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1、关于电磁场天线与电波传播现在学习的是第1页，共77页学习天线与电波传播的意义学习天线与电波传播的意义v系统设计系统设计收、发信设备指标收、发信设备指标天线的性能天线的性能天线的架设方式天线的架设方式v通信质量评定通信质量评定v不同通信业务之间相互干扰的预测和不同通信业务之间相互干扰的预测和解决解决现在学习的是第2页，共77页影响天线特性的因素影响天线特性的因素v天线的形状天线的形状v采用的材料采用的材料v制作工艺制作工艺v使用环境使用环境v用途用途现在学习的是第3页，共77页影响电波传播特性的因素影响电波传播特性的因素v频率频率v距离距离v极化方式极化方式v天线高度天线高度v地形地物地形地物v
2、地面电特性参数地面电特性参数v时间、季节时间、季节 现在学习的是第4页，共77页第一部分第一部分 电磁场的基础理论电磁场的基础理论一、麦克斯韦方程组一、麦克斯韦方程组描述了空间电场与磁场的关系描述了空间电场与磁场的关系现在学习的是第5页，共77页本构关系式（本构关系式（与媒质有关的特性方程与媒质有关的特性方程）：）：现在学习的是第6页，共77页麦克斯韦方程组的正弦稳态相量形式：麦克斯韦方程组的正弦稳态相量形式：两种特殊的边界条件：两种特殊的边界条件：1）两种理想介质分界面上的边界条件：假设分界面上没有）两种理想介质分界面上的边界条件：假设分界面上没有自由电荷和传导电流，则自由电荷和传导电流，则
3、 和和 的法向分量以及的法向分量以及 和和 的切的切向分量都是连续的；向分量都是连续的；2）理想导体表面的边界条件：自由电荷和电流都集中在表）理想导体表面的边界条件：自由电荷和电流都集中在表面，面，总是垂直于理想导体的表面，总是垂直于理想导体的表面，总是平行于理想导体的总是平行于理想导体的表面。表面。一般的边界条件：一般的边界条件：现在学习的是第7页，共77页二、无线电波的辐射二、无线电波的辐射 麦克斯韦方程组说明脱离了电流的变化的电场产生磁场，脱离了电荷麦克斯韦方程组说明脱离了电流的变化的电场产生磁场，脱离了电荷的变化的磁场产生电场。这种电磁场在空间交替变幻，绵延不断向外传播的的变化的磁场产
4、生电场。这种电磁场在空间交替变幻，绵延不断向外传播的过程就是电磁波的辐射过程。过程就是电磁波的辐射过程。辐射场的波源是辐射场的波源是电流电流和和电荷电荷产生辐射场的前提条件是要有产生辐射场的前提条件是要有位移电流位移电流位移电流：由于电位移的变化引起的真实的电的流动。位移电流：由于电位移的变化引起的真实的电的流动。现在学习的是第8页，共77页+-ItqI+-现在学习的是第9页，共77页三、波动方程三、波动方程现在学习的是第10页，共77页四、平面电磁波四、平面电磁波zExHy现在学习的是第11页，共77页平面电磁波的特性平面电磁波的特性现在学习的是第12页，共77页平面电磁波的极化平面电磁波的
5、极化现在学习的是第13页，共77页第二部分第二部分 天线天线一、天线的基本概念一、天线的基本概念现在学习的是第14页，共77页移动通信移动通信A 3G(WCDMA)handsetOutdoor Base Station for 800 and 1900MHz CDMA cells.现在学习的是第15页，共77页卫星通信卫星通信Earth Station Satellite Dish(Reflector Antenna)TV Satellite Dish(Reflector Antenna)现在学习的是第16页，共77页广播电视天线广播电视天线现在学习的是第17页，共77页电路的辐射电路的辐射现
