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天线讲稿

第1章电波传播概论

1.1电波传播的基本概念

1.无线电波在自由空间的传播

天线置于自由空间中,假设发射天线是一理想的无方向性天线,若它的辐射功率为PΣ瓦,则离开天线r处的球面上的功率流密度为

2.传输媒质对电波传播的影响

（1）传输损耗（信道损耗）

电波在实际的媒质（信道）中传播时是有能量损耗的。

这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的,也可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。

（2）衰落现象

所谓衰落,一般是指信号电平随时间的随机起伏。

根据引起衰落的原因分类,大致可分为吸收型衰落和干涉型衰落。

吸收型衰落主要是由于传输媒质电参数的变化,使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。

如大气中的氧、水汽以及由后者凝聚而成的云、雾、雨、雪等都对电波有吸收作用。

（3）传输失真

无线电波通过媒质除产生传输损耗外,还会产生失真——振幅失真和相位失真。

产生失真的原因有两个:

一是媒质的色散效应,二是随机多径传输效应。

（4）电波传播方向的变化

当电波在无限大的均匀、线性媒质内传播时,射线是沿直线传播的。

然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的:

不同媒质的分界处将使电波折射、反射;媒质中的不均匀体如对流层中的湍流团将使电波产生散射;球形地面和障碍物将使电波产生绕射;特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变化,使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏,使接收信号产生严重的衰落。

1.2视距传播

所谓视距传播,是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。

地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式。

它主要用于超短波和微波波段的电波传播。

1.视线距离

2.大气对电波的衰减

大气对电波的衰减主要来自两个方面。

一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。

热吸收与小水滴的浓度有关,谐振吸收与工作波长有关。

另一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的散射,散射衰减与小水滴半径的六次方成正比,与波长的四次方成反比

3.场分析

在视距传播中,除了自发射天线直接到达接收天线的直射波外,还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波，如图75所示。

因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。

1.3天波传播

天波传播通常是指自发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式,有时也称电离层电波传播,主要用于中波和短波波段。

1.电离层概况

电离层是地球高空大气层的一部分,从离地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。

由于电离层电子密度不是均匀分布的,因此,按电子密度随高度的变化相应地分为D,E,F1,F2四层,每一个区域的电子浓度都有一个最大值,如图7-9所示。

电离层主要是太阳的紫外辐射形成的,因此其电子密度与日照密切相关——白天大,晚间小,而且晚间D层消失;电离层电子密度又随四季不同而发生变化。

除此之外,太阳的骚动与黑子活动也对电离层电子密度产生很大影响。

2.无线电波在电离层中的传播

仿照电波在视距传播中的介绍方法,可将电离层分成许多薄片层,每一薄片层的电子密度是均匀的,但彼此是不等的。

（1）最高可用频率

（2）天波静区

（3）多径效应

由于天线射向电离层的是一束电波射线,各根射线的入射角稍有不同,它们将在不同的高度上被“反射”回来,因而有多条路径到达接收点（图7-13）,这种现象称为多径传输。

电离层的电子密度随气候不时发生起伏,引起各射线路径也不时变化,这样,各射线间的波程差也不断变化,从而使接收点的合成场的大小发生波动,这种由多径传输引起的接收点场强的起伏变化称为多径效应。

正如本章前面所述,多径效应造成了信号的衰落。

（4）最佳工作频率fopt

电离层中自由电子的运动将耗散电波的能量,使电波发生衰减,但电离层对电波的吸收主要是D层和E层。

1.4地面波传播

无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播,当天线低架于地面,且最大辐射方向沿地面时,这时主要是地面波传播。

在长、中波波段和短波的低频段（103~106Hz）均可用这种传播方式。

1.5不均匀媒质的散射传播

除了上述三种基本传输方式外,还有散射波传播。

电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质团”时就会发生散射,散射波的一部分到达接收天线处（图7-16）,这种传播方式称为不均匀媒质的散射传播。

