第一讲 内置天线概要.docx
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第一讲 内置天线概要.docx
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第一讲内置天线概要
第一講天線基本原理
一、天線的基本概念
1.天線的作用
在任何無线電通信設備中,總存在一個向空間輻射電磁能量和從空間接收电磁能量的裝置,這个裝置就是天線。
天線的作用就是將調製到射頻频率的數字信號或模擬信號發射到空間無線信道,或從空間無線信道接收調製在射頻頻率上的數字或模擬信号。
2.天線問題的實質
從電磁場理論出發,天線問題实質上就是研究天線所產生的空間電磁場分布,以及由空間電磁场分佈所決定的電特性。
空間任何一點的電磁場滿足電磁場方程——麥克斯韋方程及其边界條件。
因此,天線問題是時變電磁場问題的一種特殊形式。
從信號系统的角度出發,天線问題可以理解為考察由一個電磁波激勵源產生的電磁響應特性。
从通信系統的角度出發,天線可以理解為信号發射和接收器,收发天線之間的無線電信号強度滿足通道傳輸方程和多徑衰落特性。
3.對天線結構的概念理解
採用不同的模型,對天線可以有不同的理解。
典型的模型比如:
z開放的電容
[思考]野外電台或電視發射塔,無線電視或电台接收機,為什麼能構成一個天線,其電流回路在什麼地方?
z開放的傳輸線
從傳輸線理論理解,天線可以看做是將終端開路的傳輸線終端掰開。
zTM
mn
型波導
將天線輻射看做是在4π空間管道中傳輸的波導,則對應的傳输波型是TM型波,但在傳輸過程中不斷遇到波導的不連續性,因此不断激勵高次模。
z由電磁波源和電磁波傳輸媒質形成電磁波傳輸的機構
波的形成都需要波源和傳輸媒质。
在一盆水中形成機械波紋,可以使用點激勵源產生波,並在水面上傳播。
波的傳播特性只與媒質特性有关而與波源無關。
將一個肉包子扔出去,這个肉包子可能產生
不同的結果,或者被狗吃了,或者掉在什麼地方了,都與扔包子的人不再有任何關係。
而对天線來說,饋點的激勵源就是這種波源,天線導體和外界空間就是傳輸媒質。
不過电磁波的傳輸媒質可以是真空。
[思考]電磁波具有波粒二象性。
頻率越低,波動性越強;頻率越高,粒子性越強。
所以光波主要表現出粒子性,而長波表現出波动性。
射頻電磁波就是介於這二者之間的一种電磁波,它既有顯著的波動性,又有顯著的粒子性。
只要認清这一點,許多問題就會变得易於理解。
認清事物的本質規律我們才能很好地利用它,我们不能把一頭驢當馬使,否則就會出現許多荒唐的錯誤。
有人認为射頻很複雜,有人认為很簡單,就是這個道理。
[哲學啟示]電磁波由於看不見,摸不著,所以在很多人看來它很抽像。
但考慮到世界是普遍联系的,儘管不同的事物也有許多不相同点,但找到它們之間的联系,就能獲得認識抽象事物的「火眼金睛"。
二、電磁場基本方程
1.麥克斯韋方程
(電生磁。
若電場變化,則磁场隨之變化
(磁生電。
若磁場變化,則電场隨之變化
(磁力線是無始無終的封閉閉合曲線
(電力線出發和終止於自由電荷
麥克斯韋方程的物理含義:
變化的電場可以產生磁场,變化的磁場可以產生電場,這是電磁波可以脫離輻射體在空间存在的物理基礎。
[思考]自然界存在一些有趣的現象,儘管機理與電磁波不完全一致,但是其過程卻可以帮助我們加深對我們问題的理解。
請大家考慮一下,孩童吹肥皂泡時,肥皂泡能夠脫离吹管而在空氣中獨立存在的條件是什麼?
[哲學啟示]電磁波看不見,摸不著,但它是一種不依賴於人的意識的客觀存在,因此屬於辯证唯物哲學中物質的范疇。
微波爐中的一盘雞,看不見有火苗,是誰把它烤熟了?
就是電磁波這種物質。
要研究任何所謂抽像的事物,必須跳出「巧妇難為無米之炊」這種传統思維模式,要知道沒有米還可以用面。
2.邊界條件
兩種不同媒質的分界面,媒質参數會發生突變,引起某些場份量的不連續。
電磁場邊界條件是:
(媒質分界面處磁場切向不連续
(媒質分界面處切向電場連續
(媒質分界面處法向磁感應強度連續
(媒質分界面處法向電位移矢量不連續根據電磁场邊界條件,在媒質分界面處電場的切向分量和磁感應強度的法向份量是連續的。
这是非常重要的概念。
[思考]在天線導體和大氣空間中,儘管導體和大氣中的電場滿足不同的分佈規律,導體中電場集中在導體邊缘,而大氣中的電場则呈瑞利指數分佈,但是在導體和大氣分界面處的導體上和空間切向電場卻是完全相同。
這是為什麼?
