天线基本理原与技术.ppt

姓名：屈世伟邮箱：副教授博导主要感兴趣的研究方向：宽带/超宽带天线及阵列、相控阵天线、太赫兹天线等,2010 至今，副教授，电子科技大学2009-2010，博士后，日本东北大学2007-2009，博士，香港城市大学电子工程系2006-2007，研究助理，香港城市大学2003-2006，硕士，电子科技大学物电学院1997-2001，学士，电子科技大学电工学院地址：清水河校区科研楼C507,第一部分,课程设置,先修课程,电磁场与波、微波技术、天线原理与设计,本书教学目的,天线是各种无线系统必不可少的重要部件，其指标直接影响着系统性能。本课程的目的是使学生了解天线领域的现状及发展方向，并且力争反映出天线领域的最新研究动态。课程讲授既注重理论分析，也注重工程实际应用，提高研究生分析与解决天线及相关领域问题的能力，为以后研究工作打下坚实的理论基础。,教学内容及重难点,1电磁辐射问题的解析方法与数值方法 2加载天线 3天线综合 4微带天线 5相控阵列天线 6信号处理天线 7天线领域的最新进展,教材及参考书,近代天线理论，谢处方，电子科技大学出版社。C.A.Balanis,Antenna theory,analysis and design,second edition,John Wiley&Sons,Inc.,1997.W.L.Stutzman,and G.A.Thiele,Antenna Theory and Design.New York:Wiley,1998.SDrabowitch,A.Papiernik,H.Griffiths,and J.Encinas,Modern Antennas,London:Chapman&Hall,1998.J.R.James,and P.S.Hall,Handbook of Microstrip Antennas,IEE:Peter Peregrinus Ltd.,1989.R.J.Mailloux,Phased Array Antenna handbook,London:Artech House,1993.IEEE Transactions on Antennas and Propagation 等相关期刊。,本课程的特点,知识点多，但较零碎；涉及面广，如“电磁理论”、“天线基础”、“微波电路”等；综合性强，需要将多方面知识综合在一起加以学习；,第二部分,天线的基本理论,天线基本原理与技术,在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波（发射），或者将无线电波转换为导波能量（接收）,用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。天线应具有以下性能：,一、天线的功能,尽可能多地将导波能量互相转电磁波能（高效率）具有适当的方向性 有适当的极化 有足够的工作频带 对传递的信息进行一定的加工和处理（未来发展趋势）,一些常用天线形式,二、天线的分类,按用途：通信天线、广播电视天线、雷达天线等按工作波长：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等按辐射元的类型：线天线、面天线,线天线：由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长 波、中波和短波波段面天线：由尺寸大于波长的金属或介质面构成的，主要用 于微波波段,三、天线的分析方法,天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件,工程上往往将条件理想化，通过近似处理得到近似结果,利用电磁场理论的数值计算方法,电流元也称电基本振子，它是一段长度远小于波长,电流I振幅均匀分布、相位相同的直线电流。,1.1 电流元的辐射场,一、电流元,注：电流元线天线的基本组成部分,任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。,二、电流元的辐射场,在天线远区（r）,则：,说明：,1）远区场电场、磁场相互正交，相位相同：横电磁(TEM)波,2）电磁波沿径向传播,3）远区场为球面波,4）电流元的辐射是有方向性的,三、电流元辐射方向特性,方向函数：描述天线辐射场与方位角 的关系。