6、在学习的是第18页，共77页电缆的辐射电缆的辐射现在学习的是第19页，共77页天线的作用天线的作用空间电磁波空间电磁波高频电流高频电流发射发射接收接收收、发天线具有互易性收、发天线具有互易性现在学习的是第20页，共77页(Propagation)天线的应用天线的应用:Communications,Broadcast,Radar,Radiometry,Biomedical,etc.天线天线现在学习的是第21页，共77页天线的类型天线的类型v按用途分类，可分为通信天线、测量天按用途分类，可分为通信天线、测量天线等线等v按工作频段分类，可分为短波天线、超按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微
7、波天线等短波天线、微波天线等v按方向性分类，可分为全向天线、定向按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等天线等v按外形分类，可分为线天线、面天线等按外形分类，可分为线天线、面天线等现在学习的是第22页，共77页v线天线：线天线：天线的直径远小于其几何长度天线的直径远小于其几何长度可不考虑天线横截面上的电流分布可不考虑天线横截面上的电流分布天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。场合、不同要求等不同情况下使用。偶极子天线偶极子天线单极天线单极天线环天线环天线螺旋天线螺旋天线现在学习的是第23页，共77页天线的辐射源天线的
8、辐射源结论：天线的辐射源结论：天线的辐射源电流（位移电流）电流（位移电流）电流连续性方程：电流连续性方程：现在学习的是第24页，共77页二、天线的特性参数二、天线的特性参数机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等机械特性参数：形状，尺寸，材料，可靠性等电特性参数电特性参数一次参数：方向性图，输入阻抗，效率一次参数：方向性图，输入阻抗，效率二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度，二次参数：方向性系数，增益，波瓣宽度，前后比，极化特性等前后比，极化特性等现在学习的是第25页，共77页1 1天线的辐射功率和辐射阻抗天线的辐射功率和辐射阻抗l辐射功率：辐射功率：在单位时间内通过球面向外辐射的电磁能在单位
9、时间内通过球面向外辐射的电磁能量的平均值。量的平均值。v辐射电阻：辐射电阻：将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，并使流过电阻将辐射功率视为一个电阻所消耗的功率，并使流过电阻的电流等于天线上的电流振幅，则该电阻就称为天线的的电流等于天线上的电流振幅，则该电阻就称为天线的辐射电阻。辐射电阻。现在学习的是第26页，共77页2 2天线的方向性天线的方向性 天线的辐射场强与方向有关的特性，称为天线的辐射场强与方向有关的特性，称为天线的方向性。天线的方向性。以电流元为例：以电流元为例：现在学习的是第27页，共77页天线的方向性函数和方向性图天线的方向性函数和方向性图用于表示天线方向性特性的函数：用于表示天
10、线方向性特性的函数：电流元的方向性函数电流元的方向性函数电流元的方向性图电流元的方向性图现在学习的是第28页，共77页v赤道面：与天线轴垂直并经过天线中心赤道面：与天线轴垂直并经过天线中心 的平面。的平面。v子午面：包含天线轴的平面。子午面：包含天线轴的平面。1）电流元在赤道面内的方向性函数和方向性图：）电流元在赤道面内的方向性函数和方向性图：现在学习的是第29页，共77页2）电流元在子午面内的方向性函数和方向性图：）电流元在子午面内的方向性函数和方向性图：现在学习的是第30页，共77页天线的归一化方向性函数和归一化方向性图天线的归一化方向性函数和归一化方向性图归一化方向性函数：归一化方向性函
