南京理工 天线课件 第一次课

天线与电波传播授课教师：樊振宏电光学院通信工程系办公室:雷达楼314Email:[e-mail]电话：84315845课程英文名称AntennasandRadioWavePropagation主要先修课程高等数学（一）、电磁场与电磁波、微波技术主要教材宋铮等《天线与电波传播》，西安电子科技大学，2003考核方式平时考查到课、听课情况，作业完成情况占20%闭卷考试闭卷笔试占80%教材宋铮张建华黄冶,《天线与电波传播》西安：西安电子科技大学出版社2003年7月第1版推荐参考书：1.王增和卢春兰钱祖平等编著《天线与电波传播》,机械工业出版社2003年8月第一版2.张德齐.微波天线.北京：国防工业出版社.1985授课重点：1,2,8,10本课程的特点1.使用数学知识多要用到偏微分、矢量分析、球坐标和电磁场与电磁波等2.内容抽象涉及的大多数物理量是矢量场，是空间分布函数。概念抽象。2学分，没有实验课3.实验性科学在保证一定精度的前提，使用大量工程近似，突出关键的物理概念，重点针对的是工程实际问题。答疑安排:地点：雷达楼314室每周三晚之前交作业Email:[e-mail]本次课程内容•天线的介绍(了解）•天线分析方法的介绍(了解）绪论•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。•无线通信系统中,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。宇宙射线射线X射线紫外线可见光红外线微波毫米波厘米波分米波超短波短波中波长波无线电波电磁波谱12101010410210210410610)c(m221031610314103121034103)Hz(无线电波（教科书page187）天线设备在无线电系统中的应用（1）1发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线,通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量,并向所需方向辐射出去。2到达接收点后,接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量转换为已调制的高频电流能量,经馈线输送至接收机输入端。3天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备,它的选择与设计是否合理,对整个无线电通信系统的性能有很大的影响,若天线设计不当,就可能导致整个系统不能正常工作。信息源信号变换发射机接收机受信者信号变换图无线电通信系统示意图发射天线和接收天线共用一副天线.利用天线开关的转换作用,分别接入发射机和接收机.当天线与发射机接通时,此天线作发射天线用。当天线与接收机接通时,此天线作接收天线用.天线设备在无线电系统中的应用（2）天线的基本要求天线设备是将高频振荡能量和电磁波能量作可逆转换的设备,是一种“换能器”。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。由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样就产生了电磁波。BEBEB如广播电台声电电磁波发射电视台声光电电磁波发射E天线的理论基础最早的天线最早的发射天线是赫兹在1887年为了验证麦克斯韦根据理论推导所作关于存在电磁波的预言而设计的。它是两个约为30厘米长、位于一直线上的金属杆，其远离的两端分别与两个约40厘米2的正方形金属板相连接，靠近的两端分别连接两个金属球并接到一个感应线圈的两端，利用金属球之间的火花放电来产生振荡。当时，赫兹用的接收天线是单圈金属方形环状天线，根据方环端点之间空隙出现火花来指示收到了信号。古利莫·马可尼（GuglielmoMarconi）意大利人。1874年4月25日出生，1937年7月20日逝世，享年63岁。1895年成功的进行了无线电通信试验，1896年6月2日，在英国取得第12039号发明专利证书，时年22岁，距今115年。1899年马可尼发送的无线电信号穿过了英吉利海峡，接着又成功穿越大西洋，从英国传到加拿大的纽芬兰省。1909年马可尼获得诺贝尔物理学奖，后来享有“无线电之父”的美誉。1933年12月7日至12日，马可尼曾到我国访问，并在南京停留，宣传普及无线电知识，他特别讲到：“贵国地大民众，无线电最有用处，望贵国人士深明此意，联络民众，交换情感，可造成一强大无匹之国家”。马可尼是第一个采用大型天线实现远洋通信的，所用的发射天线由30根下垂铜线组成，顶部用水平横线连在一起，横线挂在两个支持塔上。这是人类真正付之实用的第一副天线。自从这副天线产生以后，天线的发展大致分为四个历史时期。30年代之前：线天线时期在无线电获得应用的最初时期，真空管振荡器尚未发明，人们认为波长越长，传播中衰减越小。因此，为了实现远距离通信，所利用的波长都在1000米以上。倒L形、T形、伞形天线等。由于高度受到结构上的限制，这些天线的尺寸比波长小很多，因而是属于电小天线的范畴。后来，业余无线电爱好者发现短波能传播很远的距离，A.E.肯内利和O.亥维赛发现了电离层的存在和它对短波的反射作用，从而开辟了短波波段和中波波段领域。这时，天线尺寸可以与波长相比拟，促进了天线的顺利发展。这一时期除抗衰落的塔式广播天线外，还设计出各种水平天线和各种天线阵，采用的典型天线有：偶极天线（见对称天线）、环形天线、长导线天线、同相水平天线、八木天线（见八木-宇田天线）、菱形天线和鱼骨形天线等。这些天线比初期的长波天线有较高的增益、较强的方向性和较宽的频带，后来一直得到使用并经过不断改进。••在这一时期，天线的理论工作也得到了发展。•H.C.