太原理工大学现代科技学院微波天线与技术课程设计全解

太原理工大学现代科技学院微波技术与天线课程设计

设计名称全波振子加引向器

专业班级信息13-1 班

学号2013101269

姓名陈凯

指导教师李鸿鹰

课程设计任务书

注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸

指导教师签名：日期：2016-6-10

专业班级 信息13-1 学号 2013101269 姓名 陈 凯 成绩

设计名称：全波振子+引向器

一、设计要求：全波振子+1个引向器完成天线的设计。

二、天线基本理论：

1.天线的功能及应用： a) 天线的功能

b)

天线的应用

天线在无线电系统中的应用

……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………

2.天线的分类

按工作频段划分：超长波、长波、中波、短波、超短波和微波天线；

按用途划分：通信、广播、电视、雷达、导航和测向天线等 ； 按辐射方向划分：全向天线、定向天线；

按外形划分：偶极子天线、T 形、菱形、环形、螺旋、喇叭、反射面以及透镜天线等等。 按形状划分：线天线（导线或金属棒构成）、面天线（金属面或介质面构成）。线天线主要用于长波、短波和超短波；面天线主要用于微波波段。 3.电基本振子的辐射

给出在球坐标原点沿z 轴放置的电基本振子在各向同性理想均匀无限大自由空间的表达式：

320232022cos 41sin 41

sin 40

jkr

A r jkr

A jkr

A r I l j

k E e r

r I l j k jk E e

r r r I l jk H e r r H H E θϕθϕθπωεθπωεθπ---⎛⎫=

-+ ⎪⎝⎭⎛⎫=-+- ⎪⎝⎭⎛⎫=+ ⎪⎝⎭===注：9

022*********/E 120H k k θ

ϕ

εεπ

πλωεμηπ-==

===

=相移常数；波阻抗（远区场）

a) 近区场

当kr<<1时称为近区场，此时2

3030

sin 42

cos 41

sin 40

A A r A r I l

H r

I l E j r I l E j r H H E ϕθθϕθπθ

ωεπθ

ωεπ=

=-=-=== 不难看出，上述表达式和稳态场的公式完全相符，因此，近区场又称为似稳区。场随距离的增大而迅速减少。电场滞后于磁场90度，因此复坡印延矢量是虚数(1

2

S E H =⨯),每周平均辐射的功率为零。这种没有能量向外辐射的场称之为“感应场”。 b) 远区场

当kr>>1时称为远区场，此时60sin e sin e 20

jkr

A jkr A r r I l

E j

r I l

H j r

E H H E θϕ

θϕπθλθλ--==≈=== 此时，有电场和磁场两个分量在空间相互垂直且与r 矢径方向垂直，三者构成右手螺旋系

统。电场、磁场在时间上同相，其复坡印延矢量*1

2

S E H =

⨯是实数，为有功功率且指向r 增加的方向上。二者比值为一实数0120ηπ=，所以仅需讨论二者之一。且电基本振子远区场是沿着径向向外传播的横电磁波TEM 。在0180o o θ=、方向上辐射为0，在90o θ=方向辐射最强。方向图：E 面（包含振子轴）为一个8字形，H 面（垂直振子轴）为一个圆。 c) 辐射功率

22

sin s

P S dS S nr d d π

π

θθϕ∑=

=

⎰

⎰

⎰ 式中s 为平均复坡印延矢量，且2

1

2240r r E S E H e e π

==，将其代入上式得

22

20

1

sin 240P E r d d π

π

θθϕπ

∑=

⎰⎰

。此式为计算辐射功率的一般公式。

将远区场模值代入上式有：2

240A

l P I πλ∑⎛⎫

= ⎪⎝⎭

d) 辐射电阻

为了分析计算方便，引入辐射电阻概念，将天线向外辐射的功率等效为在电阻上的损耗，此电阻称为辐射电阻R ∑。用输入电流来归算的称为归算于输入电流的辐射电阻0R ∑，用波腹电流来归算的称为归算于波腹电流的辐射电阻

R ∑。显然电基本振子的辐射电阻为

2

2280A P l R I πλ∑

∑⎛⎫=

= ⎪⎝⎭

4.磁基本振子的辐射

在进行磁基本振子辐射分析时,可以采用对偶性原则。 对称形式麦克斯韦方程如下：

A M M

E H J t H E J

t D B εμρρ∂⎧

∇⨯=+⎪∂⎪

∂⎪∇⨯=--⎨∂⎪

∇=⎪⎪∇=⎩ 注：M J 磁流密度，M ρ磁荷密度 上式第二个方程右端两项有负号，是因为电流产生的磁场的方向是按右手螺旋定则定出的，而磁流产生的电场方向与之相反，是按左手螺旋定则定出的。

将上式中的电磁场分解为电荷与电流产生的场强Ee 和He 及磁荷和磁流产生的场强EM 和