天线讲稿

第1章电波传播概论1.1电波传播的基本概念1. 无线电波在自由空间的传播天线置于自由空间中, 假设发射天线是一理想的无方向性天线, 若它的辐射功率为PΣ瓦, 则离开天线r处的球面上的功率流密度为2. 传输媒质对电波传播的影响(1) 传输损耗（信道损耗）电波在实际的媒质（信道）中传播时是有能量损耗的。

这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的, 也可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。

(2) 衰落现象所谓衰落, 一般是指信号电平随时间的随机起伏。

根据引起衰落的原因分类, 大致可分为吸收型衰落和干涉型衰落。

吸收型衰落主要是由于传输媒质电参数的变化, 使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。

如大气中的氧、水汽以及由后者凝聚而成的云、雾、雨、雪等都对电波有吸收作用。

(3) 传输失真无线电波通过媒质除产生传输损耗外, 还会产生失真——振幅失真和相位失真。

产生失真的原因有两个: 一是媒质的色散效应, 二是随机多径传输效应。

(4) 电波传播方向的变化当电波在无限大的均匀、线性媒质内传播时, 射线是沿直线传播的。

然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的: 不同媒质的分界处将使电波折射、反射; 媒质中的不均匀体如对流层中的湍流团将使电波产生散射; 球形地面和障碍物将使电波产生绕射; 特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变化, 使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏, 使接收信号产生严重的衰落。

1.2 视距传播所谓视距传播, 是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。

地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式。

它主要用于超短波和微波波段的电波传播。

1. 视线距离2. 大气对电波的衰减大气对电波的衰减主要来自两个方面。

一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。

热吸收与小水滴的浓度有关, 谐振吸收与工作波长有关。

另一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的散射, 散射衰减与小水滴半径的六次方成正比, 与波长的四次方成反比3. 场分析在视距传播中, 除了自发射天线直接到达接收天线的直射波外, 还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波，如图75 所示。

因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。

1.3 天波传播天波传播通常是指自发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式, 有时也称电离层电波传播, 主要用于中波和短波波段。

1. 电离层概况电离层是地球高空大气层的一部分, 从离地面60km的高度一直延伸到1000 km 的高空。

由于电离层电子密度不是均匀分布的, 因此, 按电子密度随高度的变化相应地分为D, E, F1, F2四层, 每一个区域的电子浓度都有一个最大值, 如图7 - 9所示。

电离层主要是太阳的紫外辐射形成的, 因此其电子密度与日照密切相关——白天大, 晚间小, 而且晚间D 层消失; 电离层电子密度又随四季不同而发生变化。

除此之外, 太阳的骚动与黑子活动也对电离层电子密度产生很大影响。

2. 无线电波在电离层中的传播仿照电波在视距传播中的介绍方法, 可将电离层分成许多薄片层, 每一薄片层的电子密度是均匀的, 但彼此是不等的。

（1）最高可用频率（2）天波静区（3）多径效应由于天线射向电离层的是一束电波射线, 各根射线的入射角稍有不同, 它们将在不同的高度上被“反射”回来, 因而有多条路径到达接收点（图7 - 13）, 这种现象称为多径传输。

电离层的电子密度随气候不时发生起伏, 引起各射线路径也不时变化, 这样, 各射线间的波程差也不断变化, 从而使接收点的合成场的大小发生波动, 这种由多径传输引起的接收点场强的起伏变化称为多径效应。

正如本章前面所述, 多径效应造成了信号的衰落。

（4）最佳工作频率fopt电离层中自由电子的运动将耗散电波的能量, 使电波发生衰减, 但电离层对电波的吸收主要是D层和E层。

1.4 地面波传播无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播, 当天线低架于地面, 且最大辐射方向沿地面时, 这时主要是地面波传播。

在长、中波波段和短波的低频段（103~106 Hz)均可用这种传播方式。

1.5 不均匀媒质的散射传播除了上述三种基本传输方式外, 还有散射波传播。

电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质团”时就会发生散射, 散射波的一部分到达接收天线处（图7 - 16）, 这种传播方式称为不均匀媒质的散射传播。

电离层散射主要用于30～100MHz频段, 对流层散射主要用于100 MHz以上频段。

就其传播机理而言, 电离层散射传播与对流层散射传播有一定的相似性；就其应用广度来说, 电离层散射传播不如对流层散射传播方式应用广泛。

现以对流层散射为例简单介绍不均匀媒质的散射传播的原理。

①由于散射波相当微弱, 即传输损耗很大（包括自由空间传输损耗、散射损耗、大气吸收损耗及来自天线方面的损耗, 一般超过200dB）, 因此对流层散射通信要采用大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线。

