第一章 天线的基本理论 电波传播课件

E 0 120
H
0
等相面为球面 球面波，且相位随 r 增大 不断滞后；在 r 极大的空间近似TEM波
场dl量与幅值相E比 ，拟H，频dl率，越有高效天辐线射尺发寸生越条小件。：
时变电流元的电磁场讨论
辐射场场量幅值 E ，H具有方向性，方向函数： F(,) sin
方向图：
z
F ( )
2
cos
(
1 r3
j
r2
)e
j
r
E
jIdl
4
sin
(
1 r3
j
r2
)e jr
r
H
Idl
4
sin
(
1 r2
j
r
)e jr
E
0
H
r
0
H 0
r
Er
0
E
j
Idl
2r
0 sin e jr 0
H
j Idl sin e jr 2r
时变电流元的电磁场讨论
时变电流元在空间引发的远区场
Er
主向、主瓣、副瓣、 主瓣宽度 、主瓣张角P227
最大副瓣 副瓣或旁瓣
主瓣
0
主向
主瓣宽度20.5 主瓣张角 20
波瓣
栅瓣
天线辐射波的极化
天线的极化特性是由天线发射时天线辐射波的极 化特性来描述的。
➢ 线极化：辐射波电场矢量端点的轨迹为直线 ➢ 圆极化：辐射波电场矢量端点的轨迹为圆 ➢ 椭圆极化：辐射波电场矢量端点的轨迹为椭圆 收发天线之间主向对准、极化方向一致。P228
电磁波的产生
1.1.1时变场源区域电磁场的激发 变化的电场产生变化的磁场 变化的磁场产生变化的电场 交互变化的电磁场在空间传播——电磁波 1.1.2天线电流和空间电磁场相互作用 天线电流激发空间电磁场（发射天线） 电磁场又反过来作用到天线电流上，影响天线电

如果P点与A点相距d=R+r0，为了计算方便起见，我们将球 面S分成许多环形带Nn(n=1,2,3,:)，并使相邻两带的边缘到 观察点的距离相差半个波长（物理学上称这种环带为菲涅 尔带（Fesnel Zone）），即
第二十一页，共32页。
R R
r1 r2
R R
r0 r0
2 2(
2
)
121.9820lgr(km )20lg(cm )
第十六页，共32页。
如果实际情况下的接收点的场强为E，而自由空间传播的场强为E0，定义比 值|E/E0|为衰减因子（Attenuation Factor），记为A，
于是
A E
E0
相应的衰减损耗为
LF
20lg1 20lg A
E0 E
• A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物、传播方式等因素有关。
考虑了上述路径带来的衰减以后为了表明传输路径的功率传输情况常常引入路径传输损耗propagationpathloss或称为基本传输损耗记为l电波传播的基础知识如果发射天线的输入功率为p则相应的功率密度和最佳接收功率分别为82118212电波传播的基础知识对于这样实际的传输电道定义发射天线输入功率与接收天线输出功率满足匹配条件之比为该电道的传输损耗lpropagationloss即82138214在路径传输损耗l为客观存在的前提下降低传输损耗l的重要措施就是提高收发天线的增益系数
R
rn
R
r0
n( 2
)
S
RR
r2
R
r1
A
R
r0
(a)
N4
N3
P
N2
N1
(b)
(a)剖面图
(b)仰视的菲涅尔环形带

电磁场、天线与电波传播
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非

29
基本概念 (4)天线的方向图
当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中 通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用 线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生３分贝的极化损失，即只能接 收到来波的一半能量；
当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方 向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到 来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。
13
(3)空间波
基本概念
直射 直射是无线电波在自由空间传播的方式。 反射 当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地 球表面、建筑物和墙壁表面。 绕射 当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。 散射 当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍 物数目非常巨大时，就会发生散射。
7
基本概念 5、无线电波的波长、频率和传播速度的关系
该关系可用式 λ＝Ｖ/ｆ 表示，其中Ｖ为速度，单位为米/秒；ｆ为 频率，单位为赫芝；λ为波长，单位为米。
由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播 时，速度是不同的，因此波长也不一样。
我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数ε约 为2.1，因此，Ｖε≈Ｃ/1.44 ，λε≈λ/1.44 。
因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可 能产生的各种不利因素，并努力加以避免。
21
二、天线接收原理
基本概念
把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…... 收集无线电波并产生电信号
Blahblah blahblah
22
(1) 天线的作用
基本概念

1.6 对称振子阵的阻抗 特性
第35页/共56页
耦合振子的阻抗方程 在由若干个对称振子组成的天线阵中, 每
一个振子都是高频开放型电路, 各振子彼此相 距很近, 它们之间通过电磁场相互作用、 相互 影响, 产生电磁耦合效应, 致使天线振子的电 流分布相应地发生变化，因而耦合对称振子的 辐射功率、 辐射电阻与孤立振子的不同。
显然, 均匀端射阵的主瓣宽度大Nd于同样长度的均匀边射阵的
主瓣宽度。
第12页/共56页
(3)副瓣方位
副瓣是次极大值, 它们发生在
sin N 1 2
处，即
N (2m 1)
2
2
m 1, 2,3,...N 2
注意: m 0及m N -1时在主波瓣内
第一副瓣发生在m=1 即 ψ=±3π/N方向。 (4)
F (d ) F (d )
F ( ) F ( )
第21页/共56页
F (d ) F (d )
F ( )
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F (d )
第23页/共56页
变N的动画
第24页/共56页
变d的动画
第25页/共56页
第26页/共56页
第一副瓣位置
01
=
3 N
第一副瓣电平
1
sin N 01 2
N sin 01
1 N
1 sin 3
2 3
2
2N
20 log( 2 ) 13.5dB 3
第27页/共56页
第28页/共56页
更精确说法是单一辐射条件
书上表1-5-1有错误
第29页/共56页
第30页/共56页
第31页/共56页
单一辐射条件时要求会更高

