天线辐射与接收的基本理论概要

天线辐射与接收的基本理论

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

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第6章天线辐射与接收的基本理论

第6章天线辐射与接收的基本理论

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.

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.

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.

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.

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.

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

图 6 –2 电基本振子的辐

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

对式(6 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.

(2) 远区场

实际上, 收发两端之间的距离一般是相当远的(kr1, 即rλ/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

式中,

将上式代入式(6 2 3)得电基本振子的远区场为

对式(6 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

是实数, 且指向 r 方向. 这说明电基本振子的远区场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= =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