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天线与电波传播.doc

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天线与电波传播.doc

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天线部分:
引言
天线是一种用来发射或接收电磁波的器件,是任何无线电系统中的基本组成部分。换句话说,发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”波,接收天线则与此相反。于是信息可以在不同地点之间不通过任何连接设备传输,可用来传输信息的电磁波频率构成了电磁波谱。人类最大的自然资源之一就是电磁波谱,而天线在利用这种资源的过程中发挥了重要的作用。
第一讲:传输线基础知识
在通信系统中,传输线(馈线)是连接发射机与发射天线或接收机与接收天线的器件。为了更好的了解天线的性能及参数,首先简单介绍有关传输线的基础知识。
传输线根据频率的使用范围区分有两种类型:1、低频传输线;2、微波传输线。这里重点介绍微波传输线中无耗传输线的基础知识,主要包括反映传输线任
Z一点特性的参量:反射系数、阻抗和驻波比,。,
一、反射系数,
这里定义传输线上任一点处的电压反射系数为
,'Uz()',,()z,'Uz()
'jz,,,',Uze0,,(1),'jz,',,Uze0,,
'jz,2,,,el
由上式可以看出,反射系数的模是无耗传输线系统的不变量,即
',,,z(2),,l
此外,反射系数呈周期性,即
'',,,,zmz,/2(3),,,,g
Z二、阻抗
appearanceoftheweldappearancequalitytechnicalrequirementsoftheprojectmustnothaveamoltenmetalstreamdoesnotmeltthebasemetaltoweld,weldseamandheat-affectedzonesurfacemustnothavecracks,pores,defectssuchascraterandash,surfacesmoothing,-+,,totallengthoftheweldsonbothsidesundercutnotexceed10%oftheweldlength,,andshouldnotbegreaterthan2mm(wallthicknessmmt),neat,nosignificantphenomenonofconvex,closetonature,,returnedtorusted,,slotwidth<,,switchcabinetmarkclear,neat,,isreliable,,solidbinding,,craftsbeautiful,,,themulti-corewirebuncharrangementshouldbeparalleltoeachother,horizontalwireharnessorwireshouldbeperpendiculartothelongitudinalmulti-,-corewiringharnessintoround,multi-corewirebunchusedgwirebinding,fastening
这里定义传输线上任一点处的阻抗为
'Uz,,'(4)Zz,,,'Iz,,
经过一系列的推导,得出阻抗的最终表达式
'ZjZz,tan,'l0(5)ZzZ,,,0'ZjZz,tan,l0
三、驻波比(VSWR),
这里定义传输线上任一点处的驻波比为
'Uz,,max,,(6)'Uz,,min
经过一系列的推导,得出阻抗的最终表达式
1,,l(7),,1,,l
此外,这里还给出反射系数与阻抗的关系表达式
'1,,z,,'ZzZ,,,0'1,,z,,
(8)'ZzZ,,,0',,z,,'ZzZ,,,0
这里还简单介绍一下传输线理论所要用到的一些基本参数,例如特性阻抗Z0
以及相位常数,具体表达式如下:,
L2,,,,ZLC,(9),,0C,
Z此外,不同的系统有不同的特性阻抗,为了统一和便于研究,常常提出归一化0
'Zz,,的概念,即阻抗称为归一化阻抗Z0
'Zz,,'Zz,(10),,Z0
第二讲:基本振子的辐射
appearanceoftheweldappearancequalitytechnicalrequirementsoftheprojectmustnothaveamoltenmetalstreamdoesnotmeltthebasemetaltoweld,weldseamandheat-affectedzonesurfacemustnothavecracks,pores,defectssuchascraterandash,surfacesmoothing,-+,,totallengthoftheweldsonbothsidesundercutnotexceed10%oftheweldlength,,andshouldnotbegreaterthan2mm(wallthicknessmmt),neat,nosignificantphenomenonofconvex,closetonature,,returnedtorusted,,slotwidth<,,switchcabinetmarkclear,neat,,isreliable,,solidbinding,,craftsbeautiful,,,themulti-corewirebuncharrangementshouldbeparalleltoeachother,horizontalwireharnessorwireshouldbeperpendiculartothelongitudinalmulti-,-corewiringharnessintoround,multi-corewirebunchusedgwirebinding,fastening
一、电基本振子的辐射
电基本振子(ElectricshortDipole)又称电流元,无穷小振子或赫兹电偶极子,
