電磁場天線與電波傳播演示文稿當前第1頁\共有72頁\編于星期六\11點優選電磁場天線與電波傳播當前第2頁\共有72頁\編于星期六\11點影響天線特性的因素天線的形狀采用的材料制作工藝使用環境用途當前第3頁\共有72頁\編于星期六\11點影響電波傳播特性的因素頻率距離極化方式天線高度地形地物地面電特性參數時間、季節

當前第4頁\共有72頁\編于星期六\11點第一部分電磁場的基礎理論一、麥克斯韋方程組描述了空間電場與磁場的關系當前第5頁\共有72頁\編于星期六\11點本構關系式（與媒質有關的特性方程）：當前第6頁\共有72頁\編于星期六\11點麥克斯韋方程組的正弦穩態相量形式：兩種特殊的邊界條件：1）兩種理想介質分界面上的邊界條件：假設分界面上沒有自由電荷和傳導電流，則和的法向分量以及和的切向分量都是連續的；2）理想導體表面的邊界條件：自由電荷和電流都集中在表面，總是垂直于理想導體的表面，總是平行于理想導體的表面。一般的邊界條件：當前第7頁\共有72頁\編于星期六\11點二、無線電波的輻射

麥克斯韋方程組說明脫離了電流的變化的電場產生磁場，脫離了電荷的變化的磁場產生電場。這種電磁場在空間交替變幻，綿延不斷向外傳播的過程就是電磁波的輻射過程。輻射場的波源是電流和電荷產生輻射場的前提條件是要有位移電流位移電流：由于電位移的變化引起的真實的電的流動。當前第8頁\共有72頁\編于星期六\11點++++----ItqI~+++---當前第9頁\共有72頁\編于星期六\11點三、波動方程當前第10頁\共有72頁\編于星期六\11點四、平面電磁波zExHy當前第11頁\共有72頁\編于星期六\11點平面電磁波的特性當前第12頁\共有72頁\編于星期六\11點平面電磁波的極化當前第13頁\共有72頁\編于星期六\11點第二部分天線一、天線的基本概念當前第14頁\共有72頁\編于星期六\11點移動通信A3G(WCDMA)handsetOutdoorBaseStationfor800and1900MHzCDMAcells.當前第15頁\共有72頁\編于星期六\11點衛星通信EarthStationSatelliteDish(ReflectorAntenna)TVSatelliteDish(ReflectorAntenna)當前第16頁\共有72頁\編于星期六\11點廣播電視天線當前第17頁\共有72頁\編于星期六\11點電路的輻射當前第18頁\共有72頁\編于星期六\11點電纜的輻射當前第19頁\共有72頁\編于星期六\11點天線的作用空間電磁波高頻電流發射接收收、發天線具有互易性當前第20頁\共有72頁\編于星期六\11點(Propagation)天線的應用:Communications,Broadcast,Radar,Radiometry,Biomedical,etc.天線當前第21頁\共有72頁\編于星期六\11點天線的類型按用途分類，可分為通信天線、測量天線等按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等按外形分類，可分為線天線、面天線等當前第22頁\共有72頁\編于星期六\11點線天線：天線的直徑遠小于其幾何長度可不考慮天線橫截面上的電流分布天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。偶極子天線單極天線環天線螺旋天線當前第23頁\共有72頁\編于星期六\11點天線的輻射源結論：天線的輻射源——電流（位移電流）電流連續性方程：當前第24頁\共有72頁\編于星期六\11點二、天線的特性參數機械特性參數：形狀，尺寸，材料，可靠性等電特性參數一次參數：方向性圖，輸入阻抗，效率二次參數：方向性系數，增益，波瓣寬度，前后比，極化特性等當前第25頁\共有72頁\編于星期六\11點1．天線的輻射功率和輻射阻抗輻射功率： 在單位時間內通過球面向外輻射的電磁能量的平均值。輻射電阻：將輻射功率視為一個電阻所消耗的功率，并使流過電阻的電流等于天線上的電流振幅，則該電阻就稱為天線的輻射電阻。當前第26頁\共有72頁\編于星期六\11點2．天線的方向性