电离层散射主要用于30～100MHz频段,对流层散射主要用于100MHz以上频段。

就其传播机理而言,电离层散射传播与对流层散射传播有一定的相似性；就其应用广度来说,电离层散射传播不如对流层散射传播方式应用广泛。

现以对流层散射为例简单介绍不均匀媒质的散射传播的原理。

①由于散射波相当微弱,即传输损耗很大（包括自由空间传输损耗、散射损耗、大气吸收损耗及来自天线方面的损耗,一般超过200dB）,因此对流层散射通信要采用大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线。

②由于湍流运动的特点,散射体是随机变化的,它们之间在电性能上是相互独立的,因而它们对接收点的场强影响是随机的。

这种随机多径传播现象,使信号产生严重的快衰落。

这种快衰落一般通过采用分集接收技术来克服。

③这种传播方式的优点是:

容量大,可靠性高,保密性好,单跳跨距达300~800km,一般用于无法建立微波中继站的地区,如用于海岛之间或跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。

第2章天线辐射与接收的基本理论

2.1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,即所谓的有线通信,如电话、计算机局域网等有线通信系统;另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息,即所谓的无线通信,如电视、广播、雷达、导航、卫星等无线通信系统。

在如图61所示的无线通信系统中,需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波,或者将无线电波转换为导波能量,用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。

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。

2.2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。

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.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。

我们知道,在稳态电磁场中,静止的电荷产生电场,恒定的电流产生磁场。

那么,是否有静止的磁荷产生磁场,恒定的磁流产生电场呢？

迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是,如果引入这种假想的磁荷和磁流的概念,将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代,即将“电源”换成等效“磁源”,可以大大简化计算工作。

2.3天线的电参数

1.天线方向图及其有关参数

所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处,辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图,通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。

（1）主瓣宽度

（2）旁瓣电平

（3）前后比

（4）方向系数

2.天线效率

3.增益系数

4.极化特性

极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。

具体地说,就是在空间某一固定位置上,电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形。

5.频带宽度

6.输入阻抗

7.有效长度

第3章线天线

3.1对称振子天线

对称振子天线是由两根粗细和长度都相同的导线构成,中间为两个馈电端，如图8-1所示。

这是一种应用广泛且结构简单的基本线天线。

假如天线上的电流分布是已知的,则由电基本振子的辐射场沿整个导线积分，便得对称振子天线的辐射场。

然而,即使振子是由理想导体构成,要精确求解这种几何结构简单、直径为有限值的天线上的电流分布仍然是很困难的。

1.半波振子的辐射电阻及方向性

半波振子广泛地应用于短波和超短波波段,它既可作为独立天线使用,也可作为天线阵的阵元。

在微波波段,还可用作抛物面天线的馈源（这将在第9章介绍）。

2.振子天线的输入阻抗

前面讲过对称振子天线可看作是由开路传输线张开180°后构成。

因此可借助传输线的阻抗公式来计算对称振子的输入阻抗,但必须作如下两点修正。

1）特性阻抗

2）输入阻抗

3.2阵列天线

1.二元阵

元因子表示组成天线阵的单个辐射元的方向图函数,其值仅取决于天线元本身的类型和尺寸。

它体现了天线元的方向性对天线阵方向性的影响。

阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性,其值取决于天线阵的排列方式及其天线元上激励电流的相对振幅和相位,与天线元本身的类型和尺寸无关。

由式（8-2-8）可以得到如下结论:

在各天线元为相似元的条件下,天线阵的方向图函数是单元因子与阵因子之积。

这个特性称为方向图乘积定理。

2.均匀直线阵

均匀直线阵是等间距、各阵元电流的幅度相等（等幅分布）而相位依次等量递增或递减的直线阵,如图8-15所示。

N个天线元沿x轴排成一行,且各阵元间距相等、相邻阵元之间相位差为ζ。

因为天线元的类型与排列方式相同,所以天线阵方向图函数依据方向图乘积定理,等于元因子与阵因子的乘积。

这里,我们主要讨论阵因子。

从图8-16可得出以下几个重要的结论。

1）主瓣方向

（1）边射阵

最大辐射方向在垂直于阵轴方向上,即φm=±π/2,由式（8-2-21）得ζ=0,也就是说,在垂直于阵轴方向上,各元到观察点没有波程差,所以各元电流不需要有相位差,如例8-2的情况。

