电磁场与电磁波综述

《电磁场与电磁波综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁场与电磁波综述（12页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、摘要天线是一种用来发射或接收无线电波，更广泛来讲属于电磁波的电子器件。 天线应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和太空探索等系统。天线通常 在空气和外层空间中工作，也可以在水下运行，甚至在某些频率下工作于土壤和 岩石之中。从物理学上讲，天线是一个或多个导体的组合，由它可因施加的交变 电压和相关联交变电流而产生辐射的电磁场，或者可以将它放置在电磁场中，由 于场的感应而在天线内部产生交变电流并在其终端产生交变电压。现在天线已随 处可见，它已与我们的日常生活密切相关。技术发展也越来越趋于多样化并且较 为成熟。本文主要是对天线的一些知识进行汇总总结。关键字：电磁波传播天线目录1天线基础知识介绍11

2、.1天线定义11.2应用方向11.3工作原理11.4分类11.5天线的相关参量21.5.1天线增益21.5.2方向图31.5.3 极化41.5.4输入阻抗42天线阵与面向天线基本理论52.1天线阵52.2面向天线基本理论53天线未来发展趋势分析63.1趋势分析63.2关键技术分析73.2.1小型化天线技术73.2.2多制式天线技术7总结8参考文献91天线基础知识介绍1.1天线定义天线（antenna）是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无 界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设 备中用来发射或接收电磁波的部件。1.2应用方向无线电通信、广播、电视、雷

3、达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程 系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。1.3工作原理当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场 与磁场。按电磁场在 空间的分布特性，可分为近区，中间区，远区。设R为空间一点距导体的距离， 在时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流，电压有紧密的联系。在的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相 对于导体上的电流电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上 的电流、电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。必须指出，当导线的长度L远小于波长久时，辐射很微弱；导线的长度L 增大到可与波长相比拟时

4、，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。 发射天线正是利用辐射场的这种性质，使传送的信号经过发射天线后能够充分地 向空间辐射。1.4分类1、按工作性质可分为发射天线和接收天线。2、按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。3、按方向性可分为全向天线和定向天线等。4、按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短 波天线、微波天线等。5、按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量 有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频宽。6、按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线7、天线根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、车

5、载天线、基地天线三大类。1.双AL天魏8.角形反射天线3.*形天线1.5天线的相关参量1.5.1天线增益增益是天线系统的最重要参数之一，天线增益的定义与全向天线或半波振子 天线有关。全向辐射器是假设在所有方向上都辐射等功率的辐射器，在某一方向 的天线增益是该方向上的场强。定向辐射器在该方向产生辐射强度之比，见图二注：dBi表示天线增益是方向天线相对于全向辐射器的参考值，dBd是相对于半波振子天线 参考值。1.5.2方向图天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。用辐射 场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的 称为相位方向图。天线方向图是空间立体

6、图形，但是通常应用的是两个互相垂直 的主平面内的方向图，称为平面方向图。在线性天线中，由于地面影响较大，都 采用垂直面和水平面作为主平面。在面型天线中，则采用E平面和H平面作为 两个主平面。归一化方向图取最大值为一。在方向图中，包含所需最大辐射方向 的辐射波瓣叫天线主波瓣，也称天线波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或边瓣， 与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣。图三：全向天线水平波瓣和垂直波图，其天线外为圆柱型；图四：定向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为板状。图三（全向天线波瓣示意图）*E筮构天统水平浪茹田定向天畿击直波露图图四（定向天线波瓣示意图）通常会用到天线方向图的以下一些参数：（1）主瓣宽

7、度，指主瓣最大辐射方向两侧的两个半功率点的矢径之间的夹 角，记为0 0.5主瓣宽度越小，说明天线辐射的电磁能量越集中，定向性越好。（2）副瓣电平，指副瓣最大辐射方向上的功率密度和主瓣最大辐射方向上 的功率密度之比。（3）前后向抑制比，后瓣最大辐射方向上的功率密度主瓣最大辐射方向上 的功率密度之比。1.5.3极化极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，当没有特别说明时， 通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，而且是指在该天线的最大辐 射方向上的电场矢量来说的。电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电 磁波叫直线极化波，有时以地面作参考，将电场矢量方向与地面平行的波叫水平 极化