比照电流元辐射场表达式，利用对偶性原理，可求得磁 流元辐射场表达式。
1.10以时变电场和时变磁场为源的基本辐射元

由麦克斯韦方程组可知，作为辐射源除了有时变电 流，还有时变电场和时变磁场。

惠更斯元 基本缝隙辐射元


惠更斯元 dx，dy
面积单元中具有规则均匀的内场分布
n
z
Esx ax Esx
1 ˆ1 S Re E H r E H 2 2
时变电流元的电磁场讨论

远区场 r 辐射场 辐射场电场与磁场空间方向正交且垂直于传 ˆ 、同相；辐射波阻抗： 播方向 r
E 0 120 H 0


等相面为球面 球面波，且相位随 r 增大 不断滞后；在 r 极大的空间近似TEM波 dl H 场量幅值 E ， ， 有效辐射发生条件： dl 与 相比拟，频率越高天线尺寸越小。

天线的有效长度

天线的有效长度是线状天线的特性参量之一，
它是用来衡量天线辐射或接收电磁波能量效果的参量。 有效长度是对发射天线提出来的， 当天线上电流分布不均匀时，在保持天线主向辐射场 强值不变的条件下，把电流分布折算成均匀后的天线 长度。

天线特性参量中，两个重要的特性参量
P291(本章小结5)

以辅助函数A、φ， 替代求解
时变电磁场的势函数

达朗贝尔方程的解
1 (t t0 ) dV V 4 r J (t t0 ) A dV 4 V r
2 2 2 t 2 A 2 A 2 J t
磁流元方向 E 沿传播法线 E and E 沿隙缝方向 E or E

Ｆ2层的电子密度最大，能反射电波的频 率范围最宽，成为远距离短波通信最有效
的电波反射层。F2层的电子密度白天大夜 间小，冬季大夏季却小，F2层的变化很不 规律，其特性与太阳活动性紧密相关。
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10.1.3 电离层的变化规律
电离层的日变化
正常变化
电离层的季节变化
随太阳黑子11年周期变化 电离层骚扰
正常变化
• 电离层的季节变化 由地球公转引起。当北半球为夏季时，太阳 射线比较垂直投射到北半球上，射线受热 的影响在增长，紫外线的电离作用增长。 在夏季的北纬地方，D、E、F1层的电子密度 都比冬季的大。F2层的电子密度在冬季所达 到的数值反比夏季的大，并且在一年的春 分和秋分时节两次达到最大值，其层高度 夏季高冬季低。
宇宙射线也能使气体电离，不过就大气层 的电离而言，最主要的电离来源是太阳光 中的紫外线。太阳喷射微粒时，虽然对大 气层也有极大的影响作用，但并不经常。
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气体受到太阳光的紫外线照射而电离，同 时由于气体的热运动使正、负离子中和， 气体的压强越大或温度越高，中和的机会 越大。这样，在大气高层气体稀薄处，就 可能有较高的电子密度。通常用动态平衡 状态下的电子密度Ｎ（电子数／ｍ3）来描 述电离程度。
优点：
➢传输损耗小，可以利用较小的功率进行 远距离通信
➢设备简单，造价低，且可迅速建立与远 方的通信
➢抗自然灾害和人为破坏的能力强
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10.1 电离层
电离层：从60km起一直延伸到约一千多 千米的高度，由电子、正、负离子和中 性分子、原子等组成的等离子体。
由于太阳中紫外线和Ｘ射线的辐射、其 它星体的紫外辐射及宇宙射线中高速粒 子的碰撞等作用，使得大气层中气体分 子电离，这些电离现象十分显著的区域 就称为电离层。

天线 与电 波传播
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
46、我们若已接受最坏的，就再没源自什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特

由于电波传播的主要通道并不是一条直线，因此即使某凸 出物并没有挡住收、发两点间的几何射线，但是已进入了 第一菲涅尔椭球，此时接收点的场强已经受到影响，该收、 发两点之间不能视为自由空间传播。而当凸出物未进入第 一菲涅尔椭球，即电波传播的主要通道，此时才可以认为 该收、发两点之间被视为自由空间传播。
P
衰落深度＝20lg(Ei/E0) 式中 Ei—接收电平值；E0—场强中值。
E1的衰落深度大于E2
衰落速度是描述场强变化的快慢，即衰落频繁程度的物理量。 定义：单位时间内场强包络与场强中值相交次数的一半。
E0
0
t
可见,衰落速率明显不同
衰落持续时间:场强低于某一给定电平值的持续时间。通 常是接收机门限。 如果接收到的信号电平低于接收机门限电平，就可能造 成话音中断或产生信令误码。
电波传播基本概念
一． 电波传播历史与发展
无线电波传播研究的主要内容是电磁波与传播媒质的相互作 用及其在有关电子系统工程和环境探测中的应用。它是一门 实验性科学。
典型的实验: 德国Hertz于1885-1889年间， 进行了一系列UHF波段的电波传 播试验，产生了电磁波（称为 Hertz波）。Hertz测定了Hertz 的波长和传播速度，证明了反射、 折射特性和光一样，证明了光是电 磁波
A
1＜2
即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何射线的情况 下，由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住，因此接收点 仍然可以收到信号，此种现象被称为电波绕射。在地面上的 障碍物高度一定的情况下，波长越长，电波传播的主要通道 的横截面积越大，相对遮挡面积就越小，接收点的场强就越 大，因此频率越低，绕射能力越强。
L

20
lg

4 d