（2）端射阵

最大辐射方向在阵轴方向上,即φm=0或π,由式（8-2-21）得ζ=kd（φm=0）或ζ=kd（φm=π）,也就是说,阵的各元电流沿阵轴方向依次滞后kd,如例8-3的情况。

可见,直线阵相邻元电流相位差ζ的变化,引起方向图最大辐射方向的相应变化。

如果ζ随时间按一定规律重复变化,最大辐射方向连同整个方向图就能在一定空域内往返运动,即实现方向图扫描。

这种通过改变相邻元电流相位差实现方向图扫描的天线阵,称为相控阵。

2）零辐射方向

3）主瓣宽度

当N很大时,头两个零点之间的主瓣宽度可近似确定。

令ψ01表示第一个零点,实际就是令式（8-2-22）中的m=1,则ψ01=±2π/N。

（1）边射阵（ζ=0,φm=π/2）

（2）端射阵（ζ=kd,φm=0）

（3）旁瓣方位

（4）第一旁瓣电平

3.3直立振子天线与水平振子天线

1.直立振子天线

垂直于地面或导电平面架设的天线称为直立振子天线,它广泛地应用于长、中、短波及超短波波段。

假设地面可视为理想导体,则地面的影响可用天线的镜像来替代,如图8-21（a）、（c）所示,单极天线可等效为一对称振子（图8-21（b））,对称振子可等效为一二元阵（图8-21（d））。

但应指出的是此等效只是在地面或导体的上半空间成立。

2.水平振子天线

水平振子天线经常应用于短波通信、电视或其它无线电系统中,这主要是因为:

①水平振子天线架设和馈电方便;

②地面电导率的变化对水平振子天线的影响较直立天线小;

③工业干扰大多是垂直极化波,因此用水平振子天线可减小干扰对接收的影响。

3.4引向天线与电视天线

1.引向天线

引向天线又称八木天线,它由一个有源振子及若干个无源振子组成,其结构如图8-29所示。

在无源振子中较长的一个为反射器,其余均为引向器,它广泛地应用于米波、分米波波段的通信、雷达、电视及其它无线电系统中。

2.电视发射天线

1）电视发射天线的特点

①频率范围宽。

我国电视广播所用的频率范围:

1～12频道（VHF频段）为48.5～223MHz;13～68频道（UHF频段）为470～956MHz。

②覆盖面积大。

③在以零辐射方向为中心的一定的立体角所对的区域,电视信号变得十分微弱,因此零辐射方向的出现,对电视广播来说是不好的。

④由于工业干扰大多是垂直极化波,因此我国的电视发射信号采用水平极化,即天线及其辐射电场平行于地面。

⑤为了扩大服务范围,发射天线必须架在高大建筑物的顶端或专用的电视塔上。

这就要求天线必须承受一定的风荷、防雷等。

以上这些特点除了要求电视发射天线功率大、频带宽、水平极化,还要求天线在水平面内无方向性,而在铅垂平面有较强的方向性。

3.5移动通信基站天线

1.移动通信基站天线的特点

顾名思义,移动通信是指通信双方至少有一方在移动中进行信息传输和交换。

也就是说,通信中的用户可以在一定范围内自由活动,因此其通信的运行环境十分复杂,多径效应、衰落现象及传输损耗等都比较严重;而且移动通信的用户由于受使用条件的限制,只能使用结构简单、小型轻便的天线。

