天线辐射
天线特性测量实验
一、偶极子天线特性实验
【实验目的】
1、理解半波偶极子天线的基本功能
2、测量半波偶极子天线E面的辐射模式
3、测量半波偶极子天线H面的辐射模式
【实验原理】
图1所示的是半波偶极子天线的结构模型和电流分布图。在图a中，总长度是半个波长，b中，电流的分布为在馈点值为最大，在两端点值为0。半波偶极子天线是一种谐振天线，它的输入阻抗为70+j0Ω。半波偶极子天线的辐射电阻为70Ω与输入阻抗中的电抗大小一样。通过调整天线的长度可以使输入阻抗变成纯电阻。下面的公式将解释长度为λ/2的一个半波偶极子天线的电流。电流流过Z轴，电流的分布由下面的公式（1）进行计算。在方程（1）中，馈点的电流大小为10，端点的大小为0。
电流引起的辐射电场由以下公式进行计算
波函数从公式2到下面的公式3中
功率的计算公式如下
根据公式4可绘出下面的2辐射图。电流从南边流向北，沿着着Z轴的正方向。在这个图中，最大辐射发生在θ=±90°的方向上，而在θ=0°,180°的方向上没有辐射。
在试验中使用的半波偶极子天线为914.5125MHz和2.45GHz，其波长大小如下
频率：914.5125GHz
波长:λ=c/f=3×108/9.15×109=328.04mm
半波长:λ/2=164.02mm
频率：2.45GHz
波长:λ=c/f=3×108/2.45×109=122.45mm
半波长:λ/2=61.22mm
为了将天线的输入阻抗中电抗部分去掉，根据公式，我们只需使天线的长度稍短于半个波长即可。这个比率称为天线的缩短比例，根据相对绝缘比例，波长的缩减比例大小如下所示：
在这个公式中，λ0代表在开阔场地的波长大小，λeff 代表有效波长。这个实验中使用的半波偶极子天线就是印刷在一个绝缘板上的。
图3所示的是对测量的辐射面的定义。这里方便地命名为E面和H面是为了更好的理解，实际的辐射面则在笛卡尔坐标系中定义。
图a在笛卡尔坐标系中的定义，粗的黑线画出的偶极子天线。图b所示的是当φ=00、θ从00到1800旋转时，在xz面测得的正面辐射图。测量结果显示在θ=900时辐射最大，在θ=00或θ=1800时辐射最小。图C显示在xz面上当角固定在θ=900、φ角从00旋转到3600时辐射模式的测量结果。测量结果显示当φ角为任意角时的全方向性特性。
【实验仪器】
微波天线实验系统：主机分别连接发射天线、接收天线和电脑。主机采用微控制器通过电脑采用步进电机控制接收天线的转动，同时采集接收天线的数据，从而绘制和分析天线辐射图、测量各种天线的特性、研究和设计天线、研究移动通信传输特性、移动通信传输环境影响研究等内容。
【实验步骤】
一、E面辐射的测量
1、分别在发射天线支架的一边和接收天线支架的顶端放置天线，保持发射天线和接收天线
互相平行、正对，间距为1到2M之间；
2、选择频率为2.45GHz，点击CAL图标。选择并记录一个AGC刻度值。选择的这个值略小于最大的辐射值－10【dBm】，按自动方式测量E面辐射方向图。
3、记录按自动方式测量的辐射的方向图；记录天线平行极化，垂直极化以及自旋时的方向图。
4、记录最大功率的角度，低于最大功率的左边和右边半功率－3【dB】的角度大小；计算半功率波瓣宽度（左边和右边半功率点的角度不同）。
（1）平行极化
图4 E面平行极化的方向图
由表可知，10.8度时有最大辐射功率-11.3dBm，对应左右半功率的角度分别为323.1度和52.2度，半功率波瓣宽度为36.9+52.2=89.1度。
其方向系数计算公式为MAX
ave
P
D
P
=（-11.3）/((-14.3-14.5)*0.5)=0.785
以下为平行极化时不是十分精确的方向图
图5 E面平行极化有误差的方向图
（2）垂直极化
图6 E面垂直极化时的方向图
由表可知，60.3度时有最大辐射功率-23.1dBm，对应左右半功率的角度分别为45度和80.1度，半功率波瓣宽度为80.1-45=35.1度。
其方向系数计算公式为MAX
ave
P
D
P
=（-23.1）/((-26.2-25.8)*0.5)=0.888
以下为垂直极化时不是十分准确的图
图7 E面垂直极化时不精确的方向图
（3）自旋
图8 E面自旋时的方向图辐射角度与辐射功率数据记录如下表
