复习大纲电波天线.docx
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复习大纲电波天线
电磁兼容性（EMC：
ElectroMagneticCompatibility）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力——EMC包括两个方面的要求：
一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值，即电磁干扰EMI；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性EMS。
对数周期天线是一种宽频带天线，其振子长度和振子间距离都是按比例顺序排列的，各偶极子并接在一均匀传输线上，但相邻振子交叉馈电，使用对数周期天线可以进行通讯传输，接收和发射通讯信号。
喇叭天线又称号角天线——是由一段均匀波导和一段截面慢慢增大的喇叭状波导组成。
喇叭天线有三种形式：
扇形喇叭天线、角锥形喇叭天线及圆锥形喇叭天线。
波渠天线又称“八木天线”，它由放置在同一平面上的一个有源振子和多个无源振子，以及垂直连接它们中心的金属杆构成，通常只有一个无源振子为反射器，其余为引向器，所有振子的总长度
；金属杆通过振子上的电压波节点，并垂直于天线。
八木天线的工作原理是这样的（以三单元天线接收为例）：
引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。
此时，引向器对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°；引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后于从空中直接到达主振子的信号90°，恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。
反射器
呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了180°，起到了抵消作用。
一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。
发射状态作用过程亦然。
库仑定律是静电学的理论基础，也是整个电磁理论的基础。
赫兹实验证实了电磁波的存在,并且证实了麦克斯韦关于电磁理论的预言。
为了简化麦克斯韦方程组的求解，课程学习中引入了赫芝矢量，通过它来代表电场强度和磁场强度。
在天线的辐射场中，一般用
表示天线的方向性特性——称为方向性函数，它不仅决定了场的大小，而且决定了场的相位。
由于对于
的空间描述（立体方向性图）比较复杂，在大多数情况下选择通过最大辐射方向的相互垂直的两个平面赤道面、
子午面中的图形来表示，其中赤道面是与天线轴垂直且经过它的中点的平面，子午面是通过天线轴线的平面。
所谓点源是指占有无穷小体积的波源J（电流）和ρ（电荷），即集中在单位体积内的波源。
已知电场强度和磁场强度，就可以通过坡印廷矢量求得电磁场的能量。
天线辐射能量的过程是一个能量转换的过程，在这一转换过程之中，希望较多的高频能量变成辐射的电磁波能量，这就是天线效率的问题，它可以表示为天线的辐射功率与输入的有功功率之比。
各种天线各有不相同的方向性图，用方向性系数来表示天线集中辐射能量的特性，方向性系数定义为：
在相同的天线辐射功率下，在任一方向
，辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时的平均功率密度之比；用方向性系数的物理意义是：
由于天线有方向性，使某方向的辐射功率密度比均匀辐射时增加的倍数。
天线增益的物理意义是：
为了在观察点有相等的功率密度，方向性天线的输入功率应小于均匀辐射（其效率等于1）的输入功率的G倍；如果被研究天线的效率为1，则天线增益等于方向性系数；许多超高频天线系统的效率很高，接近100%。
同一天线既可作发射用，又可作接收用，它们是互易的，特性参数是统一的，接收天线的感应电流与来波方向有关的特性是接收天线的方向性；天线作接收用时的方向性函数与作发射用的方向性函数相等。
极化是天线的一个重要特性，天线在某方向的极化是指天线在该方向所辐射电波的极化（对发射天线），或天线在该方向接收获得最大接收功率（极化匹配）时入射平面波的极化（对接收天线）；天线的极化与天线在空间的方位有关，通常所说的天线极化是指最大辐射方向或最大接收方向的极化；对于电磁波来说其极化是指电磁波的特定场矢量的极化。
