第六章 天线

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磁基本振子的辐射
沿z轴放置的磁基本振子的场
Er E H 0
0 pm jk 1 jkr E j sin( 2 )e 4 r r
pm k 1 jkr Hr j cos ( 2 j 3 )e 2 r r

2P Er cos 3 4 0 r E P 4 0 r
3
sin
Idl H sin 2 4r
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电基本振子的辐射
Il E j 0 (sin )e jkr 2r 远区（ kr>>1）（λ/r<<1） E 0 -1起主要作用， 当λ/r<<1时， r Er 0 r-2 ，r-3 可以忽略不计 H r H 0
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天线工程最关心的问题
方向性：即对空间不同方向的辐射或接收效果不同。 馈线的阻抗匹配问题 天线极化 天线频宽
0.5
零功率波瓣宽度
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一、天线方向图及其有关参量
旁瓣电平：
指离主瓣最近且电平最高的 第一旁瓣电平（dB）。 不需要辐射的区域，电平应 尽可能低。
前后比：
最大辐射方向（前向）电平 与其相反方向（后向）电平 之比。（dB）
方向函数：
E ( , ) f ( , ) E ( max , max )
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例1 画出沿Z轴放置的电基本振子的E平面和H平 面的方向图。
E面 在给定r处，E 与 无关；E 的归一化场值为
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设元电辐射体上电 流：Iejωt，则P点的 场强
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电基本振子的辐射
Pj Idl
近区（kr<<1）
r-1 可以忽略，e-jkr≈1 近场区称为准静态场 电场与磁场相位相差900，感 应场，没有能量向外辐射
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电基本振子的辐射
远场区的特点
5、辐射功率和辐射电阻
P S s ds 40 I ( ) 2
2 2 s
l

天线的结构
辐射功率与
电尺寸 激励电流
有关
辐射电阻
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磁基本振子的辐射
磁基本振子是一个半径为b的细线小环, 且小环的周长 满足条件：2πb<<λ
z
假设
P
其上有电流i(t)=Icosωt, 由电
I O y b x dl

磁场理论, 其磁偶极矩矢量为
一、天线方向图及其有关参量
方向图：
在离天线一定距离处，辐射场的相对场强随方向 变化的曲线。 用最大辐射方向上的两个相互垂直的平面表示。
E面 H面
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一、天线方向图及其有关参量
第六章 天 线
杜国宏
电子工程系 2008-10
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内 容
基本元的辐射 天线的基本参量
天线概述 天线基本理论（重点） 线天线（重点） 面天线 对称振子天线 一些常用天线设备 天线阵方向性分析
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一、天线方向图及其有关参量Fra Baidu bibliotek
方向系数：
在离天线某距离处，天线在最大辐射方向上 P 的辐射功率流密度s max 与相同辐射功率的理 想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流 密度 Ps 0 之比 （dB）.
pm k2 k 1 jkr H j sin ( j 2 j 3 )e 2 r r r
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磁基本振子的辐射
与电基本振子做相同的近似得磁基本振子的远区 场为:
求解方法
求解满足边界条件的Maxwell方程 近似解法


内场 天线上的电流分布 包围场源体积表面上的场分布 外场 利用线性叠加原理
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Ps m ax Em ax D 2 Ps 0 E0
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一、天线方向图及其有关参量
方向系数：
在离天线某距离处，天线在最大辐射方向上 的辐射功率流密度 Ps max 与相同辐射功率的理 想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流 密度 Ps 0 之比（dB）.
方向函数
F ( , ) sin
（图）
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电基本振子的辐射

90 0 ,270 0
辐射最强，轴线方向无辐射
F ( , )
与 无关，其方向图是以天线轴为 中心的回旋体。
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一、天线方向图及其有关参量
主瓣宽度：
通常取方向图主瓣两个 半功率点之间的宽度 （即 3dB），在场强 方向图中，等于最大场 强的 1 2 两点之间的 宽度，称为半功率波瓣 宽度 2 。
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6.2 天线基本理论 （1）基本元的辐射
电流元：电基本振子 磁流元：磁基本振子 面元 惠更斯- 菲涅尔原理
电磁场对偶原理
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k 2 Il jkr Eθ j sin θe 4 π ε 0 r
H
0
E
kIl H j sin e jkr 4πr
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电基本振子的辐射
远场区的特点
1 Ps Re( E H ) 0 1、Eθ⊥ H,时间相位同相， 2 2、近似为TEM波，辐射场的强度与距离成反比 3、球面波，r↑，相位不断滞后，等相位面为球面 4、自由空间的波阻抗 E H 0 120
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天线是个开放的系统
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天线的种类
按用途划分
通信天线 电视天线
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电基本振子的辐射
元电辐射体（图）
假设 l<<λ; d <<l ; 电流振幅、相位相 同的。
H r H 0 Il k 1 jkr H sin ( j 2 )e 4 r r Il 2 k 1 jkr Er cos ( 2 j 3 )e 4 r r Il k2 k 1 jkr E sin ( j 2 j 3 )e 4 r r r E 0
雷达天线等
按工作频段划分
超长波、长波、中波天线 短波、超短波和微波天线
按方向划分
全向天线 定向天线
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天线的种类
按形状划分
线状天线 面状天线等
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6.2 天线基本理论 （2）天线的特性参量
天线方向图及其有关参数 天线效率 增益系数 极化特性 频带宽度 定量表征其能量转换 输入阻抗 和定向辐射能力的量。 有效长度
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D Ps m ax 2 Ps 0 E0 Em ax
2
D
4

0
2

0
F ( , ) sin dd
2
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无线通信 广播电视 遥感遥测 导航 电子对抗 天线是下列工程中辐射或接收无线电波的部件 射电天文
6.1 天线概述
应用 作用
能量转换器件
振荡能量 高频电流 （导波）
辐射能量 辐射的电 磁波
0 pm E sin e jkr 2r
1 0 pm H sin e jkr 2r
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磁基本振子的辐射
结论：
比较电基本振子的远区场Eθ与磁基本振子的远区 场Eφ, 可以发现它们具有相同的方向函数|sinθ|, 而且在空间相互正交, 相位相差90°。 所以将电基本振子与磁基本振子组合后, 可构成一 个椭圆（或圆）极化波天线, 螺旋天线为该情况。
2 P 2 l 2 R 2 80 ( ) I

与激励电流无关，表示电磁波的辐射能力。
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电基本振子的辐射
远场区的特点
6、方向性：
辐射体向空间不同方向上的辐射能力。
Pm az Ib az pm
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磁基本振子的辐射
电与磁的对偶性原理
电基本振子的辐射场 磁基本振子的辐射场
E H P Il /( j )
H
2 0
E P m a z Ib
E sin
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H面
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电基本振子立体方向图
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