电磁场、天线与电波传播讲解

电磁场、天线与电波传播闻映红北京交通大学电信学院EMC研究室学习天线与电波传播的意义系统设计收、发信设备指标天线的性能天线的架设方式通信质量评定不同通信业务之间相互干扰的预测和解决影响天线特性的因素天线的形状采用的材料制作工艺使用环境用途影响电波传播特性的因素频率距离极化方式天线高度地形地物地面电特性参数时间、季节第一部分电磁场的基础理论一、麦克斯韦方程组描述了空间电场与磁场的关系本构关系式（与媒质有关的特性方程）：'EEJ麦克斯韦方程组的正弦稳态相量形式：HjEEjJH两种特殊的边界条件：1）两种理想介质分界面上的边界条件：假设分界面上没有自由电荷和传导电流，则和的法向分量以及和的切向分量都是连续的；2）理想导体表面的边界条件：自由电荷和电流都集中在表面，总是垂直于理想导体的表面，总是平行于理想导体的表面。DBHEEH一般的边界条件：nnsnnttsttBBDDEEJHH21212121二、无线电波的辐射麦克斯韦方程组说明脱离了电流的变化的电场产生磁场，脱离了电荷的变化的磁场产生电场。这种电磁场在空间交替变幻，绵延不断向外传播的过程就是电磁波的辐射过程。辐射场的波源是电流和电荷产生辐射场的前提条件是要有位移电流位移电流：由于电位移的变化引起的真实的电的流动。tDJd++++----IEHtqI~+++---三、波动方程四、平面电磁波zExHy平面电磁波的特性平面电磁波的极化第二部分天线一、天线的基本概念移动通信A3G(WCDMA)handsetOutdoorBaseStationfor800and1900MHzCDMAcells.卫星通信EarthStationSatelliteDish(ReflectorAntenna)TVSatelliteDish(ReflectorAntenna)广播电视天线电路的辐射电缆的辐射天线的作用空间电磁波高频电流发射接收收、发天线具有互易性(Propagation)天线的应用:Communications,Broadcast,Radar,Radiometry,Biomedical,etc.天线天线的类型按用途分类，可分为通信天线、测量天线等按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等按外形分类，可分为线天线、面天线等线天线：天线的直径远小于其几何长度可不考虑天线横截面上的电流分布天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。偶极子天线单极天线环天线螺旋天线天线的辐射源结论：天线的辐射源——电流（位移电流）Jt电流连续性方程：二、天线的特性参数机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等电特性参数一次参数：方向性图，输入阻抗，效率二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度，前后比，极化特性等1．天线的辐射功率和辐射阻抗辐射功率：在单位时间内通过球面向外辐射的电磁能量的平均值。辐射电阻：将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，并使流过电阻的电流等于天线上的电流振幅，则该电阻就称为天线的辐射电阻。2．天线的方向性天线的辐射场强与方向有关的特性，称为天线的方向性。以电流元为例：0sin2sin60HHEEerIljHerIljErrjkrjkr天线的方向性函数和方向性图用于表示天线方向性特性的函数：电流元的方向性函数电流元的方向性图),(fjkrerIljEsin60sin)(),(lff赤道面：与天线轴垂直并经过天线中心的平面。子午面：包含天线轴的平面。90某一常数1）电流元在赤道面内的方向性函数和方向性图：lf)(090270180E2）电流元在子午面内的方向性函数和方向性图：sin)(lf900180270E天线的归一化方向性函数和归一化方向性图归一化方向性函数：天线辐射场与最大方向上的场强值之比。,/,,/,),(maxmaxffEEF——反映了天线在不同方向的场分布。归一化方向性图：表示归一化方向性函数的空间立体图形。通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤道面/E面和H面）的平面图来表示。CDMA天线CDMA垂直极化定向天线方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平主瓣宽度：主瓣电平的最大值降到该值的0.707倍（即-3dB）时，两个方向之间的张角宽度。在方向性图中，一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣中，最大辐射方向所在波瓣称为主瓣，其余波瓣称为旁瓣。－3dB点峰值－3dB点5.02旁瓣电平：相对主瓣最大值的比值。),(maxmaxmaxnnnFEE前后抑制比：方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为F/B。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F/B的计算：F/B=10Lg{（前向功率密度）/（后向功率密度）}3.天线的方向性系数定义：天线辐射功率一定，在任意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。),(11DSSD),(11物理意义：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D。