天线与电波传播_完整版
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1 H A
B H A
A
－磁矢量位函数
§1.1 辅助函数法
B E t 1 H A
E jA E jA
2 H A A A D H J t
I 0l e jkr Ar Az cos cos 4 r I 0l e jkr A Az sin sin 4 r
A 0
1 1 Ar ˆ rA 对于磁场： H r r
H r H 0
波长时，该导线被称为电基本振子。 当： l / 1 , 可近似地认为导线上每一点的电
流都是等幅同相的。
电基本振子天线结构
电场方向
§1.2 电基本振子
ˆI 0 I e z z
I0
－常数
jkR e 磁矢位： A I e x, y, z dl 4 c R
9
天线发展简史
数值方法，如矩量法（Method of Moment, MoM）、有限差分法（Finite-Difference Method, FDM）、有限元法（Finite-Element Method, FEM）、 几何绕射理论（Geometrical Theory of Diffraction, GTD）和物理绕射理论（Physical Theory of Diffraction, PTD）等的引入大大推进了天线技术的发 展，促进了天线分析和设计技术的逐渐成熟。现在 天线的设计不再是修修补补（cut and try）的方法， 已经跨入了一个整体系统级的设计阶段。 天线正朝小型化、宽频带、多频段和高频率等 方向发展。
天线发展简史
一、1886, 赫兹（Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894）
1839年法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）发现、 1873年麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831-1879)完成的电磁 理论，在1886年由海因里希· 鲁道夫· 赫兹建立了第一个无 线电系统，首次在实验室证实。
Ar sin cos sin sin A cos cos cos sin cos sin A cos Ax sin Ay 0 Az
§1.2 电基本振子
2 A k A J
2
A 4 A 4
－线电流
远场辐射，忽略高阶项
1 n 2,3,4, rn
jkr e ˆA , ˆA , ˆAr , A r , r
r
1 ˆA , ˆA , 1 E je jkr 2 r r
12
天线与电波传播
第一章 电磁场方程及其解
§1.1 辅助函数法
Maxwell方程
B 法拉第定律 E t D 安培定律 H J t D 电高斯定律 B 0磁高斯定律
Maxwell方程
A 0
波阻抗：
kr 1
Zw E H
固有阻抗：
120 377
§1.2 电基本振子
远区场的性质： （1）电场与磁场在空间相互垂直，它们均与r 成反 比。因等相位面为球面，故为球面电磁波。 （2）因在传播方向上电磁场的分量为零，故为横电 磁波，记为TEM波。
()，称为波阻抗； （3）电场与磁场的比值等于 120 （4）由于电场和磁场相位相同，且均与 成正 sin 比，故电基本振子在远区为辐射场，且具有方向性。
其中：R x x2 y y2 z z2
x 2 y 2 z 2 r d l dz
I 0 e jkr l 2 I 0l e jkr ˆ ˆ Ax, y, z z dz z 4 r l 2 4 r
§1.2 电基本振子
近区场的性质：由于电场和磁场相差90度，故坡印 廷矢量的平均值等于零，这说明无电磁场能量辐射， 称为感应场。 远区场：当 kr 1 时称为远场区，电磁场主要由 kr 的低次幂项决定，故可略去 kr 的高次幂项，得
Er E H r H 0 jkr kI 0l e E j sin 4 r kI 0l e jkr H j sin 4 r
2 A k A J A j J A j
2
洛伦兹条件：
A j
1 j
A
2 A k A J
2
1 E jA jA j A
磁场：
kI0l sin 1 1 jkr H j 1 e 4 r jkr
§1.2 电基本振子
对于电场：
1 1 E jA j A H j
电场：
I 0l cos 1 1 jkr Er 1 e 2 2 r jkr kI 0l sin 1 1 1 jkr E j 1 e 2 4 r jkr kr E 0
天线发展简史
五、2000, 移动/手持天线（Mobile/Hand - held Antenna） 工作于800MHz的手持蜂窝电话天线随处可见。 从马可尼时代直到20世纪40年代，天线主要是以 导线为辐射单元，工作频率也提高到UHF。 进入二战期间，随着1GHz以上微波源（如调速 管、磁控管）的发明，天线开始了一个新的纪元。 波导口径天线、喇叭天线和反射面天线等如雨后春 笋般出现。
