电子科大微波技术--天线技术分析.ppt

第10章 天线 电磁波是通信、雷达、遥感、遥控、导 航、目标探测与定位、环境监测、资源 勘探、灾害预报等的理论和技术基础， 是现代能源（电能）的重要组成部分。 涉及人类生活的各个方面，经济建设的 各个部门，科技发展的各个领域。 作为信息的载体广泛 应用于通信、电视等 电 磁 波 作为探测的手段广泛 应用于雷达、遥感等 电磁波能量广泛应用社会、经济方方面面 电磁波的产生: 电磁波应用的基础 时变电流或加速运动的电荷向空间辐射电磁波 为获得各种不同应用要求的电磁波，需要设计不同时变电流的空间分布。这种用于产生或接受特殊要求的电磁波的装置称为——天线。 磁场力线 电场力线 电磁波 不同时变电流的空间分布 将辐射不同分布的电磁波 相控阵天线 电偶极子天线 微带天线 缝隙天线 面天线 卫星天线 10.1 概述 天线：辐射和接收电磁波的装置 天线的作用： 发射天线：把高频电流能量转化为在预定方向的电磁波 接收天线：把空间的电磁波转化为高频电流电压 天线的地位： 高频电流能量和电磁波的接口 无线电波的出口和入口 天线的分类： 按用途：通信天线、导航天线、雷达天线、广播天线 按波段：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线 按频宽：窄带天线、宽带天线、超宽带天线 按功能：发射天线、接收天线 按极化方式：线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线 按时用环境：基地站天线、移动台天线 按方向性：全向天线、定向天线、强方向性天线、弱方向性天线 按结构：线天线、口径天线 按工作原理：驻波天线、行波天线、阵列天线、漏波天线 对天线的要求： 有较强的辐射电磁波能力 一定的方向性 高的转换效率 一定的极化方式 一定的带宽 天线常用的性能指标： 方向性图 方向性系数 增益 输入阻抗 驻波系数 效率 影响天线性能指标的关键因素 天线电尺寸 天线的形状和结构 10.2 电流元辐射 电流元： 长度远小于波长的一段电流，电流均匀分布，天线可看成由电流元组成。 天线的辐射可由各电流元的辐射叠加产生 电流元辐射等同于电偶极子辐射 电流元辐射的计算 中间区：介乎远场区与近场区之间，储能与辐射都不占优势。 对于天线问题，我们主要关心远场辐射区 磁流磁荷不存在，引入后令其为0，不影响方程 电流产生的场的场方程经过变量代换变为磁流产生的场的场方程 磁流产生的场的场方程经过变量代换变为电流产生的场的场方程 电流产生的场分布经过变量代换变为磁流产生的场分布 磁流产生的场分布经过变量代换变为电流产生的场分布 磁流元的辐射场可从电流元的辐射场作变量代换得到 电流元辐射 磁流元辐射 变量代换 方向特性与电流元辐射相同 磁流元辐射 磁流元、电流环辐射与电流元辐射的方向特性相同 对称振子上电流近似为正弦分布，末端为0。 对称振子上电荷近似为余弦分布，末端最大。 方向性函数 方向性函数：辐射场与方向之间的关系函数。 方向性图：用图形表示的方向性函数 目前卫星通讯地面站使用的大型抛物面天线，方向性很强，且效率也很高，其增益通常高达50dB以上。 3. 对称天线辐射 对称天线是一根中心馈电的，长度可与波长相比拟的载流导线，如下图示。 其电流分布以导线中点为对称，因此被称为对称天线。 若导线直径 d ?，电流沿线分布可以近似认为具有正弦驻波特性。 因为对称天线两端开路，电流为零，形成电流驻波的波节。电流驻波的波腹位置取决于对称天线的长度。 设对称天线的半长为L，在直角坐标系中沿 z 轴放置，中点位于坐标原点，则电流空间分布函数可以表示为 既然对称天线的电流分布为正弦驻波，对称天线可以看成是由很多电流振幅不等但相位相同的电流元排成一条直线形成的。 这样，利用电流元的远区场公式即可直接计算对称天线的辐射场。 那么，各个电流元在 P 点产生的远区电场方向相同，合成电场为各个电流元远区电场的标量和，即 对称天线 若周围媒质为理想介质，那么远区辐射电场为 由此可见，对称天线的方向性因子与方位角? 无关，仅为方位角? 的函数。 电流分布 四种长度的对称天线方向图 半波天线 全波天线 辐射功率：天线向外辐射的电磁功率 S可取以天线为球心，半径远大于波长的大球面。 对于高频电流来说，天线相当于一个负载，天线辐射出去的能量相当于该负载在消耗能量。 辐射电阻：一个等效电阻，当天线上的电流流过该电阻时所消耗的功率等于天线的辐射功率。 如果天线上的电流分布不均匀时，辐射电阻的计算与所取的电流有关。 辐射电阻的大小反映天线辐射能力强弱 天线电尺寸越大，辐射能力越强 对称振子辐射电阻随长度振荡上升