第8章天线基础

微波技术与天线课件

第8章 天线基础

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引 言天线：可以辐射或接收无线电波的装置， 雷达与通信设备射频前端的重要组件。 最早的天线：“振荡偶极子”——1887年， 德国青年科学家赫兹。

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8.1

天线的工作机理、 天线的工作机理、 功能与特性

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8.1.1 天线的工作机理

具有加速度的载流子产生形成波动电磁场结构 封闭的传输线不能辐射电磁波IZgVg

H

E

ZL d << λ

λ2图8-1 平行双线传输线的电流与场结构

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天线结构具有开放 开放性。 开放 闭合的传输线结构到开放的自由空间的渐 渐 变段 。 完成无线电波与导行电磁波 之间的转化 转化。 转化E接收机 天线 导行电磁波

发射机 导行电磁波 天线

均匀平面波

无线电波

图8-2 无线通信天线收发电磁波示意图

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8.1.2 天线的功能与特性

天线要满足一定的阻抗条件 天线应当具备适当的极化方式 天线的辐射或接收具有特定的方向性 天线要有一定的带宽

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思考题产生辐射的客观存在的源是什么？ 产生辐射的客观存在的源是什么？ 简述天线的工作机理 天线有哪些特性？ 天线有哪些特性？

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8.2

基本辐射元

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8.2.1基本电流元 基本电流元

弦电流 i = Ie j ω t 也称为“基本电振子”

l

λ 的等幅同相正

zErP ( r ,θ , )H

θ

rI

Eθ

l

y

x图8-3 基本电流元及其场强方向

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基本电流元场结构(矢量位法求解) 1 3 1 2 jkr Il cos θ µ 0 2 k j + e Er = 2π ε 0 kr kr 1 3 1 2 Il sin θ µ 0 2 1 jkr k j + + j e Eθ = ε 0 kr kr 2π kr 1 2 Il sin θ µ 0 2 1 jkr k + j e H = 2π ε 0 kr kr E = H = H = 0 r θ

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基本电流元的场区划分近区： kr << 1 ,“电抗场”或“束缚场” 远区： kr >> 1 ,“辐射场”

η 0 Il Eθ = j sin θe jkr 2λ r H = j Il sin θe jkr 2λ r 中间区：介于远区与近区之间

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天线辐射场的基本特征第一，E、H与波传播方向 r 三者互相正交，呈 、 右手螺旋关系； 第二， E、H同相，其幅度比等于自由空间波 、 阻抗； 第三，场量幅度正比于1/r; 第四，辐射场正比于sinθ ,具有方向性； 第五，场分量等相面是以r为半径的球面； 第六，当r→∞时，电磁波在局部近似为均匀平 → 面波。 天线辐射场幅度 幅度可表示为 E = Em f 幅度

(θ , )

e

jkr

r

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基本磁流元、 8.2.2 基本磁流元、基本电流环与基本缝隙元

磁流是虚拟的源的场结构(对偶性原理) 磁流是虚拟的源的场结构(对偶性原理) 虚拟3

2 I M l cosθ 2 1 1 jkr k j + e H r = 2πη 0 kr kr 3 2 I M l sin θ 2 1 1 1 jkr k j + + j e H θ = 4πη 0 kr kr kr M 1 2 I l sin θ 2 1 jkr E = 4π k kr + j kr e H = E = E = 0 θ r

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基本磁流元的辐射场

I l sin θ jkr e H θ = j 2λrη 0 M I l sin θ jkr E = j e 2λr M

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等效为基本磁流元的辐射结构

l

Emtw

I M = 2EmtIMl(b)

a<<λ

Ip金属板

(a)

Ip

I l = jωµ0I p SM

基本电流环 基本缝隙元

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8.2.3 基本辐射元的组合

单向辐射元η0 I y l jkr E= j e (1 + cos θ )[θ sin + cos ] 2λ rz P ( r ,θ , )E 90o120o 60o 30o

r

Eθ

150o

θI yl y

180o210o

0.2

0.4

0.6

0.8

0o

x

I l

M x

240o

330o270o 300o

单向辐射元

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基本圆极化天线

E = Ae

jkr j

e

[ + θ j cos θ ]

θ=0或π :旋向相反的圆极 化； 0<θ< π/2或π/2 <θ< π:旋 向相反的椭圆极化； θ=π/2,线极化(旋转场)。

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惠更斯面元

I y l = (H x dx)dy = H x ds

I xM l = (Ey dy)dx = Ey ds

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思考题天线有哪些特性？ 天线有哪些特性？ 什么是基本电流元、基本磁流元？ 什么是基本电流元、基本磁流元？ 近区场有什么特性？ 近区场有什么特性？ 辐射场有什么特性？ 辐射场有什么特性？ 什么结构可等效为基本磁流元？ 什么结构可等效为基本磁流元？ 描述基本圆极化天线不同方位角上的极化方 式？

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8.3

天线的电参数