Hertz ，KIT的教授 无线电之父
赫兹实验的无线电系统
天线发展简史
二、1901, 马可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937，1909 年 诺贝尔物理学奖） 1901年马可尼成功实现横穿大西洋（英国—加拿大） 的无线电通信。位于英国（Poldhu, England）的发射天线 由50根斜拉导线组成，用悬于60米高的木塔间的钢索支撑。 位于加拿大（Newfoundland, Canada）的接收天线是200米 长的导线，由风筝牵引。 马可尼，意大 利人，当时年 仅20岁。
§1.2 电基本振子
电基本振子的场辐射
§1.3 磁基本振子
麦克斯韦电磁理论获得了巨大的成功。电和磁的 对称性问题，至今尚未解决。 电的基本单元是电荷。正负电荷可以分开，自由 电荷能单独存在，因而我们可以引进电荷密度和电 流密度的概念。 磁的基本单元是磁偶极矩，它可以看作是正负磁 荷的组合。然而，正负磁荷却不能分开，自由磁荷 不能单独存在。所以，在电磁理论中我们不能引入 磁荷密度和磁流密度等概念。
近区场：当 kr 1 时称为近区，电磁场主要由 kr 的 高次幂项决定，故可略去 kr 的低次幂项，得
§1.2 电基本振子
I 0l e jkr Er j cos 3 2k r jkr Il e E j 0 sin 4k r 3 jkr I 0l e H sin 2 4 r
1 H A
A
因此，知道
A
1 E jA jA j A
§1.1 辅助函数法
A 4 e jkR J x, y , z dv －体电流 R v e jkR J s x, y , z ds －面电流 R s e jkR I e x, y, z dl R c
Βιβλιοθήκη Baidu
E jH j A
E jA 0 0
2 J jE A A
§1.1 辅助函数法
2 J jE A A E jA
7
天线发展简史
三、1980, 超大阵列（VLA）抛物面天线（Very Large Array Steerable Parabolic Dish Antennas） 位于美国新墨西哥州（Socorro, New Mexico）的超大阵 列天线由27面直径为25米的抛物面按Y型方式排列组成，是 世界第一个射电天文望远镜。其分辨率相当于36千米跨度的 天线，而灵敏度相当于直径为130米的碟型天线。
天线与电波传播
绪论
课程简介
微波技术 基础
电磁场理论
应用
天线与电波 传播
无线电系统
天线将传输线中的高频电磁能转成为自由空 间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化 为传输线中的高频电磁能。
无线电设备
各种无线电系统
一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、 雷达、导航等系统)都是利用无线电波来进行工作的， 而从几KHz的超长波到四十多GHz的毫米波段电磁 波的发射和接收都要通过天线来实现。 在我们的日常生活中天线已随处可见。 例如，收听无线电广播的收音机，电视机，手 机、汽车、舰船、飞机上等。 收音机、电视机使用的天线一般是接收天线， 广播电视台的天线则为发射天线。而手机天线则收 发共用，但须经过移动通信基站天线转收和转发。
kr 1
近区场辐射功率密度：
1 1 ˆE H ˆE H Wav Re E H Re r r 2 2
2 2 1 I 0l sin ˆ I 0l sin cos ˆj Wav Re r j 0 5 2 5 2 k 4 r k 8 r
10
电磁频谱与无线电频段
天线概念
天线是无线系统的重要部件，它是现代信息社会的电子眼、 电子耳。 定义 — 用来辐射或接收无线电波的装置，导行波与自由空 间波互相转换区域的结构，转换器件或换能器 — 能量转换。 电路的观点 — 从传输线看向天线这一段等效于一个电阻 Rr ， 是从空间耦合到天线终端的电阻，与天线结构自身的任何电阻 无关。
§1.3 磁基本振子
1931年，英国的著名物理学家狄拉克（1933年诺 贝尔物理学奖获得者）首先从理论上讨论了磁单极 子存在的问题。1975年，加利福尼亚和休斯顿大学的 一个小组宣称，他们从高空气球的实验中发现了磁 单极子，曾哄动了当时的物理学界。但后来发现， 如果正确考虑实验中的系统误差，从他们的实验结 果中并不能得出这个结论。1982年3月，美国斯坦福 大学的卡布莱拉又宣称，他利用一个在9K温度下的 铌超导线圈捕捉到一个磁单极子。不过至今许多类 似的实验始终未能发现同样的事例。
§1.1 辅助函数法
在远场区
E jA E jA E jA Er 0
1 j ˆE ˆ A H r r
天线辐射问题分析过程
§1.2 电基本振子
什么是电基本振子？ 一段通有高频电流的直导线，当导线长度远远小于
B H A
A
－磁矢量位函数
