第一章 天线基本原理与技术

第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23姓名：屈世伟电话：[phone]邮箱：[e-mail]副教授博导主要感兴趣的研究方向：宽带/超宽带天线及阵列、相控阵天线、太赫兹天线等第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:232010至今，副教授，电子科技大学2009-2010，博士后，日本东北大学2007-2009，博士，香港城市大学电子工程系2006-2007，研究助理，香港城市大学2003-2006，硕士，电子科技大学物电学院1997-2001，学士，电子科技大学电工学院地址：清水河校区科研楼C507第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23第一部分课程设置第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23先修课程电磁场与波、微波技术、天线原理与设计第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23本书教学目的天线是各种无线系统必不可少的重要部件，其指标直接影响着系统性能。本课程的目的是使学生了解天线领域的现状及发展方向，并且力争反映出天线领域的最新研究动态。课程讲授既注重理论分析，也注重工程实际应用，提高研究生分析与解决天线及相关领域问题的能力，为以后研究工作打下坚实的理论基础。第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23教学内容及重难点1．电磁辐射问题的解析方法与数值方法2．加载天线3．天线综合4．微带天线5．相控阵列天线6．信号处理天线7．天线领域的最新进展第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23教材及参考书《近代天线理论》，谢处方，电子科技大学出版社。C.A.Balanis,Antennatheory,analysisanddesign,secondedition,JohnWiley&Sons,Inc.,1997.W.L.Stutzman,andG.A.Thiele,AntennaTheoryandDesign.NewYork:Wiley,1998.S．Drabowitch,A.Papiernik,H.Griffiths,andJ.Encinas,ModernAntennas,London:Chapman&Hall,1998.J.R.James,andP.S.Hall,HandbookofMicrostripAntennas,IEE:PeterPeregrinusLtd.,1989.R.J.Mailloux,PhasedArrayAntennahandbook,London:ArtechHouse,1993.IEEETransactionsonAntennasandPropagation等相关期刊。第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23本课程的特点知识点多，但较零碎；涉及面广，如“电磁理论”、“天线基础”、“微波电路”等；综合性强，需要将多方面知识综合在一起加以学习；……第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23第二部分天线的基本理论第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23天线基本原理与技术在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波（发射），或者将无线电波转换为导波能量（接收）,用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。天线应具有以下性能：一、天线的功能信息源信号变换发射机接收机受信者信号变换①尽可能多地将导波能量互相转电磁波能（高效率）②具有适当的方向性③有适当的极化④有足够的工作频带⑤对传递的信息进行一定的加工和处理（未来发展趋势）第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23一些常用天线形式第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23二、天线的分类按用途：通信天线、广播电视天线、雷达天线等按工作波长：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等按辐射元的类型：线天线、面天线线天线：由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长波、中波和短波波段面天线：由尺寸大于波长的金属或介质面构成的，主要用于微波波段三、天线的分析方法天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件工程上往往将条件理想化，通过近似处理得到近似结果利用电磁场理论的数值计算方法第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23电流元也称电基本振子，它是一段长度远小于波长,电流I振幅均匀分布、相位相同的直线电流。1.1电流元的辐射场一、电流元注：电流元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。二、电流元的辐射场rjrerjrIdljE)1(cos2230rjerrjrIdljE)1(sin42230rjerjrIdlH)1(sin420E0rH0HPrzyxlOPrzyxlOdl第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23在天线远区（rλ）rjerIdljEsin420rjerIljHsin400urrr11123则：rjrjerIljHerIdljEsin2sin60说明：1）远区场电场、磁场相互正交，相位相同：横电磁(TEM)波2）电磁波沿径向传播raveHES213）远区场为球面波4）电流元的辐射是有方向性的第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23三、电流元辐射方向特性方向函数：描述天线辐射场与方位角的关系。),(电流元的方向函数：sin),(F方向图：由方向函数作出的图形，即为天线方向图。