宋铮-天线与电波传播-第1章 天线基础知识.ppt

《宋铮-天线与电波传播-第1章 天线基础知识.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、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1.1基本振子的辐射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。1.1.1电基本振子的辐射电基本振子（ElectricShortDipole）又称

2、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。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(1―1―1)图1―1―1电基本振子的坐标式中,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

3、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；(1―1―2)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。1.近区场kr<<1即（r<<λ/(2π)）的区域称为近区，此区域内因此忽略式（1―1―1）中的1/r项，并且认为e-jkr≈1，电基本振子的近区场表达式为将上式和静电场中电偶极子产生的电场以及恒定电流产生的磁场作比较，可以发现，除了电基本振子的电磁场随时间变化外，在近区内的

4、场振幅表达式完全相同，故近区场也称为似稳场或准静态场。(1―1―3)近区场的另一个重要特点是电场和磁场之间存在π/2的相位差，于是坡印廷矢量的平均值，能量在电场和磁场以及场与源之间交换而没有辐射，所以近区场也称为感应场，可以用它来计算天线的输入电抗。必须注意，以上的讨论中我们忽略了很小的1/r项，下面将会看到正是它们构成了电基本振子远区的辐射实功率。2.远区场kr>>1即（r>>λ/(2π)）的区域称为远区，在此区域内因此保留式（1―1―1）中的最大项后，电基本振子的远区场表达式为由上式可见，远区场

5、的性质与近区场的性质完全不同，场强只有两个相位相同的分量（Eθ,Hφ），其电力线分布如图1―1―2所示，场矢量如图1―1―3所示。(1―1―4)远区场的坡印廷矢量平均值为(1―1―5)有能量沿r方向向外辐射，故远区场又称为辐射场。该辐射场有如下性质：(1)Eθ、Hφ均与距离r成反比，波的传播速度为，Eθ和Hφ中都含有相位因子e-jkr，说明辐射场的等相位面为r等于常数的球面，所以称其为球面波。E、H和Sav相互垂直，且符合右手螺旋定则。(2)传播方向上电磁场的分量为零，故称其为横电磁波，记为TEM波

6、。(3)Eθ和Hφ的比值为常数，称为媒质的波阻抗，记为η。对于自由空间(1―1―6)图1―1―2电基本振子电力线图1―1―3电基本振子远区场(4)Eθ和Hφ与sinθ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。因此，任何实际的电磁辐射绝不可能具有完全的球对称性，这也是所有辐射场的普遍特性。电偶极子向自由空间辐射的总功率称为辐射功率Pr，它等于坡印廷矢量在任一包围电偶极子的球面上的积分，即(1―1―7)因此，辐射功率取决于电偶极子的电长度，若几何长度不变，频率越高或波长越短，则辐射功

7、率越大。因为已经假定空间媒质不消耗功率且在空间内无其它场源，所以辐射功率与距离r无关。既然辐射出去的能量不再返回波源，为方便起见，将天线辐射的功率看成被一个等效电阻所吸收的功率，这个等效电阻就称为辐射电阻Rr。类似于普通电路，可以得出(1―1―8)其中，Rr称为该天线归算于电流I的辐射电阻，这里I是电流的振幅值。将上式代入式（1―1―7），得电基本振子的辐射电阻为(1―1―9)1.1.2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

8、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建立起来的电场波源，用此概念可以简化计算，因此讨论它是有必要的。如图1―1―4所示，设想一段长为l（l<<λ）的磁流元Iml置于球坐标系原点，根据电磁对偶性原理，只需要进行如下变换：(1―1―10)图1―1―4磁基本振子的坐标其中，下标e,m分别对应电源和磁源，则磁基本振子远区辐射场的表达式为（1―1―11）比较电基本振子的辐射场与磁基本振子的辐射场，可以得知它们除了辐射