西安电子科技大学：《微波技术与天线》课程教学资源（课件讲稿）第四章 天线（1/5）

第四章天线 ◆4.1绪论 ◆4.2电基本振子的辐射场 ◆4.3磁基本振子的辐射场 ◆4.4对称振子的辐射场 ◆4.5发射天线的电参数 ◆4.6接收天线理论 ◆4.7天线阵的方向性，均匀直线阵 ◆4.8二元天线阵 ◆4.9天线阵的阻抗 2018年6月6日星期三8时23分20秒

2018年6月6日星期三8时23分20秒 第四章 天 线  4.1 绪论  4.2 电基本振子的辐射场  4.3 磁基本振子的辐射场  4.4 对称振子的辐射场  4.5 发射天线的电参数  4.6 接收天线理论  4.7 天线阵的方向性，均匀直线阵  4.8 二元天线阵  4.9 天线阵的阻抗

一、 引言 无线电广播，通信，遥测，遥控以及导航等无线电系 统都是利用无线电波来传递信号的。而无线电波的发 射和接收都通过天线来完成。因此天线设备是无线电 系统中重要的组成部分。下图指出了天线设备在典型 的无线电系统中的地位。 接 射天 电磁波 自然传播途径 发射机 线 接收机 馈线 馈线 无线电通信系统的基本方框图 STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 2

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 2 一、引言 无线电广播,通信,遥测,遥控以及导航等无线电系 统都是利用无线电波来传递信号的。而无线电波的发 射和接收都通过天线来完成。因此天线设备是无线电 系统中重要的组成部分。下图指出了天线设备在典型 的无线电系统中的地位。 无线电通信系统的基本方框图

由发射机产生的高频振荡能量，经过发射天线变为 电磁波能量，并向预定方向辐射，通过媒质传播到达接 收天线附近。接收天线将接收到的电磁波能量变为高频 振荡能量送入接收机，完成无线电波传输的全过程。 右图为无线电定位 系统的基本方框图。发 射天线和接收天线常合 天 用一副天线，利用天线 线 电磁波 开关的转换作用，分别 馈线 接入发射机和接收机。 当天线与发射机接通时， 天线开关 此天线作发射天线用当 发射机 天线与接收机接通时， 收机 此天线作接收天线用。 显示设备 图4-1-2 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 3 右图为无线电定位 系统的基本方框图。发 射天线和接收天线常合 用一副天线，利用天线 开关的转换作用，分别 接入发射机和接收机。 当天线与发射机接通时, 此天线作发射天线用当 天线与接收机接通时， 此天线作接收天线用。 由发射机产生的高频振荡能量，经过发射天线变为 电磁波能量，并向预定方向辐射，通过媒质传播到达接 收天线附近。接收天线将接收到的电磁波能量变为高频 振荡能量送入接收机，完成无线电波传输的全过程。 图 4-1-2

可见天线设备是将高频振荡能量和电磁波能量作可 逆转换的设备，是一种“换能器”。有换能效率问题， 开放结构能有效的辐射和接收电磁波。 天线设备在完成能量转换的过程中，带有方向性， 即对空间不同方向的辐射或接收效果并不一致，有空间 方向响应的问题，其次天线设备作为一个单口元件，在 输入端面上常体现为一个阻抗元件或等值阻抗元件。与 相连接的馈线或电路有阻抗匹配的问题。 天线的辐射场分布或接收来波场效应，以及与接收机， 发射机最佳的贯通，即馈线系统，就是天线工程所最关 心的问题。本章侧重讨论天线的辐射场空间分布问题。 STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 4 可见天线设备是将高频振荡能量和电磁波能量作可 逆转换的设备，是一种“换能器” 。有换能效率问题， 开放结构能有效的辐射和接收电磁波。 天线设备在完成能量转换的过程中，带有方向性， 即对空间不同方向的辐射或接收效果并不一致，有空间 方向响应的问题，其次天线设备作为一个单口元件，在 输入端面上常体现为一个阻抗元件或等值阻抗元件。与 相连接的馈线或电路有阻抗匹配的问题。 天线的辐射场分布或接收来波场效应,以及与接收机， 发射机最佳的贯通，即馈线系统，就是天线工程所最关 心的问题。本章侧重讨论天线的辐射场空间分布问题

