电磁场电磁波论文

HEFEI UNIVERSITY

电磁场电磁波课程综述报告

题目：电磁场电磁波课程综述报告

系别：电子信息与电气工程

专业班级： 11通信工程（1）班

学号： 1105021006 姓名：郭丽丽

导师：李翠花

成绩：

2014年 5 月17 日

目录

1、天线的基本知识 (2)

1.1什么是天线 (2)

1.2天线的分类 (2)

1.3天线的参数 (2)

1.3.1方向性函数和方向图 (2)

1.3.2方向性系数 (3)

1.3.3辐射效率 (4)

1.3.4增益系数 (4)

1.3.5天线的极化特性 (4)

1.3.6输入阻抗 (4)

1.3.7天线的辐射阻抗 (5)

1.4天线的作用和地位 (5)

2、天线的工作原理 (6)

3、天线的应用 (7)

3.1双频双工双极化天线的新应用 (7)

3.2八字型全向变形天线应用 (7)

3.3心型全向变形天线应用 (7)

3.4窄波束高增益天线的应用 (8)

3.5低增益天线的应用 (8)

3.6全向天线的基本应用 (8)

4、总结 (9)

1、天线的基本知识

1.1什么是天线

天线是一种用来发射或接收无线电波的电子器件。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。天线应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和空间探索等系统。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。

1.2天线的分类

天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。 对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：

按用途分类 可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；

按工作频段分类 可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；

按方向性分类 可分为全向天线、定向天线等；

按外形分类 可分为线状天线、面状天线等.

1.3天线的参数

1.3.1方向性函数和方向图

天线的方向性函数是描述天线辐射场的大小与空间方向之间关系的函数，也就是天线的辐射作用在空间的相对分布情况的数学表达式。把方向性函数用图形表示出来就是方向图，也就是方向性函数的图解形式。

场强振幅的方向性函数是表示在以天线为中心，远区场某以恒定半径的球面上辐射场强的相对分布情况。场强振幅的归一化方向性函数一般表示为：

()()

max ,,E E F φθφθ=

式中，()φθ,E 为天线在任意方向上的辐射场强，max E 为天线在其最大辐射方向上的辐射场强。

单元偶极子的方向图

辐射的方向性用两个相互垂直的主平面上的方向图表示，E 平面(电场所在r e r l I E βθθωεβj 02sin π4j -∆= r e r l I H βφθβj sin π4j -∆=

平面) 和 H 平面(磁场所在平面)。E 平面与H 平面的归一化方向函数分别为：

实际天线比上图复杂，方向图可能包括多个波瓣，分别称为主瓣、副瓣和后瓣。如图所示某天线的极坐标形式方向图：

说明：主瓣最大辐射方向两侧的两个半功率点（即功率密度下降为最大值的一半，或场强下降为最大值的 ）的矢径之间的夹角，称为主瓣宽度，表示为 ，主瓣宽度愈窄，说明天线辐射的能量愈集中，定向性愈好。方向图的副瓣和后瓣是指不需要辐射的区域，所以应尽可能小。

1.3.2方向性系数

某一天线的方向系数是它在最大辐射方向上某一距离处的辐射功率密度和辐射功率相同的无方向性天线在同一距离处的辐射功率密度之比值，用D 表示 。

在同一距离及相同辐射功率下，某天线在最大辐射方向上的功率流密度Smax 和无方向性天线的功率流密度S 0的比值。

在同一距离处产生相同的辐射场，某天线在辐射功率和无方向性天线辐射功率之比。

由方向性系数定义，可以得到方向性系数计算公式 主瓣

x

z

02θ0.52θ副瓣 1.0 后瓣

天线方向图的波瓣

0.707 θθθθθθSin E E F E ==max )()()(1)()()(max ==φφφφφH H F H 215.02θ

(Pr=Pr 0) D 的第一表达式 202max 0max ||||E E S S D ==r r P P D 0=(|Emax|=|E0|) D 的第二表达式 ()22004 , sin sin (D F d d d d d πππθφθθφθθφ==Ω⎰⎰

立体角）D 的第三表达式

1.3.3辐射效率

天线的辐射效率表征天线能否有效的转换能量，定义为天线的辐射效率与输入到天线上的功率(输入功率)之比：

1.3.4增益系数

在定义天线的方向性系数时，我们使用的是天线辐射功率，由于辐射功率通常由理论计算得出，这就在实际应用中带来一些不便。采用天线的输入功率作类似定义，则得出的对应参数称为天线的增益。它是天线的重要指标之一。

