1天线辐射与接收的基本理论

发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经 馈线传输到发射天线, 通过天线将其转换为某种极化的电磁波 能量, 并向所需方向辐射出去。到达接收点后, 接收天线将来自 空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频 电流能量, 经馈线输送至接收机输入端。天线作为无线电通信 系统中一个必不可少的重要设备, 它的选择与设计是否合理, 对 整个无线电通信系统的性能有很大的影响, 若天线设计不当, 就 可能导致整个系统不能正常工作。 综上所述, 天线应有以下功能: ① 天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。 这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与 发射机或接收机匹配。
第1章天线的基本理论
1.1 概论
1.2 基本振子的辐射
1.3 天线的电参数
1.4 接收天线理论
第1章 天线的基本理论
1.1 概论
通信的目的是传递信息, 根据传递信息的途径不同, 可将通 信系统大致分为两大类: 一类是在相互联系的网络中用各种传 输线来传递信息, 即所谓的有线通信, 如电话、计算机局域网等 有线通信系统; 另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信
② 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上 , 或对确定 方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性。 ③ 天线应能发射或接收规定极化的电磁波 , 即天线有适当 的极化。 ④ 天线应有足够的工作频带。
以上四点是天线最基本的功能, 据此可定义若干参数作为设 计和评价天线的依据。通信的飞速发展对天线提出了许多新的 要求,天线的功能也不断有新的突破。除了完成高频能量的转换 外, 还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理, 如信 号处理天线、单脉冲天线、自适应天线和智能天线等。特别是 自1997年以来, 第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信 领域的研究热点, 而智能天线正是实现第三代移动通信系统的 关键技术之一。
由于本书是针对非微波专业学生, 所以尽可能地绕过繁杂 的推导、计算, 主要介绍天线的基本概念、基本理论及与现代 通信紧密相关的新技术及其应用。
1.2 基本振子的辐射
1. 电基本振子 电基本振子是一段长度 l远小于波长(l<<λ）, 电流I振幅均 匀分布、 相位相同的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分,
在给定r处, 对于θ=π/2, Eθ的归一化场强值为|sinθ|=1, 也与φ 无关。因而H平面方向图为一个圆, 其圆心位于沿z方向的振子
轴上, 且半径为1, 如图 1 - 5（b）所示。
实际天线的方向图一般要比图 1 -5 复杂。 典型的H平面方 向图如图 1 -6（a）所示, 这是在极坐标中Eθ的归一化模值随φ 变化的曲线, 通常有一个主要的最大值和若干个次要的最大值。 头两个零值之间的最大辐射区域是主瓣（或称主波束）, 其它 次要的最大值区域都是旁瓣（或称边瓣、副瓣）。 为了分析方便, 将图 1 -6（a）的极坐标图画成直角坐标图, 即图 1 -6(b)所示。
u0 / 0=120π（Ω）是一常数, 即等于媒质的
本征阻抗, 因而远区场具有与平面波相同的特性; ③ 辐射场的强度与距离成反比, 随着距离的增大, 辐射场
减小。 这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的, 当距离
增大时, 辐射能量分布到更大的球面面积上;
④ 在不同的方向上, 辐射强度是不相等的。 这说明电基本 振子的辐射是有方向性的。 2. 磁基本振子的场 在讨论了电基本振子的辐射情况后 , 现在再来讨论一下磁 基本振子的辐射。我们知道, 在稳态电磁场中, 静止的电荷产生 电场, 恒定的电流产生磁场。那么, 是否有静止的磁荷产生磁场, 恒定的磁流产生电场呢？迄今为止还不能肯定在自然界中是否 有孤立的磁荷和磁流存在，但是, 如果引入这种假想的磁荷和 磁流的概念, 将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够 产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代 ,即将“电源”换成等效 “磁源”, 可以大大简化计算工作。
解: ① E平面方向图:
在给定r处, Eθ与φ无关; Eθ的归一化场强值为

