第4章-现代无线通信原理天线基础.ppt

第4章 天线基础 引 言 天线：可以辐射或接收无线电波的装置，雷达与通信设备射频前端的重要组件。 最早的天线：“振荡偶极子”——1887年，德国青年科学家赫兹。 4.1 天线的工作机理、功能与特性 具有加速度的载流子产生形成波动电磁场结构 封闭的传输线不能辐射电磁波 天线结构具有开放性。 闭合的传输线结构到开放的自由空间的渐变段 。 完成无线电波与导行电磁波之间的转化。 天线要满足一定的阻抗条件 天线应当具备适当的极化方式 天线的辐射或接收具有特定的方向性 天线要有一定的带宽 双极化天线 两个天线为一个整体 传输两个独立的波 圆极化波 如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收； 右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生３分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量； 思考题 产生辐射的客观存在的源是什么？ 简述天线的工作机理 天线有哪些特性？ 4.2 基本辐射元 的等幅同相正弦电流 也称为“基本电振子” I 基本电流元场结构（矢量位法求解） II 基本电流元的场区划分 近区： ，“电抗场”或“束缚场” 远区： ，“辐射场” 中间区：介于远区与近区之间 天线辐射场的基本特征 第一、E、H与波传播方向 三者互相正交，呈右手螺旋关系； 第二、 E、H同相，其幅度比等于自由空间波阻抗； 第三、场量幅度正比于1/r； 第四、辐射场正比于sinθ ，具有方向性； 第五、场分量等相面是以r为半径的球面； 第六、当r→∞时，电磁波在局部近似为均匀平面波。 天线辐射场幅度可表示为 4.2.2 基本磁流元、基本电流环与基本缝隙元 磁流是虚拟的源的场结构（对偶性原理） 基本磁流元的辐射场 等效为基本磁流元的辐射结构 4.2.3 基本辐射元的组合 单向辐射元 思考题 天线有哪些特性？ 什么是基本电流元、基本磁流元？ 近区场有什么特性？ 辐射场有什么特性？ 什么结构可等效为基本磁流元？ 描述基本圆极化天线不同方位角上的极化方式？ 4.3 天线的电参数 天线的收发互易性 无源天线可等效为无源线性网络； 天线用作发射和用作接收时具有相同的电性能参数 。 辐射阻抗： 辐射阻抗：天线辐射能力强弱的表征 输入阻抗与驻波比： 方向图：波瓣图，描述天线在与之距离r一定的球面上的场幅度、相位或功率密度与球坐标方位角关系的三维图形 ，数学表示式称为方向图函数。 归一化幅度方向图函数 ： 归一化功率方向图函数 ： 归一化幅度方向图函数（dB）： 波束立体角与主波束效率 方向性系数、效率和增益 有效口径 有效长度或有效高度 极化方式：线极化、圆极化、椭圆极化 带宽： 天线的阻抗、极化、方向图等电参数可保持在允许值范围内的频率跨度。 相位中心 天线可等效为一个点源，该点源辐射具有方向性的球面波，其位置就是天线的相位中心 。 噪声温度 接收功率与Friis传输公式 设发射机输入功率Pt，发射天线增益为Gt，有效口径为Aet，接收天线增益为Gr，有效口径为Aer，收发天线间距为r（满足远区条件），互以最大方向对准，极化形式一致，工作波长为λ 思考题 简述天线收发互易性。 长度为百分之一波长的基本电流元辐射阻抗是多少？ 简述天线方向性系数与辐射方向图间的关系。 解释极化匹配的概念。 了解天线相位中心的概念。 天线增益、有效面积间有什么关系？是推倒Friis传输公式。 如何降低天线噪声？ 4.4 常用天线与基本特点 基本特点：结构简单，极化纯度高，辐射能力较强，应用广泛； 分析方法：微元法； 电流假设： （近似分布） 半波振子 辐射电阻： Rf=73 Ω 方向性系数： D=1.64 常见馈电形式： 平行双线、电缆（需要设计巴伦） 典型应用：若干振子串联组阵，构成较高增益全向天线 八木—宇田天线 具有单向辐