[哲學啟示]自然界不存在絕對無限大的事物,大海和宇宙都很大,但都有邊界,電磁場也不例外。
所有數學物理问題,只有確定的邊界條件才有確定的解。
3.電流連續性方程
根據電荷守恆定律,電流和電荷的關係是:
(電荷的波動導致電流密度的變化
該方程反映了流入一個封閉面积和流出該封閉面積的電流之間的差異,都是由於該面積內包含的電
荷在「興風作浪」。
這也是物質不滅定律在電磁學領域中的反映。
4.本構方程(媒質特性方程
(電位移矢量和電場強度的關係
(磁感應强度和磁場強度的關系
(電流密度和電場的關係
這幾個方程反映了在特定的媒質中電場強度和电位移矢量、磁場強度和磁感應強度、電流和電場之間的關係,等式右邊的矢量與媒質无關,左側矢量與媒质相關。
這幾個方程反映了媒質的電特性,是麥克斯韋方程的三个輔助方程。
5.波印亭定理
空間電磁场的能量關係滿足能量守恆定律。
電磁場能量守恆定律由矢量波印亭定理描述。
該方程的物理含義是:
包围在封閉體積內的電场和磁場能量總和等於传輸能量和損耗的能量之和。
稱為波印亭矢量,它代表功率通量。
6.
矢量波動方程
從麥克斯韦方程出發,利用矢量公式和相關邊界條件,可以得到電磁場的矢量波動方程:
給定電流密度和電荷密度,求解矢量波動方程就可以得到麥氏方程的解。
矢量波動方程不是一組獨立的方程。
本質上它与麥克斯韋方程及其邊界條件一致。
天線問题可以通過求解矢量波動方程得到,也可以通過直接求解麥克斯韦方程得到。
[問題]既然已有麥克斯韋方程,為什麼還要矢量波動方程?
z麥克斯韋方程是一個嚴格方程,但它的求解非常複雜。
由于過去的計算手段非常落後,許
多電磁問題只能通過手工計算得到,在這種情況下直接求解麥克斯韋方程非常困難;
z麥克斯韋方程不僅是天線的理論基礎,也是傳輸線和光纖的理論基礎。
麥克斯韋方程與不
同的邊界條件可以分別導出矢量波動方程,電報方程和射線方程,但只有矢量波動方程才代表天線;
z導出矢量波動方程並在不同的具體應用條件對該方程作簡化,往往可以獲得某些规則天線
的準確解,这在當時非常有意義;
z近年來隨著計算機和電磁仿真工具的发展,直接求解麥克斯韋方程才逐漸成為可能。
[注意]麥克斯韋方程和矢量波動方程之間不能劃等號。
矢量波動方程是天線方程,而麥克斯韋方程必須連同特定的邊界條件才構成天線方程。
在無耗媒質(非導電媒質和時諧電場中,上式變為:
其中,k稱為波數。
無源區域退化為齊次亥姆霍茲方程:
三、電磁場唯一性定理和電磁場方程的求解方法
1.電磁場唯一性定理:
滿足特定邊界條件的電磁场是唯一的。
因此不论採取什麼方法,只要得到了一個符合邊界條件的電磁場解,這个解正是需要尋找的解。
2.電磁問題的求解方法
z特定的少數具有規則幾何形狀和簡單几何條件下的電磁場问題,可以採用一些技巧性方法
進行嚴格的数學求解。
這些方法有分離變量法、鏡像法、格林函數法等。
z少數簡單幾何形狀的電磁問題可以采用輔助函數法求解,如矢量磁位和標量磁位法,微分
函數法和積分函數法。
z大多形狀不規則的電磁問題不能進行严格的數學方法進行求解,或者數學方程過于複雜。
此時可以借助計算機工具對麥克斯韋方程或矢量波動方程進行數值求解。
這些方法有矩量法、有限元法和有限時域差分法等。
四、輻射條件
對天線來说,不僅需要滿足麥克斯韋波動方程及其邊界條件,而且還應滿足輻射條件。
天線的激勵源分佈在有限區域,無窮遠處不存在場源,因此滿足齊次波动方程。
求解該方程即得到輻射條件。
這個方程的物理含義是,在無窮遠處,位函數和場為0,即只有出射波,沒有入射波。
這是天線問題與一般電磁场問題的根本區別之處。
只有同時滿足矢量波動方程和輻射條件,才能形成天線。
五、天線的近場和遠場
滿足條件kr<<1的場區稱为天線的近場,又稱感應場。
近場的場強與半徑的平方或更高次方成反比。
即隨著半径的減小,場強迅速增大。
從這個概念還可以看出,近場場強與天線的形狀相關。
滿足條件kr>>1的場區稱为天線的遠場,又稱辐射場。
遠場的場強与半徑成反比。
遠場场強與天線形狀關係不大,但與觀察方向有关。
天線的近场與遠場分解點可用以下公式表達:
其中D是天線的最大尺寸,是工作波長。
λ22DRff=λ
第一講天線基本原理第6頁,共8頁近場與遠场之間通過快速傅立叶變換相關聯。
