第1章--天线基础知识(1)

第1章 天线基础知识
本次课主要内容 1.绪论
(1)天线在无线电通信系统中的地位
(2)天线的定义、作用
2.电基本振子的辐射
(1)电基本振子辐射场表达式
(2)电基本振子的辐射特性（重点）
绪论
1.天线在无线电通信系统中的地位 天线是任何无线电通信系统都离不开的
重要前端器件。 2.天线的作用 （１）将发射机输出的高频电流能量转换成电 磁波辐射出去。
（２）将空间电磁波信号转换成高频电流能量 送给接收机。
绪论
3.天线的定义
天线是用来辐射或接收无线电波的装置。
4.天线辐射过程
天线在外加高频激励源的作用下，在其 周围激发起交变电场和磁场，这种交变的磁 场和电场周而复始地相互作用、相互转化， 形成电磁波，并以一定的速度向周围空间传 播出去。
绪论
5.天线有效辐射的条件
Pr
1 2
I 2Rr
(1―1―8)
Rr称为该天线归算于电流 I 的辐射电阻，这里 I 是电流的振幅值。将上式代入（1―1―7），得电
基本振子的辐射电阻为
Rr
80
2( l )2
(1―1―9)
第1章 天线基础知识
1.1.2 磁基本振子的辐射
磁基本振子：又称磁流源、磁偶极子。
z
磁基本振子模型：
小电流环， 周长远小于波长， 环上电流I等幅同相 均匀分布。
自适应天线、智能天线等。
绪论
通常按天线原理分为两大类：
线天线：用于长波、短波、超短波 面天线：用于微波
7.天线研究方法 (1)精确解法：求解麦克斯韦方程组
(2)近似解法：微扰法、变分法、迭代法、 几何光学法、几何绕射法
(3)数值解法：矩量法、有限元法
绪论
8.对天线的基本要求 (１) 具有一定的方向特性； (２) 较高的转换效率； (３) 能满足系统正常工作的频带宽度。
l
Hm
dl
2
t
Em dsˆ
l
Em
dl
2
t
Hm dsˆ Im
S Em dsˆ 0
S Hm dsˆ Qm 2
❖ 可见两组方程具有对偶性，其解也是对 偶的。对偶关系如下：
He Em
Ee Hm
Ie Im
Qe Qm
1 2
1 2
第1章 天线基础知识
设想一段长为l（l<<λ）的磁流元Iml置于 球坐标系原点，根据电磁对偶性原理，只需
（2）传播方向上电磁场的分量Er 、Hr 为零， 故称其为横电磁波、记为TEM波。
第1章 天线基础知识
（3）Eθ和Hφ的比值为常数，称为媒质的 波阻抗， 记为η ，对于自由空间
E 0 120
H
0
(1―1―6)
（4） Eθ和Hφ与sinθ成正比，说明电基本 振子的辐射具有方向性。
第1章 天线基础知识
要进行如下变换：
He Em
Ee Hm
Ie Im
Qe Qm
1 2
1 2
第1章 天线基础知识
磁基本振子远区辐射场的表达式为
E
j
Iml sin e jkr 2r
H
j Iml
2r
0
sin e jkr
0
电基本振子辐射场表达式
E
j
60Il sin e jkr r
H
j
Il sin e jkr 2r
❖由
E
1
H
j
得到 ❖
Er
I0l cos 2 0
k
r
2
1 jr 3
e
jkr
E
I0l sin 4 0
k2
j
r
1 r2
j
1 r3
e
jkr
E 0
第1章 天线基础知识
电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为
Hr 0 H 0
H
Il
4
sin
j
k r
1 r2
e jkr
Er
Il
4
2
(1)电基本振子辐射场表达式
(2)电基本振子的辐射特性（重点）
第1章 天线基础知识
思考题
1. 什么是天线？天线的作用是什么？ 2. 电基本振子有哪些辐射特性？ 3. 如何理解天线的辐射电阻？
磁偶极子的辐射总功率
Pr S Sav ds
S
1 Re[E H ] ds 2
160
4
I
2
(
s
2
)2
W
其辐射电阻
（1―1―16）
Rr
2Pr I2
320
4
s
2
2
（1―1―17）
第1章 天线基础知识
