第1章__天线基础知识(1)

Il jkr H j sin e 2 r 60 Il jkr E j sin e r H r H Er E 0
(1―1―4)
第 1章
天线基础知识
z S av

I l O r E
H
y

x
图1―1―2 电基本振子电力线
第 1章
天线基础知识
写成矢量表达式为
E Er er E e H H e
大方向的单位矢量。

(1―1―2)
分别为球坐标系中沿r、θ、φ增 er、 e、 e
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
2 2
ˆ l H m dl 2 t Em ds ˆ Im l Em dl 2 t H m ds ˆ0 Em ds
S

S
ˆ Qm 2 H m ds

可见两组方程具有对偶性，其解也是对 偶的。对偶关系如下：
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 H
0 120 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
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
z
磁基本振子模型：
E

H y
小电流环， 周长远小于波长， 环上电流I等幅同相 均匀分布。
x
Iml O
r

图1―1―4
磁基本振子的坐标

Qe 假设介质 , 中存在电荷 、磁荷 Q ，以及电 流I 、磁流I ，产生的场满足下面的麦克斯韦 方程： H ˆ I dl t E ds
He Em
Ee H m
Qe Qm
Ie Im
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 要进行如下变换：
He Em
Ee H m
Qe Qm
Ie Im

' ' '
jkr u ' ' ' e ' A( x, y, z ) I ( x , y , z ) dl 4 r l


根据 l a l 上式可以表示成
I 0 jkr l /2 ' I 0l jkr A x , y , z ez e l /2dz ez e 4 r 4 r
(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 0 0 2 自由空间介电常数： 0
1 10 9 36
rad m
F m
7 4 10 自由空间导磁系数： 0
H m
场强的下标r、θ、φ表示球坐标系中矢量的各分量
天线基础知识
z
P
首先建立模型，然后求其辐射场
电基本振子模型： 一段理想高频电流直导线，
r
θ
l
， a l ，
x
l
O y φ P'
沿线电流等幅同相。
：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 矢量磁位可以表示成：
（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、 自适应天线、智能天线等。

得到
I l cos Er 0 20
I l sin E 0 40
k 1 jkr 2 3 e jr r
k2 1 1 jkr j j e 2 3 r r r
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

(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。
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。
1 * S av Re E H 0 2
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
2. 远区场
kr 1 或 r 2 的区域称为远区
1 1 1 此区域内 kr (kr )2 (kr )3
保留最大项，电基本振子的远区场表达式为
绪
论
绪
论
第 1章
天线基础知识
1.1.1 电基本振子的辐射
电基本振子： 又称电流元，它是指一 段理想的高频电流直导线，
z Er

I l O r E
H
y
，半径 a l ， 振子沿线的电流 I 处处等幅同相。
其长度 l

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。
第 1章
1 1
e
ˆ Ie l H e dl 1 t Ee ds ˆ l Ee dl 1 t H e ds


S
ˆ Qe 1 Ee ds
S
ˆ0 H e ds

对于介质 , 中只存在磁荷Qm和磁流 I m，其场 满足如下麦克斯韦方程：
舰载通信、雷达天线
雷 达 天 线
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。
kr 1 或 r 2 的区域称为近区
1 1 1 此区域内 2 3 kr (kr ) (kr )
1 忽略 项， r
e
jkr
1
第 1章
天线基础知识
近区场表达式为
Il H sin 2 4r Il 2 Er j cos 3 4r 0 Il 1 E j sin 3 4r 0 E H r H 0
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
Leabharlann Baidu
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。 9.天线分析、设计及仿真软件 （1）MATLAB （2）CST MWS （3）HFSS
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
I ml jkr E j sin e 2 r I ml 0 H j sin e jkr 2 r 0
电基本振子辐射场表达式 60Il E j sin e jkr r Il jkr H j sin e 2r
1 2 Pr I Rr 2
(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
2
l

(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。
Hr 0 H 0 Il k 1 jkr H sin j 2 e 4 r r Il 2 1 jkr k Er cos 2 j 3 e 4 0 r r k2 k Il 1 1 jkr E sin j 2 j 3 e 4 0 r r r E 0
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
2 2 1 15 I l 2 Sav Re[ E H ] sin er 2 2 2 r
(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。 （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。

引用直角坐标和球坐标的变换关系

可以得出关系式
I 0le jkr Ar Az cos cos 4r I 0le jkr A Az sin sin 4r
A 0

依据
1 1 Ar H A e rA 0 r r
m e m
l
1
e
ˆ Im l E dl 1 t H ds ˆ Qe 1 E ds
S

S
ˆ Q m 1 H ds
E Ee Em
H He H m

Q 和电流 I e，则麦克 如果介质 , 中只存在电荷 斯韦方程可改写成：
西安电子科技大学出版社 2003
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 2.《天线与电波传播》李 莉 1994
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
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
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
（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
eR R 2 sin A R ＡR

e R sin RＡ
e R R sin Ａ
得到
H
I 0 l sin 4
k 1 jkr j 2 e r r
Hr 0
H 0

由
1 E H j
Pr S av ds
S
1 Re[ E H ] ds S 2 2 15 3 d sin d 2
0 0

40 I ( ) 2
2 2
l

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。