天線的輻射場強與方向有關的特性，稱為天線的方向性。以電流元為例：當前第27頁\共有72頁\編于星期六\11點天線的方向性函數和方向性圖用于表示天線方向性特性的函數：電流元的方向性函數電流元的方向性圖當前第28頁\共有72頁\編于星期六\11點赤道面：與天線軸垂直并經過天線中心的平面。子午面：包含天線軸的平面。1）電流元在赤道面內的方向性函數和方向性圖：當前第29頁\共有72頁\編于星期六\11點2）電流元在子午面內的方向性函數和方向性圖：當前第30頁\共有72頁\編于星期六\11點天線的歸一化方向性函數和歸一化方向性圖歸一化方向性函數：天線輻射場與最大方向上的場強值之比。——反映了天線在不同方向的場分布。歸一化方向性圖：表示歸一化方向性函數的空間立體圖形。

通常用兩個互相垂直的平面上（子午面和赤道面/E面和H面）的平面圖來表示。當前第31頁\共有72頁\編于星期六\11點CDMA天線當前第32頁\共有72頁\編于星期六\11點CDMA垂直極化定向天線當前第33頁\共有72頁\編于星期六\11點方向性圖的主瓣寬度和旁瓣電平主瓣寬度：主瓣電平的最大值降到該值的0.707倍（即-3dB）時，兩個方向之間的張角寬度。

在方向性圖中，一般有兩個或更多個波瓣。在這些波瓣中，最大輻射方向所在波瓣稱為主瓣，其余波瓣稱為旁瓣。

－3dB點峰值當前第34頁\共有72頁\編于星期六\11點旁瓣電平：相對主瓣最大值的比值。前后抑制比：

方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為F/B。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。當前第35頁\共有72頁\編于星期六\11點前后比F/B的計算：F/B=10Lg{（前向功率密度）/（后向功率密度）}當前第36頁\共有72頁\編于星期六\11點3.天線的方向性系數定義：天線輻射功率一定，在任意方向輻射功率密度與相等的輻射功率均勻輻射時的平均功率密度之比。當前第37頁\共有72頁\編于星期六\11點物理意義：由于天線有方向性，使某方向的輻射功率密度比均勻輻射時增加的倍數D。實際上，D反映了天線集中輻射能量的特性。方向性系數的求法：

1）已知歸一化方向性函數求D先求全向天線(點源)均勻輻射時的平均輻射功率密度:當前第38頁\共有72頁\編于星期六\11點

通常方向性系數指的是天線最大輻射方向上的方向性系數，此時，當前第39頁\共有72頁\編于星期六\11點2）已知天線的輻射電阻和最大輻射方向的方向性函數，求D當前第40頁\共有72頁\編于星期六\11點

當天線位于自由空間時，；在最大輻射方向上，大多數簡單常規天線的最大場強值又當前第41頁\共有72頁\編于星期六\11點例：求電流元的方向性系數？解：當前第42頁\共有72頁\編于星期六\11點4.天線增益定義：在任意方向,輻射功率密度與將相等的輸入功率均勻輻射時的平均功率密度之比，即天線增益為：當前第43頁\共有72頁\編于星期六\11點物理意義：為了在觀察點有相等的輻射功率密度，方向性天線的輸入功率應小于均勻輻射天線輸入功率的G倍。dBi：表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源；

dBd：表示以半波對稱振子為比較對象。

增益的單位：當前第44頁\共有72頁\編于星期六\11點近似計算方法：1）若已知天線在E面和H面的方向性圖，則在E面和H面上，以度為單位的波瓣寬度。2）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益：當前第45頁\共有72頁\編于星期六\11點3）對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益：式中，D為拋物面直徑；λ0

為中心工作波長。4）對于直立全向天線，可用下式近似計算其增益：式中，l為天線長度；λ0

為中心工作波長。當前第46頁\共有72頁\編于星期六\11點定義：天線輻射功率與輸入有功功率的比值，稱為天線的效率。5.天線效率當前第47頁\共有72頁\編于星期六\11點物理意義：