§1.1 辅助函数法
B E t 1 H A
E jA E jA
2 H A A A D H J t
I 0l e jkr Ar Az cos cos 4 r I 0l e jkr A Az sin sin 4 r
A 0
1 1 Ar ˆ rA 对于磁场： H r r
H r H 0
波长时，该导线被称为电基本振子。 当： l / 1 , 可近似地认为导线上每一点的电
流都是等幅同相的。
电基本振子天线结构
电场方向
§1.2 电基本振子
ˆI 0 I e z z
I0
－常数
jkR e 磁矢位： A I e x, y, z dl 4 c R
9
天线发展简史
数值方法，如矩量法（Method of Moment, MoM）、有限差分法（Finite-Difference Method, FDM）、有限元法（Finite-Element Method, FEM）、 几何绕射理论（Geometrical Theory of Diffraction, GTD）和物理绕射理论（Physical Theory of Diffraction, PTD）等的引入大大推进了天线技术的发 展，促进了天线分析和设计技术的逐渐成熟。现在 天线的设计不再是修修补补（cut and try）的方法， 已经跨入了一个整体系统级的设计阶段。 天线正朝小型化、宽频带、多频段和高频率等 方向发展。
天线发展简史
一、1886, 赫兹（Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894）
1839年法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）发现、 1873年麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831-1879)完成的电磁 理论，在1886年由海因里希· 鲁道夫· 赫兹建立了第一个无 线电系统，首次在实验室证实。
Ar sin cos sin sin A cos cos cos sin cos sin A cos Ax sin Ay 0 Az
§1.2 电基本振子
2 A k A J
2
A 4 A 4
－线电流
远场辐射，忽略高阶项
1 n 2,3,4, rn
jkr e ˆA , ˆA , ˆAr , A r , r
r
1 ˆA , ˆA , 1 E je jkr 2 r r
12
天线与电波传播
第一章 电磁场方程及其解
§1.1 辅助函数法
Maxwell方程
B 法拉第定律 E t D 安培定律 H J t D 电高斯定律 B 0磁高斯定律
Maxwell方程
A 0
波阻抗：
kr 1
Zw E H
固有阻抗：
120 377
§1.2 电基本振子
远区场的性质： （1）电场与磁场在空间相互垂直，它们均与r 成反 比。因等相位面为球面，故为球面电磁波。 （2）因在传播方向上电磁场的分量为零，故为横电 磁波，记为TEM波。
()，称为波阻抗； （3）电场与磁场的比值等于 120 （4）由于电场和磁场相位相同，且均与 成正 sin 比，故电基本振子在远区为辐射场，且具有方向性。
其中：R x x2 y y2 z z2
x 2 y 2 z 2 r d l dz
I 0 e jkr l 2 I 0l e jkr ˆ ˆ Ax, y, z z dz z 4 r l 2 4 r
§1.2 电基本振子
近区场的性质：由于电场和磁场相差90度，故坡印 廷矢量的平均值等于零，这说明无电磁场能量辐射， 称为感应场。 远区场：当 kr 1 时称为远场区，电磁场主要由 kr 的低次幂项决定，故可略去 kr 的高次幂项，得
Er E H r H 0 jkr kI 0l e E j sin 4 r kI 0l e jkr H j sin 4 r
2 A k A J A j J A j
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洛伦兹条件：
A j
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A
2 A k A J
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磁场：
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§1.2 电基本振子
对于电场：
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天线发展简史
五、2000, 移动/手持天线（Mobile/Hand - held Antenna） 工作于800MHz的手持蜂窝电话天线随处可见。 从马可尼时代直到20世纪40年代，天线主要是以 导线为辐射单元，工作频率也提高到UHF。 进入二战期间，随着1GHz以上微波源（如调速 管、磁控管）的发明，天线开始了一个新的纪元。 波导口径天线、喇叭天线和反射面天线等如雨后春 笋般出现。