度，半功率波瓣宽度为205-128=77度。
其方向系数计算公式为MAX
ave
P
D
P
=（-16.6）/((-19.7-19.5)*0.5)=0.847
以下为自旋时不是十分准确的图
图9 E面自旋时不精确的方向图
(4)分析与讨论
由实验可得，电场的辐射强度大，E面辐的三种模式都可以有较强的反应，三种模式分别为平行极化、垂直极化、自旋。而由我们的实验结果可知，在误差允许的范围之内，实验结果还算比较可靠。但是由于我们在最后打开各个实验保存记录时，使用的是914MHz这一频率，可能会导致图像有一定的变化。
二、H面辐射的测量
将发射天线向上旋转90度来得到垂直极化波，保持接收天线位置不变，测量接收波的大小，记录接收数据的最大值；记录按自动方式测量914MHz和2.45GHz时辐射的方向图；并分析与讨论在这两个频率下H面辐射的异同。
（1）频率为914MHz
图10 H面914MHz时的方向图
由表可知，66.6度时有最大辐射功率-39.3dBm，对应左右半功率的角度分别为52,2度和82.8度，半功率波瓣宽度为82.8-52.2=30.6度。
其方向系数计算公式为MAX
ave
P
D
P
=（-39.3）/((-42.2-42.2)*0.5)=0.931
（2）以下为914MHz时不是十分准确的图
图11 H面914MHz不精确的方向图
（3）频率为2.45GHz
图12 H 面2,45GHz 时的方向图
由表可知，351度时有最大辐射功率-19.4dBm ，对应左右半功率的角度分别为313度和32.4度，半功率波瓣宽度为
47+32.4=79.4
度。 其方向系数计算公式为MAX
ave
P D P
=（-19.4）/((-22.3-22.3)*0.5)=0.0.870 以下为2.45GHz 时不是十分准确的图
图13 H 面2,45GHz 时不精确的方向图 （4）分析与讨论
H 面辐射时，在低频情况下，辐射方向图接近于一个圆，而在高频时辐射方向图与E 面自旋辐射方向图很类似。由于磁场十分微弱，因此在低频时辐射表现不明显，而在高频时，辐射增强，变得比较可观。同样，在实验时由于我们打开保存文件时使用的是914MHz ，因此高频2.45GHz 的图像可能有所影响。
【误差分析】
1、在最后打开保存记录时由于不注意，使用的是低频914MHz，因此，高频的图像可能会有所改变，但大体趋势应该一样。
2、由于实验器材十分敏感，而实验室或多或少有一些电磁辐射，会产生干扰，使得实验结果不是十分准确。
二、相位延迟实验
实验时间：11月2号
【目标】
1、理解电磁波的相位延迟特性
2、测量相位延迟波形
3、测量相位延迟衰落
【实验原理】
一、路径差异引起的场强波动
在移动射频电波环境条件下，接收器是可以到处移动的。在这种条件下，接收点的电功率强度或者电场强度与传播距离和花费的时间成比例的波动，这被称之为衰落。说得简单一些，我们假设发射点固定而接收点沿某路径运动。接收功率的衰落与很多不同因素有关，其中最重要的因素是因为电磁波到达的路径不同，我们称之为为多径。图1显示了由一个直射路径和一个反射路径组成的多径。一旦发射和接收天线的增益G t和G r，以及发送功率已知，则接收功率P r为：
其中，
其中，η=377Ω，k=2π/λ[1/m]，w[rad/sec]为角频率。N是到达接受点的路径数量。X i 是第i条路径的距离。Γi表示了第i条路径上到达接收器之前被物体反射后的反射系数。等式（1）说明天线处在阻抗匹配和激化匹配条件下。
1、相位变化：
假设有且仅有两路电磁波，一路未直射路径（E1 ）传播距离为x，另一路未反
射路径（E2 ）传播距离为（X+ X0 ）。因为（E2）比（E1 ）多走了X0，并且两路电磁波有相同的幅度，因此它们之间只有幅度不同。利用等式（1）以及上述假设，可知总场E tot 为：
三角函数的和为：
将它应用到（2）式可知，
其中φ=φ0/2且φ0=-Kx0是因为两路电磁波走不同的路径而引起的。图2描述了
公式（4）表现的相位矢量图。
图2说明了电磁波之间的大小和相位关系。其中用直射波作为参考来表示反射波和总的波。这幅图说明了当两组波之间没有相位变化的时候，总的波保持一定的振幅不变。这保证了以时间按照正弦曲线变化。以下是当反射波幅度变化而直射和反射波间的相位保持不变时，总的波的表达式。
