天线与电波传播

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1、天线与电波传播天线部分：引言天线是一种用来发射或接收电磁波的器件，是任何无线电系统中的基本组成部分。换句话说，发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”波，接收天线则与此相反。于是信息可以在不同地点之间不通过任何连接设备传输，可用来传输信息的电磁波频率构成了电磁波谱。人类最大的自然资源之一就是电磁波谱，而天线在利用这种资源的过程中发挥了重要的作用。第一讲：传输线基础知识在通信系统中，传输线(馈线)是连接发射机与发射天线或接收机与接收天线的器件。为了更好的了解天线的性能及参数，首先简单介绍有关传输线的基础知识。传输线根据

2、频率的使用范围区分有两种类型：1、低频传输线；2、微波传输线。这里重点介绍微波传输线中无耗传输线的基础知识，主要包括反映传输线任一点特性的参量：反射系数、阻抗和驻波比。一、反射系数这里定义传输线上任一点处的电压反射系数为(1)由上式可以看出，反射系数的模是无耗传输线系统的不变量，即(2)此外，反射系数呈周期性，即(3)二、阻抗这里定义传输线上任一点处的阻抗为(4)经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式(5)一、驻波比(VSWR)这里定义传输线上任一点处的驻波比为(6)经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式(7)此外，这里还给

3、出反射系数与阻抗的关系表达式(8)这里还简单介绍一下传输线理论所要用到的一些基本参数，例如特性阻抗以及相位常数，具体表达式如下：(9)此外，不同的系统有不同的特性阻抗，为了统一和便于研究，常常提出归一化的概念，即阻抗称为归一化阻抗(10)第二讲：基本振子的辐射一、电基本振子的辐射电基本振子(ElectricshortDipole)又称电流元，无穷小振子或赫兹电偶极子，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度远小于波长，其半径远小于，同时振子沿线的电流处处等幅同相。在通常情况下，导线的末端电流为零，因此电基本振子难以孤立存在，但

4、根据微积分的思想，实际天线常可以看作是无数个电基本振子的叠加，天线的辐射场等于所有这些电基本振子贡献的总和。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。考虑一个位于坐标原点、沿轴方向、长为的电流元，其上载有幅度和相位均匀分布的电流，根据电磁场理论，该电流元产生的矢量磁位（只有分量）为：(1)由图1-7可以看到，长度与波长相比以及与距离相比都比较小，所以从电流元上任一点到场点的距离（是的函数）非常接近于从坐标原点到场点的距离。将式(1)中的替换为后，被积函数已不含带撇坐标，所以积分退化为乘法，于是(2)得到矢量磁位

5、后，则磁场强度为(3)经过公式替换及推导可得磁场强度(仅有分量)(4)又根据方程，可以得到电场强度（仅有和分量）(5)(6)1、近区场如果场点非常靠近电基本振子：远小于1或远小于，则相对应的解为(7)(8)1、远区场如果场点非常靠近电基本振子：远大于1或远大于，则相对应的解为(9)(10)电基本振子远区场的表达式有看出如下物理意义：(1)、均与距离成反比，都含有相位因子，说明辐射场的等相位面为等于常数的球面，所以电基本振子发出的是球面波，传播方向上电磁场的分量为零，故称其为横电磁波，即TEM波。(2)该球面波的传播速度(相速

6、)(真空光速)，与的比值为常数，称为媒质的波阻抗。对于自由空间来说，(3)远区场是辐射场，但、与成正比，说明电基本振子的辐射具有方向性，辐射场不是均匀球面波。一、磁基本振子的辐射磁基本振子(MagneticshortDipole)又称磁流元，磁偶极子。尽管它是虚拟的，迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是它可以与一些实际波源相对应，例如小环天线或者已经建立起来的电场波源，因此讨论它是有必要的。对于磁基本振子场的求解问题，采用对偶原理法进行求解。设想一段长为的磁流元置于球坐标系原点，根据电磁对偶性原理，只

7、需要进行如下变换：(11)则磁基本振子远去辐射场的表达式为(12)(13)第三讲：天线的电参数(1)描述天线工作特性的参数成为天线电参数，又称电指标。它们是衡量天线性能的尺度。我们有必要了解天线电参数，以便正确设计或选择天线。1、方向函数由电基本振子的分析可知，天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波，但却不是均匀球面波，因此，任何一个天线的辐射场都具有方向性。所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向()的关系。天线在()方向辐射的电场强度()的大小可以写成(1)式中，是与方向无关的常熟；为场强方向函数；则可

8、以得到(2)为了便于比较不同天线的方向性，常采用归一化方向函数，用表示，即(3)下面以电基本振子为例具体介绍方向函数的概念。若天线辐射的电场强度为，把电场强度的模值为写成：(4)因此，场强方向函数可定义为(5)将电基本振子的辐射场表达式代入上式，则电基本振子的方向函数为(6)因此电基本振子