依据方向函数作出电流元的方向图为：),(F60sinjrIdlEjer第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23zrdSyxnOdydxHxEyzrdSyxnOdydxHxEysxHsyEnˆ一、惠更斯元定义口径面内尺寸远小于波长的一个平面可视作惠更斯元，其上的幅度和相位可视作均匀分布。它是二次辐射源。二、惠更斯元的辐射特性设平面口径上一个惠更斯元dS=dxdy,其上切向电场为Esy,切向磁场为Hsx。由等效原理，场分布可等效为相应的面电流和面磁流，故惠更斯元可视作电流元和磁流元叠加而成：sJmsJˆssyxJnHeHˆmssxyJnEeE1.2基本口径面辐射源——惠更斯元的辐射第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23由电磁场相关理论，可得等效电流元和磁流元产生的辐射场，进而求得惠更斯元的远区辐射合成场为:sin(1cos)cos(1cos)2yjrEdsdEjaaer两个方向上的辐射方向函数为:)cos1(sin),()cos1(cos),(FF总的辐射方向函数为:22),(),(),(FFFcos1归一化方向函数为:),(f2cos1第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:230.20.40.60.81120¡ã330¡ã30¡ã60¡ã150¡ã240¡ã210¡ã0¡ã90¡ã180¡ã270¡ã300¡ã惠更斯元远区辐射特性：1、辐射场为TEM波（球面波）；2、为单向辐射，辐射方向图绕法线轴旋转对称；3、最大辐射方向为其正法线方向；z090第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:231.3天线的电参数1.3.1天线方向性特性参数一、方向函数方向函数：描述天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系，分场强方向函数和功率方向函数。场强方向函数：由辐射场电场表达式中与方位有关的表达式组成。如电流元场强方向函数为：sin),(F),(F功率方向函数：由坡印廷矢量表达式，知2),(),(FP),(P2]Re[212ESHES第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23归一化方向函数：为便于对不同天线方向性进行比较，往往将方向函数对其最大值进行归一化，即：),(fmFFf),(),(归一化方向函数的最大值等于1。用于描述天线辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线或曲面图。二、方向图电流元方向图第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23微波天线方向图通常由与场矢量相平行的两个平面表示：E平面：通过最大辐射方向，与电场矢量平行的平面；H平面：通过最大辐射方向，与磁场矢量平行的平面；E平面H平面(a)极坐标表示的H面方向图90°60°30°0°330°300°270°240°210°180°150°120°10.80.60.40.200.10.20.30.40.50.60.70.80.91－35－30－25－20－15－10－50E20406080100120140160180020406080100120140160180(b)直角坐标H面方向图(c)直角坐标H面方向图dB/°/°方向图可由极坐标表示，也可用直角坐标表示：(a)极坐标表示的H面方向图90°60°30°0°330°300°270°240°210°180°150°120°10.80.60.40.200.10.20.30.40.50.60.70.80.91－35－30－25－20－15－10－50E20406080100120140160180020406080100120140160180(b)直角坐标H面方向图(c)直角坐标H面方向图dB/°/°极坐标直角坐标电流元方向图第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23三、主瓣宽度主瓣宽度是衡量天线的最大辐射方向的能量集中程度的物理量。半功率主瓣宽度：功率方向图中两个半功率点之间的角宽度，或场强方向图中最大场强的两点之间的角宽度；零功率波瓣宽度：方向图由最大值点两边第一个零点间的角宽。21(a)极坐标表示的H面方向图90°60°30°0°330°300°270°240°210°180°150°120°10.80.60.40.200.10.20.30.40.50.60.70.80.91－35－30－25－20－15－10－50E20406080100120140160180020406080100120140160180(b)直角坐标H面方向图(c)直角坐标H面方向图dB/°/°半功率主瓣宽度零功率主瓣宽度5.02第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:23(a)极坐标表示的H面方向图90°60°30°0°330°300°270°240°210°180°150°120°10.80.60.40.200.10.20.30.40.50.60.70.80.91－35－30－25－20－15－10－50E20406080100120140160180020406080100120140160180(b)直角坐标H面方向图(c)直角坐标H面方向图dB/°/°四、旁瓣电平SLL电平最高的波瓣电平与主瓣电平的比值,一般以分贝表示。主瓣：其方向为天线辐射主向第一副瓣maxmaxlg20EESLL注：副瓣电平反映了天线方向性的好坏maxE1maxE离主瓣最近:???第一章课程设置及天线基本原理近代天线理论电子科技大学电子工程学院11:231.3.2天线的极化天线的极化与其辐射的电磁波的极化方式相同。天线的极化包括：垂直极化、水平极化，圆极化。注：实际工