《天线基础知识》PPT课件

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1、第1章天线基础知识1.1电基本振子的辐射电基本振子（ElectricShortDipole）又称电流元，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。图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分别为球坐标系中沿r、θ、φ增大方向的单位矢量；1.近区场kr<<1即（r<<λ/(2π)）的区域称为近区，此区域

2、内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。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中的最

3、大项后，电基本振子的远区场表达式为由上式可见，远区场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）。远区场的坡印廷矢量平均值为有能量沿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。(3)Eθ和Hφ的比值为常数，称为媒质的波阻抗，记为η。对于自由空间图1―2电基本振子电力线图1―3

4、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R

5、r。类似于普通电路，可以得出其中，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。电基本振子的辐射电阻为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。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场的极化方

6、向相互正交之外，其它特性完全相同。图1―5小电流环和与其等效的磁矩(a)小电流环；(b)磁矩磁基本振子的实际模型是小电流环，它的周长远小于波长，而且环上的谐变电流I的振幅和相位处处相同。相应的磁矩和环上电流的关系为pm=μ0IS式中s为环面积矢量，方向由环电流I按右手螺旋定则确定。若求小电流环远区的辐射场，我们可把磁矩看成一个时变的磁偶极子，磁极上的磁荷是+qm,-qm，它们之间的距离是l。磁荷之间有假想的磁流Im，以满足磁流的连续性，则磁矩又可表示为pm=qml式中l的方向与环面积矢量的方向一致。用复数表示的磁流为小电流环的远区场小电流环是一种实用天线，称之为环

7、型天线。事实上，对于一个很小的环来说，如果环的周长远小于λ/4，则该天线的辐射场方向性与环的实际形状无关，即环可以是矩形、三角形或其它形状。磁偶极子的辐射总功率是其辐射电阻是由此可见，同样电长度的导线，绕制成磁偶极子，在电流振幅相同的情况下，远区的辐射功率比电偶极子的要小几个数量级。1.2发射天线的电参数描述天线工作特性的参数称为天线电参数，又称电指标。它们是定量衡量天线性能的尺度。我们有必要了解天线电参数，以便正确设计或选择天线。大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及定向辐射的能力。下面介绍发射天线的主要电参数，并