天线增益是这样定义的。即输入功率相同时，某天线在某一方向上的远区产生的功率流密度S 1与理想点源（无方向性）天线在同一方向同一距离处产生的功率流密度S 0的比值，称为该天线在该方向上的增益系数，简称增益，常用G 表示。天线增益在不加特别说明时，指天线在最大辐射方向上的增益系数。上述定义可用数学形式表示为

Pin 0和Pin 1分别为理想点源天线和实际天线的输入功率。

1.3.5天线的极化特性

天线的极化特性是以天线辐射的电磁波在最大辐射方向上电磁强度矢量的空间取向来定义的，分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化和垂直极化；圆极化又分为左旋极化和右旋极化。

天线不能接收与其正交的极化分量，线极化天线不能接收来波中与极化方向垂直的线极化波；圆极化天线不能接收来波中与其旋转方向相反的圆极化分量。

1.3.6输入阻抗

天线通过传输线与发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻抗匹配的问题。

天线与传输线连接处称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗，用Zin 表示

天线的输入阻抗决定于天线的结构、工作频率以及周围的环境。输入阻抗的计算是比较in in

in U Z I ==输入电阻，对应有功功率，以辐射和损耗两种

方式耗散掉

输入电抗，对应无功功率，贮存在近区中 in p ()P ()A η∑=辐射功率输入功率（Pin 1=Pin 0） 222121E E S S G ==10in in P P G =(E 1=E 0时) 或

困难的，因为它需要知道天线上的激励电流，除了少数天线外，大多数天线的输入阻抗在工程中采用近似计算或实验测定

1.3.7天线的辐射阻抗

将计算辐射功率的封闭面设置在天线的近区，用天线的近区场进行计算，则求出的的辐射功率将包含有功功率和无功功率两部分。

引入归算电流，可定义辐射阻抗

输入实功率为辐射功率和损耗功率之和，当所有功率都归于输入电流时，有

8.频带宽度

当工作频率发生变化时，天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度。

相对带宽

绝对带宽

天线的带宽都是就某个参数而言的，不同的天线参数，如最大辐射方向、波瓣宽度、副瓣电平、增益、极化等往往有不同的带宽。

通常方向图和输入阻抗随频率的变化具有很大区别，因而使用方向图带宽和阻抗带宽以示分别。与方向图带宽有关的参数包括最大辐射方向、波瓣宽度、旁瓣电平、方向性系数和增益。与阻抗带宽有关的是输入阻抗和辐射效率。若对方向图带宽和阻抗带宽同时提出要求，取其窄的做为整个天线的带宽。 1.4天线的作用和地位

无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。

()()

222211221122in in in in in m m m m m P I Z I R jX I Z I R jX ∑∑∑∑∑∑∑==+ ==+

in in din din R R R R ∑=+-归于输入电流的损耗电阻max min 0100%f f f -⨯ 窄带天线 百分之几 宽带天线 百分之几十 max min f f 超宽带天线 几个倍频程

2、天线的工作原理

导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状

形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。

电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。

●天线工作带宽

●无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，

工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减

●天线工作带宽有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽

度；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比≤1.5时，天线的工作带宽。

●

收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示. 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。

●天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向

3、天线的应用

在移动通信网络中，天线的选择是一个很重要的部分，应根据网络的覆盖要求、话务量、干扰和网络服务质量等实际情况来选择天线。天线选择得当，可以增大覆盖面积，减少干扰，改善服务质量。根据地形或话务量的分布可以把天线使用的环境分为7种类型：山区（或丘陵，用户稀疏）、开阔平坦区域（用户居住集中）、城区（高楼多，话务大）、郊区（楼房较矮，开阔）、农村（话务少）和公路（带状覆盖）、近海（覆盖极远，用户少）、隧道。

3.1双频双工双极化天线的新应用

目前双频段定向天线的结构和安装方法与现有的单频段天线相同，但重量有所增加。在城市内的楼顶或郊区铁塔平台上，难以增加天线安装位置，因此

将旧天线移到农村使用，更换新的双频段天线是最好解决天线安装位置困难的方法。由于DCS1800基站主要用于吸收部分话务，因此两个天线的俯仰角度控制可以是同时的，避免采用高成本的两个频段独立控制的双频天线。为了减少馈线，通常这种天线集双频、双工、双极化于一体。在机房一侧利用双工器将两个频段的信号分开。双频天线用于城市或话务量特大的地方，因此水平面半功率波束宽度65°天线为主选，同时要求有6°或9°的固定电下倾或可调（0-10°）电下倾，增益采用中等（15dBi－16dBi）即可。

