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8Lm:g 出寸02“s吟 g 寸slzogslI 朋 猎 思(I)wlHelfilu s二一D-R能 SI swtf swtf 五 睫1LIS 目 INI1 si电磁场与电磁波综述报告摘要:在无线通信系统中,与外界传播媒介接口是天线系统。天线的选取和 设计直接关系到整个网络的质量。天线是大三下学期所学课程电磁场与电 磁波里新添加的内容,它是本课程的一个典型应用例子。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,以下我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。1. 概述天线(ant enna)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。无线电通信、广播、电视、雷达、 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。此外,在用电磁波传送能量方面,非信号的能 量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性,即同一副天线既可用作发射天 线,也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。 这就是天线的互易定理。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。2. 天线参数2.1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,天线增益是无源现象,天线并不增加激励,而是仅仅重新分配而使在 某方向上比全向天线辐射更多的能量。如果天线在一些方向上增益为正,由 于天线的能量守恒,它在其他方向上的增益则为负。因此,天线所能达到的 增益要在天线的覆盖范围和它的增益之间达到平衡。比如,航天器上碟形天 线的增益很大,但覆盖范围却很窄,所以它必须精确地指向地球;而广播发 射天线由于需要向各个方向辐射,它的增益就很小。碟形天线的增益与孔径(反射区)、天线反射面表面精度,以及发射/接 收的频率成正比。通常来讲,孔径越大增益越大,频率越高增益也越大,但 在较高频率下表面精度的误差会导致增益的极大降低。“孔径”和“辐射方向图”与增益紧密相关。孔径是指在最高增益方向 上的“波束”截面形状,是二维的(有时孔径表示为近似于该截面的圆的半 径或该波束圆锥所呈的角)。辐射方向图则是表示增益的三维图,但通常只 考虑辐射方向图的水平和垂直二维截面。高增益天线辐射方向图常伴有“副 瓣”。副瓣是指增益中除主瓣(增益最高“波束”)外的波束。副瓣在如雷达 等系统需要判定信号方向的时候,会影响天线质量,由于功率分配副瓣还会 使主瓣增益降低。22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。2.3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。“阻抗”类似于光学中的折射率。电波穿行于天线系统不同部分(电台、 馈线、天线、自由空间)是会遇到阻抗差异。在每个接口处,取决于阻抗匹 配,电波的部分能量会反射回源,在馈线上形成一定的驻波。此时电波最大 能量与最小能量比值可以测出,称之为驻波比(SWR)。驻波比为1:1是理想 情况。1.5:1的驻波比在能耗较为关键的低能应用上被视为临界值。而高达 6:1的驻波比也可出现在相应的设备中。极小化各处接口的阻抗差(阻抗匹 配)将减小驻波比并极大化天线系统各部分之间的能量传输。2.4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 化的旋向相反。所以交叉极化称正交极化。3总结电磁场与电磁波这门课的学习对于我来说是比较困难的,因为这里面牵 涉的知识很多也很复杂,特别是如果数学学习的不够好的同学,在处理这些问题 时会感觉到很困难,但是只要能够培养出自己的兴趣,乐于思考其中的问题,多 多了解电磁场与电磁波的知识,例如像天线这一类的,就会逐步加深对于这些知 识的了解,成绩也会逐步的提高。
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