其中，a是范围在0 2、利萨如图 利萨如图是分别把两路不同的电磁波应用到纵横两坐标轴上观察到的波形。从利萨 如图中我们可以得到幅度和相位延迟的信息。下面是一种得到利萨如图的简单方法。 在公式（5）中，代入x=0,a=1和φ0=-Kx0=90o得到： 使公式（6）中X=E0cosω t, Y=E0sinωt可以得到一个圆心在（0，0）半径为E0的圆。圆周上的某一点，随着时间的前进，绕圆周运动，如图4。这就是利萨如图。 二、实验过程 1、测量在914MHz下的利萨如图，从0度到180度，每隔10度一次测量。 0度 10度 20度 30度 40度 50度 60度 70度 80度 90度 100度 110度 120度 140度 150度 170度 180度 分析与讨论 由这一系列图像可知，利萨如图在180度内从一条向右倾斜的直线逐渐变为一个正圆，然后再变为一条向左倾斜的直线，而我们通过观察它的相位延迟图像Path1 Sig（图中右方中间的波形图）的变化，可知相位延迟的起始波是一个正弦波，随着角度的增加，相位一直在发生延迟，延迟了二分之一个周期，也即发生了半波损失。其直射波和相位延迟反射波的的合成波的幅值随着角度的增加而降低，在180度时变成了一条直线。实时接收到的功率值，衰落波随着角度的增加而降低，但其中有几个角度会变大，而直射波的功率值的变化趋势和衰落波的相同。 2、测量在2.45GHz下的利萨如图，从0度到180度，每隔10度一次测量。 0度 10度 20度 30度 40度 50度 60度 70度 80度 目录 目录 (1) 一、课程设计题目 (2) 二、设计的目的与要求 (2) 三、阵天线原理 (2) 1、二元阵 (3) 2、Chebyshev多项式 (5) 四、实验结果 (8) 五、（Matlab）源程序 (11) 六、心得体会及建议 (22) 七、参考文献 (22) 一、课程设计题目 阵天线的研究与设计 二、设计的目的与要求 熟悉掌握软件使用方法，查阅资料，研究阵列天线的特点，通过软件从不同的天线阵对其进行仿真分析，并进行阵设计。 目的： （1）巩固加深对天线阵的认识，提高综合运用天线电波等知识的能力； （2）培养学生查阅参考文献，独立思考、设计、钻研电子技术相关问题的能力； （3）通过实际制作安装电子线路，学会单元电路以及整机电路的调试与分析方法；（4）掌握相关电子线路工程技术规范以及常规电子元器件的性能技术指标； （5）了解电气图国家标准以及电气制图国家标准，并利用电子CAD/PROTEL正确绘制电路图； （6）培养严肃认真的工作作风与科学态度，建立严谨的工程技术观念； （7）培养工程实践能力、创新能力和综合设计能力。 基本要求： （1）整体设计：应完成整体构图的思想、设计； （2）根据选用的软件编好用于系统仿真的测试文件。 （3）给出仿真结果及进行分析。 （4）独立完成课程设计报告，严禁报告内容雷同； （5）图中的图形符号必须符合国家或国际标准； （6）所有电路图的制作应采用电子CAD/PROTEL正确绘制 三、阵天线原理 单个天线的方向性是有限的，为了加强天线的定向辐射能力，可以采用天线阵。天线阵就是将若干个单元天线按一定方式排列而成的天线系统。排列的方式可以是直线阵、平面阵和立体阵 实验题目：天线辐射的方向特性 实验目的：理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识，测定右手螺旋天 线的方向特性。 实验原理：任何实用天线的辐射都具有方向性。通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示 出来，称为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F （θ，φ）|。天线的立体方向图一般难以画出，通常只画出E 面和H 面的方向图。 天线的方向图及其相关参数： 将方向图函数F （θ，φ）进行归一化后所绘制的方向图称为归一化方向图。 1）主瓣宽度 当天线E 面和H 面具有多瓣形状时，通常将天线最 大辐射方向所在的波瓣称为主瓣。如图中2θ0.5称为主瓣宽度。 