第6章天线辐射与接收理论.ppt
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1、6.1 概论 6.2 基本振子的辐射 6.3 天线的电参数 6.4 接收天线理论,第6章天线辐射与接收的基本理论,第6章 天线辐射与接收的基本理论,6.1 概论 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。,1. 天线的定义 天线的基本功能是辐射和接收无线电波 发射时,把高频电流转换为电磁波; 接收时,把电滋波转换为高频电流。 不同的无
2、线电设备对天线的要求不同。,天线应具有如下基本功能: 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。 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收, 即天线具有方向性。 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。 天线应有足够的工作频带。 ,2. 天线的分类 按频率不同分长波、中波、短波、超短波和微波天线。 按用途不同分发射和接收天线。 按场合不同分通讯、广播、雷达、导航天线。 按性能不同分窄带、宽带和超宽带天线,全向和定向天线(低副瓣、超低副瓣和极低副瓣天线),以及移动
3、和固定天线。 按结构不同分线天线和面天线。 按发展阶段分传统天线和现代天线(自适应天线、智能天线和软件天线)。,研究天线问题, 实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件, 因此, 求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件, 但这往往十分繁杂, 有时甚至是十分困难的。 在实际问题中, 往往将条件理想化, 进行一些近似处理, 从而得到近似结果, 这是天线工程中最常用的方法; 在某些情况下, 如果需要较精确的解, 可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。 ,6.2 基本振子的辐射,1. 电基本振子 电基本振子是一段长度l远小于波长, 线上各点电流
4、等幅同相, 它是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。,电基本振子的辐射,(1)近场区 在靠近电基本振子的区域(kr1,即r/2),表达式近似为:,近区场称为准静态场; 离天线较远时, 可认为近区场近似为零。 没有能量向外辐射, 所以近区场又称为感应场。,(2) 远区场 实际上, 收发两端之间的距离一般是相当远的(kr1, 即r/2), 在这种情况下, 1/r2和1/r3项比起1/r项而言, 可忽略不计, 于是电基本振子的电磁场表示式简化为,式中,将上式代入式,得电基本振子的远区场为,远区场只有 和 两个分量。 远区场为辐射场。 远区场场强随 的一次方下降。 辐
5、射场具有方向性。,基本电振子辐射场的方向图,6.3 天线的电参数,1. 天线方向图及其有关参数,(1)方向性函数 在距天线 的球面上,天线辐射场强 是坐标 和的函数,称为方向性函数,用 表示。 归一化方向性函数 (2)方向图 如果天线在各方向辐射的强度用从原点出发的矢量长短来表示,则连接全部矢量端点所形成的包络就是天线的方向性图。一般采用归一化方向图。,通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示: (1) E平面 所谓E平面,就是电场矢量构成的平面。对于沿z轴放置的电基本振子而言, 垂直与xOy的平面是E平面。 (2) H平面 所谓H平面,就是磁场矢量构成的平面。对于沿z轴放置的电基本振子, 平行
6、与xOy的平面是H平面。, 例 6 - 1画出沿z轴放置的电基本振子的E平面和H平面方向图。 解: E平面方向图: 在给定r处, E与无关; E的归一化场强值为 |E|=|sin| 这是电基本振子的E平面归一化方向性函数, 其E平面方向图如下图所示。 H平面方向图: ,电基本振子E平面方向图; (b) 电基本振子H平面方向图; (c) 电基本振子立体方向图,实际天线的方向图一般要更复杂。典型的H平面方向图如下图所示, 这是在极坐标中电场的归一化模值随变化的曲线。,练习:已知电场在E面归一化场强为|E| =|(1+2cos)/3|,分别用极坐标和直角坐标的方法画出天线在E平面的方向图。,3) 天
7、线的方向图参数 为了方便对各种天线的方向图特性进行比较, 就需要规定一些特性参数。 这些参数有: 主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及方向系数等。 (1) 主瓣宽度 主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。 通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度, 在场强方向图中, 等于最大场强的 两点之间的宽度, 称为半功率波瓣宽度; 有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度, 称为零功率波瓣宽度。 ,Emax,0.707Emax,(2) 旁瓣电平 旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平, 一般以分贝表示。方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域, 所以其电平应尽可能的低, 且天线方向图一般都有这样一
8、条规律: 离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低, 在某种意义上反映了天线方向性的好坏。另外, 在天线的实际应用中, 旁瓣的位置也很重要。 (3) 前后比 前后比是指最大辐射方向(前向)电平与其相反方向(后向)电平之比, 通常以分贝为单位。 上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态, 但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果, 因此都不能单独体现天线集束能量的能力。,例如, 旁瓣电平较低的天线并不表明集束能力强, 而旁瓣电平小也并不意味着天线方向性必然好。为了更精确地比较不同天线的方向性, 需要再定义一个表示天线集束能量的电参数, 这就是方向系数。 (4) 方向系数 方向
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- 天线 辐射 接收 理论
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