天线基本原理

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1、第一讲天线基本原理一、天线的基本概念1．天线的作用在任何无线电通信设备中，总存在一个向空间辐射电磁能量和从空间接收电磁能量的装置，这个装置就是天线。天线的作用就是将调制到射频频率的数字信号或模拟信号发射到空间无线信道，或从空间无线信道接收调制在射频频率上的数字或模拟信号。2．天线问题的实质从电磁场理论出发，天线问题实质上就是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的电特性。空间任何一点的电磁场满足电磁场方程——麦克斯韦方程及其边界条件。因此，天线问题是时变电磁场问题的一种特殊形式。从信号系统的角度出发，天线问题可以理解为考察由一个电磁波激励源产生的

2、电磁响应特性。从通信系统的角度出发，天线可以理解为信号发射和接收器，收发天线之间的无线电信号强度满足通道传输方程和多径衰落特性。3．对天线结构的概念理解采用不同的模型，对天线可以有不同的理解。典型的模型比如：l开放的电容[思考]野外电台或电视发射塔，无线电视或电台接收机，为什么能构成一个天线，其电流回路在什么地方？l开放的传输线从传输线理论理解，天线可以看做是将终端开路的传输线终端掰开。lTMmn型波导将天线辐射看做是在4π空间管道中传输的波导，则对应的传输波型是TM型波，但在传输过程中不断遇到波导的不连续性，因此不断激励高次模。l由电磁波源和电磁波传输媒质形成电磁

3、波传输的机构波的形成都需要波源和传输媒质。在一盆水中形成机械波纹，可以使用点激励源产生波，并在水面上传播。波的传播特性只与媒质特性有关而与波源无关。将一个肉包子扔出去，这个肉包子可能产生不同的结果，或者被狗吃了，或者掉在什么地方了，都与扔包子的人不再有任何关系。而对天线来说，馈点的激励源就是这种波源，天线导体和外界空间就是传输媒质。不过电磁波的传输媒质可以是真空。[思考]电磁波具有波粒二象性。频率越低，波动性越强；频率越高，粒子性越强。所以光波主要表现出粒子性，而长波表现出波动性。射频电磁波就是介于这二者之间的一种电磁波，它既有显著的波动性，又有显著的粒子性。只要认

4、清这一点，许多问题就会变得易于理解。认清事物的本质规律我们才能很好地利用它，我们不能把一头驴当马使，否则就会出现许多荒唐的错误。有人认为射频很复杂，有人认为很简单，就是这个道理。[哲学启示]电磁波由于看不见，摸不着，所以在很多人看来它很抽象。但考虑到世界是普遍联系的，尽管不同的事物也有许多不相同点，但找到它们之间的联系，就能获得认识抽象事物的“火眼金睛”。一、电磁场基本方程1．麦克斯韦方程（电生磁。若电场变化，则磁场随之变化）（磁生电。若磁场变化，则电场随之变化）（磁力线是无始无终的封闭闭合曲线）（电力线出发和终止于自由电荷）麦克斯韦方程的物理含义：变化的电场可以产

5、生磁场，变化的磁场可以产生电场，这是电磁波可以脱离辐射体在空间存在的物理基础。[思考]自然界存在一些有趣的现象，尽管机理与电磁波不完全一致，但是其过程却可以帮助我们加深对我们问题的理解。请大家考虑一下，孩童吹肥皂泡时，肥皂泡能够脱离吹管而在空气中独立存在的条件是什么？[哲学启示]电磁波看不见，摸不着，但它是一种不依赖于人的意识的客观存在，因此属于辩证唯物哲学中物质的范畴。微波炉中的一盘鸡，看不见有火苗，是谁把它烤熟了？就是电磁波这种物质。要研究任何所谓抽象的事物，必须跳出“巧妇难为无米之炊”这种传统思维模式，要知道没有米还可以用面。1．边界条件两种不同媒质的分界面，

6、媒质参数会发生突变，引起某些场分量的不连续。电磁场边界条件是：（媒质分界面处磁场切向不连续）（媒质分界面处切向电场连续）（媒质分界面处法向磁感应强度连续）（媒质分界面处法向电位移矢量不连续）根据电磁场边界条件，在媒质分界面处电场的切向分量和磁感应强度的法向分量是连续的。这是非常重要的概念。[思考]在天线导体和大气空间中，尽管导体和大气中的电场满足不同的分布规律，导体中电场集中在导体边缘，而大气中的电场则呈瑞利指数分布，但是在导体和大气分界面处的导体上和空间切向电场却是完全相同。这是为什么？[哲学启示]自然界不存在绝对无限大的事物，大海和宇宙都很大，但都有边界，电磁场

7、也不例外。所有数学物理问题，只有确定的边界条件才有确定的解。2．电流连续性方程根据电荷守恒定律，电流和电荷的关系是：（电荷的波动导致电流密度的变化）该方程反映了流入一个封闭面积和流出该封闭面积的电流之间的差异，都是由于该面积内包含的电荷在“兴风作浪”。这也是物质不灭定律在电磁学领域中的反映。1．本构方程（媒质特性方程）（电位移矢量和电场强度的关系）（磁感应强度和磁场强度的关系）（电流密度和电场的关系）这几个方程反映了在特定的媒质中电场强度和电位移矢量、磁场强度和磁感应强度、电流和电场之间的关系，等式右边的矢量与媒质无关，左侧矢量与媒质相关。这几个方程反映了媒质的