2）副瓣电平 估计天线副瓣的强弱，一般用副瓣电平表示 3）前后比 天线最大辐射方向电平与其反方向电平之比。 4）方向性系数 天线在远场区最大辐射方向上某点的平均辐射功率密度与平均辐射功率相同的无方向性天 线在同一点的平均辐射功率密度之比： ?? = ππ ? θθ?θπ 20 2 sin ),(4d d F D 如果方向图与θ无关，那么有 ? = π θ θθπ 2 sin )(4d F D 效率： 天线的辐射功率P r 与输入功率P in 之比。 增益系数： 天线在远场最大辐射方向上某点的平均功率密度与平均功率相同的无方向性天线在同一点的 平均功率密度之比，记为G 。 等效高度： 在保持实际天线最大辐射方向上场强值不变条件下，假设天线上电流为均匀分布时无线的等效 高度。 实验内容：1、检查仪器，确保程序和机器的正常工作，调整接收天线和被测天线，使两者在初始状态时 在同一直线上； 2、启动程序和工作仪器，计算机将自动绘制方向图（平面）； 3、进行归一化处理； 4、根据作出的图象读出相关读数，并计算天线的相关参数。 电磁辐射的危害与环境监测方法 摘要：本文介绍电磁辐射强度、照射时间及总剂量对人类健康的影响程度,并对电磁辐射的环境测试包括测前准备、测试布点、测试过程、绘制污染图、注意事项及防治电磁辐射对策等内容进行了叙述。 主题词：电磁辐射危害监测 一、概述 随着现代科技的高速发展,一种看不见、模不着的污染源日益受到各界的关注,这就是被人们称为“隐形杀手”的电磁辐射。今天，越来越多的电子、通信设备投入使用，使得各种频率的不同能量的电磁波充斥着地球的每一个角落乃至更加广阔的宇宙空间，电磁波作用于人体时，一部分被人体吸收，被吸收的电磁波能量达到一定强度时就会使人体发热，超过一定限度人体就会出现高温生理反应，从而有害人的健康。电磁辐射对人的影响程度与辐射强度、频率、作用时间、环境等因素有关，辐射强度越大、作用于人体的时间越长、频率越高，影响就越大。一定程度的电磁辐射对人体的伤害已成定论，是危害人类健康的大敌。因此,电磁辐射环境问题已受到普遍关注。世界卫生组织把电磁辐射污染列为继水、气、声之后的第四大污染。联合国人类环境会议也已将其列为环境保护项目之一。世界各国都十分重视越来越复杂的电磁环境及其造成的影响，电磁环境保护已经成为一个迅速发展的新学科领域，为了保护环境,保护人类健康,保障信息安全，必须对电磁辐射加以防护，电磁辐射污染的防护已经刻不容缓。 我站自1998年以来，取得了国家实验室认可和福建省技术监督局对电磁辐射环境测试等12个项目的计量认证。多年来，受各行业无线电设台单位的委托，对银行、电力、移动、联通、学校等部门进行了电磁辐射环境测试和电磁兼容分析，保证了新建的台站与已建的台站能够互不干扰、电磁兼容。 本文主要介绍电磁辐射对人体的危害与电磁辐射环境监测方法。 全文分成三部份，在第一部分主要理论介绍电磁辐射的环境影响（包括基本概念、电磁辐射场区的划分、电磁辐射对人类健康和电器设备的影响等内容）。在第二部分，介绍电磁辐射环境测量方法(包括测试前的准备、测试布点、测试过程、绘制污染图、注意事项)及防治电磁辐射对策等内容。在第三部分，介绍电磁辐射测试实例。 一、电磁辐射的环境影响 1、基本概念 1.1 电磁辐射是指以电磁波形式通过空间传播的能量流，且限于非电离辐射，包括信息传递中的电磁波发射，雷达系统、电视和广播发射系统、射频感应及介质加热设备、射频及微波医疗设备、各种电加工设备、通信发射台站、卫星地球通 天线辐射的方向特性 一实验目的 1、理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有 一定的认识。 2、测定右手螺旋天线的方向特性。 二实验仪器 ①旋转天线盘；②喇叭形天线；③微波吸收器；④右手螺旋天线；⑤波导式天线；⑥计算机及测试软件。 三实验原理 辐射方向图： 任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图； 方向图函数： 将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它与|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。 