第1章--天线基础知识1-2011

第1章天线基础知识第1章天线基础知识1.1基本振子的辐射1.2发射天线的电参数1.3互易定理与接收天线的电参数1.4对称振子1.5天线阵的方向性1.6对称振子阵的阻抗特性1.7无限大理想导电反射面对天线电性能的影响第1章天线基础知识第1章概述任何无线电电子系统的信息传输既包含有电波能量的发射和接收,也包含有电磁波在空间的传播过程。通信系统示意图“电波与天线”是通信及电子类专业学生的一门重要的技术基础课，与“电路理论”一样，“电波与天线”是从事电气与电子技术领域工作的科技工作者的必备知识。第1章天线基础知识第1章天线基础知识现代通信系统的构成从原理上来看，都是由三个基本部分组成的，即发射系统、传输系统和接收系统（如图所示）。发射系统的任务是把声音或图像转变成电信号，并放大到足够的强度，然后按一定的顺序发送出去。通信系统示意图第1章天线基础知识而接收系统是有选择地接收所需的信号，并放大到足够的量值，再恢复成声音或图像。传输系统可以是有线的，也可通过地球周界的空间传递，前者叫有线通信，后者称为无线通信。信号经发射机调制成高频电流能量，经馈线送至发射天线．发射天线将该能量转换为向空间传播的电磁波并按指定方向经过一定方式的传播之后，在接收端用接收天线再将信号接收下来。通信系统示意图第1章天线基础知识为了能良好地实现上述目的，要求天线①具有一定的方向特性（定向接收或辐射）；②较高的转换效率；③能满足系统正常工作的频带宽度；④满足匹配条件；⑤（凡高频源都能产生辐射但必须有效辐射才能作为天线，）产生有效的辐射或接收即应该是一个开放系统（如平行双线、同轴线是保守系统，对称振子是开放系统。)发射天线的功能（任务、作用）是将发射机输出的高频电流能量（或导波能量）转换成电磁波能量辐射到空间去；收、发天线具有互易性接收天线的功能（任务、作用）是将空间传来电波信号转换成高频电流能量或导波能量）送给接收机。PP第1章天线基础知识新的研究方向:无线通信的技术及业务的迅速发展既对天线提出许多新的研究方向，同时也促使了许多新型天线的诞生。例如多频多极化的微带天线，由于其体积小，剖面低，适应了微型和集成电路的进展；电扫描和多波束天线能同时跟踪多目标，适应了现代化军事技术的发展；在通信环境日益复杂的情况下，具有抗干扰能力的自适应天线能大大地提高接收信号的信噪比；尤其是实现第三代移动通信的关键技术――智能天线，更是一改传统天线作为能量转换器的主要功能，能够智能化地进行来波到达角度（DOA）估计以及具有预定空域特征的数字波束形成（DBF）目前智能天线技术已成为移动通信领域的研究热点天线作为无线电系统中不可缺少且非常重要的部件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。第1章天线基础知识按照工作波长，可将天线分为超长波天线(3--30KHz)对潜艇通信；长波天线(30--300KHz)导航；中波天线(300KHz--3MHz)广播、导航、海通；短波天线(3--30MHz)广播、军用电台、导航；超短波天线(30--300MHz)广播、军用电台、导航。以及微波天线:雷达：L波段（1--2GHz）;S波段（2--4GHz）;C波段（4--8GHz）;X波段（8--12GHz）雷达、卫星通信:Ku波段（12--18GHz）;K波段（18--27GHz）;Ka波段（27--40GHz）;U波段:（40--60GHz）;V波段（60--80GHz）;W波段（80--100GHz）；按照天线的特色，可将天线分为圆极化天线、线极化天线、窄频带天线、宽频带天线、非频变天线以及数字波束天线等。按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等天线的种类:无线电通信系统的多样性使得天线的种类也多种多样。按照用途的不同，可将天线分为通信天线、广播和电视天线、雷达天线、导航和测向天线等；第1章天线基础知识天线品种繁多，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。