2.移动通信基站天线

3.6螺旋天线

将导线绕制成螺旋形线圈而构成的天线称为螺旋天线。

通常它带有金属接地板（或接地网栅）,由同轴线馈电,同轴线的内导体与螺旋线相接,外导体与接地板相连,其结构如图8-44所示。

螺旋天线是常用的圆极化天线。

1.法向模螺旋天线

由于法向模螺旋天线的电尺寸较小,其辐射场可以等效为电基本振子与磁基本振子辐射场的叠加,且它们的电流振幅相等,相位相同,如图8-46（a）所示。

每一圈螺旋天线的辐射场为

E=aθEθ+aφEφ

2.轴向模螺旋天线

当d/λ≈0.25~0.45时,螺旋天线的一圈的周长接近一个波长,此时天线上的电流呈行波分布,则天线的辐射场呈圆极化,其最大辐射方向沿轴线方向

3.7行波天线

前面讲的振子型天线,其上电流为驻波分布,如对称振子的电流分布为

I（z）=Imsinβ（h-z）=

式中,第一项表示从馈电点向导线末端传输的行波;第二项表示从末端反射回来的从导线末端向馈电点传输的行波;负号表示反射系数为1。

1.行波单导线天线的方向图

2.V形天线和菱形天线

用两根行波单导线可以组成V形天线。

对于一定长度l/λ的行波单导线,适当选择张角2θ,可以在张角的平分线方向上获得最大辐射,如图8-50

3.8宽频带天线

在许多场合中,要求天线有很宽的工作频率范围。

按工程上的习惯用法,若天线的阻抗、方向图等电特性在一倍频程（fmax/fmin=2）或几倍频程范围内无明显变化,就可称为宽频带天线;若天线能在更大频程范围内（比如fmax/fmin≥10）工作,而其阻抗、方向图等电特性基本上不变化时,就称为非频变天线。

1.非频变天线的条件

由前面的分析可知:

驻波天线的方向图和阻抗对天线电尺寸的变化十分敏感。

能否设计一种天线,当工作频率变化时,天线的尺寸也随之变化,即保持电尺寸不变,则天线能在很宽频带范围内保持相同的辐射特性,这就是非频变特性。

事实上,天线只要满足以下两个条件,就可以实现非频变特性。

（1）角度条件

天线的形状仅取决于角度,而与其它尺寸无关，即

r=r0eaφ（8-8-1）

换句话说,当工作频率变化时,天线的形状、尺寸与波长之间的相对关系不变,如图8-52所示。

（2）终端效应弱

实际天线的尺寸总是有限的,有限尺寸的结构不仅是角度的函数,也是长度的函数。

因此,当天线为有限长时,是否具有近似无限长时的特性,是能否构成实际的非频变天线的关键。

2.平面等角螺旋天线

如图8-53所示是由两个对称臂组成的平面等角螺旋天线,它可看成是一变形的传输线,两个臂的四条边由下述关系确定

3.对数周期天线

（1）齿状对数周期天线

（2）对数周期偶极子天线

对数周期偶极子天线是由N个平行振子天线的结构依据下列关系设计的:

3.9缝隙天线

如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝,可使电磁波通过缝隙向外空间辐射而形成一种天线,这种天线称为缝隙天线,如图8-56所示。

由于缝隙的尺寸小于波长,且开有缝隙的金属外表面的电流将影响其辐射,因此对缝隙天线的分析一般采用对偶原理。

1.理想缝隙天线的辐射场

在研究实际的缝隙天线以前,先来研究开在无限大和无限薄的理想导电平板上的缝隙。

2.波导缝隙天线

实际应用的波导缝隙天线通常是开在传输TE10模的矩形波导壁上的半波谐振缝隙,如果所开缝隙截断波导内壁表面电流（即缝隙不是沿电流线开）,表面电流的一部分绕过缝隙,

8.10微带天线

微带天线自20世纪70年代以来引起了广泛的重视与研究,各种形状的微带天线已在卫星通信、多普勒雷达及其它雷达导弹遥测技术以及生物工程等领域得到了广泛应用,下面介绍微带天线的结构、特点及工作原理。

1.微带天线的结构及特点

微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在它的两面上的金属片构成的,其中完全覆盖介质板一片称为接地板,而尺寸可以和波长相比拟的另一片称为辐射元,如图8-61所示。