为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度与场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像 汽车轮胎。如图1（a）所示。天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H面方向图。电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即与磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。 (a) 立体方向图；(b) E面方向图；(c) H 面方向图 图1 电流元的方向图 二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。在极坐标系中绘制的电流元的E面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90?方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0?和θ=90?）上其值为零。在H面（θ=90?）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。 而天线设计是用来有效辐射电磁能的一种装置，实际中没 第一讲天线基本原理 一、天线的基本概念 1．天线的作用 在任何无线电通信设备中，总存在一个向空间辐射电磁能量和从空间接收电磁能量的装置，这个装置就是天线。 天线的作用就是将调制到射频频率的数字信号或模拟信号发射到空间无线信道，或从空间无线信道接收调制在射频频率上的数字或模拟信号。 2．天线问题的实质 从电磁场理论出发，天线问题实质上就是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的电特性。空间任何一点的电磁场满足电磁场方程——麦克斯韦方程及其边界条件。因此，天线问题是时变电磁场问题的一种特殊形式。 从信号系统的角度出发，天线问题可以理解为考察由一个电磁波激励源产生的电磁响应特性。从通信系统的角度出发，天线可以理解为信号发射和接收器，收发天线之间的无线电信号强度满足通道传输方程和多径衰落特性。 3．对天线结构的概念理解 采用不同的模型，对天线可以有不同的理解。典型的模型比如： ●开放的电容 [思考] 野外电台或电视发射塔，无线电视或电台接收机，为什么能构成一个天线，其电流回路在什么地方？ ●开放的传输线 从传输线理论理解，天线可以看做是将终端开路的传输线终端掰开。 ●TM mn型波导 将天线辐射看做是在4π空间管道中传输的波导，则对应的传输波型是TM型波，但在传输过程中不断遇到波导的不连续性，因此不断激励高次模。 由电磁波源和电磁波传输媒质形成电磁波传输的机构 波的形成都需要波源和传输媒质。在一盆水中形成机械波纹，可以使用点激励源产生波，并在水面上传播。波的传播特性只与媒质特性有关而与波源无关。将一个肉包子扔出去，这个肉包子可能产生不同的结果，或者被狗吃了，或者掉在什么地方了，都与扔包子的人不再有任何关系。而对天线来说，馈点的激励源就是这种波源，天线导体和外界空间就是传输媒质。不过电磁波的传输媒质可以是真空。 [思考] 电磁波具有波粒二象性。频率越低，波动性越强；频率越高，粒子性越强。所以光波主要表现出粒子性，而长波表现出波动性。射频电磁波就是介于这二者之间的一种电磁波，它既有显著的波动性，又有显著的粒子性。只要认清这一点，许多问题就会变得易于理解。认清事物的本质规律我们才能很好地利用它，我们不能把一头驴当马使，否则就会出现许多荒唐的错误。有人认为射频很复杂，有人认为很简单，就是这个道理。 [哲学启示] 电磁波由于看不见，摸不着，所以在很多人看来它很抽象。但考虑到世界是普遍联系的，尽管不同的事物也有许多不相同点，但找到它们之间的联系，就能获得认识抽象事物的“火眼金睛”。 二、电磁场基本方程 1．麦克斯韦方程 （电生磁。若电场变化，则磁场随之变化） （磁生电。