电偶极子又称赫兹偶极子或电流元，它是由带有电流I的长度为l（远小于波长）的电短带电导线构成；虽然电偶极子是一个效率很低的辐射器，但是它的辐射特性与大多数天线的远场完全相同。
在天线馈线系统中，传输线的终端负载为天线的输入阻抗；为了使传输线和天线相匹配，必须使天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗；天线的输入阻抗是很有意义的参数，它关系到将发射设备的有功功率尽量多地馈给天线，或从天线取得最大能量的问题。
输入阻抗定义为输入电压与输入电流的比值。
天线阻抗的变化，会引起天线与馈线匹配状态的改变及馈线里电压驻波比的增加，通常根据天线的工作条件与要求，经常以给定一个允许的最大电压驻波比来定义偶极子天线的
通频带，一般取3dB带宽。
将两个或几个天线按一定的方式排列和依一定的电流相位关系馈电，组合成辐射系统，称为天线阵；如果天线阵是由n个天线组成，称为n元天线阵；在天线阵中，通常各天线之间的间距较小，它们之间存在相互耦合的现象，故称为耦合天线，也称为耦合振子。
在耦合振子中，一个振子必然处于其它振子的耦合场作用下，像集中参数耦合回路那样，各回路的特性不仅取决于自身的特性，还取决于其它回路的影响；耦合振子的相互影响必然使各自的辐射阻抗或输入阻抗发生变化。
天线阵的辐射场等于各耦合振子的辐射场的叠加，叠加时要考虑各场之间的相位差；这相位差是由电波的行程差和各振子电流的初始相位所引起的。
耦合振子的辐射场在自由空间的相互干涉作用，有可能使在某些方向各振子辐射的场的相位都相同，叠加后场强为最大；而在其它有的方向都不相同，叠加后场强减弱或
最小。
两耦合振子在子午面内的方向性函数为单个偶极子天线的方向性函数再乘以阵因子；阵因子由耦合振子间的间距，两振子输入电流的振幅比、相位差和观察点的方位决定，而与单个振子的尺寸和电流的大小无关。
在两耦合振子的输入电流的相位差为±90º时，耦合振子的方向性为单方向性，在最大辐射方向的电场强度等于单个振子辐射场的2倍；在相位差为+90º时振子1的电流落后于振子2中的电流，最大辐射方向在由振子2指向振子1的方向，此时振子2为振子1的反射器；在相位差为-90º时振子2的电流落后于振子1中的电流，最大辐射方向在由振子1指向振子2的方向，此时振子2为振子1的引向器。
对于两耦合振子来说，两个振子可以同时馈电，也可以有一个是无源的（振子输入端短路），无源振子上的电流靠有源振子上的电流感应产生，此时二者之间的电流关系只能接近，幅度比不能完全达到1。
无源振子又称寄生振子。
由N个相同的振子平行地以相等的间距排列在与各振子垂直的一条线上，各振子上的电流振幅相等，而相位则以均匀的比例递增或递减，这种天线称为均匀直线式天线阵；N个振子也可以不等间距排列，此时称为不均匀直线式天线阵。
均匀直线式天线阵当振子的电流大小相等，相位相同时，天线的最大辐射方向为与天线阵轴线垂直的方向，即最大辐射方向在天线阵轴线的两侧，这种天线称为侧射式天线阵或边射式天线阵。
均匀直线式天线阵当振子的电流大小相等，相邻振子之间的相位差为kd（d为振子之间的间距）时，最大辐射方向在天线轴的轴线方向，而且是指向天线阵中各振子电流相位
滞后的方向，这种天线为端射式天线阵。
在讨论地面反射对电磁辐射的影响中镜像法的主要内容是：
在求位于理想导电平面附近天线产生的场时，用天线的镜像代替地面对它的影响，镜像天线上的电流振幅等于天线上的电流振幅，但相位与天线相对理想导电平面的位置有关。
理想导电平面对垂直振子的影响，完全可以用一镜像振子代替，镜像振子上的电流与垂直振子上的电流大小相等，方向也相同；而对于水平振子来说，镜像振子中电流与实际天线中的电流大小相等、方向相反。
单极天线的方向性图在上半空间与对称振子方向性图一致，单极天线是在上半空间辐射，而对称振子是在整个空间辐射，在用坡印廷矢量求单极天线的辐射功率时，只能在上半空间积分，当单极天线与对称振子具有相同的电流时，前者的辐射功率只有后者的一半，因此，单极天线的输入阻抗只有相应的对称振子的1/2。
螺旋天线是一种具有螺旋形状的天线。
它由导电性能良好的金属螺旋线组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地的金属网（或板）相连接。
螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。
当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。