本次课内容小结 1.绪论
(1)天线在无线电通信系统中的地位
(2)天线的定义、作用
2.电基本振子的辐射
❖ 如果介质1,1中 只存在电荷Qe和电流 I e，则麦克 斯韦方程可改写成：
l
H
e
dl
1
t
Ee dsˆ Ie
l
Ee
dl
1
t
He dsˆ
S Ee dsˆ Qe 1
S He dsˆ 0
❖ 对于介质2,2 中只存在磁荷Qm和磁流 I m，其场 满足如下麦克斯韦方程：
❖ 矢量磁位可以表示成：
A(x, y, z) u I (x', y', z' ) e jkr dl'
4 l
r
❖ 根据 l a l
上式可以表示成
A
x, y, z
ez
I0 4 r
e jkr
dz l/2 '
l/2
ez
I 0l 4 r
e jkr
❖ 引用直角坐标和球坐标的变换关系
❖ 可以得出关系式
（1）天线激励源频率：要有合适的激励频率 （2）天线的几何形状：必须是开放系统
（3）天线的几何尺寸：要有一定的电长度
振 子
电场
磁场
电场 电波传输方向
磁场
电场
绪论
6.天线的分类 按用途：通信、广播电视、雷达、导航天线 按波长：中波、短波、超短波、微波天线 按状态：发射天线、接收天线、收发共用天线 按极化方式：线极化、圆极化、椭圆极化天线 按天线特色：超宽带天线、非频变天线、
E
H r
Iml O
y
x
图1―1―4 磁基本振子的坐标
❖ 假设介质,中存在电荷Qe、磁荷Qm，以及电
流Ie 、磁流Im，产生的场满足下面的麦克斯韦
方程：
l
H
dl
1
t
E
dsˆ
Ie
l
E
dl
1
t
H
dsˆ
Im
S E dsˆ Qe 1
S H dsˆ Qm 1
E Ee Em
H He Hm
2. 远区场
kr 1 或 r 2 的区域称为远区
此区域内
1 kr
1 (kr)2
1 (kr)3
保留最大项，电基本振子的远区场表达式为
H E
j Il sin e jkr 2r j 60 Il sin e jkr r
Hr H Er E 0
(1―1―4)
第1章 天线基础知识
图1―1―2 电基本振子电力线
场强的下标r、θ、φ表示球坐标系中矢量的各分量
第1章 天线基础知识
写成矢量表达式为
E H
Erer H e
E e
(1―1―2)
er、
e、
e
分别为球坐标系中沿r、θ、φ增
大方向的单位矢量。
根据距离的远近，必须分区讨论场量的性质。
第1章 天线基础知识
1.近区场
kr 1 或 r 2 的区域称为近区
qm
0Is
l
,
Im
dqm dt
0s
l
dI dt
第1章 天线基础知识
用复数表示的磁流为
Im
j 0s
l
I
（1―1―14）
将式（1―1―14）代入式磁振子的远场区， 经化简可得小电流环的远区场
E
0sI 2r
sin e jkr
H
0sI 2r
0
sin e jkr
0
（1―1―15）
第1章 天线基础知识
本课主要内容
天线基础知识 常用天线 电波传播的基础知识 地面波传播 天波传播
视距传播 地面移动通信中接收场强的预测
课程要求
1.了解天线的基本特性和电参数； 2.掌握电波传播的基本概念； 3.掌握电波传播的基本特点和规律； 4.了解地面移动通信接收场强的预测方法。
教材：
《天线与电波传播》宋铮、张建华、黄冶 西安电子科技大学出版社 2003
若求小电流环远区的辐射场，我们可把磁矩 看成一个时变的磁偶极子，磁极上的磁荷是+qm, -qm，它们之间的距离是l。
第1章 天线基础知识
磁荷之间有假想的磁流Im，以满足磁流的 连续性，则磁矩又可表示为
P m
qml
（1―1―13）
式中 l 的方向与环面积矢量的方向一致。 比较式（1―1―12）（1―1―13），得
辐射功率
电基本振子向自由空间辐射的总功率 Pr称为
辐射功率，它等于坡印廷矢量在任一包围电基本 振子的球面上的积分，即
Pr S Sav ds
S
1 2
Re[E
H
]
ds
2
0
d 0
15 2
sin3 d