8、波，与地面垂直的波叫垂直极化波。由于水平极化波和入射面垂直，故又称 正交极化波；垂直极化波的电场矢量与入射平面平行，称之平行极化波。电场矢 量和传播方向构成平面叫极化平面。电场矢量在空间的取向有的时候并不固定， 电场失量端点描绘的轨迹是圆，称圆极化波；若轨迹是椭圆，称之为椭圆极化波， 椭圆极化波和圆极化波都有旋相性。不论圆极化波或椭圆极化波，都可由两个互 相垂直线性极化波合成。若大小相等合成圆极化波，不相等则合成椭圆极化波。 天线可能会在非预定的极化上辐射不需要的能量。这种不需要的能量称为交叉极 化辐射分量。对线极化天线而言，交叉极化和预定的极化方向垂直。对于圆极化 天线，交叉极化与预订极化的

9、旋向相反。所以交叉极化称正交极化。1.5.4输入阻抗天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连 接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没 有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的 匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的 特性阻抗。2天线阵与面向天线基本理论2.1天线阵许多天线按照一定的规律放在一起就构成了天线阵。这种天线阵的方向图可 把各天线的方向图叠加在一起求得。因此天线阵的方向图与每一天线的型式、取 向以及天线上电流分布的大小与相位等有关。调整天线之间的相对位置和电流关 系，

10、可以得到各种形状的方向图。组成天线阵的独立单元为阵元或天线单元，如果阵元排列在一条直线或者一个平 面上，称为直线阵或者平面阵。（1）二元天线阵p点的合成场强为（2）均匀直线式天线阵定义：指各元天线除了以相同的取向和相等的间距排列成一直线外，它们的电 流大小相等，而相位则以均匀的比例递增或递减。P点的合成场强为亘.岛+ 3 +厨+项.&（1 +出+耳彻+事附灿）式中= kd cos- ce阵函数0)=，最大值条件为破=2.2面向天线基本理论应用数学物理方法分析研究面天线问题的理论。面状天线（简称面天线）包 括：声学型，如叭天线和开口波导辐射器；光学型，如抛物面反射器天线和 透镜天线；表面波型，如

11、介质棒天线和各种形式的平面形结构表面波天线。电磁场的边值问题对于标量亥姆霍兹方程，有11个可分离变量的坐标系,对于矢量亥姆霍兹方 程有6个可分离变量的坐标系。当天线的外表面能与某个可分离变量坐标系中的 一个坐标面重合时，就可用分离变量法来求解。或者，当某个可分离变量坐标系 中的几个坐标面的各一部分或全部与天线的外表面重合时（即这些坐标面将天线 包围），也可用分离变量法求解。使用这种方法时，首先根据所研究的天线外形, 选择一个合适的可分离变量的坐标系，再用坐标面将天线的表面包围起来，将外 部空间按坐标面分成若干区，然后用本征模函数表示各区的场和源，根据问题的 边界条件来定本征值，并根据各区之间的

12、边界条件求本征模函数的系数。这种分 析方法仅适用于极少数的天线问题，例如用球面坐标系解球面反射镜天线。这种 方法未能推广的原因是由于数学上的困难。对于绝大多数天线来说，很难找到合 适的可分离变量的坐标系，另一方面，即使有了合适的坐标系，其解的表达式也 非常复杂。3天线未来发展趋势分析3.1趋势分析从无线网络发展趋势及运营商面临的各种挑战来看，天线技术未来的发展必 将遵循以下几个方向。天线体积小型化天线小型化是在保证天线性能基本不变的条件下，减小天线的体积。小型化是一个基础性技术， 是天线永恒的发展方向。多种制式网络共天馈应用未来多种制式共用一面超宽带天线，不仅天线工作频段覆盖多个制式，而且 可