天线的定义： 天线定义6条。 天线的分类： 按工作性质，波长分类，按形状分类。 天线的分析方法： 天线辐射问题是宏观电磁场问题，有场分析方法， 近似解（线性叠加）。 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 5

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 5 天线的定义： 天线定义6条。 天线的分类： 按工作性质，波长分类，按形状分类。 天线的分析方法： 天线辐射问题是宏观电磁场问题，有场分析方法， 近似解（线性叠加）

二、 电基本振子辐射体 所谓电基本振子辐射体是指一段载有高频电流的 短导线，导线全长K<,导线直径d<<I,线上的电流振 幅是相等的，线上各点的电流相位亦认为是同相的。 电基本振子辐射体是线状天线的基本单元，因此 讨论电基本振子辐射体具有重要的实际意义。对电基 本振子辐射体的分析，我们采用球坐标系。将电基本 振子辐射体的中心放在坐标系原点，如下图所示。 STE A.J.YUE 6

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 6 二、电基本振子辐射体 所谓电基本振子辐射体是指一段载有高频电流的 短导线，导线全长l<<λ,导线直径d<<l，线上的电流振 幅是相等的，线上各点的电流相位亦认为是同相的。 电基本振子辐射体是线状天线的基本单元，因此 讨论电基本振子辐射体具有重要的实际意义。对电基 本振子辐射体的分析，我们采用球坐标系。将电基本 振子辐射体的中心放在坐标系原点，如下图所示

设电基本振子辐射体上电流分布为Iet,则可以求 得空间P点的场强。P点的球坐标是(r,O,p),这里仅写出结 果 H,=H=0 siney E,21 --cos0( π0e0 (-j 2 4元080 E。=0 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 7

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 7 设电基本振子辐射体上电流分布为Ie jωt ,则可以求 得空间P点的场强。P点的球坐标是(r,θ,j),这里仅写出结 果: 0 2 2 3 0 2 2 3 0 0 1 sin ( ) 4 2 1 cos ( ) 4 1 1 sin ( ) 4 0 r jkr jkr r jkr H H Il k H j e r r Il k E j e r r Il k k E j j e r r r E j  j                                   

10 9 P 3 2 0 0.10.20.3 ri 0.4 0.50.60.7 0 2 3 kr= 4 STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 8

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由上式可见，电基本振子辐射体的电场有和0方向 两个分量，而磁场只有方向分量。而且电场矢量和磁 场矢量相互垂直。在EE和H分量中都含有rl,r2和r3 三项或其中二项。 现根据观察点P离电基本振子辐射体的远近可分为 三个区域：感应近区(kr<<1),辐射远区(1<kr)和辐射 近场（菲涅耳区），也称为中间区，k为相移常数。因 接收点在很远处，我们这里只讨论远区场。 STE A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 9 由上式可见，电基本振子辐射体的电场有r和θ方向 两个分量，而磁场只有j方向分量。而且电场矢量和磁 场矢量相互垂直。在Er，Eθ和Hj分量中都含有r -1，r -2和r -3 三项或其中二项。 现根据观察点P离电基本振子辐射体的远近可分为 三个区域：感应近区(kr<<1)，辐射远区(1<< kr)和辐射 近场（菲涅耳区），也称为中间区，k为相移常数。因 接收点在很远处，我们这里只讨论远区场

在远区范围内kr>>1,即r<<1,因此上式中r1项起 主要作用，而2和r3项均很小，可以忽略不计。故远区 的电磁场可近似表示为 E,≈0 Eo=j ⊙4I1 60πI sin e 4πr E。=0 H =Ho=0 H。=j 4πr sinde=j 元r sin 70 STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 10

STE_A.J.YUE 西安电子科技大学通信工程学院 10 在远区范围内kr>>1，即λ/r<<1，因此上式中r -1项起 主要作用，而r -2和r -3项均很小，可以忽略不计。故远区 的电磁场可近似表示为 0 0 0 0 0 60 sin sin 4 0 0 sin sin 4 2 r jkr jkr r jkr jkr E Il Il E j e j e r r E H H Il E H j e j e r r  j   j                                       