若磁场变化，则电场随之变化） （磁力线是无始无终的封闭闭合曲线） （电力线出发和终止于自由电荷） 麦克斯韦方程的物理含义：变化的电场可以产生磁场，变化的磁场可以产生电场，这是电磁波可以脱离辐射体在空间存在的物理基础。 [思考] 自然界存在一些有趣的现象，尽管机理与电磁波不完全一致，但是其过程却可以帮助我们加深对我们问题的理解。请大家考虑一下，孩童吹肥皂泡时，肥皂泡能够 实验报告：天线辐射的方向特性 一、实验题目： 天线辐射的方向特性 二、实验目的： 1 理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。 2 测定右手螺旋天线的方向特性。 三、实验仪器: 旋转天线盘、喇叭形天线、微波吸收器、右手螺旋天线、波导式天线、计算机及测试软件。 四、实验原理： 任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅和方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量和角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它和|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度和场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像汽车轮胎。如图1（a）所示。天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H 面方向图。电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即和磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。 (a) 立体方向图； (b) E面方向图； (c) H面方向图 图1 电流元的方向图 二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。在极坐标系中绘制的电流元的E 面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90?方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0?和θ=90?）上其值为零。在H面（θ=90?）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。而天线设计是用来有效辐射电磁能的一种装置，实际中没有一种天线能在空间中任何方向辐射，故研究其辐射的方向性可以更好的了解天线特性。 天线的方向图及其有关参数 任何实用天线的远区辐射场都是随空间的位置而变化的，因此在球坐标系中（见图2所示）天线至场点距离r处的远区辐射场量只是角度θ，φ的函数，这个函数就是方向图函数F (θ, φ ) ，通常将方向图函数关于最大值Fmax(θ,φ)进行归一化的函数称为归一化方向图函数，记为F(θ, φ) /Fmax(θ, φ)。按归一化方向图函数绘制的方向图称为天线的归一化方向图。显然，图3中示出的电流元E面和H面方向图也是归一化的方向图（因为其最大辐射方向上的最大值为1）。 天线特性测量实验 一、偶极子天线特性实验 【实验目的】 1、理解半波偶极子天线的基本功能 2、测量半波偶极子天线E面的辐射模式 3、测量半波偶极子天线H面的辐射模式 【实验原理】 图1所示的是半波偶极子天线的结构模型和电流分布图。在图a中，总长度是半个波长，b中，电流的分布为在馈点值为最大，在两端点值为0。半波偶极子天线是一种谐振天线，它的输入阻抗为70+j0Ω。半波偶极子天线的辐射电阻为70Ω与输入阻抗中的电抗大小一样。通过调整天线的长度可以使输入阻抗变成纯电阻。下面的公式将解释长度为λ/2的一个半波偶极子天线的电流。电流流过Z轴，电流的分布由下面的公式（1）进行计算。在方程（1）中，馈点的电流大小为10，端点的大小为0。 电流引起的辐射电场由以下公式进行计算 波函数从公式2到下面的公式3中 功率的计算公式如下 根据公式4可绘出下面的2辐射图。电流从南边流向北，沿着着Z轴的正方向。