11、数：天线辐射场与最大方向上的场强值之比。天线辐射场与最大方向上的场强值之比。反映了天线在不同方向的场分布。反映了天线在不同方向的场分布。归一化方向性图：归一化方向性图：表示归一化方向性函数的空间立体图形。表示归一化方向性函数的空间立体图形。通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤道面通常用两个互相垂直的平面上（子午面和赤道面/E面和面和H面）的平面图来表示。面）的平面图来表示。现在学习的是第31页，共77页CDMA天线天线现在学习的是第32页，共77页CDMA垂直极化定向天线垂直极化定向天线现在学习的是第33页，共77页方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平方向性图的主瓣宽度和旁瓣电平主瓣宽度：主瓣宽度：
12、主瓣电平的最大值降到该值的主瓣电平的最大值降到该值的0.707倍（即倍（即-3dB）时，两个方向之间的张角宽度。）时，两个方向之间的张角宽度。在方向性图中，一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣中，最大辐射在方向性图中，一般有两个或更多个波瓣。在这些波瓣中，最大辐射方向所在波瓣称为主瓣，其余波瓣称为旁瓣。方向所在波瓣称为主瓣，其余波瓣称为旁瓣。3dB点点峰值峰值3dB点点现在学习的是第34页，共77页旁瓣电平：相对主瓣最大值的比值。旁瓣电平：相对主瓣最大值的比值。前后抑制比：前后抑制比：方向图中，前后瓣最大值之比称为前后方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为比，记为 F/B。前后比越大，天线的
13、后向前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。辐射（或接收）越小。现在学习的是第35页，共77页前后比前后比F/B 的计算：的计算：F/B=10 Lg（前向功率密度）（前向功率密度）/（后向功率密度）后向功率密度）现在学习的是第36页，共77页3.3.天线的方向性系数天线的方向性系数l定义：定义：天线辐射功率一定，在任意方向天线辐射功率一定，在任意方向 辐射功辐射功率密度与相等的辐射功率均匀辐射时的平均功率密度率密度与相等的辐射功率均匀辐射时的平均功率密度之比。之比。现在学习的是第37页，共77页l物理意义：物理意义：由于天线有方向性，使某方向的辐射功率密度由于天线有方向性，使某方向的辐射功率
14、密度比均匀辐射时增加的倍数比均匀辐射时增加的倍数D。实际上，。实际上，D反映了天反映了天线集中辐射能量的特性。线集中辐射能量的特性。l方向性系数的求法：方向性系数的求法：1）已知归一化方向性函数求）已知归一化方向性函数求D先求全向天线先求全向天线(点源点源)均匀辐射时的平均辐射功率密度均匀辐射时的平均辐射功率密度:现在学习的是第38页，共77页 通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方向性系数，此时，向性系数，此时，现在学习的是第39页，共77页 2）已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向性）已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向性函数，求函数，求D
15、现在学习的是第40页，共77页 当天线位于自由空间时，当天线位于自由空间时，；在最大辐射方向上，在最大辐射方向上，大多数简单常大多数简单常规天线的最大规天线的最大场强值场强值又又现在学习的是第41页，共77页例：求电流元的方向性系数？例：求电流元的方向性系数？解：解：现在学习的是第42页，共77页4.4.天线增益天线增益l定义：定义：在任意方向在任意方向 ,辐射功率密度与将相等的输入辐射功率密度与将相等的输入功率均匀辐射时的平均功率密度之比，即天线增益为：功率均匀辐射时的平均功率密度之比，即天线增益为：现在学习的是第43页，共77页l物理意义：物理意义：为了在观察点有相等的辐射功率密度，方向性