–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按照其结构外形分成两大类：一类是由导线或金属棒构成的线天线，主要用于长波、短波和超短波；另一类是由金属面或介质面构成的面天线，主要用于微波波段;微带天线、共形天线,主要用于微波波段。按增益分类：（值的大小与工作频段有关）高增益天线、中增益天线低增益天线.电流分布:驻波天线、行波天线功能分类:发射天线、接收天线或收发共用.用途分类:机载天线、船载天线、车载天线、雷达天线、单脉冲天线、侦收天线、干扰天线…………第1章天线基础知识单极天线第1章天线基础知识八木天线产品名称:八木天线HD-1920YAGI10极化:H/V水平波未宽度:50垂直波未宽度:60增益:10.0dBCONNECTOR:N-50KVSWR:1.5第1章天线基础知识对数周期天线产品名称：偶极子天线产品型号：HD-1822频率(GHz):1.8-2.2材料:铝VSWRMax.1.5第1章天线基础知识双锥天线对数螺旋天线盘锥天线对称振子天线第1章天线基础知识环天线对数周期天线第1章天线基础知识波纹喇叭天线宽带喇叭天线第1章天线基础知识双极化喇叭天线圆极化喇叭天线第1章天线基础知识高增益栅状抛物面天线第1章天线基础知识扩频天线第1章天线基础知识背射天线产品型号：HD-22RA1200频率(GHz):1.8～2.6直径（mm）:1200带宽（GHz）:12增益(dB)27.5波未宽度:6.7VSWRMax.1.5旁瓣电平（dB）-18极化方式:V，H，LR，R抛物面天线第1章天线基础知识DH8910宽带全向天线频率范围：100MHz~1300MHz。增益：2dB（典型值〕电压驻波比：接头形式：N(K)外型R寸：用途：适合于电磁兼容测量和移动通信使用，尤其适合舰船和固定监测站使用30.311.2mm第1章天线基础知识DH8911有源杆天线频率范围：0.5MHz~100MHz。电压驻波比：接头形式：N(K)外型R寸：用途：可用于接收放大该频段的电磁波信号，性能稳定靠适合于电磁干扰测量和移动通信中使用30.121mm第1章天线基础知识DH8913宽带收折式天线频率范围：50MHz~2300MHz。增益：1.5dB（典型值〕电压驻波比：接头形式：N(K)外型R寸：收折后展开时用途：可用来接收50MHz~2300MHz的无线电信号30.151.13mm0.961.25mm第1章天线基础知识DH8914宽带对数周期天线频率范围：80MHz~2000MHz。增益：5dB~6dB（典型值〕电压驻波比：接头形式：N(K)外型R寸：用途：可用来接收80MHz~2300MHz的无线电信号312301300760mmmmmm第1章天线基础知识DH8915宽带盘锥式天线频率范围：0.5MHz~100MHz。增益：2dB（典型值〕电压驻波比：接头形式：N(K)外型R寸：用途：可在水平方向上均匀辐射或接收50MHz~3000MHz频带内的电磁波信号31300950mmmm第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识星载多波束天线第1章天线基础知识单个天线在卫星上的安装方式第1章天线基础知识天线展开后第1章天线基础知识国外馈源系统的三维结构实物馈源喇叭阵列极化转换系统幅相控制网络第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识第1章天线基础知识8防雷保护器主馈线（7/8“）5馈线卡6走线架4接地装置3接头密封件绝缘密封胶带，PVC绝缘胶带1天线调节支架GSM/CDMA板状天线抱杆（50~114mm）2室外馈线9室内超柔馈线7馈线过线窗基站主设备基站天馈系统示意图第1章天线基础知识电波传播的主要研究领域是电磁波与传播媒质的相互作用及其在有关电子系统工程和环境探测研究中的应用。电波传播研究的基本问题是不同频段的电波通过各种自然环境（包括某些人为环境）媒质的传播效应及其在时、空、频域中的变化规律。