40 2I 2 ( l )2 W
(1―1―7)
第1章 天线基础知识
辐射电阻：
将天线辐射的功率看成被一个等效电阻所吸 收的功率，这个等效电阻就称为辐射电阻Rr。
9.天线分析、设计及仿真软件 （1）MATLAB （2）CST MWS （3）HFSS
绪论
绪论
第1章 天线基础知识
1.1.1 电基本振子的辐射
z
电基本振子： 又称电流元，它是指一
Er
H
段理想的高频电流直导线，
Ir
E
lO y
其长度 l ，半径a l，
振子沿线的电流 I 处处等幅同相。 x
电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射 特性的基础。
Ar
Az
cos
I0le jkr 4r
cos
A
Az sin
I0le jkr 4r
s in
A 0
❖ 依据
H
1 0
A
e
1 r
r
rA
Ar
e R
R2 sin
A
R
Ａ R
e
R sin
RＡ
e R
R sin Ａ
❖ 得到
H
I 0l sin 4
j
k r
1 r2
e
jkr
Hr 0
H 0
辐射场的极化方向相互正交，其它特性完全相同
第1章 天线基础知识
z s
O
y
I
z pm
O y
x (a)
x (b)
图1―1―5 小电流环和与其等效的磁矩
(a)小电流环；(b)磁矩
第1章 天线基础知识
相应的磁矩和环上电流的关系为
P m
0 Is
（1―1―12）
式中s为环面积矢量，方向由环电流 I 按右手
螺旋定则确定。
Er、E 与静电场中电偶极子产生的电场相同，
H 与恒定电流产生的磁场相同。
故近区场又称为似稳场或准静态场。
第1章 天线基础知识
（2）电场滞后于磁场 90，坡印廷矢量的平均值为零。
Sav
1 2
Re
E
H*
0
能量在电场和磁场以及场与源之间交换而没有 辐射，所以近区场也称为感应场。
第1章 天线基础知识
参考书：
1.《天线与电波》周朝栋，王元坤，杨恩耀 西安电子科技大学出版社 1994
2.《天线与电波传播》李 莉 科学出版社 2009
哪些地方需要天线？
中 波 广 播 天 线
移动通信基站天线
小灵通基站天线
手机天线
卫星通信天线
云 南 天 文 台 天 线
双频通信天线
舰载通信、雷达天线
雷 达 天 线
0
cos
k r2
j
1 r3
e jkr
E
Il
4
1
0
sin
j
k2 r
k r2
j
1 r3
e jkr
E 0
(1―1―1)
第1章 天线基础知识
其中：
：电场强度 （V/m）
H ：磁场强度 （A/m）
自由空间相移常数： k 00 2 rad m
自由空间介电常数：
0
1
36
109
F m
自由空间导磁系数：0 4 10 7 H m
此区域内
1 kr
1 (kr)2
1 (kr)3
忽略 1 项， e jkr 1
r
第1章 天线基础知识
近区场表达式为H ErIl4r 2sin
j
Il
4r 3
2
0
cos
E
j
Il
4r 3
1
0
sin
E H r H 0
(1―1―3)
第1章 天线基础知识
近区场特点： （1）场振幅表达式与稳态场完全相同。
第1章 天线基础知识
首先建立模型，然后求其辐射场 z
电基本振子模型： 一段理想高频电流直导线，
P r θ
l ，a l ，
沿线电流等幅同相。
lO
x
φ
y P'
：为射线OP与振子轴（z轴）之间的夹角
：为OP在xoy平面的投影OP′与x轴之间的夹角
❖ 电流分布
I (x', y', z' ) I ez
z
Sav
H
I r E lO
y
x
图1―1―3 电基本振子远区场
第1章 天线基础知识
远区场的坡印廷矢量平均值为
Sav
1 2
Re[E
H]
15 I 2l2 2r2
sin2 er
(1―1―5)
有能量沿r方向向外辐射，故远区场又 称为辐射场。
第1章 天线基础知识
辐射场有如下性质：
（1）E、H和Sav 相互垂直，且符合右手螺旋。 Eθ 、Hφ 均与距离 r 成反比，辐射球面波。