|Eθ|=|sinθ|
这是电基本振子的E平面方向图函数, 其E平面方向图如图 1 - 5（a）所示。 ② H平面方向图:
图 1-5 (a) 电基本振子E平面方向图； (b) 电基本振子H平面方向图； (c) 电基本振子立体方向图
息, 即所谓的无线通信, 如电视、 广播、 雷达、 导航、卫星等
无线通信系统。 在如图 1.1 所示的无线通信系统中, 需要将来 自发射机的导波能量转变为无线电波, 或者将无线电波转换为
导波能量, 用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。
信息源
信号变换
发射机
接收机
信号变换
受信者
图 1 – 1 无线电通信系统框图
9 0° 1 20 °
1
0.8 0.6
6 0°
1 50 °
0.4 0.2
3 0°
1 80 °
0°
2 10 °
3 30 °
2 40 ° 2 70 °
3 00 °
(a ) 极 坐 标 表 示 的 H面 方 向 图
E
1 0 .9 0 .8 0 .7 0 .6 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0 0 －5 －10 －15 －20 －25 －30 －35 20 40 6 0 8 0 1 00 1 20 1 40 1 60 1 80 / ° (b ) 直 角 坐 标 H面 方 向 图
(2) 远区场 实际上 , 收发两端之间的距离一般是相当远的 (kr>>1, 即 r>>λ/2π）, 在这种情况下, 式（1- 2- 1）中的1/r2和1/r3项比起1/r 项而言, 可忽略不计, 于是电基本振子的电磁场表示式简化为
k 2 Il E j sin e jkr 4w 0r k Il H j sin e jkr 4r
1) 在地面上架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来 表示其方向图
（1） 水平面
当仰角Δ及距离r为常数时, 电场强度随方位角φ的变化曲线,
参见图 1 - 4;
（2） 铅垂平面 当φ及r为常数时, 电场强度随仰角Δ的变化曲线, 参见图 1 - 4。 2) 超高频天线, 通常采用与场矢量相平行的两个平面来 表示
pm k2 k 1 jkr H0 j sin ( j 2 j 3 )e 2 r r r
与电基本振子做相同的近似得磁基本振子的远区场为:
wu0 pm E j sin e jkr 2r 1 wu0 pm H sin e jkr 2r
比较电基本振子的远区场 Eθ 与磁基本振子的远区场 Eφ, 可以发现它们具有相同的方向函数|sinθ|, 而且在空间相互正交,
相位相差90°。所以将电基本振子与磁基本振子组合后 , 可构
成一个椭圆（或圆）极化波天线, 具体将在第2章中介绍。
1.3 发射天线的电参数
1. 天线方向图及其有关参数
所谓天线方向图是指在离天线一定距离处 , 辐射场的相对 场强（归一化模值）随方向变化的曲线图, 通常采用通过天线 最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。
E 0
Hr 0
H 0 Il 1 jk jkr H sin ( 2 )e 4 r r
下面首先介绍电基本振子的辐射特性。 在电磁场理论中, 已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电
基本振子(图1 - 2)在周围空间产生的场为
Il 2 Er j cos 2 4r w 0 Il 2 E j sin 3 4r w 0 Il H sin 2 4r
对式（1- 2- 2）进行分析可知: ① 在近区, 电场Eθ和Er与静电场问题中的电偶极子的电场 相似, 磁场Hφ和恒定电流场问题中的电流元的磁场相似 , 所以 近区场称为准静态场; ② 由于场强与1/r的高次方成正比, 所以近区场随距离的增 大而迅速减小, 即离天线较远时, 可认为近区场近似为零。 ③ 电场与磁场相位相差90°, 说明玻印廷矢量为虚数, 也 就是说, 电磁能量在场源和场之间来回振荡, 没有能量向外辐 射, 所以近区场又称为感应场。
任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。
下面首先介绍电基本振子的辐射特性。 在电磁场理论中, 已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电 基本振子(图1- 2)在周围空间产生的场为
z r
P

l O y

x
图 1 –2 电基本振子的辐
Il 2 j k jkr Er cos ( 3 3 )e 4 w 0 r r Il 1 j k jk 2 jkr E sin ( 3 2 )e 4 w 0 r r r
根据电与磁的对偶性原理, 只要将电基本振子场的表达式 （1- 2 -1）中的E换为η2H, H换为E, 并将电偶极矩p=Il/(jω)换为 磁偶极矩pm, 就可以得到沿z轴放置的磁基本振子的场:
z
P
I O

y b x
图 1–3 磁基本振子的辐射
dl
Er E H 0
wu0 pm jk 1 jkr E j sin( 2 )e 4 r r pm k 1 jkr Hr j cos ( 2 j 2 )e 2 r r
（1） E平面
所谓E平面， 就是电场矢量所在的平面。 对于沿z轴放 置的电基本振子而言, 子午平面是E平面。
（2） H平面
所谓H平面， 就是磁场矢量所在的平面。 对于沿Z轴放 置的电基本振子, 赤道平面是H面。
z r

O

y

x
图 1- 4 坐标参考图
[ 例 1 - 1］画出沿z轴放置的电基本振子的E平面和H平面 方向图。
稳态场有这种特性, 时变场也有这种特性。 小电流环的 辐射场与磁偶极子的辐射场相同。
磁基本振子是一个半径为b的细线小环, 且小环的周长满
足条件：2πb<<λ, 如图 1 - 3 所示。假设其上有电流i(t)=Icosωt, 由电磁场理论, 其磁偶极矩矢量为
Pm az Ib2 az pm
式中,
K 2 w20u0 , w 2f 2c /
1 0 10 9 ( F / m ) 36
u0 4 107 ( H / m)
0
u0 120
将上式代入式（1- 2- 3）得电基本振子的远区场为
60Il E j sin e jkr r Il H j sin e jkr 2r
对式（1-2- 5）进行分析可知:
① 在远区, 电基本振子的场只有Eθ和Hφ两个分量, 它们在 空间上相互垂直, 在时间上同相位, 所以其玻印廷矢量 1 s E H 是实数, 且指向 r 方向。 这说明电基本振子的远区场 2 是一个沿着径向向外传播的横电磁波, 所以远区场又称辐射场; ② Eθ/Hφ=η=
天线的种类很多，按用途可将天线分为通信天线、 广播 电视天线、雷达天线等; 按工作波长, 可将天线分为长波天线、 中波天线、 短波天线、 超短波天线和微波天线等； 按辐射元 的类型可将天线分为两大类: 线天线和面天线。所谓线ຫໍສະໝຸດ Baidu线是 由半径远小于波长的金属导线构成, 主要用于长波、中波和短 波波段; 面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的, 主要 用于微波波段, 超短波波段则两者兼用。 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。 馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线、同轴线传输线、 波导或微带线等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密, 有时 把天线和馈线系统看成是一个部件, 统称为天线馈线系统, 简称 天馈系统。
研究天线问题, 实质上是研究天线在空间所产生的电磁场 分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件, 因此, 求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件, 但这往往十分繁杂, 有时甚至是十分困难的。 在实际问题中, 往往将条件理想化, 进行一些近似处理, 从 而得到近似结果, 这是天线工程中最常用的方法； 在某些情况 下, 如果需要较精确的解, 可借助电磁场理论的数值计算方法 来进行。