实际上，D反映了天线集中辐射能量的特性。方向性系数的求法：1）已知归一化方向性函数求D先求全向天线(点源)均匀辐射时的平均辐射功率密度:24rPSD200211211sin,,4,ddFFSSDD通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方向性系数，此时，1),(11F2002sin,4ddFD2）已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向性函数，求D2112114,21,rPSEZSD2112112,,rZPESSDD当天线位于自由空间时，；在最大辐射方向上，,60),(maxmax11frIEEm1200Z大多数简单常规天线的最大场强值又RIPm221DdBDfRRIfIDmmlg10,1202160,602max22max2例：求电流元的方向性系数？2280lR解：llff9090maxsin,,dBdBDfRD76.15.1lg105.180120,1202max4.天线增益定义：在任意方向,辐射功率密度与将相等的输入功率均匀辐射时的平均功率密度之比，即天线增益为：),(11GSSG),(1124rPSAG物理意义：为了在观察点有相等的辐射功率密度，方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线输入功率的G倍。dBi：表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源；dBd：表示以半波对称振子为比较对象。增益的单位：近似计算方法：1）若已知天线在E面和H面的方向性图，则HEG27000在E面和H面上，以度为单位的波瓣宽度。:,HE2）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：HEidBG32000lg103）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：025.4lg10DdBGi式中，D为抛物面直径；λ0为中心工作波长。4）对于直立全向天线，可用下式近似计算其增益：02lg10ldBGi式中，l为天线长度；λ0为中心工作波长。定义：天线辐射功率与输入有功功率的比值，称为天线的效率。5.天线效率RIPRIPPPPmnmnnA222121nnARRRPPPPPRRRRRnn11物理意义：表示有百分之几的高频电流的输入有功功率转变成了辐射出去的电磁波能量。结论：越大，越小，天线的就越高。在工程设计中，往往给定，这时就需要降低来提高天线的效率。RnRRnR天线方向系数和天线增益的关系：DSSSSGSrPrPSPPDGDAGA111122,,44GdBGDGlg106.天线的有效长度定义：用一等效天线代替被研究天线，此等效天线上的电流是以被研究天线的输入电流振幅均匀分布，并在最大辐射方向产生与被研究天线相等的电场强度。则等效天线的长度就称为被研究天线的有效长度。等效天线实际为一电流元7.天线的极化方向定义：天线向周围空间辐射电磁波，电磁波由电场和磁场构成。规定电场的方向就是天线极化方向。天线的垂直极化：电场垂直于入射面天线的水平极化：电场平行于入射面三、接收天线的特性接收天线接收电磁波的过程电磁波高频电流感应注：只有电场沿天线导体表面的切向分量才能感应出电流，垂直分量不能。,000FZZElZZIAeAA结论：1)接收天线的感应电流与来波方向有关——接收天线的方向性2)天线用作发射和接收的方向性函数相等——收、发天线的互易性Z0ZA0IA1．接收功率和接收面积当天线的最大接收方向对准来波方向，并且接收机的输入阻抗与天线完全匹配时，天线向接收机的输出功率最大。假设最大接收功率Pmax是被一块与来波方向垂直的面积所接收，这面积就称为接收天线的有效面积A。22max4mDSPA2．天线的校正系数则为设接收机输入端的电压,0VK就称为天线的校正系数6log20elKKdBVdBE0例：求半波对称振子的校正系数？解：对于半波对称振子el6log20KdBKMHzf10150时，当第三部分电波传播电磁波在收、发天线之间的空间中传播1．三种电波传播的基本方式及其特点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。沿地球表面进行传播的电波传播模式称为地表面波。在大气对流层中进行的电波传播方式称为空间波。各种电波传播方式的主要特点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。1)费涅尔带的划分按照下列等式划分费涅尔带：22220000220011nrrrrrrnn可见，分布在相邻两带边界上的二次波源在观察点产生的场是反相的，且单位面积上的二次波源产生的场的振幅相差不大。OM0r0nrnS01r1R12．电波传播的费涅尔区2)合成赫芝矢量设第n费涅尔带的二次波源在观察点产生的合成波矢量为n，则因为111coscosnnnnnnrr1nn而相位相反所以，合成矢量的振幅为2222254332114321M20lim1nn且级数每一项与左右相邻项的算术平均值相差不大由于上述级数是收敛的，且收敛很快，所以在观察点的合成场基本上是由分布在前几个费涅尔带内的二次波源产生的。3)费涅尔带的半径OM0r0nrnS01r1R1由图可知，02022002022022rRrRrrRRnnnnnnOM0r0nrnS01r1RnmrrnRnrRrrnnnn0000002002112位于S0面上某一范围内的二次波源对观察点的场起主导作用，该范围的尺寸