo)準(zhǔn) 傳播余隙是指收、發(fā)兩天線的連線與地面障礙物最高點(diǎn)之間的垂直距離。 一般來說，微波電路應(yīng)選擇開電路，即傳播余隙至少應(yīng)等于或略大于最小菲涅爾區(qū)半徑。但由于大氣折射影響，是電波射線軌跡經(jīng)常處于變動(dòng)之中，因而引起傳播余隙的相應(yīng)變化。傳播余隙變化量與的關(guān)系為 (2)三、 衰落衰落，一般是指信號(hào)電平隨時(shí)間而隨機(jī)起伏的現(xiàn)象。根據(jù)引起