在这个图中，最大辐射发生在θ=±90°的方向上，而在θ=0°,180°的方向上没有辐射。 在试验中使用的半波偶极子天线为914.5125MHz和2.45GHz，其波长大小如下 频率：914.5125GHz 波长:λ=c/f=3×108/9.15×109=328.04mm 半波长:λ/2=164.02mm 频率：2.45GHz 波长:λ=c/f=3×108/2.45×109=122.45mm 半波长:λ/2=61.22mm 为了将天线的输入阻抗中电抗部分去掉，根据公式，我们只需使天线的长度稍短于半个波长即可。这个比率称为天线的缩短比例，根据相对绝缘比例，波长的缩减比例大小如下所示： 在这个公式中，λ0代表在开阔场地的波长大小，λeff 代表有效波长。这个实验中使用的半波偶极子天线就是印刷在一个绝缘板上的。 图3所示的是对测量的辐射面的定义。这里方便地命名为E面和H面是为了更好的理解，实际的辐射面则在笛卡尔坐标系中定义。 图a在笛卡尔坐标系中的定义，粗的黑线画出的偶极子天线。图b所示的是当φ=00、θ从00到1800旋转时，在xz面测得的正面辐射图。测量结果显示在θ=900时辐射最大，在θ=00或θ=1800时辐射最小。图C显示在xz面上当角固定在θ=900、φ角从00旋转到3600时辐射模式的测量结果。测量结果显示当φ角为任意角时的全方向性特性。 【实验仪器】 微波天线实验系统：主机分别连接发射天线、接收天线和电脑。主机采用微控制器通过电脑采用步进电机控制接收天线的转动，同时采集接收天线的数据，从而绘制和分析天线辐射图、测量各种天线的特性、研究和设计天线、研究移动通信传输特性、移动通信传输环境影响研究等内容。 【实验步骤】 一、E面辐射的测量 1、分别在发射天线支架的一边和接收天线支架的顶端放置天线，保持发射天线和接收天线 天线基础知识介绍 2014-12-28DSRC专用短程通信技术 1.1 什么是天线？ 空间的无线电波信号通过天线传送到电路；电路里的交流电流信号最终通过天线传送到空间中去。因此，天线是空间无线电波信号和电路里的交流电流信号的一种转换装置，如图1所示。 图1 空间电波与电路电流通过天线转换的示意图 1.2 天线有哪些基本参数？ 天线既然是空间无线电波信号和电路中的交流电流信号的转换装置，必然一端和电路中的交流电流信号接触，一端和自由空间中的无线电波信号接触。因此，天线的基本参数可分两部分，一部分描述天线在电路中的特性（即阻抗特性）；一部分描述天线与自由空间中电波的关系（即辐射特性）；另外从实际应用方面出发引入了带宽这一参数。 描述天线阻抗特性的主要参数：输入阻抗。 描述天线辐射特性的主要参数：方向图、增益、极化、效率。 除了带宽之外，后文将对每个参数进行介绍。 图2 天线的一些基本参数 1.3 输入阻抗 天线输入阻抗的意义在于天线和电路的匹配方面。 当天线和电路完全匹配时，电路里的电流全部送到天线部分，没有电流在连接处被反射回去。完全匹配状态是一种理想状态，现实中，不太可能做到理想的完全匹配，只有使反射回电路的电流尽可能小，当反射电流小到我们要求的程度的时候，就认为天线和电路匹配了。 通常，电路的输出阻抗都设计成50Ω或者75Ω，要使天线和电路连接时匹配，那么天线的输入阻抗应设计成和电路的输出阻抗相等。但通常天线的输入阻抗很难准确设计成等于电路的输出阻抗，因此在实际的天线和电路的连接处始终存在或多或少的反射电流，即一部分功率被反射回去，不能向前传输，如图3所示。 描述匹配的参数如表1所示。电压驻波比和回波损耗都是描述匹配的参数，只是表达的形式不同而已。 图3 电流在传输线不连续处产生反射的示意图 表1 描述匹配的一些参数 参数 对参数的一些描述 电压驻波比（VS WR ） 设输入电流大小为1，被反射回去的电流为Γ，那么电压驻 波比为： （1＋Γ）／（1－Γ） 电压驻波比只是个数值，没有单位。 Γ＝1/3，电压驻波比则为2；当电流被全部反射时，Γ＝1，电压驻波比为＋∞；当没有反射电流时，Γ＝0，电压驻波 比为1。 反射功率按Γ2计算，如反射电流是Γ＝1/3，那么反射功率 是Γ2＝1／9。 偶极子天线辐射场图 ——MATLAB动态仿真 【摘要】天线遍布于生活中的每一个角落，为了更好地学习天线，本文对直线 天线的简单模型——半波偶极子进行分析。