13、以根据系统的不同要求实现每一个制式的独立调节。多制式天线的应用将节省 建站成本和天面资源，灵活满足每种制式的网络覆盖要求。天线功能模式向智能化功能方向发展未来天线实现智能化的波束赋形、波束指向控制、波束分裂和远程控制，灵 活满足各种场景的应用需求。通过天线的智能化实现系统间互操作和资源的优化 利用，最终实现智能化的运维方式。天线与射频模块连接由分离式向集中式发展未来集中式的设备代替分离式的设备，光纤代替电缆，天线与主设备实现小 型化和一体化并充分结合，实现天面资源的节约和灵活的部署方式，适应网络扁 平化的发展趋势。3.2关键技术分析3.2.1小型化天线技术天线小型化有两种实现方式。第一种是通过

14、优化天线设计方案，实现服务区 外电平快速下降、压低旁瓣和后瓣，降低交叉极化电平，采用低损耗、无表面波 寄生辐射、低VSWR的馈电网络等途径提高天线辐射效率，从而实现同等增益下 天线体积的缩小。这种方式天线的性能指标不变，但是限于技术难度，体积下降 程度有限，实现难度比较大而且成本较高。第二种实现方式是通过降低天线的增 益来实现体积的减小。这种方式的体积下降明显，增益每降3 dB体积就会缩小 一半，比较容易实现，但是小型化之后增益指标的下降会限制天线的应用范围。 为保证天线小型化后的性能满足不同场景的应用需求，未来天线小型化技术应在 第一种实现方式上发展。目前移动通信天线通过第一种方式实现一定程

15、度的小型化，业内也有小型化 天线的应用案例，但限于各种因素，目前小型化天线的安装仍需要一定的天面资 源，而且性能指标有待提高，工作频段较窄。如果在网应用，需要多个小型化天 线同时工作才能全频段覆盖，这就失去了小型化的优势和意义。未来运营商应引导产业优势力量，推动天线后端设备充分一体化，达到利用 环境实现美化和隐身要求，实现天面资源的真正节约和灵活的部署方式。在推动 天线小型化的同时，实现天线工作频段的宽带化，以利于减少天线数量和未来系 统升级，充分体现小型化天线的优势。3.2.2多制式天线技术多制式天线就是让不同通信系统共用一副天线，以便有效地节约安装空间。 多制式天线的实现主要是通过在天线内

16、部合理的放置辐射单元实现天线工作频 段的宽带化，以及通过信号合路和分路实现不同频段信号的调节和控制总结天线的知识是电磁场与电磁波这一书中第七章的内容。经过此次的整理 该方面的知识使本人对天线方面的知识有了一定的了解。天线的作用就是辐射和 接受电磁波，天线的技术性能优劣不同，必须规定一些能够表征天线性能的参数， 以上本人所介绍的参数就可以说明天线的性能优劣，帮助我们了解天线的性能。 天线的发展，从以前的收音机，到现在的对讲机、手机等电子产品，以及现在比 较高科技的智能天线都明显的体现出来了。一直在发展应用天线的技术，说明天 线的重要性以及实用性。经过这一次的天线知识总结，我初步掌握了有关天线的简要基本理论。在自 学的过程中，遇到了不少的困难，因为这门学科与数学的关联很大，在定理的推 导与证明的过程中会用到大量的数学计算，特别是积分的应用。不过好在书本上 都给出了具体的计算过程，是学习有更加轻松一点。当然，这次的自主学习过程 中也体会到了很多的乐趣。自己遇到困难自己解决，锻炼了自己的文献搜索能力 的同时也提高了自主学习的能力。参考文献1电磁场与电磁波.王家礼，朱满座,路宏敏.D.西安电子科技大学出版.2009.8克劳斯天线M.电子工业出版社.20113李晋文.无线网络射频工程M.人民邮电出版社.2008