辐射元的形状可以是方形、矩形、圆形和椭圆形等等。

2.微带天线的辐射原理

由于分析微带天线的方法不同,对它的辐射原理有不同的说法。

为了简单起见,我们以矩形微带天线为例,用传输线模分析法介绍它的辐射原理。

3.辐射场及方向函数

3.11智能天线

由于无线电频率资源的日益紧张,导致蜂窝系统的容量受到限制,因此把空域处理看作无线容量战中最后的阵地,从而引起对智能天线技术的重视。

智能天线在蜂窝系统中的应用研究始于20世纪90年代初,人们希望通过引入智能天线来扩大系统容量,同时克服共信道、多径衰落等无线移动通信技术中急需解决的问题。

使用智能天线技术的主要优点有:

①具有较高的接收灵敏度;

②使空分多址系统（SDMA）成为可能;

③消除在上下链路中的干扰;

④抑制多径衰落效应。

第4章面天线

4.1惠更斯元的辐射

面天线的结构包括金属导体面S′、金属导体面的开口径S（即口径面）及由S0=S′+S所构成的封闭曲面内的辐射源,如图9-1所示。

由于在封闭面上有一部分是导体面S′,所以其上的场为零,这样使得面天线的辐射问题简化为口径面S的辐射，即S0=S′+S→S,设口径上的场分布ES,根据惠更斯-菲涅尔原理,把口径面分割为许多面元dS,称为惠更斯元。

4.2平面口径的辐射

微波波段的无线电设备,如抛物面天线及喇叭照射器,它们的口径面S都是平面,所以讨论平面口径的辐射有普遍的实用意义。

设平面口径面位于xOy平面上,坐标原点到观察点M的距离为R,面元dS到观察点M的距离为r,如图9-4所示。

4.3旋转抛物面天线

旋转抛物面天线是在通信、雷达和射电天文等系统中广泛使用的一种天线,它是由两部分组成的,其一是抛物线绕其焦轴旋转而成的抛物反射面,反射面一般采用导电性能良好的金属或在其它材料上敷以金属层制成;其二是置于抛物面焦点处的馈源（也称照射器）。

馈源把高频导波能量转变成电磁波能量并投向抛物反射面,而抛物反射面将馈源投射过来的球面波沿抛物面的轴向反射出去,从而获得很强的方向性。

1.抛物面天线的工作原理及分析方法

抛物面天线的结构如图9-10所示,首先来介绍一下旋转抛物面天线的几何特性。

在yz平面上,焦点F在z轴且其顶点通过原点的抛物线方程为

y2=4fz（9-3-1）

其中,f为焦距。

由此抛物线绕OF轴旋转而形成的抛物面方程为:

x2+y2=4fz

2.抛物面天线的辐射特性

1）口径场分布

计算口径场分布时,要依据两个基本定律——几何光学反射定律和能量守恒定律,而且必须满足以下几个条件:

①馈源辐射理想的球面波,即它有一个确定的相位中心并与抛物面的焦点重合;

②馈源的后向辐射为零;

③抛物面位于馈源辐射场的远区,即不考虑抛物面与馈源之间的耦合。

2）口径场的极化

口径场是辐射场,是横电磁波,所以场矢量必然与z轴垂直,即在口径上一般有x和y两个极化分量。

在采用常规馈源（馈源的电流沿着y方向）时,口径上的电场极化如图9-11（c）所示。

3.馈源

（1）对馈源的基本要求

抛物面天线的方向性很大程度上依赖于馈源。

也就是说,馈源的好坏决定着抛物面天线性能的优劣,通常对馈源提出如下基本要求:

①馈源方向图与抛物面张角配合,使天线方向系数最大;尽可能减少绕过抛物面边缘的能量漏失;方向图接近圆对称,最好没有旁瓣和后瓣。

②具有确定的相位中心,这样才能保证相位中心与焦点重合时,抛物面口径为同相场。

③因为馈源置于抛物面的前方,所以尺寸应尽可能地小,以减少对口径的遮挡。

④应具有一定的带宽,因为天线带宽主要取决于馈源系统的带宽。

（2）馈源的选择

馈源的类型很多,如何选择馈源应根据天线的工作波段和特定用途而定。

抛物面天线多用于微波波