天线与电波传播_完整版

天线与电波传播绪论课程简介天线与电波传播微波技术基础电磁场理论应用无线电系统天线将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。无线电设备各种无线电系统一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、雷达、导航等系统)都是利用无线电波来进行工作的，而从几KHz的超长波到四十多GHz的毫米波段电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。在我们的日常生活中天线已随处可见。例如，收听无线电广播的收音机，电视机，手机、汽车、舰船、飞机上等。收音机、电视机使用的天线一般是接收天线，广播电视台的天线则为发射天线。而手机天线则收发共用，但须经过移动通信基站天线转收和转发。天线发展简史一、1886,赫兹（HeinrichRudolfHertz,1857-1894）1839年法拉第（MichaelFaraday,1791-1867）发现、1873年麦克斯韦(JamesClerkMaxwell,1831-1879)完成的电磁理论，在1886年由海因里希·鲁道夫·赫兹建立了第一个无线电系统，首次在实验室证实。赫兹实验的无线电系统Hertz，KIT的教授无线电之父天线发展简史二、1901,马可尼（GuglielmoMarconi,1874-1937，1909年诺贝尔物理学奖）1901年马可尼成功实现横穿大西洋（英国—加拿大）的无线电通信。位于英国（Poldhu,England）的发射天线由50根斜拉导线组成，用悬于60米高的木塔间的钢索支撑。位于加拿大（Newfoundland,Canada）的接收天线是200米长的导线，由风筝牵引。7马可尼，意大利人，当时年仅20岁。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。rR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磁高斯定律电高斯定律安培定律法拉第定律0BDtDJHtBEMaxwell方程0AAHBAH1A－磁矢量位函数§1.1辅助函数法AjHjEAHtBE100AjEAjEAjEtDJHAAAH2AAEjJ2§1.1辅助函数法洛伦兹条件：AjEAAEjJ2jAJjAJAkA22AjjA1JAkA22AjAjAjE1因此，知道AAH1AjAjAjE1A§1.1辅助函数法－体电流JAkA22cjkResjkRsvjkRldRezyxIAsdRezyxJAvdRezyxJA,,4,,4,,4－面电流－线电流远场辐射，忽略高阶项,4,3,21nrnrreAAArAjkrr,,ˆ,ˆ,ˆ21,ˆ,ˆ1rAAejrEjkr§1.1辅助函数法AjEAjEAjEEr0在远场区ArjErHˆˆ1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。/1l电基本振子天线结构电场方向§1.2电基本振子0ˆIzzIe0I－常数cjkReldRezyxIA,,4zdld磁矢位：其中：zyxrAAAAAA0cossinsinsincoscoscoscossinsincossinrzyxzzyyxxR222222relIzzdreIzzyxAjkrlljkr4ˆ4ˆ,,0220§1.2电基本振子0sin4sincos4cos00ArelIAArelIAAjkrzjkrzrrArArrH11ˆjkrrejkrrlkIjHHH1114sin00磁场：对于磁场：§1.2电基本振子HjAjAjE11011114sin1112cos2020EekrjkrrlkIjEejkrrlIEjkrjkrr电场：对于电场：近区场：当时称为近区，电磁场主要由的1krkr高次幂项决定，故可略去的低次幂项，得kr§1.2电基本振子近区场辐射功率密度：1sin4sin4cos2203030krrelIHreklIjEreklIjEjkrjkrjkrrHEHErHEWravˆˆRe21Re210cossin8ˆsin4ˆRe215220520rlIkjrlIkjrWav§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。1krkrkr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1sin4sin4000krrelkIjHrelkIjEHHEEjkrjkrrrHEZw波阻抗：固有阻抗：377120§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。)(120　sin§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。mmJ§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。当：,可近似地认为导线上每一点的磁流都是等幅同相的。/1l根据对偶定理可写出磁基本振子的辐射场jkrmjkrmrejkrjkrrlkIjHejkrrlIH22111sin411cos2011sin4HEEejkrrlkIjErjkrm§1.3磁基本振子1sin4sin4000krrelkIjHrelkIjEHHEEjkrjkrrr1sin4sin40krrelkIjErelkIjHEEHHjkrmjkrmrr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。12090§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。IslzHrEzISpmˆlqISpmmlISqmlISjqjImm1sin4sin4krrelkIjErelkIjHjkrmjkrm1sin4sin4krreISkEreISkHjkrjkr§1.3磁基本振子小电流环辐射电磁场的性质：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，在度方向有最大辐射；⑤场与环的面积成正比，与环的形状无