,电流元的方向函数：,方向图：由方向函数作出的图形，即为天线方向图。,依据方向函数作出电流元的方向图为：,一、惠更斯元定义,口径面内尺寸远小于波长的一个平面可视作惠更斯元，其上的幅度和相位可视作均匀分布。它是二次辐射源。,二、惠更斯元的辐射特性,设平面口径上一个惠更斯元dS=dxdy,其上切向电场为Esy,切向磁场为Hsx。,由等效原理，场分布可等效为相应的面电流和面磁流，故惠更斯元可视作电流元 和磁流元 叠加而成：,1.2 基本口径面辐射源惠更斯元的辐射,由电磁场相关理论，可得等效电流元和磁流元产生的辐射场，进而求得惠更斯元的远区辐射合成场为:,两个方向上的辐射方向函数为:,总的辐射方向函数为:,归一化方向函数为:,惠更斯元远区辐射特性：1、辐射场为TEM波（球面波）；2、为单向辐射，辐射方向图绕法线轴旋转对称；3、最大辐射方向为其正法线方向；,1.3 天线的电参数,1.3.1 天线方向性特性参数,一、方向函数,方向函数：描述天线的辐射强度与空间坐标之间的函数关系，分场强方向函数和功率方向函数。,场强方向函数：由辐射场电场表达式中与方位有关的表达式组成。如电流元场强方向函数为：,功率方向函数：由坡印廷矢量表达式，知,归一化方向函数：为便于对不同天线方向性进行比较，往往将方向函数对其最大值进行归一化，即：,归一化方向函数的最大值等于1。,用于描述天线辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线或曲面图。,二、方向图,电流元方向图,微波天线方向图通常由与场矢量相平行的两个平面表示：,E平面：通过最大辐射方向，与电场矢量平行的平面；H平面：通过最大辐射方向，与磁场矢量平行的平面；,E平面,H平面,方向图可由极坐标表示，也可用直角坐标表示：,极坐标,直角坐标,电流元方向图,三、主瓣宽度,主瓣宽度是衡量天线的最大辐射方向的能量集中程度的物理量。,半功率主瓣宽度：功率方向图中两个半功率点之间的角宽度，或场强方向图中最大场强的 两点之间的角宽度；零功率波瓣宽度：方向图由最大值点两边第一个零点间的角宽。,半功率主瓣宽度,零功率主瓣宽度,四、旁瓣电平SLL,电平最高的波瓣电平与主瓣电平的比值,一般以分贝表示。,主瓣：其方向为天线辐射主向,第一副瓣,注：副瓣电平反映了天线方向性的好坏,离主瓣最近:?,1.3.2 天线的极化,天线的极化与其辐射的电磁波的极化方式相同。,天线的极化包括：垂直极化、水平极化，圆极化。,注：实际工程中，不存在理想圆极化天线，一般为椭圆极化天线 通信系统中，发射天线和接收天线的极化方式必须要匹配,1.3.3 天线效率、辐射电阻、输入阻抗,天线效率：天线辐射功率与输入功率之比，即：,式中：为天线辐射功率，为天线欧姆损耗功率。,辐射电阻R：,辐射电阻定义:某电阻上通过电流等于天线上的最大电流，若其损耗的功率等于天线的辐射功率，则该电阻值即为该天线的辐射电阻。,天线的辐射电阻表示了天线辐射电磁波的能力，与馈电电流的大小无关，是天线自身具有的属性。,输入电阻Rin：,输入电阻定义:在天线输入端点呈现的阻抗，天线端点处V/I,1.3.4 天线方向系数与增益,一、方向系数D,定义：,设天线辐射功率为Pr，最大辐射方向电场为Em,则：,在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax，与相同辐射功率在理想无方向性天线在同一位置处的辐射功率流密度S0之比：即,二、增益G,方向系数D未考虑天线效率的影响。,增益定义:在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax，与相同输入功率在理想无方向性天线在同一位置处的辐射功率流密度S0之比。,例 确定沿z轴放置的电基本振子的方向系数。,解:电基本振子的归一化方向函数为:,代入方向系数的表达式得,分贝数表示为：,1.3.5 输入阻抗,注：输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸、工作频率以及邻近天线周围物体等的影响。