微带天线是指在一块厚度远小于波长的介质基板上用印刷制板或微波集成工艺制成天线辐射体和馈电系统，双面敷金属板的一面作为接地面的天线，它既被单独用作手机天线、医用辐射器等，也被广泛用作各种阵列天线的单元。
无线电通信中常用的几种电波传播模式有：
空间波、地表面波和天波。
用R0表示从收发点连线的中点（面中心）处到三分之一第一费涅尔带面积的半径——称为最小费涅尔带半径。
落入最小费涅尔带内的地形地物将对电波传播产生极大的影响。
传播损耗又称为系统损耗，定义为辐射功率与接收功率之比；在自由空间传播条件下，电磁波的能量并没有损失，自由空间的传播损耗实际上指的是球面波扩散损耗。
在光滑平面地面上传播的波主要是直射波、反射波和地表面波的叠加。
实际地面能否近似看成光滑的平面地面，需要通过瑞利准则来判断。
根据大气中自由电子密度的分布情况，电离层由下至上分为D、E、F三层。
在夏季的白天，F层又分为F1和F2层，在电离层各层中F2层的电子密度最大，夏季白天可达2×1012个/m3。
由于电离层中粒子之间的平均距离远小于波长，所以，电离层可看成一种媒质，具有等效电特性参数r和。
由于这二者都与频率有关，所以电离层是一种色散媒质；同时由于自由电子密度在电离层中不是常数，所以电离层又是一种非均匀媒质。
电波在电离层中的传播速度可从相速和群速两个方面来阐述；其中，相速是指电波等相位面传播的速度，群速是指能量传播的速度。
移动通信中多径传播接收信号的快衰落研究中，有直达径时，接收信号的幅度服从瑞利分布，接收信号载波相位服从均匀分布。
在对移动通信电波传播特性的考察中，衡量接收信号场强的统计参量有：
场强中值、衰落率、电平通过率、衰落持续时间、时延散布、相关带宽等。
电偶极子辐射远区场坡印廷矢量的平均值不为零、TEM波
静电平衡时，导体内部的电位是一个常数
单位时间内通过某面积S的电荷量，定义为穿过该面积的通量
全电流中由电场的变化形成的是位移电流
磁场是无源场的
电磁波传播速度的大小决定于媒质的性质
在电磁波传播过程中，不变的物理量是频率
声波的本质是机械波，只能在介质中传播。
电磁场理论预言了电磁波的存在，电磁波在真空中的速度为光速
按照麦克斯韦的电磁场理论：
变化的电场周围产生磁场、均匀变化的电场周围产生稳定的磁场、变化的电场周围产生的磁场不一定是变化的、振荡电场周围产生的磁场也是振荡的、振荡磁场能够产生振荡电场
电磁波能够发生发射、折射、干涉、衍射现象
电磁波既能在媒质中传播，又能在真空中传播
电磁波在真空中传播时，频率和波长的乘积是一个恒量
振荡电路发射电磁波的过程也是向外辐射能量的过程
以下电场能产生电磁波的为（ ）
A、
N/C B、
N/S
C、
N/C D、
N/C
电磁波在自由空间传播时，电场强度
和磁场强度
互相垂直，且都垂直于传播方向
电磁波在真空中传播频率、波长、强弱都不影响电磁波的传播速度
电磁波的传播速度与传播介质有关
麦克斯韦电磁场理论的主要内容
麦克斯韦电磁场理论主要包含法拉第电磁感应定律、安培环路定理、高斯通量定理等理论，它的主要思想内容可以描述为：
1）变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围产生磁场。
2）均匀变化的磁场，产生稳定的电场，均匀变化的电场，产生稳定的磁场。
这里的“均匀变化”指在相等时间内磁感应强度（或电场强度）的变化量相等，或者说磁感应强度（或电场强度）对时间变化率一定。
3）不均匀变化的磁场产生变化的电场，不均匀变化的电场产生变化的磁场。
其主要内容可以通过麦克斯韦方程组得到体现。
向外发射电磁波的条件
要有足够高的振荡频率，因为频率越高，发射电磁波的本领越大。
振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，才有可能有效的将电磁场的能量传播出去。
天线的特性参数
天线的特性参数包括两个方面：
一是电特性参数；另一是机械特性参数。
天线的机械特性包括天线系统简单的或复杂的形状，尺寸的大小，使用时是否兼顾、可靠和便利等。
天线的电特性可分为一次参数和二次参数，主要包括辐射功率和辐射电阻、天线的效率、方向性系数和增益、天线的有效长度、天线的有效面积、天线的极化、波瓣宽度、天线的通频带等。
方向性相乘原理：
天线阵的方向性函数为单个振子的方向性函数与阵因子的乘积。
试描述弗里斯传输公式：
其中
和
分别为接收、发射功率，
和
分别为接收、发射的增益，
为收发天线之间的距离。
弗里斯传输公式描述了电磁能量传播的基本规律。
微带天线的优缺点
微带线优点：
1体积小，重量低；
2低剖面，能与载体共形，不破坏载体的结构；
