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第6章 天线辐射与接收的基本理论
6.1 概论 6.2 基本振子的辐射 6.3 天线的电参数 6.4 接收天线理论 习题
微波技术与天线第章
6.1 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 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 6 -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。
微波技术与天线第章
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。
微波技术与天线第章
(2) 远区场
实际上, 收发两端之间的距离一般是相当远的（kr1>>1, 即 r>>λ/2π）, 在这种情况下, 式（6-2-1）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
Eθ
j k2Il s
4πε0r
inθejkr
H
j kIlsinejk
H 4πIrl2 sin
(6-2-2)
微波技术与天线第章
对式（6-2-2）进行分析可知:
①
在近区,
电场
E
θ和
E
与静电场问题中的电偶极子的电场
r
相似, 磁场 H φ 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。
微波技术与天线第章
图 6 –2 电基本振子的辐
微波技术与天线第章
Er
Il
4
2
0
cos(r3j
k r2
)ejkr
E E
Il
4
0
1
0
sin(r3j
k r2
jk2 r
)ejkr
Hr 0
H 0
H
Il
4
sin
1 r2
jk r
ejkr
式中, k ω με ，是媒质中电磁波的波数
(6-2-1)
微波技术与天线第章
r
对式（6-2-5）进行分析可知: 微波技术与天线第章
(6-2-5)
① 在远区, 电基本振子的场只有 E θ 和H φ 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
S 1 EH是实数, 且指向 r 方向。 这说明电基本振子的远区 场是2一个沿着径向向外传播的横电磁波, 所以远区场又称辐射 场;
下面介绍电基本振子的电磁场特性。
(1) 近区场
在靠近电基本振子的区域（kr<<1即r<<λ/2π）, 由于r很小, 故只需保留 式（6-2-1）中的1/r的高次项, 并注意e-jkr≈1, 考虑上述因素后, 电基本振子的 近区场表达式为
Er
j4πIrl3
2 ωε0
cos
Eθ j4πIrl3ω2ε0siθn
微波技术与天线第章
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。所谓线天线是 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。
4πr
r
(6-2-3)
微波技术与天线第章
式中,
k 2 ω 2 ε0 μ 0 ,ω 2 π f 2 π c/λ
ε
0
1 36π
1
Baidu Nhomakorabea09
(F/m)
μ0 4π107 (H/m)
(6-2-4)
0 120 0
将上式代入式（6-2-3）得电基本振子的远区场为
E
j60πIlsinejk r
r
H
j Il sinejk 2r
微波技术与天线第章
图 6 – 1 无线电通信系统框图
微波技术与天线第章
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。
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。
微波技术与天线第章
6.2 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, 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, 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6 -2)在周围空间产生的场为
微波技术与天线第章
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。 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。
6.1 概论 6.2 基本振子的辐射 6.3 天线的电参数 6.4 接收天线理论 习题
微波技术与天线第章
6.1 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 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 6 -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。
微波技术与天线第章
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。
微波技术与天线第章
(2) 远区场
实际上, 收发两端之间的距离一般是相当远的（kr1>>1, 即 r>>λ/2π）, 在这种情况下, 式（6-2-1）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
Eθ
j k2Il s
4πε0r
inθejkr
H
j kIlsinejk
H 4πIrl2 sin
(6-2-2)
微波技术与天线第章
对式（6-2-2）进行分析可知:
①
在近区,
电场
E
θ和
E
与静电场问题中的电偶极子的电场
r
相似, 磁场 H φ 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。
微波技术与天线第章
图 6 –2 电基本振子的辐
微波技术与天线第章
Er
Il
4
2
0
cos(r3j
k r2
)ejkr
E E
Il
4
0
1
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sin(r3j
k r2
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Hr 0
H 0
H
Il
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sin
1 r2
jk r
ejkr
式中, k ω με ，是媒质中电磁波的波数
(6-2-1)
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r
对式（6-2-5）进行分析可知: 微波技术与天线第章
(6-2-5)
① 在远区, 电基本振子的场只有 E θ 和H φ 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
S 1 EH是实数, 且指向 r 方向。 这说明电基本振子的远区 场是2一个沿着径向向外传播的横电磁波, 所以远区场又称辐射 场;
下面介绍电基本振子的电磁场特性。
(1) 近区场
在靠近电基本振子的区域（kr<<1即r<<λ/2π）, 由于r很小, 故只需保留 式（6-2-1）中的1/r的高次项, 并注意e-jkr≈1, 考虑上述因素后, 电基本振子的 近区场表达式为
Er
j4πIrl3
2 ωε0
cos
Eθ j4πIrl3ω2ε0siθn
微波技术与天线第章
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。所谓线天线是 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。
4πr
r
(6-2-3)
微波技术与天线第章
式中,
k 2 ω 2 ε0 μ 0 ,ω 2 π f 2 π c/λ
ε
0
1 36π
1
Baidu Nhomakorabea09
(F/m)
μ0 4π107 (H/m)
(6-2-4)
0 120 0
将上式代入式（6-2-3）得电基本振子的远区场为
E
j60πIlsinejk r
r
H
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微波技术与天线第章
图 6 – 1 无线电通信系统框图
微波技术与天线第章
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。
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。
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6.2 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, 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, 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6 -2)在周围空间产生的场为
微波技术与天线第章
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。 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。