Hertz ，KIT的教授 无线电之父
赫兹实验的无线电系统
天线发展简史
二、1901, 马可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937，1909 年 诺贝尔物理学奖） 1901年马可尼成功实现横穿大西洋（英国—加拿大） 的无线电通信。位于英国（Poldhu, England）的发射天线 由50根斜拉导线组成，用悬于60米高的木塔间的钢索支撑。 位于加拿大（Newfoundland, Canada）的接收天线是200米 长的导线，由风筝牵引。 马可尼，意大 利人，当时年 仅20岁。
§1.2 电基本振子
电基本振子的场辐射
§1.3 磁基本振子
麦克斯韦电磁理论获得了巨大的成功。电和磁的 对称性问题，至今尚未解决。 电的基本单元是电荷。正负电荷可以分开，自由 电荷能单独存在，因而我们可以引进电荷密度和电 流密度的概念。 磁的基本单元是磁偶极矩，它可以看作是正负磁 荷的组合。然而，正负磁荷却不能分开，自由磁荷 不能单独存在。所以，在电磁理论中我们不能引入 磁荷密度和磁流密度等概念。
近区场：当 kr 1 时称为近区，电磁场主要由 kr 的 高次幂项决定，故可略去 kr 的低次幂项，得
§1.2 电基本振子
I 0l e jkr Er j cos 3 2k r jkr Il e E j 0 sin 4k r 3 jkr I 0l e H sin 2 4 r
1 H A
A
因此，知道
A
1 E jA jA j A
§1.1 辅助函数法
A 4 e jkR J x, y , z dv －体电流 R v e jkR J s x, y , z ds －面电流 R s e jkR I e x, y, z dl R c
Βιβλιοθήκη Baidu
E jH j A
E jA 0 0
2 J jE A A
§1.1 辅助函数法
2 J jE A A E jA
7
天线发展简史
三、1980, 超大阵列（VLA）抛物面天线（Very Large Array Steerable Parabolic Dish Antennas） 位于美国新墨西哥州（Socorro, New Mexico）的超大阵 列天线由27面直径为25米的抛物面按Y型方式排列组成，是 世界第一个射电天文望远镜。其分辨率相当于36千米跨度的 天线，而灵敏度相当于直径为130米的碟型天线。
天线与电波传播
绪论
课程简介
微波技术 基础
电磁场理论
应用
天线与电波 传播
无线电系统
天线将传输线中的高频电磁能转成为自由空 间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化 为传输线中的高频电磁能。
无线电设备
各种无线电系统
一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、 雷达、导航等系统)都是利用无线电波来进行工作的， 而从几KHz的超长波到四十多GHz的毫米波段电磁 波的发射和接收都要通过天线来实现。 在我们的日常生活中天线已随处可见。 例如，收听无线电广播的收音机，电视机，手 机、汽车、舰船、飞机上等。 收音机、电视机使用的天线一般是接收天线， 广播电视台的天线则为发射天线。而手机天线则收 发共用，但须经过移动通信基站天线转收和转发。
kr 1
近区场辐射功率密度：
1 1 ˆE H ˆE H Wav Re E H Re r r 2 2
2 2 1 I 0l sin ˆ I 0l sin cos ˆj Wav Re r j 0 5 2 5 2 k 4 r k 8 r
10
电磁频谱与无线电频段
天线概念
天线是无线系统的重要部件，它是现代信息社会的电子眼、 电子耳。 定义 — 用来辐射或接收无线电波的装置，导行波与自由空 间波互相转换区域的结构，转换器件或换能器 — 能量转换。 电路的观点 — 从传输线看向天线这一段等效于一个电阻 Rr ， 是从空间耦合到天线终端的电阻，与天线结构自身的任何电阻 无关。
§1.3 磁基本振子
1931年，英国的著名物理学家狄拉克（1933年诺 贝尔物理学奖获得者）首先从理论上讨论了磁单极 子存在的问题。1975年，加利福尼亚和休斯顿大学的 一个小组宣称，他们从高空气球的实验中发现了磁 单极子，曾哄动了当时的物理学界。但后来发现， 如果正确考虑实验中的系统误差，从他们的实验结 果中并不能得出这个结论。1982年3月，美国斯坦福 大学的卡布莱拉又宣称，他利用一个在9K温度下的 铌超导线圈捕捉到一个磁单极子。不过至今许多类 似的实验始终未能发现同样的事例。
§1.1 辅助函数法
在远场区
E jA E jA E jA Er 0
1 j ˆE ˆ A H r r
天线辐射问题分析过程
§1.2 电基本振子
什么是电基本振子？ 一段通有高频电流的直导线，当导线长度远远小于