天线与电波传播-完整版PPT课件下载推荐.ppt

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,天线发展简史,三、1980,超大阵列（VLA）抛物面天线（VeryLargeArraySteerableParabolicDishAntennas）位于美国新墨西哥州（Socorro,NewMexico）的超大阵列天线由27面直径为25米的抛物面按Y型方式排列组成，是世界第一个射电天文望远镜。

其分辨率相当于36千米跨度的天线，而灵敏度相当于直径为130米的碟型天线。

天线发展简史,五、2000,移动/手持天线（Mobile/Hand-heldAntenna）工作于800MHz的手持蜂窝电话天线随处可见。

从马可尼时代直到20世纪40年代，天线主要是以导线为辐射单元，工作频率也提高到UHF。

进入二战期间，随着1GHz以上微波源（如调速管、磁控管）的发明，天线开始了一个新的纪元。

波导口径天线、喇叭天线和反射面天线等如雨后春笋般出现。

9,天线发展简史,数值方法，如矩量法（MethodofMoment,MoM）、有限差分法（Finite-DifferenceMethod,FDM）、有限元法（Finite-ElementMethod,FEM）、几何绕射理论（GeometricalTheoryofDiffraction,GTD）和物理绕射理论（PhysicalTheoryofDiffraction,PTD）等的引入大大推进了天线技术的发展，促进了天线分析和设计技术的逐渐成熟。

现在天线的设计不再是修修补补（cutandtry）的方法，已经跨入了一个整体系统级的设计阶段。

天线正朝小型化、宽频带、多频段和高频率等方向发展。

10,电磁频谱与无线电频段,12,天线概念,天线是无线系统的重要部件，它是现代信息社会的电子眼、电子耳。

定义用来辐射或接收无线电波的装置，导行波与自由空间波互相转换区域的结构，转换器件或换能器能量转换。

电路的观点从传输线看向天线这一段等效于一个电阻，是从空间耦合到天线终端的电阻，与天线结构自身的任何电阻无关。

天线与电波传播第一章电磁场方程及其解,1.1辅助函数法,Maxwell方程,Maxwell方程,磁矢量位函数,1.1辅助函数法,1.1辅助函数法,洛伦兹条件：

因此，知道,1.1辅助函数法,体电流,面电流,线电流,远场辐射，忽略高阶项,1.1辅助函数法,在远场区,天线辐射问题分析过程,1.2电基本振子,什么是电基本振子？

一段通有高频电流的直导线，当导线长度远远小于波长时，该导线被称为电基本振子。

当：

可近似地认为导线上每一点的电流都是等幅同相的。

电基本振子天线结构,电场方向,1.2电基本振子,常数,磁矢位：

其中：

1.2电基本振子,磁场：

对于磁场：

1.2电基本振子,电场：

对于电场：

近区场：

当时称为近区，电磁场主要由的,高次幂项决定，故可略去的低次幂项，得,1.2电基本振子,近区场辐射功率密度：

1.2电基本振子,近区场的性质：

由于电场和磁场相差90度，故坡印廷矢量的平均值等于零，这说明无电磁场能量辐射，称为感应场。

远区场：

当时称为远场区，电磁场主要由的低次幂项决定，故可略去的高次幂项，得,波阻抗：

固有阻抗：

1.2电基本振子,远区场的性质：

（1）电场与磁场在空间相互垂直，它们均与r成反比。

因等相位面为球面，故为球面电磁波。

（2）因在传播方向上电磁场的分量为零，故为横电磁波，记为TEM波。

（3）电场与磁场的比值等于，称为波阻抗；

（4）由于电场和磁场相位相同，且均与成正比，故电基本振子在远区为辐射场，且具有方向性。

1.2电基本振子,电基本振子的场辐射,1.3磁基本振子,麦克斯韦电磁理论获得了巨大的成功。

电和磁的对称性问题，至今尚未解决。

电的基本单元是电荷。

正负电荷可以分开，自由电荷能单独存在，因而我们可以引进电荷密度和电流密度的概念。

磁的基本单元是磁偶极矩，它可以看作是正负磁荷的组合。

然而，正负磁荷却不能分开，自由磁荷不能单独存在。

所以，在电磁理论中我们不能引入磁荷密度和磁流密度等概念。

1.3磁基本振子,1931年，英国的著名物理学家狄拉克（1933年诺贝尔物理学奖获得者）首先从理论上讨论了磁单极子存在的问题。

1975年，加利福尼亚和休斯顿大学的一个小组宣称，他们从高空气球的实验中发现了磁单极子，曾哄动了当时的物理学界。

但后来发现，如果正确考虑实验中的系统误差，从他们的实验结果中并不能得出这个结论。

1982年3月，美国斯坦福大学的卡布莱拉又宣称，他利用一个在9K温度下的铌超导线圈捕捉到一个磁单极子。

不过至今许多类似的实验始终未能发现同样的事例。

1.3磁基本振子,【对偶定理】尽管自由磁荷存在与否现在依然没有定论，但这并不妨碍在数学上引入假想磁荷和假想磁流，其目的是使Maxwell方程在形式上对称。

1.3磁基本振子,1.3磁基本振子,什么是磁基本振子？

一段通有高频磁流的直导线，当导线长度远远小于波长时，该导线被称为磁基本振子。

可近似地认为导线上每一点的磁流都是等幅同相的。

根据对偶定理可写出磁基本振子的辐射场,1.3磁基本振子,已知电基本振子的辐射场,对偶定理,可得磁基本振子的辐射场,远区辐射场,1.3磁基本振子,磁基本振子电磁场的性质：