,天线有效长度定义：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下,假设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。,1.3.6 有效长度,输入阻抗和输入电压 和电流 的关系是,天线的有效长度愈长,辐射能力愈强。,1.3.7 带宽,1.3.8 电磁能量的传播,为什么远距离传输要用天线传输？天线传输的损耗包括哪些？,一个输入功率为3W，增益为15dB的天线在距离10KM的地方产生的场是多少？能流密度有多大？,发射机10dB，接收机灵敏度-100dB，要传输10公里？1公里？对天线增益有什么要求。,付里斯传输公式,最大辐射方向上的功率密度为：,接收天线接收到的功率密度为：,Friis公式,第三部分,简单天线的分析与设计,1.1 对称振子天线,由两根粗细和长度都相同的直导线构成，中间为馈电端。,一、结构,二、对称阵子上的电流分布,电流分布-辐射场,工程上近似认为对称阵子天线视作终端开路传输线两端逐渐张开形成的。,其上电流分布为：,半波振子 全波振子,三、对称阵子的辐射场,在距中心点为z处取电流元段dz,则它对远区场的贡献为,1、dz段线元的辐射场,对于远区辐射场，场点距离远大于天线尺寸，可有如下近似：,2、对称振子天线的辐射场,整个天线的远区辐射场为：,则对称振子天线的辐射方向图为：,结论：对称振子天线的方向函数与方位角 无关，其方向图是以振子轴线为基准的旋转对称图形对称振子的臂长会影响到方向图,二维,三维,对称振子天线最常用的为半波振子天线和全波振子天线。,半波振子天线的辐射特性：,1）将 代入，得半波振子天线的方向函数：,2）由方向系数求解公式，得：,3)方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解:,4）半波振子的辐射电阻为,R=73.1(),全波振子天线的辐射特性：,1）将 代入，得半波振子天线的方向函数：,2）由方向系数求解公式，得：,3)方向图的半功率主瓣宽度等于方程的解:,4）半波振子的辐射电阻为,R=199(),1.2 阵列天线,将多个天线组合起来，可增强或减小某方向天线辐射，从而实现对天线方向图的控制。,电流元,半波振子,振子天线,阵列天线：将多个相同类型天线按一定规律排列、馈电而形成的天线系统。,美国（VLA，27个25米口径天线组成）,设两个半波振子天线如图排列，则1#，2#方向函数相同，均为,一、二元天线阵列,两个天线馈电电流：,则两个阵元在远区p点产生电场分别为：,场点位于远区，可引入如下近似：,注意：为场点与天线单元轴向夹角；为场点与天线阵轴向夹角；,则p点总的叠加场为：,第一阵元辐射场,与阵列组成有关的因子,令,两单元天线在p点辐射场的总相位差,其中,是由馈电电流相位差所引起,是由波程差所引起的相位差,则：,则p点总的叠加场为：,两个天线合成波的方向图为：,阵元方向图,阵列因子,方向函数乘积定理：相似元所构成的天线阵列的方向性函数等于各阵元单独存在时的方向性函数（称之为元因子）和阵方向函数（称之为阵因子）的乘积。,1、阵因子 只与天线阵结构参数（阵元间距d、阵元间馈电电流幅值比M、馈电相位差）有关。,关于阵因子的讨论：,2、当天线阵等幅馈电时（M=1），则：,3、通过调整天线阵的排列及馈电方式，可实现对天线阵最终方向图的控制。,4、在阵元间距固定，且阵元等幅馈电时，通过改变馈电相差 即可改变天线阵方向图相控阵天线工作原理。,第五章 天线理论基础,阵元间距及馈电方式对阵因子的影响分析：,若阵元等幅馈电：,1、时：,最大辐射方向在阵侧向侧射阵,2、时：,最大辐射方向在阵轴向端射阵,3、时：,单向端射阵。,4、时：,单向端射阵。,天线方向图乘积原理的应用：,天线阵的最终方向图由阵元方向图和阵因子方向图直接相乘获得：（1）阵元或阵因子零点方向为方向图零点；（2）阵元和阵因子共同最大方向为方向图最大方向；（3）零点间存在波瓣（旁瓣）。,解：,已知,单元天线为半波振子,则此二元阵列天线的方向函数,例5-4：等幅同相二元半波振子阵，阵元中心距，求作阵列天线在如图所示坐标系中yoz，xoz及xoy平面上的方向图。