3.2八字型全向变形天线应用

纯公路覆盖是指无人居住的山区、沙漠的重要等级公路覆盖，话务量少，为减少基站数量，降低建设成本，通常采用O2以下站型，因此覆盖距离应尽量远，象这种无线覆盖区域，采用地形匹配天线是最理想的，如：8字形的变形全向天线可以增加需要覆盖方向的增益（在最大方向上增益约增加3dB），减少公路两旁无用户区的覆盖能量。这种天线的站址选择很重要，公路的延伸方向应与天线方向图匹配。这种天线实际上就是普通全向天线与对称两根辅助反射金属管组成，反射金属管的作用是通过耦合改变全向天线水平面的方向图。对于纯粹的公路覆盖或其它无建筑物覆盖可以不考虑塔下黑，因为信号进入车内的衰减比进入建筑物内的衰减小得多。

3.3心型全向变形天线应用

在农村地区，许多小村镇建在公路的一侧，在做公路覆盖时可以兼顾这些村镇的覆盖，采用以下变形全向天线（心形方向图），在公路和村镇方向的天线增益可以提高到13-15dBi ，可以使村镇和公路覆盖更有效，这种天线实际上就是普通全向天线与一根辅助反射金属管组成，反射金属管的作用是通过耦合改变全向天线水平面的方向图。

3.4窄波束高增益天线的应用

纯公路覆盖也可以采用窄波束天线，如水平面半功率波束宽度为30-33°，增益高达21dBi，这种两扇区定向站可以使覆盖距离增加，减少基站数量从而降低用户的建设成本。当然，采用过高增益天线，其体积明显增大，一定要考虑天线的风载荷，在工程设计和安装时都要谨慎。

3.5低增益天线的应用

隧道覆盖。尽管采用高增益窄波束天线可以用于隧道覆盖，但由于这种天线体积大，在隧道口不宜安装，且成本较高，实验证明可以采用低增益天线来覆盖（增益在10-12dBi），这中低增益天线可以是价格低廉的八木天线，也可以是小的平板天线，前者更适合安装在隧道口内侧，后者可以安装在离隧道口较近外侧，天线的最大波束指向与隧道口的法线方向夹角应小于5度。隧道的长度不超过2Km，弯曲点不超过一个。采用直放站时应采用高前后比的对数周期偶极子天线或平板阵列天线，并尽可能安装在洞口内侧。超过两公里长的隧道建议在隧道两端口安装基站或直放站。城市内的阴影区或需要增补的微小区。这些区域可以采用低增益平板天线配置的微基站或基站进行覆盖，平板天线的增益在12-14dBi，波束宽度取决于需要覆盖区域的形状，可以1个扇区，2个扇区，也可以3个扇区。

3.6全向天线的基本应用

高增益普通全向天线的最大增益在10.5-11dBi之间，可以有固定电下倾角。由于其垂直面的波束宽度较小（约6.5-7.5度），因此对于没有固定电下倾的全向天线，建议用于天线挂高不超过50m的平原地区基站，以免出现严重的“塔下黑”现象。对于原处覆盖不重要的基站，可以采用适当固定电下倾的全向天线，以便使覆盖区内的信号电平更强。高增益赋形全向天线的最大增益为12dBi，我司选择该类型天线的零点填充水平为25%（即第一零点的深度为-12dB）、3度固定电下倾。由于存在3度下倾，因此在0度方向的增益与普通高增益全向天线相同（10.5-11dBi）。这种天线用于山区、丘陵覆盖比较理想，可以有效解决由于天线挂高太高而出现的塔下黑现象。由于赋形天线只对天线下方第一个零点进行填充，因此如果天线挂高过高，该天线也将无能为力。因此建议需要有效覆盖的建筑物距离天线的径向距离R与天线挂高H满足以下关系H＜R×tg18°中等增益的赋形和普通全向天线更适合用于周遍环山（山比基站天线高出较多，天线对山梁的仰角大于4度）的不太发达的乡镇，由于其垂直面的波束较宽，因此指向山上的信号较强。

4、总结

通过一学期这门课程的学习以及课程综述报告的撰写，让我学习到了天线的相关知识，学习了它的工作原理、相关参数以及它的应用方面，并且认识到它是电磁场电磁波的一个应用，总的来说，学到了许多新的知识。但是对于书本上的理论知识，还是没有牢固的掌握，究其原因，发现还是自己联系做少了缘故，我觉得老师讲解的挺好的，主要是我们课后练习没有跟上，希望通过这几个星期的复习好取得好成绩。