16、天为了在观察点有相等的辐射功率密度，方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天线输入功率的线的输入功率应小于均匀辐射天线输入功率的G倍。倍。dBi：表示比较对象是各向均匀辐射的理想：表示比较对象是各向均匀辐射的理想 点源；点源；dBd：表示以半波对称振子为比较对象。：表示以半波对称振子为比较对象。l 增益的单位：增益的单位：现在学习的是第44页，共77页l近似计算方法：近似计算方法：1 1）若已知天线在）若已知天线在E E面和面和HH面的方向性图，则面的方向性图，则在在E E面和面和HH面上，以度为单位的波瓣宽度。面上，以度为单位的波瓣宽度。2 2）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下）
17、天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：式估算其增益：现在学习的是第45页，共77页3 3）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：式中，式中，D D 为抛物面直径；为抛物面直径；0 0 为中心工作波长。为中心工作波长。4 4）对于直立全向天线，可用下式近似计算其增益：对于直立全向天线，可用下式近似计算其增益：式中，式中，l l 为天线长度；为天线长度；0 0 为中心工作波长。为中心工作波长。现在学习的是第46页，共77页l定义：定义：天线辐射功率与输入有功功率的比值，称为天线辐射功率与输入有功功率的比值，称为天线的效率天线的效率。
18、5.5.天线效率天线效率现在学习的是第47页，共77页l物理意义：物理意义：表示有百分之几的高频电流的输入有功功率转表示有百分之几的高频电流的输入有功功率转变成了辐射出去的电磁波能量。变成了辐射出去的电磁波能量。结论：结论：越大，越大，越小，天线的越小，天线的 就越高。在就越高。在工程设计中，工程设计中，往往给定，这时就需要降低往往给定，这时就需要降低 来提高天线的效率。来提高天线的效率。现在学习的是第48页，共77页l天线方向系数和天线增益的关系：天线方向系数和天线增益的关系：现在学习的是第49页，共77页6.6.天线的有效长度天线的有效长度l定义：定义：用一等效天线代替被研究天线，此等效天
19、线上的用一等效天线代替被研究天线，此等效天线上的电流是以被研究天线的输入电流振幅均匀分布，并在电流是以被研究天线的输入电流振幅均匀分布，并在最大辐射方向产生与被研究天线相等的电场强度。则最大辐射方向产生与被研究天线相等的电场强度。则等效天线的长度就称为被研究天线的有效长度。等效天线的长度就称为被研究天线的有效长度。等效天线实际为一电流元等效天线实际为一电流元等效天线实际为一电流元等效天线实际为一电流元现在学习的是第50页，共77页7.7.天线的极化方向天线的极化方向l定义：定义：天线向周围空间辐射电磁波，电磁波天线向周围空间辐射电磁波，电磁波由电场和磁场构成。规定电场的方向就是由电场和磁场构成
20、。规定电场的方向就是天线极化方向。天线极化方向。天线的垂直极化：电场垂直于入射面天线的垂直极化：电场垂直于入射面天线的水平极化：电场平行于入射面天线的水平极化：电场平行于入射面现在学习的是第51页，共77页现在学习的是第52页，共77页三、接收天线的特性三、接收天线的特性v接收天线接收电磁波的过程接收天线接收电磁波的过程电磁波电磁波高频电流高频电流感应感应注：只有电场沿天线导体表面的切向分量才能注：只有电场沿天线导体表面的切向分量才能感应出电流，垂直分量不能。感应出电流，垂直分量不能。现在学习的是第53页，共77页结论：结论：1)接收天线的感应电流与来波方向有关接收天线的感应电流与来波方向有关
21、 接收天线的方向性接收天线的方向性 2)天线用作发射和接收的方向性函数相等天线用作发射和接收的方向性函数相等 收、发天线的互易性收、发天线的互易性Z0ZA0IA现在学习的是第54页，共77页1接收功率和接收面积接收功率和接收面积 当天线的最大接收方向对准来波方向，并且接当天线的最大接收方向对准来波方向，并且接收机的输入阻抗与天线完全匹配时，天线向接收机收机的输入阻抗与天线完全匹配时，天线向接收机的输出功率最大。的输出功率最大。假设最大接收功率假设最大接收功率Pmax是被一块与来波方向垂直的面是被一块与来波方向垂直的面积所接收，这面积就称为接收天线的有效面积积所接收，这面积就称为接收天线的有效面