l,l它是指一段理想的高频电流直导线,其长度远小于波长,其半径远小于,a同时振子沿线的电流处处等幅同相。在通常情况下,导线的末端电流为零,因I
此电基本振子难以孤立存在,但根据微积分的思想,实际天线常可以看作是无数个电基本振子的叠加,天线的辐射场等于所有这些电基本振子贡献的总和。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。
考虑一个位于坐标原点、沿轴方向、长为的电流元,其上载有幅度和,zz
相位均匀分布的电流I,根据电磁场理论,该电流元产生的矢量磁位(只有分z量)为:
,jkR/2,ze',AIdz(1),0z,/2,,z4,R
,,zR由图1-7可以看到,长度与波长相比以及与距离相比都比较小,所以从电
'PR流元上任一点到场点的距离(是的函数)非常接近于从坐标原点到场点的z
R。将式(1)中的替换为后,被积函数已不含带撇坐标,所以积分退化为距离rr
乘法,于是
,j,r,Iz,e0A,,(2)z,r4
,
得到矢量磁位后,则磁场强度为A
,,1(3)H,,,A,0
,经过公式替换及推导可得磁场强度(仅有分量)
,j,r,,,jIz1e,,H1sin,(4),,,2jrr,,,,
,,1,E,,,H又根据方程,可以得到电场强度(仅有和分量)r,,j0
,j,r,,,jI,z22e0cos,E,,(5),,r22jrr,,,,jr,,,
,j,r,,,jI,z11e01sin,E,,,(6),,,22jrr,,,,jr,,,
1、近区场
appearanceoftheweldappearancequalitytechnicalrequirementsoftheprojectmustnothaveamoltenmetalstreamdoesnotmeltthebasemetaltoweld,weldseamandheat-affectedzonesurfacemustnothavecracks,pores,defectssuchascraterandash,surfacesmoothing,-+,,totallengthoftheweldsonbothsidesundercutnotexceed10%oftheweldlength,,andshouldnotbegreaterthan2mm(wallthicknessmmt),neat,nosignificantphenomenonofconvex,closetonature,,returnedtorusted,,slotwidth<,,switchcabinetmarkclear,neat,,isreliable,,solidbinding,,craftsbeautiful,,,themulti-corewirebuncharrangementshouldbeparalleltoeachother,horizontalwireharnessorwireshouldbeperpendiculartothelongitudinalmulti-,-corewiringharnessintoround,multi-corewirebunchusedgwirebinding,fastening
,如果场点非常靠近电基本振子:远小于1或远小于,则相对应的解为,rr
,j,r,,Ize,(7)H,sin,,2r4,
,j,r,,,,I,ze,,0(8)E,,jr2cos,,,sin,,,34r,,,,
2、远区场
,如果场点非常靠近电基本振子:远大于1或远大于,则相对应的解为,rr
,j,r,jIze,0E(9)sin,,,r2,
,j,rjI,ze(10)Hsin,,,2r,
电基本振子远区场的表达式有看出如下物理意义:
,j,r(1)、均与距离成反比,都含有相位因子,说明辐射场的等相位面eHEr,,
为等于常数的球面,所以电基本振子发出的是球面波,传播方向上电磁场r
的分量为零,故称其为横电磁波,即TEM波。
,(2)该球面波的传播速度(相速)(真空光速),与H的比值为常数,Ev,,c,p,,
,称为媒质的波阻抗,。对于自由空间来说,,,,,120,0
sin,H(3)远区场是辐射场,但、与成正比,说明电基本振子的辐射具有方E,,
向性,辐射场不是均匀球面波。
二、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经建立起来的电场波源,因此讨论它是有必要的。对于磁基本振子场的求解问题,采用对偶原理法进行求解。
,zI,z设想一段长为的磁流元置于球坐标系原点,根据电磁对偶性原m
理,只需要进行如下变换:
appearanceoftheweldappearancequalitytechnicalrequirementsoftheprojectmustnothaveamoltenmetalstreamdoesnotmeltthebasemetaltoweld,weldseamandheat-affectedzonesurfacemustnothavecracks,pores,defectssuchascraterandash,surfacesmoothing,-+,,totallengthoftheweldsonbothsidesundercutnotexceed10%oftheweldlength,,andshouldnotbegreaterthan2mm(wallthicknessmmt),neat,nosignificantphenomenonofconvex,closetonature,,returnedtorusted,,slotwidth<,,switchcabinetmarkclear,neat,,isreliable,,solidbinding,,craftsbeautiful,,,themulti-corewirebuncharrangementshouldbeparalleltoeachother,horizontalwireharnessorwireshouldbeperpendiculartothelongitudinalmulti-,-corewiringharnessintoround,multi-corewirebunchusedgwirebinding,fastening