1）电场与磁场在空间相互垂直，均与r成反比；

2）电场与磁场在时间上相差180度，平均坡印廷矢量为实数，且沿r方向，为横电磁波；

3）电场与磁场的比值等于；

4）具有方向性，在度方向上有最大辐射。

1.3磁基本振子,【小电流环的电磁场】设有小电流环位于xoy平面坐标原点，其周长l远小于波长，环上电流等幅同相，其磁偶极矩为，磁偶极矩方向与环电流成右手关系。

1.3磁基本振子,小电流环辐射电磁场的性质：

电场与磁场在空间相互垂直，均与r成反比；

电场与磁场在时间上相差180度，平均坡印廷矢量为实数，且沿r方向，为横电磁波；

电场与磁场的比值等于；

具有方向性，在度方向有最大辐射；

场与环的面积成正比，与环的形状无关。

天线与电波传播第二章天线的基本电参数,2.1引言,【目的】描述天线的电性能，定义天线的各种电参数。

【电参数】辐射方向图；

波束范围；

波束效率；

方向性系数；

增益；

辐射电阻；

天线阻抗；

极化等【标准】IEEEStandardDefinitionsofTermsforAntennas（IEEEStd145-1983）,2.2辐射方向图,【定义】天线的辐射特性是关于空间坐标的函数，若在固定距离上，此函数通过数学函数或者图形来描述，则得到的数学函数或者图形即为辐射方向图，简称方向图。

【注意】

（1）方向图一般描述天线远场区的辐射特性。

（2）辐射特性有功率通量密度（Powerfluxdensity）、辐射强度（Radiationintensity）、场强（Fieldsstrength）、相位（Phase）、极化（Polarization）等。

（3）空间坐标有三维坐标系或者二维坐标系。

辐射特性和空间坐标任何组合，即可得到不同的辐射方向图。

2.2辐射方向图,球坐标系（三维坐标系）,2.2辐射方向图,（4）固定距离，即坐标原点到观察点的距离保持不变。

而且结合

（1）的远场条件，因此一般功率方向图和场强方向图与距离无关，而相位方向图与距离有关。

（5）三维方向图是一系列二维方向图的组合。

通过几组二维方向图，即可得到所需要的天线辐射性能的信息。

工程上用两个相互垂直的主平面内的方向图表示。

（6）归一化方向图，某天线的方向图为，则归一化方向图为。

2.2.1辐射方向图波瓣,包含最大辐射方向的波瓣叫主瓣，其余叫副瓣，与主瓣相反方向上的副瓣叫后瓣。

2.2.2场强方向图和功率方向图,方向图函数定义：

天线位于坐标原点，在距天线等距离的球面上，天线在各点产生的功率通量密度或场强随空间方向的变化曲线。

42,一般天线的远区辐射电磁场表示为如下形式,场强方向图函数,2.2.2场强方向图和功率方向图,43,归一化场强方向图函数,其中天线最大辐射方向，天线方向图函数最大值。

由方向图函数和归一化方向图函数表示的方向图统称为天线的辐射场强方向图。

2.2.2场强方向图和功率方向图,归一化功率方向图归一化功率方向图与归一化场强方向图关系,44,功率通量密度（坡印廷矢量的幅值）,功率通量密度的最大值,通常方向图用分贝（dB）表示，则,2.2.3E-面H-面辐射方向图,以E平面和H平面为主平面的二维方向图叫做E-面和H-面方向图。

E-平面：

通过最大辐射方向与电场矢量方向构成的平面。

H-平面：

通过最大辐射方向与磁场矢量方向构成的平面。

E面,H面,对阵振子方向图,2.2.4波瓣宽度,【半功率波瓣宽度或者3dB波束宽度】主瓣最大值两边场强等于最大场强的0.707倍（最大功率密度的0.5倍）的两辐射方向之间的夹角，表示为【零功率波瓣宽度】主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角，表示为,HPBW（HalfPowerBeamWidth）,FNBW（FirstNullBeamWidth）,2.2.5辐射场区,电抗性近场区：

，天线与大部分能量的场相互作用。

辐射进场（Fresnel）区：

，场方向图随着变化，而且在传播方向上有场分量。

远场（Fraunhofer）区：

，场方向图基本没有变化，传播平面波。

2.2.6立体角,在球坐标系中，球面上的微分面积是方向的弧和沿方向的弧长的乘积。

表示立体角，即所张开的立体角。

表示为立体弧度（sr）或者平方度（）球面的面积为因此球面所张开的立体角为sr立体弧度与平方度的关系,2.3辐射功率密度及辐射强度,【辐射功率密度】即为时间平均坡印廷矢量辐射功率可表示为对于理想点源，功率密度为其辐射的功率为,2.3辐射功率密度及辐射强度,如果理想点源辐射功率已知，则从辐射功率可求出相应的辐射功率密度为,【辐射强度】单位立体角内辐射的功率。

用表示,在远场区,2.3辐射功率密度及辐射强度,如果从辐射强度已知，则可求出辐射功率,对于理想点源，辐射强度与无关，因此理想点源辐射的功率，可表示为,当辐射功率已知的情况下，理想点源的辐射强度可表示为,2.4方向性系数,【方向性系数】是定量表示天线辐射的电磁能量集中程度以描述方向特性的一个参数。

如果没有特别规定某个