②由于湍流运动的特点, 散射体是随机变化的, 它们之间在电性能上是相互独立的, 因而它们对接收点的场强影响是随机的。

这种随机多径传播现象, 使信号产生严重的快衰落。

这种快衰落一般通过采用分集接收技术来克服。

③这种传播方式的优点是: 容量大, 可靠性高, 保密性好, 单跳跨距达300~800 km, 一般用于无法建立微波中继站的地区, 如用于海岛之间或跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。

第2章天线辐射与接收的基本理论2.1 概论通信的目的是传递信息, 根据传递信息的途径不同, 可将通信系统大致分为两大类: 一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息, 即所谓的有线通信, 如电话、计算机局域网等有线通信系统; 另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息, 即所谓的无线通信, 如电视、广播、雷达、导航、卫星等无线通信系统。

在如图 6 1 所示的无线通信系统中, 需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波, 或者将无线电波转换为导波能量, 用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。

综上所述, 天线应有以下功能:①天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。

这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与发射机或接收机匹配。

②天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性。

③天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当的极化。

④天线应有足够的工作频带。

以上四点是天线最基本的功能, 据此可定义若干参数作为设计和评价天线的依据。

通信的飞速发展对天线提出了许多新的要求,天线的功能也不断有新的突破。

除了完成高频能量的转换外, 还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理, 如信号处理天线、单脉冲天线、自适应天线和智能天线等。

特别是自1997年以来, 第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点, 而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技术之一。

2.2 基本振子的辐射1. 电基本振子电基本振子是一段长度l远小于波长, 电流I振幅均匀分布、相位相同的直线电流元, 它是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。

下面首先介绍电基本振子的辐射特性。

①在近区, 电场Eθ和Er与静电场问题中的电偶极子的电场相似, 磁场Hφ和恒定电流场问题中的电流元的磁场相似, 所以近区场称为准静态场;②由于场强与1/r的高次方成正比, 所以近区场随距离的增大而迅速减小, 即离天线较远时, 可认为近区场近似为零。

③电场与磁场相位相差90°, 说明玻印廷矢量为虚数, 也就是说, 电磁能量在场源和场之间来回振荡, 没有能量向外辐射, 所以近区场又称为感应场。

2. 磁基本振子的场在讨论了电基本振子的辐射情况后, 现在再来讨论一下磁基本振子的辐射。

我们知道, 在稳态电磁场中, 静止的电荷产生电场, 恒定的电流产生磁场。

那么, 是否有静止的磁荷产生磁场, 恒定的磁流产生电场呢？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, 如果引入这种假想的磁荷和磁流的概念, 将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代,即将“电源”换成等效“磁源”, 可以大大简化计算工作。

2.3 天线的电参数1. 天线方向图及其有关参数所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处, 辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图, 通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。

(1) 主瓣宽度(2) 旁瓣电平(3) 前后比（4）方向系数2. 天线效率3. 增益系数4. 极化特性极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。

具体地说, 就是在空间某一固定位置上, 电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形。

5. 频带宽度6. 输入阻抗7. 有效长度第3章线天线3.1 对称振子天线对称振子天线是由两根粗细和长度都相同的导线构成, 中间为两个馈电端，如图8 -1 所示。

这是一种应用广泛且结构简单的基本线天线。

假如天线上的电流分布是已知的, 则由电基本振子的辐射场沿整个导线积分，便得对称振子天线的辐射场。

然而, 即使振子是由理想导体构成, 要精确求解这种几何结构简单、直径为有限值的天线上的电流分布仍然是很困难的。

1. 半波振子的辐射电阻及方向性半波振子广泛地应用于短波和超短波波段, 它既可作为独立天线使用, 也可作为天线阵的阵元。

在微波波段, 还可用作抛物面天线的馈源（这将在第9章介绍）。

2. 振子天线的输入阻抗前面讲过对称振子天线可看作是由开路传输线张开180°后构成。

因此可借助传输线的阻抗公式来计算对称振子的输入阻抗, 但必须作如下两点修正。

1) 特性阻抗2）输入阻抗3.2 阵列天线1. 二元阵元因子表示组成天线阵的单个辐射元的方向图函数, 其值仅取决于天线元本身的类型和尺寸。

它体现了天线元的方向性对天线阵方向性的影响。

阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性, 其值取决于天线阵的排列方式及其天线元上激励电流的相对振幅和相位, 与天线元本身的类型和尺寸无关。

由式（8 -2 -8）可以得到如下结论: 在各天线元为相似元的条件下, 天线阵的方向图函数是单元因子与阵因子之积。

这个特性称为方向图乘积定理。

2. 均匀直线阵均匀直线阵是等间距、各阵元电流的幅度相等（等幅分布）而相位依次等量递增或递减的直线阵, 如图8 - 15 所示。

N个天线元沿x轴排成一行, 且各阵元间距相等、相邻阵元之间相位差为ζ。

因为天线元的类型与排列方式相同, 所以天线阵方向图函数依据方向图乘积定理, 等于元因子与阵因子的乘积。