电波传播在很大程度上也是一门实验性科学，需要在长期大量的实测积累和应用实践中不断完善和发展，研究应用的领域和问题也将日益广泛和深入。天线的分析方法：天线的理论分析是建立在电磁场理论分析的基础上的，求解天线问题实质上就是求解满足特定边界条件的麦克斯韦方程的解，其求解过程是非常繁琐和复杂的。针对实际的天线工程中的设计，具体采用的思路是既有严格的概念，也有近似的处理，甚至依靠数值分析软件进行计算机辅助设计。第1章天线基础知识尽管各类天线的结构、特性各有不同，但是分析它们的基础却建立在电、磁基本振子的辐射机理上。电、磁基本振子作为最基本的辐射源，它们的基本性质已在“电磁场”课程中作过介绍。为了本书的系统性，此处再给予简要的回顾。1.1基本振子的辐射1.1.1电基本振子的辐射电基本振子（ElectricShortDipole）又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l远小于波长λ，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流I处处等幅同相。用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。yxzlOIrEHEr第1章天线基础知识线状天线的基本分析方法:(a)将线状天线分割成许多个小的线元，其长度,则每个小线元可看成一个电基本振子;(b)根据电磁场叠加定律，将每个电基本振子在观察点产生的辐射场叠加起来，即得线状天线的辐射场。dl基本元的辐射:无论是线天线或面天线都可分割为无限多个基本元,在这些基本元上载有交变电流(或磁流)或交变的电流和磁流。在每一个基本元上的电磁流的振幅、相位和方向均假设是相同的。某一具体天线则由这些基本元按一定的结构形式拼接而成。当然,各个元上的电磁流的振幅、相位和方向可能是不相同的,具体的分布形式由天线的几何形状、尺寸以及激励条件而定。如果我们掌握了基本元的辐射特性,则可按电磁场的叠加原理,考虑到各个元上电磁流的振幅、相位和方向在空间的分布,则可得出各类天线的辐射特性。第1章天线基础知识基本元的类型可以分成三类,第一类为电流元,元上载有交变电流,又称为电基本振子;第二类为磁流元,元上载有交变磁流。正如在“电磁场理论”课程中所介绍的,在某些场合引人磁流的概念将给我们很大方便。本节将介绍电磁场对偶性原理,依据此原理,磁基本振子的辐射场可从电基本振子的辐射场对应地得出;第三类为面基本元,简称面元,依据经典波动光学的惠更斯一菲涅尔原理,空间任意一点M处的场,是包围天线的封闭曲面上各点电磁扰动所产生的次辐射在M点的叠加结果。由此,对某一面天线而言,可以认为是由金属面和开口面构成的一完整的封闭面,金属面外表面上的场为零。因此,只要知道开口面上的场的分布情况,就可求出空间任意一点的场。同理,可以将开口面分割成许多小面元,知道面元的辐射就可依据整个开口面场的分布情况求出此天线的辐射特性。第1章天线基础知识yxzlOIrEHEr22302230001sin()421cos()411sin()40rjkrjkrrjkrHHIlkHjerrIlkEjerrIlkkEAjjerrrE(1―1―1)图1―1―1电基本振子的坐标如图1―1―1所示，在电磁场理论中，已给出了在球坐标系原点O沿z轴放置的电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为第1章天线基础知识rrEEeEeHHe(1―1―2)002/k为自由空间相移常数，λ为自由空间波长。式中略去了时间因子ejωt。式中,E为电场强度，单位为V/m;H为磁场强度，单位为A/m;场强的下标r、θ、φ表示球坐标系中矢量的各分量；er,eθ,eφ分别为球坐标系中沿r、θ、φ增大方向的单位矢量;ε0=10-9/(36π)(F/m),为自由空间的介电常数;μ0=4π×10-7(H/m),为自由空间导磁率；yxzlOIr