天线原理与设计2.ppt

UESTC 天线原理与设计 阮成礼 电子科技大学 主要内容 开拓电磁波资源 频带宽度的定义 超宽带天线原理 天线的电磁理论基础 电小天线、Hertz偶极子 对称振子 电磁波谱 电磁频谱是一种有限的电磁波资源。 高端受量子理论和黑子辐射理论限制，有一个上限； 电磁频谱的低端受天线辐射能力的限制，有一个下限。 电磁波资源 电磁波资源 频带宽度的定义 任何一个电子系统都占有一定的频谱资源，即一定的频带宽度。频谱资源已经非常拥挤了。 雷达 通信 电视 频带宽度的概念有两类： 一类是绝对带宽， 另一类是相对带宽。 绝对带宽 fl为低端频率：即在ffl范围内，系统传输的信号能量小于总能量的1%； fh为高端频率：即在ffh范围内，系统传输的信号能量小于总能量的1%； f0为中心频率：f0=(fl+fh)/2，是高低端频率的算术中值； 是几何中值。 绝对带宽： 相对带宽-分数带宽 分数带宽：在通信领域常用的相对带宽指系统绝对带宽与中频之比。 BW1取值范围为0≤BW1≤2。 相对带宽-百分比带宽 百分比带宽：BW2取值范围为0≤BW2≤1。这个定义常用在超宽带领域。 相对带宽-高低频之比带宽 高低频之比带宽：BW3取值范围1≤BW3≤∞，这个定义也常用在超宽带领域。 相对带宽-倍频程带宽 倍频程带宽：BW4取值范围0≤BW4≤∞，倍频程带宽BW4一般也是用在超宽带领域。 相对带宽-相对带宽之间的关系 各相对带宽的取值比较 天线带宽 天线辐射能力与天线电长度和结构形式有关。 有限尺寸天线的频带宽度总是有限的。 在工作频段内,关心的天线参数（辐射方向图、输入阻抗、极化特性、相位中心、等等），保持在允许的范围内，可以定义为天线带宽。 有很多类型得超宽带天线，它们在结构上有共同性，这就是“超宽带天线原理”。 超宽带天线原理—角形结构天线 理论模型： 无限长、天线结构与径向坐标无关、从顶点馈电。 和无限长传输线一样，其输入阻抗与频率无关。 角形结构天线辐射的是TEM波。 角形结构的天线有双锥天线、V-锥天线、螺旋天线、Bow-tie天线等。 角形结构天线 自补结构天线 互补天线就像照片的正负片一样，把金属换成介质（大气），把介质换成金属就得到其互补结构，互补天线的输入阻抗就为。 自补结构：天线与其互补天线结构相同，称为自补 自补天线 着色区域位金属，未着色区域为介质 张角为90度。 自相似天线 自相似性：局部与整体相似（分形几何学）。 天线结构上具有自相似性（角形结构的双锥天线、v-锥天线、对数周期天线、螺旋天线都有自相似性） 。 典型代表是分形天线。已利用分形几何改善天线的辐射特性，提高辐射电阻，扩展天线带宽。 自相似分形天线 增大电流辐射面积 增大导电电流面积，用较厚较粗的金属材料。例如，双锥天线是加粗了的对称振子天线，它的辐射面积比一般的偶极子天线大得多，也比V-锥天线的辐射面积大，所以它的辐射电阻比 偶极子天线小和V-锥天线大， V-锥天线输入电抗比偶极子天线小。 双锥天线是加粗了的对称振子天线 补偿与加载 根据天线的传输线模型，应用传输线方法对天线进行补偿和加载。 各种偶极子形式的电小天线都有相似的特性（利用Papas和King给出的有限长圆锥天线输入阻抗公式，导出了用短路传输线表示的电小偶极子天线等效电路，实现完全电抗补偿。这种方法用分布参数电路补偿分布参数的天线，真正实现了超宽带补偿）。 各种补偿方法，已经研究了超过70年。 单级子天线加载技术 多回路微带天线 微带天线本来是窄带天线，采用互相偶合的多回路原理扩展天线带宽。 每一个微带贴片可用一个谐振回路描述，尺寸不同的微带贴片谐振频率也不相同，通过适当方式耦合起来，则整个天线天线的带宽得到展宽。 开槽（不同尺寸的槽谐振频率不同）。 多回路微带天线 五个贴片每一贴片谐振频率不同； 互相耦合展宽频带。 开槽微带天线 天线的电磁理论基础 基本方程是Maxwell方程组 矢量位A 其中A为矢量位，φ是标量位。A和φ一共只有四个分量。任意一个矢量场如果只给出它的旋度，则这个矢量场并不是唯一的，规定 洛仑兹规范和库仑规范 在无源区域，J=0, ρ=0,取适当的A和φ可得库仑规范 源与波方程 它们的数学形式完全一样，可以预料它们的求解方法是一样的。定义算符和源函数分别为 源与解 电磁场分量 引入辅助位简化电磁矢量 导出辅助位波方程 辅助位的积分表达式 从已知源分布求辅助位函数 根据辅助位求解电磁场分量 电小天线 -需求 随着移动通信技术、空间技术、软件无线电和超宽带电子技术的发展，电子设备均向小型化与微型化方向发展, 天线也必然向小型化方向发展。 在HF、UHF频段,波长很长，?可实现的工程天线尺寸受到极大限制。 软件无线电和超宽带电