22、积A。现在学习的是第55页，共77页2天线的校正系数天线的校正系数K 就称为天线的校正系数就称为天线的校正系数现在学习的是第56页，共77页例：求半波对称振子的校正系数？例：求半波对称振子的校正系数？解：对于半波对称振子解：对于半波对称振子现在学习的是第57页，共77页 第三部分第三部分 电波传播电波传播电磁波在收、发天线之间的空间中传播电磁波在收、发天线之间的空间中传播现在学习的是第58页，共77页1三种电波传播的基本方式及其特点三种电波传播的基本方式及其特点电波利用电离层的折射、反射和散电波利用电离层的折射、反射和散射作用进行传播的方式称为天波。射作用进行传播的方式称为天波。沿地球表沿地球
23、表面进行传面进行传播的电波播的电波传播模式传播模式称为地表称为地表面波。面波。在大气对流层中进行的电波在大气对流层中进行的电波传播方式称为空间波。传播方式称为空间波。现在学习的是第59页，共77页各种电波传播方式的主要特点各种电波传播方式的主要特点v空间波：空间波：在传播过程中，电波会发生折射、反射、散射等现象。在微波通信中采用视距传播。天线架设在地面以上大于几个波长处。v地表面波地表面波：长波，中波一般采用这种传播方式。天线直接架设在地面。v天波：天波：只有这种电波传播方式才能将电波传送到数千公里以外。短波通信采用的就是这种传播方式。现在学习的是第60页，共77页1)费涅尔带的划分费涅尔带的
24、划分按照下列等式划分费涅尔带：按照下列等式划分费涅尔带：可见，分布在相邻两带边界上的二次波源在观察点产生的场是反可见，分布在相邻两带边界上的二次波源在观察点产生的场是反相的，且单位面积上的二次波源产生的场的振幅相差不大。相的，且单位面积上的二次波源产生的场的振幅相差不大。OM 0r0 nrnS0 1r1R12电波传播的费涅尔区电波传播的费涅尔区现在学习的是第61页，共77页2)合成赫芝矢量合成赫芝矢量设第设第n费涅尔带的二次波源在观察点产生的合成波矢量为费涅尔带的二次波源在观察点产生的合成波矢量为，则因为，则因为而相位相反而相位相反所以，合成矢量的振幅为所以，合成矢量的振幅为现在学习的是第62
25、页，共77页且级数每一项与左右相邻项的算术平均值相差不大且级数每一项与左右相邻项的算术平均值相差不大 由于上述级数是收敛的，且收敛很快，所以在观察点的合成场由于上述级数是收敛的，且收敛很快，所以在观察点的合成场基本上是由分布在前几个费涅尔带内的二次波源产生的。基本上是由分布在前几个费涅尔带内的二次波源产生的。3)费涅尔带的半径费涅尔带的半径OM 0r0 nrnS0 1r1R1由图可知，由图可知，现在学习的是第63页，共77页OM 0r0 nrnS0 1r1Rn 位于位于S0面上某一范围内的面上某一范围内的二次波源对观察点的场起主导二次波源对观察点的场起主导作用，该范围的尺寸由费涅尔作用，该范围
26、的尺寸由费涅尔半径决定。半径决定。现在学习的是第64页，共77页4)空间费涅尔区空间费涅尔区 当当S0面沿着直线面沿着直线OM移动时，每一费涅尔带的边界将构成移动时，每一费涅尔带的边界将构成一个旋转椭球体，焦点在一个旋转椭球体，焦点在O点和点和M点。相邻两旋转椭球体之间点。相邻两旋转椭球体之间的空间称为空间费涅尔区。的空间称为空间费涅尔区。结论：对电波传播起主导作用的空间区域是一个旋转结论：对电波传播起主导作用的空间区域是一个旋转椭球体。在椭球体。在OM的中点空间费涅尔区的半径最大。的中点空间费涅尔区的半径最大。为一次波源与观察点之间的距离为一次波源与观察点之间的距离现在学习的是第65页，共7
