第一章 天线的基本理论 电波传播课件

根据定义，
P
1 2
Im2 R
R
2 P
I
2 m
R 称为辐射电阻
例：求电流元的辐射电阻？
电流元的辐射功率为：
P
I2 2
2
3
l
2
R23
l 2
在自由空间中，
R
80
2
l
2
二、天线的方向性
天线的辐射场强与方向有关的特性，称 为天线的方向性。
以电流元为例：
E
j 60 Il r
sin
e jkr
电波传播原理与应用
第一章 天线的基本理论
八木天线
对数周期天线
高增益栅状抛物面天线
室内吸顶天线
室内壁挂天线
单极天线
扩频天线
背射天线
天线的作用
高频电流
发射 接收
空间电磁波
收、发天线具有互易性
第一节 发射天线的辐射原理
麦克斯韦方程组说明脱离了电流的变化的电场产生磁场， 脱离了电荷的变化的磁场产生电场。这种电磁场在空间交替变 幻，绵延不断向外传播的过程就是电磁波的辐射过程。
0
Z0 ZA
l EZ f z dz Z0 ZA
Z0
E0
ZA sin
kl
cosklcos
sin
coskl
Z0
E0
ZA sin kl
f
,
Ele Z0 ZA
F ,
结论：1)接收天线的感应电流与来波方向有关 ——接收天线的方向性
2)天线用作发射和接收的方向性函数相等 ——收、发天线的互易性
P
2
0
E2 02
r2 sindd
r2
2
2 d
0
0
E2
s
ind
W
将 E 代入，得：
P
I2 2
2
3
l
2
在自由空间，电流元的辐射功率为：
P
40 2
Il
2
2. 辐射电阻： 将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，
并使流过电阻的电流等于天线上的电流振幅， 则该电阻就称为天线的辐射电阻。
V0dB EdB 2l0oleg 6dB EdB V0dB 2l0oleg 6dB
令 K2l0oleg 6, K 就称为天线的校正系数
E dB V 0 dB K
第三节 天线的特性参数
机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等
电特性参数
一次参数：方向性图，输入阻抗，效率
二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度， 前后比，极化特性等
d0
Ezdz
i0
i2
Z l
d0 EZdz
i2
i0
d0 EZ i2i0 dz
EZ：振子上Z处单位长度感应出的电动势
令f zi2
i0
则d0 EZ f zdz
0
l
l EZ
f zdz
假设电流在振子上按正弦规律分布，则
sinkl z f zsinskinlklz
sinkl
0z l l z0
l
IA
一、天线的辐射功率和辐射阻抗
1. 辐射功率：
2.
在单位时间内通过球面向外辐射
的电磁能量的平均值。
例：求电流元的辐射功率？
z
rsind
rsin
r d I
d
rd
y
x
S
1 2
E
H
dsr2sindd
通过小面积ds的功率为
d P1 2EHr2sindd
H E d P E 2 2 r2sin dd
H
j Il sin 2r
e jkr
E
r
E
H
r
H
0
• 天线的方向性函数和方向性图 1. 用于表示天线方向性特性的函数：f (,)
2. 电流元的方向性函数
E j60rIlsinejk r
f(,)f()lsin
3. 电流元的方向性图
• 赤道面：与天线轴垂直并经过天线中心
的平面。90
• 子午面：包含天线轴的平面。 某一常数
即 X 0 当 X A , R 0 R A , F , 1 时，
Pmax2E22lRe2ARA2
E2le2 8RA
le
DR A 120
Pmax
2
E2D 960
W
• 接收天线的有效面积
定义：假设最大接收功率Pmax是被一块与来波方向垂直 的面积所接收，这面积就称为接收天线的有效面积A。
第二节 接收天线的特性
• 接收天线的等效电路
0：接收天线输入端的等效电动势
0
Z0：接在振子中心的接收机的输入
Z0
阻抗
ZA
IA
IA：流经负载的电流，也即天线输
入端的感应电流
ZA：天线的输入阻抗
• 接收天线感应电流的求解
E0
0
E
Z l
EZ E sin
Z
E0 s in ejkzcos
接收机
根据互易定理，有
—— 反映了天线在不同方向的场分布。
2. 归一化方向性图：
3. 表示归一化方向性函数的空间立体图形。
4.
通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤
辐射场的波源是电流和电荷 产生辐射场的前提条件是要有位移电流
位移电流：由于电位移的变化引起的真实的电的流动。
Jd
D t
++++ ----
q
+
I
+
+
E
H
~
-
-
I
-
t
天线的辐射源
电流连续性方程：
J
t
结论：天线的辐射源——电流（位移电流）
天线的类型
• 按用途分类，可分为通信天线、测量天 线等
• 接收天线的输出功率
设 Z A R A jX A ,Z 0 R 0 j0 X
0
Z0
则接收天线的输出功率：
P
1 2
I
R 2
AM 0
ZA
IA
I AM
Ele Z0 ZA
F ,
P
E 2le2 R0
2Z0 Z A 2
F 2 ,
• 天线向接收机输出的最大功率
当天线的最大接收方向对准来波方向，并且接收机 的输入阻抗与天线完全匹配时，天线向接收机的输出功 率最大。
• 按工作频段分类，可分为短波天线、超 短波天线、微波天线等
• 按方向性分类，可分为全向天线、定向 天线等
• 按外形分类，可分为线状天线、面状天 线等
• 线天线：
– 天线的直径远小于其几何长度
可不考虑天线横截面上的电流分布
天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、 不同场合、不同要求等不同情况下使用。
与来波垂直的单位 上面 电积 磁波的功率为：
S 1 E2 自由空间
2120
APm Sax42D m2
天线方向性系数的另一个表达式：
D
4 2
A
• 接收天线的校正系数
设接收机输入为 端V0的 ,则P电 max压 12VR002
又 P maxE 8R 2le A 2E 82 R le 02 V 01 2Ee lV
1）电流元在赤道面内的方向性函数和方向性图：
f () l
180
90 E
0
270
2）电流元在子午面内的方向性函数和方向性图：
f ()l sin
270
0
E
90
180ห้องสมุดไป่ตู้
• 天线的归一化方向性函数和归一化方向性图
1. 归一化方向性函数： 2. 天线辐射场与最大方向上的场强值之比。
F ( ,) E , / E m ,a x f , / f m ,a x