表示有百分之幾的高頻電流的輸入有功功率轉變成了輻射出去的電磁波能量。結論：

越大，越小，天線的就越高。在工程設計中，往往給定，這時就需要降低來提高天線的效率。當前第48頁\共有72頁\編于星期六\11點天線方向系數和天線增益的關系：當前第49頁\共有72頁\編于星期六\11點6.天線的有效長度定義：用一等效天線代替被研究天線，此等效天線上的電流是以被研究天線的輸入電流振幅均勻分布，并在最大輻射方向產生與被研究天線相等的電場強度。則等效天線的長度就稱為被研究天線的有效長度。等效天線實際為一電流元當前第50頁\共有72頁\編于星期六\11點7.天線的極化方向定義：天線向周圍空間輻射電磁波，電磁波由電場和磁場構成。規定電場的方向就是天線極化方向。天線的垂直極化：電場垂直于入射面天線的水平極化：電場平行于入射面當前第51頁\共有72頁\編于星期六\11點當前第52頁\共有72頁\編于星期六\11點三、接收天線的特性接收天線接收電磁波的過程電磁波高頻電流感應注：只有電場沿天線導體表面的切向分量才能感應出電流，垂直分量不能。當前第53頁\共有72頁\編于星期六\11點結論：1)接收天線的感應電流與來波方向有關

——接收天線的方向性

2)天線用作發射和接收的方向性函數相等

——收、發天線的互易性Z0ZA0IA當前第54頁\共有72頁\編于星期六\11點1．接收功率和接收面積

當天線的最大接收方向對準來波方向，并且接收機的輸入阻抗與天線完全匹配時，天線向接收機的輸出功率最大。

假設最大接收功率Pmax是被一塊與來波方向垂直的面積所接收，這面積就稱為接收天線的有效面積A。當前第55頁\共有72頁\編于星期六\11點2．天線的校正系數K就稱為天線的校正系數當前第56頁\共有72頁\編于星期六\11點例：求半波對稱振子的校正系數？解：對于半波對稱振子當前第57頁\共有72頁\編于星期六\11點

第三部分電波傳播電磁波在收、發天線之間的空間中傳播當前第58頁\共有72頁\編于星期六\11點1．三種電波傳播的基本方式及其特點沿地球表面進行傳播的電波傳播模式稱為地表面波。

在大氣對流層中進行的電波傳播方式稱為空間波。

當前第59頁\共有72頁\編于星期六\11點各種電波傳播方式的主要特點空間波：在傳播過程中，電波會發生折射、反射、散射等現象。在微波通信中采用視距傳播。天線架設在地面以上大于幾個波長處。地表面波：長波，中波一般采用這種傳播方式。天線直接架設在地面。

天波：只有這種電波傳播方式才能將電波傳送到數千公里以外。短波通信采用的就是這種傳播方式。

當前第60頁\共有72頁\編于星期六\11點1)費涅爾帶的劃分按照下列等式劃分費涅爾帶：

可見，分布在相鄰兩帶邊界上的二次波源在觀察點產生的場是反相的，且單位面積上的二次波源產生的場的振幅相差不大。OM0r0nrnS01r1R12．電波傳播的費涅爾區當前第61頁\共有72頁\編于星期六\11點2)合成赫芝矢量設第n費涅爾帶的二次波源在觀察點產生的合成波矢量為，則因為而相位相反所以，合成矢量的振幅為當前第62頁\共有72頁\編于星期六\11點且級數每一項與左右相鄰項的算術平均值相差不大

由于上述級數是收斂的，且收斂很快，所以在觀察點的合成場基本上是由分布在前幾個費涅爾帶內的二次波源產生的。3)費涅爾帶的半徑OM0r0nrnS01r1R1由圖可知，當前第63頁\共有72頁\編于星期六\11點OM0r0nrnS01r1Rn

位于S0面上某一范圍內的二次波源對觀察點的場起主導作用，該范圍的尺寸由費涅爾半徑決定。當前第64頁\共有72頁\編于星期六\11點4)空間費涅爾區

當S0面沿著直線OM移動時，每一費涅爾帶的邊界將構成一個旋轉橢球體，焦點在O點和M點。相鄰兩旋轉橢球體之間的空間稱為空間費涅爾區。結論：對電波傳播起主導作用的空間區域是一個旋轉橢球體。在OM的中點空間費涅爾區的半徑最大。為一次波源與觀察點之間的距離當前第65頁\共有72頁\編于星期六\11點5)最小費涅爾半徑

可證明三分之一第一費涅爾帶的面積在觀察點產生的波振幅為B。用R0表示從S0面中心處到