天线与电波传播

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天线部分: 引言

天线是一种用来发射或接收电磁波的器件， 是任何无线电系统中的基本组成 部分。换句话说，发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”波，接 收天线则与此相反。于是信息可以在不同地点之间不通过任何连接设备传输，

可

用来传输信息的电磁波频率构成了电磁波谱。 人类最大的自然资源之一就是电磁 波谱，而天线在利用这种资源的过程中发挥了重要的作用。

第一讲：传输线基础知识

在通信系统中，传输线(馈线)是连接发射机与发射天线或接收机与接收天线 的器件。为了更好的了解天线的性能及参数， 首先简单介绍有关传输线的基础知 识。

传输线根据频率的使用范围区分有两种类型：1、低频传输线；2、微波传输 线。这里重点介绍微波传输线中无耗传输线的基础知识，主要包括反映传输线任 一点特性的参量：反射系数 、阻抗Z 和驻波比。 、反射系数

这里定义传输线上任一点处的电压反射系数为

(z) U (

% (z)

U z ' 0 e j z U z '

0 e j z

i

e j2 z

由上式可以看出，反射系数的模是无耗传输线系统的不变量，即

此外，反射系数呈周期性，即

I I

z m g /2 z

、阻抗Z

天线与电波传播

经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式

Z o Z

Z o

jZ0 tan z

I

jZ| tan z

、驻波比(VSWR)

这里定义传输线上任一点处的驻波比为

U z

max

U z

min

经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式

1丨||

此外，这里还给出反射系数与阻抗的关系表达式

1 z'

Z z Zo-

1 z

Z z Z o

z

Z z Z o

(8)

这里还简单介绍一下传输线理论所要用到的一些基本参数，例如特性阻抗Z o 以及相位常数，具体表达式如下:

Z o J(9) 此外，不同的系统有不同的特性阻抗Z o，为了统一和便于研究，常常提出归一化的概念，即阻抗Z Z称为归一化阻抗

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第二讲：基本振子的辐射

这里定义传输线上任一点处的阻抗为

A z

z/2

e jkR

z"z

(1)

经过公式替换及推导可得磁场强度 （仅分量）

又根据方程E 亡

H ，可以得到电场强度（仅有r 和 分量）

E r

j °I z

2

e j r cos

r

j °I z

I e jr . — sin

r

1、近区场

一、电基本振子的辐射

电基本振子（Electric short Dipole ）又称电流元，无穷小振子或赫兹电偶极子， 它是指一段理想的高频电流直导线，其长度

I 远小于波长，其半径a 远小于| ,

同时振子沿线的电流I 处处等幅同相。在通常情况下，导线的末端电流为零，因 此电基本振子难以孤立存在，但根据微积分的思想，实际天线常可以看作是无数 个电基本振子的叠加，天线的辐射场等于所有这些电基本振子贡献的总和。 因而

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。

考虑一个位于坐标原点、沿z 轴方向、长为 z 的电流元，其上载有幅度和 相位均匀

分布的电流I ，根据电磁场理论，该电流元产生的矢量磁位（只有 z 分 量）为：

由图1-7可以看到，长度z 与波长 相比以及与距离R 相比都比较小，所以从电 流元上任一点到场点P 的距离R （是z '的函数）非常接近于从坐标原点到场点的 距离r 。将式（1）中的R 替换为r 后，被积函数已不含带撇坐标，所以积分退化为 乘法，于是

得到矢量磁位A 后，则磁场强度为

j r

—sin

如果场点非常靠近电基本振子:

r 远小于1或r 远小于，则相对应的解为 I ze j r 4 r 2

sin

o

I ze j r

r 2cos

sin

⑺

(8)

j o I ze_ 2 r sin

(9)

jI

sin

(10)

(2)该球面波的传播速度(相速)v p

—c(真空光速)，E 与H 的比值为常数,

称为媒质的波阻抗。对于自由空间来说,

120

(3)远区场是辐射场，但

E 、H 与sin 成正比，说明电基本振子的辐射具有方

2、远区场

如果场点非常靠近电基本振子：

r 远大于1或r 远大于，则相对应的解为

电基本振子远区场的表达式有看出如下物理意义:

(1) E 、H 均与距离r 成反比，都含有相位因子e jr ，说明辐射场的等相位面

为r 等于常数的球面，所以电基本振子发出的是球面波，传播方向上电磁场 的分量为

零，故称其为横电磁波，即 TEM 波。

向性，辐射场不是均匀球面波。 、磁基本振子的辐射

磁基本振子(Magnetic short Dipole)又称磁流元，磁偶极子。尽管它是虚 拟的，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

它可以与一些实际波源相对应，例如小环天线或者已经建立起来的电场波 源，因此讨论它是有必要的。对于磁基本振子场的求解问题，采用对偶原理 法进行求解。

设想一段长为z 的磁流元I m z 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：