波克林顿在1897年建立了线天线的积分方程，证明了细线天线上的电流近似正弦分布。由于数学上的困难，他并未解出这一方程。•后来E.海伦利用δ函数源来激励对称天线得到积分方程的解。•同时，A.A.皮斯托尔哥尔斯提出了计算线天线阻抗的感应电动势法和二重性原理。•R.W.P.金继海伦之后又对线天线作了大量理论研究和计算工作。•将对称天线作为边值问题并用分离变量法来求解的有S.A.谢昆穆诺夫、H.朱尔特、J.A.斯特拉顿和朱兰成等。30年代到45年：面天线时期•虽然早在1888年赫兹就首先使用了抛物柱面天线，但由于没有相应的振荡源，一直到30年代才随着微波电子管的出现陆续研制出各种面天线。这时已有类比于声学方法的喇叭天线、类比于光学方法的抛物反射面天线和透镜天线等。这些天线利用波的扩散、干涉、反射、折射和聚焦等原理获得窄波束和高增益。•第二次世界大战期间出现了雷达，大大促进了微波技术的发展。为了迅速捕捉目标，研制出了波束扫描天线，利用金属波导和介质波导研制出波导缝隙天线和介质棒天线以及由它们组成的天线阵。•在面天线基本理论方面，建立了几何光学法，物理光学法和口径场法等理论。当时，由于战时的迫切需要，天线的理论还不够完善。•天线的实验研究成了研制新型天线的重要手段，建立了测试条件和误差分析等概念，提出了现场测量和模型测量等方法（见天线参量测量）。•在面天线有较大发展的同时，线天线理论和技术也有所发展，如阵列天线的综合方法等。45年到50年代末期•微波中继通信、对流层散射通信、射电天文和电视广播等工程技术的天线设备有了很大发展，建立了大型反射面天线。•这时出现了分析天线公差的统计理论，发展了天线阵列的综合理论等。•1957年美国研制成第一部靶场精密跟踪雷达AN/FPS-16，随后各种单脉冲天线相继出现，同时频率扫描天线也付诸应用。•在50年代，宽频带天线的研究有所突破，产生了非频变天线理论，出现了等角螺旋天线、对数周期天线等宽频带或超宽频带天线。50年代-70年代•人造地球卫星和洲际导弹研制成功对天线提出了一系列新的课题，要求天线有高增益、高分辨率、圆极化、宽频带、快速扫描和精确跟踪等性能。从60年代到70年代初期，天线的发展空前迅速。•一方面是大型地面站天线的修建和改进，包括卡塞格伦天线的出现，正副反射面的修正，波纹喇叭等高效率天线馈源和波束波导技术的应用等；•另一方面，沉寂了将近30年的相控阵天线由于新型移相器和电子计算机的问世，以及多目标同时搜索与跟踪等要求的需要，而重新受到重视并获得了广泛应用和发展。70年代以后•无线电频道的拥挤和卫星通信的发展，反射面天线的频率复用、正交极化等问题和多波束天线开始受到重视；•无线电技术向波长越来越短的毫米波、亚毫米波，以及光波方向发展，出现了介质波导、表面波和漏波天线等新型毫米波天线。•此外，在阵列天线方面，由线阵发展到圆阵；由平面阵发展到共形阵；信号处理天线，自适应天线、合成孔径天线等技术也都进入了实用阶段。•同时，由于电子对抗的需要，超低副瓣天线也有了很大的发展。•由于高速大容量电子计算机的研制成功，60年代发展起来的矩量法和几何绕射理论在天线的理论计算和设计方面获得了应用。这两种方法解决了过去不能解决或难以解决的大量天线问题。•随着电路技术向集成化方向发展，微带天线引起了广泛的关注和研究，并在飞行器上获得了应用。•同时，由于遥感技术和空间通信的需要，天线在有耗媒质或等离子体中的辐射特性及瞬时特性等问题也开始受到人们的重视。•这一时期在天线结构和工艺上也取得了很大的进展，制成了直径为100米、可全向转动的高精度保形射电望远镜天线，还研制成单元数接近2万的大型相控阵和高度超过500米的天线塔。警戒雷达天线美国新墨西哥州的圣阿古斯丁平原上射电望远镜阵列是由27面直径25米的抛物面天线组成，甚大天线阵每个天线重230吨，架设在铁轨上，可以移动，所有天线呈Y型排列，每臂长21千米。该甚大天线阵隶属于美国国家射电天文台（NRAO），于1981年建成。•The1000foot(305m)fixedsphericaldishnearArecibo,PR..jpgHAARP(High-frequencyActiveAuroralResearchProgram)是旨在研究太空电离层、发展新型武器和技术的一个研究计划。由美国空军和海军在阿拉斯加州联合建造和共同管理，可以发射1700兆瓦能量。美国行政当局一再申明，HAARP完全是一个研究电离层和空间天气的科学计划。HAARP拥有目前世界上功率最强大的、既非商业也非民用的短波无线电发射器，称为电离层加热器。同时HAARP有一整套装置，占地23.5公顷，由180个称为电离层研究设备的高频发射天线等仪器组成。HAARP共有360个发电机，可以发出360万瓦功率的强大信号，将这些信号放大1000倍后输给天线(180crosseddipoleantennasarrangedasarectangular,planararray)。然后采用相控阵的方法将信号以微波的形式，聚束发射到电离层中的指定部位。就像微波炉加热食物一样，其信号以微波的形式把该部位的电离层加热。•北极光通常是由太阳风引起的。然而根据美国国防部的HAARP项目最新成果，科研人员已经可以成功地在电离层的极光之中制造出人造极光。手机天线RFID天线•解读器通过接收标签发出的无线电波接收读取数据。•最常见的是被动射频系统，当解读器遇见RFID标签时，发出电磁波，周围形成电磁场，标签从电磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路，芯片转换电磁波，然后发送给解读器，解读器把它转换成相关数据。在主动射频系统中，标签中装有电池在有效范围内活动。蓝牙适配器(BluetoothUSBDongle)•所谓“蓝牙”（Bluetooth），是一种采用了全球通用的短距离无