,z,yoz面：,动画演示,xoz面：,动画演示,xoy面：,动画演示,3维方向图：,例5-5：如图所示，求等幅反相二元半波振子阵三个主坐标平面的方向图，阵元间距。,解：,已知,单元天线为半波振子,则此二元阵列天线的方向函数,归一化得：,例5-6：绘出如图所示二元半波振子阵的方向图。阵列结构参数为，。,解：,阵元在场点处的总相位差及阵函数分别为,yoz:,xoz:,xoy:,二、N 元均匀直线阵列,工程上一般采用多个（N2)阵元组成天线阵，以获得更高的方向性。,1、N元直线阵的阵函数,以阵列中第一个单元天线作为相位基准：,第二个单元天线：辐射场的幅值差异不计，相位差为,则第N个单元天线的相位差为：,N个相似元阵元在p处的辐射场叠加，表示为,整理可得远区辐射场表达式为：,是相邻阵元至场点的辐射场总相位差,由上式得N元均匀直线阵列的阵函数F()为,归一化得：,1.当0时，阵函数有最大值2.主瓣宽度随N的增加而变得尖锐，方向性增强,N元均匀直线阵列归一化阵函数的通用曲线,说明：,关于N元直线天线阵辐射方向图的讨论：,当0时，阵函数取最大值。,1、当各阵元同相馈电，即,最大辐射方向在阵的两侧：侧射阵,2、当各阵元馈电相差满足,最大辐射方向在阵两端：端射阵,通过控制各阵元馈电电流相位差来补偿波程相位差，使各阵元辐射场在固定方向同相叠加，从而形成最大辐射。,在阵元间距和工作频率固定的条件下，通过改变阵元的馈电相差，可改变天线阵的最大辐射方向相控阵天线工作原理。,3、对于任意馈电相差,相控阵雷达天线结构原理,5.6 地面对天线特性的影响,1、地面可视作导电媒质分界面，影响天线辐射特性；2、实际地面起伏不平，且导电特性各不相同；3、本章分析将地面视作无限大理想导电平面。,一、远离地面架设的天线（h）,天线远地架设时，地面的影响主要为电磁传播的多径效应。,若天线输入功率为，天线效率，则最大辐射方向上,水平极化波R1,垂直（地面）极化波R1,二、近地架设的天线(导电率较大),天线远地架设时，地面上存在感应的传导电流而形成二次辐射源。远区辐射电场由天线和二次源共同形成。二次辐射源可由原天线对地面的镜像代替。,1、镜像电流,垂直电流,水平电流,像电流,像电流,2、垂直地面近地架设的天线,半波天线,全波天线,正像,负像,近地垂直架设的天线，原天线与像天线可视作等幅馈电二元天线阵，阵元间距为2h，馈电相位：1）天线长度等于半波长奇数倍时：同相；2）天线长度等于半波长偶数倍时：相差。,结论：,例5-9：半波振子天线垂直架设在地表面上，架设高度 H=0.25，0.5，0.75,，做出这四种情况下天线子午面（过振子轴线与地面垂直的剖面）的方向图。,解：本题实际上为求解等幅同相馈电二元阵在不同阵元间距下的方向图。,阵轴与振子轴重合即,由前面讨论，二元阵方向函数：,半波振子天线方向函数：,则总的方向图因子为：,用观察射线与地表面的夹角表示，,则总的归一化方向函数为,结论：地面以下场强为零。随着架设高度 H 的增加，方向图的波瓣数也增多，但天线的主向总是沿地表方向。垂直接地天线比同等臂长自由空间的对称振子天线方向系数D提高一倍。,半波天线,全波天线,负像,负像,3、平行地面近地架设的天线,近地水平架设的天线，原天线与像天线可视作等幅、反向馈电二元天线阵，阵元间距为2h。,结论：,例 1-10：半波振子天线平行于地面架设，架设高度H=0.25，0.5，0.75,。画出这四种高度时半波振子赤道面内（xoz面）的方向图。,解：本题实际上为求解等幅反相馈电二元阵的方向图。,由前面讨论，二元阵方向函数：,半波振子天线方向函数：,由图中可以看出：,则总的方向图因子为：,结论：地面以下场强为零。随着架设高度的增高，波瓣数也将增加，第一个波瓣方向越靠近地面沿地表方向的辐射总为零。,1.2 接收天线,接收天线接收电磁波的物理过程：,与导体表面长度方向相切的电场分量能在天线上产生感应电动势及感生电流：,一、天线的互易定理,天线1发射，天线2接收,2、天线2发射，天线1接收,则由电路互易定理：,决定于天线1,决定于天线2,同一天线用于接收时，方向函数、阻抗、有效长度、增益等参数都与发射时相同天线的互易定理。,二、天线的有效接收面积,定义：接收天线与某方向的来波极化一致时，天线的匹配接收功率与来波能流密度之比,可以推得，天线的有效面积可表示为：,式中：为天线的方向系数。,