27、7页5)最小费涅尔半径最小费涅尔半径 可证明三分之一第一费涅尔带的面积在观察点产生的波振幅可证明三分之一第一费涅尔带的面积在观察点产生的波振幅为为B。用。用R0表示从表示从S0面中心处到三分之一第一费涅尔带面积的半面中心处到三分之一第一费涅尔带面积的半径，则径，则 R0称为最小费涅尔带半径。落入最小费涅尔带称为最小费涅尔带半径。落入最小费涅尔带内的地形地物将对电波传播产生极大的影响。内的地形地物将对电波传播产生极大的影响。现在学习的是第66页，共77页R1电波传播的电波传播的费涅尔区费涅尔区6)费涅尔区的应用费涅尔区的应用现在学习的是第67页，共77页例：设通信距离为例：设通信距离为10km，
28、求，求150MHz电波传播的最小电波传播的最小 费涅尔带的半径费涅尔带的半径R0。解：解：现在学习的是第68页，共77页1）自由空间）自由空间v定义：定义：所谓自由空间是指相对介电常数和相对所谓自由空间是指相对介电常数和相对磁导率均恒为磁导率均恒为1的均匀介质所在空间。即的均匀介质所在空间。即 是真空介电常数和磁导率。是真空介电常数和磁导率。v特点：无源，各向同性，电导率为零（特点：无源，各向同性，电导率为零（0）。）。3 3电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播现在学习的是第69页，共77页2）电波在自由空间中的传播特点）电波在自由空间中的传播特点 在自由空间中，电波的传播是直线传播直线传
29、播，没有反射、折射、绕射、色散、吸收、磁离子分裂等现象。电波传播速度等于真空中的光速c3108m/s。现在学习的是第70页，共77页3）自由空间电波传播的场强计算）自由空间电波传播的场强计算当距离发射机当距离发射机d时，自由空间的场强为时，自由空间的场强为式中，式中，E为场强，单位为为场强，单位为V/m；P为辐射功率，单位为为辐射功率，单位为W；Dt为发射天线的方向性系数。为发射天线的方向性系数。现在学习的是第71页，共77页4）接收机输入端的最大接收功率）接收机输入端的最大接收功率现在学习的是第72页，共77页5）自由空间的传输损耗）自由空间的传输损耗传输损耗：传输损耗：又称为系统损耗，定义
30、为辐射功率与又称为系统损耗，定义为辐射功率与 接收功率之比接收功率之比。如果如果d的单位用的单位用km，f的单位用的单位用MHz，Ls的单位为的单位为dB，可得：，可得：现在学习的是第73页，共77页6）自由空间的路径损耗）自由空间的路径损耗自由空间的路径损耗：自由空间的路径损耗：显然，显然，Lbs与收、发天线的方向性无关，而与传输路径有关与收、发天线的方向性无关，而与传输路径有关 由上述公式我们也可以看出，在自由空间传播条件下，电磁波的能由上述公式我们也可以看出，在自由空间传播条件下，电磁波的能量并没有损失。自由空间的传输损耗实际指的是球面波扩散损耗。量并没有损失。自由空间的传输损耗实际指的
31、是球面波扩散损耗。现在学习的是第74页，共77页在工程应用中，我们常采用诺模图来求接收功率、传播损耗等。在工程应用中，我们常采用诺模图来求接收功率、传播损耗等。例：例：标尺标尺2表示辐射功率为表示辐射功率为1W的场强作为距离（的场强作为距离（km）的函数，对）的函数，对于于Pt（W）的辐射功率，应在标尺）的辐射功率，应在标尺2的数值上增加一个校正值的数值上增加一个校正值10 lg pt（dB）。）。标尺标尺2标尺标尺3标尺标尺4标尺标尺1距距离离d(km)频频率率f(MHz)接接收收功功率率(dBw)场场强强E(dB)10km57dBu100MHz现在学习的是第75页，共77页 标尺标尺2和标尺和标尺4又表示了半波偶极天线的接收功率和场强之间又表示了半波偶极天线的接收功率和场强之间的关系。当频率的关系。当频率f=100MHz,E=50dB时，可查得时，可查得 标尺标尺2标尺标尺3标尺标尺4标尺标尺1距距离离d(km)频频率率f(MHz)接接收收功功率率(dBw)场场强强E(dB)-95dBW现在学习的是第76页，共77页感谢大家观看现在学习的是第77页，共77页