3电性能多样化。
不同设计的微带无，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整，易于得到不同极化；
4能和有源器件与电路集成为统一的组件，因此大大降低了天线成本。
微带线缺点：
1频带较窄；
2损耗较大，因此效率低下；
3微带天线的功率容量较小；
4介质基片对性能影响大。
影响电波传播特性的因素、
1）频率
2）距离
3）极化方式
4）天线高度
5）地形地物
6）地面电特性参数
7）时间、季节
在特定的环境中，电波的传播特性主要取决于频率、距离、天线高度。
无线电通信中常用的电波传播模式
无线电通信中常用的几种电波传播模式有：
空间波、地表面波和天波。
在大气对流层中进行的电波传播方式称为空间波。
沿地球表面进行传播的电波传播模式称为地表面波。
电波利用电离层的折射、反射和散射作用进行传播的方式称为天波。
•空间波：
在传播过程中，电波会发生折射、反射、散射等现象。
在微波（微波一般是指频率为300MHz-300KMHz的电磁波，即波长在1米到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称）通信中采用视距传播。
天线架设在地面以上大于几个波长处。
•地表面波：
长波，中波一般采用这种传播方式。
天线直接架设在地面。
•天波：
只有这种电波传播方式才能将电波传送到数千公里以外。
短波通信采用的就是这种传播方式。
自由空间及其特点
定义：
所谓自由空间是指相对介电常数和相对磁导率均恒为1的均匀介质所在空间。
即
是真空介电常数和磁导率。
特点：
无源，各向同性，电导率为零（σ＝0）。
电波传播的区域：
阴影区、照明区、半阴影区
由于地球曲率的存在限制了直射波的传播距离（视距），但电磁波的传播能依靠绕射传播到视距以外的区域，通常把电波传播的区域按距离划分为照明区、半阴影区和阴影区。
当天线的高度h1和h2一定时，以h1的顶点A作一直线与地球相切，变动h2的位置，使h2的顶点B正好落在切线上，此时两天线之间的球面距离r0称为视距。
定义：
r>1.2r0的区域称为阴影区；
r<0.7r0的区域称为视区（照明区）；
0.7r0≤r≤1.2r0的区域为半阴影区。
在天波传播方式之中，通信常受电离层变化的影响电离层的变化有许多方面：
（１）电离层的规则变化：
电离层的周期性重复变化
•一天中昼夜的周期性重复
•季节性的周期变化
•以约11年为周期的太阳活动性的变化
（２）电离层的反常变化：
电离层的非周期性的、不可预测的不规则变化
•Ｅｓ层的出现
强烈的电离区，不定期出现，持续时间为几小时。
对于电波传播来讲，有利有弊。
•电离层骚扰
太阳黑子耀斑爆发辐射出的极强的紫外线和x射线使电离层的D层电离程度加剧，增加对电波的吸收损耗，可使通信中断。
但持续时间只有几分钟。
•电离层暴乱
太阳黑子耀斑爆发喷出的大量带电粒子使电离层的电子分布发生剧烈变动，持续时间长，危害最大。
移动通信电波传播的特点。
在移动通信中，由于是在进行中通信，而移动台的天线高度又很低，因此与固定无线通信相比，它又一下突出特点：
1）随着移动体的行进，由于建筑物、树木、起伏的地形及其它认为的、自然的障碍物的变化，接收信号场强会产生两种衰落，即多径衰落和地形衰落。
多径衰落是快速的微观变化，又称快衰落；地形衰落是缓慢的宏观变化，又称慢衰落或阴影效应，这两种衰落叠加在一起，而这与固定无线通信中的信号衰落机理不一样。
2）在城市环境中，衰落信号的平均场强与光滑地面或球形地面传播相比要小得多，并且收信质量要受到环境噪声和多径衰落的严重影响，对于其的考察必须根据不同的传播环境和地形特征运用统计分析的方法寻求规律。
均匀、理想介质中微分形式的麦克斯韦方程组及辅助方程（描述D与E，B与H，J与E之间的关系）。
有两个带电量不相等的点电荷，它们相互作用时，是否电量大的电荷受力大，电量小的电荷受力小?
不是。
这两个电荷间的静电力是一对作用力和反作用力，大小相等，由库仑定律
给出。
在真空中传播的波长为15米的电磁波，进入某一介质中传播时，若传播速度为
米/秒，该电磁波在介质中的波长是多少？
假设空气中一个电偶极子的辐射功率为10W，求与电偶极子轴线成45角方向、距此电偶极子50km处（远场区）电场强度和磁场强度的振幅。
解：
由偶极子的辐射功率可知
则由远场区磁场强度的表达式得其振幅为
远场区电场强度的振幅为
设通信距离为10km，求150MHz电波传播的最小费涅尔半径R0。
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