因此天線的近場測試與遠場测試在一定範圍內是等效的,只是精度會有所不同。
六、天線的電參數1.輸入阻抗和帶寬天線的輸入阻抗即饋電端輸入电壓和輸入電流的比值。
輸入到天線的功率被輸入阻抗吸收,並被天線轉換成輻射功率。
天線的輸入阻抗由兩部分組成,即:
ZA=RA+jXA。
其中ZA稱為天線的輸入電阻,XA稱為天線的輸入电抗。
理想情況下,天线的輸入阻抗是純電阻並等於饋線的特性阻抗,這時饋線終端沒有功率反射。
天線匹配電路的作用就是消除天線輸入阻抗中的電抗份量,使電阻份量尽可能接近饋線的特性阻抗。
描述匹配的優劣常用的參數是駐波比和回波損耗。
假設饋線的特性阻抗是Z0,則饋點处的反射係數由下式定義:
Γ=(ZA-Z0)/(ZA+Z0)駐波比定义為:
VSWR=(1+|Γ|)/(1-|Γ|)其值在1和無窮大之間。
完全匹配狀態下(ZA=Z0),駐波比為1;完全失配狀態下(饋線終端短路或开路,ZA=0或無窮大)駐波比為無窮大。
手機天線一般要求駐波比小於2.5。
回波損耗(RL)定義為:
RL=20log(|Γ|)它是反射系數絕對值的倒數,以分貝值表示。
回波損耗值在0dB到負無窮大之間,其絕對值越大表示匹配越好。
0dB表示全反射,負無窮大表示完全匹配。
手機天線一般要求回波損耗小於-7dB左右。
駐波比(VSWR)和回波损耗(RL)兩個參數之間有固定的數值對應關系:
⎛VSWR+1⎞RL=20log⎜⎟⎝VSWR−1⎠天線的輸入阻抗取決於天線本身的結構、工作頻率並受環境因素的影響,一般它只能通過實驗确定。
輸入阻抗測試等效於駐波比和回波損耗測試。
在天線諧振頻率附近,可使電气性能(回波損耗或駐波比)滿足使用要求的頻帶範圍稱為天線的帶寬。
2.方向係數天線的方向係數描述電磁能量集中程度以描述方向特性,又稱為方向增益,最大輻射方向的方向係mhtml:
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\Documents%20and%20Settings\Administrator\My%20Documents\OTHER\0205\antenn...2007/2/14
第一講天線基本原理數定義為:
第7頁,共8頁其中F是場強方向函數。
方向係數的物理含义是,天線輻射的最大方向上獲得與該點相同功率所需的點源的总輻射功率與實際天线輻射總功率的比值。
3.輻射效率天線的輻射效率用於衡量天線将高頻電流或導波能量轉換為無線電波能量的有效程度,它是天线輻射的總功率和天線从饋線得到的淨功率之比:
採用電阻表示,則:
式中分子为天線的輻射電阻,分母為輻射電阻與損耗電阻之和。
所以,提高天線輻射效率的途径就是盡可能提高輻射电阻,降低損耗電阻。
對電小尺寸天線來说(尺寸在0.1波長以下),輻射效率低是致命的缺陷,應採取措施降低損耗提高天線效率。
4.增益方向係數描述天線輻射電磁能量的集中程度,效率表示天線能量轉換效能,這二者集中起來表示能量集束程度和能量转換效率的總增益,称為天線增益。
天線增益描述天線在某一方向的輻射強度和天線以同一輸入功率向空間均匀輻射的輻射強度之比,即:
並有:
。
描述天線在空間各方向輻射場强的圖形稱為輻射方向圖,一般在遠場測試。
方向圖的主波瓣相对場強即對應於天線增益。
通常所說的增益都是相對于點源的增益(dBi)和相對半波振子的增益(dBd)。
理想点源的增益是1(0dBi);半波振子的增益是1.64(2.43dBi)。
5.極化方向指天線發射的電磁波電場或磁场的振動方向。
如果電磁波傳播過程中電場振動方向始終平行於发射源的電場方向,則称為線極化,如果傳播過程中電場矢量端点的軌跡是一個圓,則称為圓極化。
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第一講天線基本原理第8頁,共8頁七、互易定理互易定理的基本內容是:
將天线輻射場中的電場和磁場相關的對偶矢量互换,導出的結論仍然是正確的。
由互易定理可以導出的一個重要结論是:
同一天線作为發射天線和接收天線,其電性能完全相同。
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