应用MATLAB这个学习软件，对偶极子天线进行了动态仿真，通过结果分析，很好地符合书本中的实验结论，对抽象的天线理论很好地结合到了实际理解当中。 【关键字】偶极子天线元辐射场MATLAB动态仿真 偶极子（dipole）定义：指相距很近的符号相反的一对电荷或“磁荷”。 在电磁学的概念里，有两种偶极子：电偶极子和磁偶极子。电偶极子是两个分隔一段距离，电量相等，正负相反的电荷。应用有偶极子天线。磁偶极子是一圈封闭循环的电流，例如一个有常定电流运行的线圈，称为载流回路。偶极子的性质可以用它的偶极矩描述。电偶极矩由负电荷指向正电荷，大小等于正电荷量乘以正负电荷之间的距离。磁偶极矩的方向，根据右手法则，是大拇指从载流回路的平面指出的方向，而其它拇指则指向电流运行方向，磁偶极矩的大小等于电流乘以线圈面积。 而将两个辐射单元（天线元或者阵元），也就是偶极子，按照一定方式排列的列阵天线，如果排列在直线上，称线阵天线（图一），如果排列在一个平面上，则称为面阵天线。而这里媒质是线性的，根据线性系统的叠加定理，列阵天线的辐射场就是这两个天线元辐射场的矢量和。并且适当地各天线元激励电流的大小和相位，就可以得到所需的辐射特性。从而也很好地讨论由相似天线元组成的线阵天线的方向性。 偶极子天线用来发射和接收固定频率的信号。虽然在平时的测量中都使用宽带天线，但在场地衰减和天线系数的测量中都需要使用偶极子天线。SCHWARZBECK 偶极子天线的频率范围由30MHz~4GHz。其中的VHAP和UHAP是一套精确偶极子天线，特别适用于场地衰减和天线系数的测量。同时该天线为日本VCCI等标准机构指定的电波暗室和开阔场场地衰减测量等的唯一专用天线。该天线为众多实验室所采用，作为实验室的天线标准。 垂直天线实际上是一种偶极子天线。偶极天线由两根导体组成，每根为1/4波长，即天线总长度为半波长。所以偶极子天线叫半波振子。偶极天线的振子可以水平位置，也可垂直位置。它的方向图以馈电点为对称。馈电点在半波振子的中心。馈电点的阻抗为纯电阻，近似75Ω(约73Ω)。如果把两个1/4波长的振子延长再折回到中心，并连接在一起，则成了一个折叠偶极子天线，简称折叠振子。折叠偶极子天线的阻抗也是纯电阻近似300Ω(约290Ω)，显示出较高的输入阻抗，与平行馈线构成的高阻传输天线在很多场合得到运用。把偶极子天线直起来，垂直于地面，则成垂直天线。如果“去掉”下部的1/4λ振子，则成不对称垂直天线。这种情况是基于两个假设： ①地面为“镜面”，地底下有1/4λ振子的“镜像”； ②振子离开地面有足够的高度h。常用的垂直天线都是不对称天线，在水平 第三章天线阵 单个天线的方向图较宽，增益和方向性也有限，为了增强天线的方向性，提高天线的增益或方向性系数，常将多个单元天线组合在一起。这种由若干个单元天线按一定的方式排列起来的辐射系统称为阵列天线（Antenna Array），构成天线阵的单元称为天线单元或阵元。 阵元可以是半波振子、喇叭天线、微带天线、缝隙天线或者其它形式的天线。按照阵元中心连线轨迹，天线阵可以分成直线阵、平面阵、圆环阵、共形阵和立体阵。实际的天线阵多由相似元组成。所谓相似元，是指各阵元的类型、尺寸、架设方位等均相同。天线阵的辐射场是各单元天线辐射场的矢量和。只要调整好各单元天线辐射场之间的相位差，就可以得到所需要的、更强的方向性。 对于相似元组成的天线阵，影响方向图的因素有以下五点： （1）阵的几何排列结构； （2）阵元间的相对位置； （3）阵元的激励幅度； （4）阵元的激励相位； （5）阵元的方向图。 1、方向图乘积定理 天线阵是由许多辐射单元组成的，天线阵在空间产生的场是各个辐射单元产生的场的叠加。 P rθ? (,,) O 图3-1 任意阵元的方向图 假设有个相似元（各单元不仅形式相同，而且在空间的放置姿态或取向也相同），如图3-1所示。坐标原点选在第个单元的相位中心，第个单元位于 ，电流幅度相位为N 0n (,,n n n n r x y z ′′′=)′n I 。第个单元在观察点n (,,)P r θ?处的辐 射场模值为: (,)4n j R n n n n e E CI F R βθ?π?= （3.1） 其中为与单元形式有关的比例系数，C (,)n F θ?为单元的归一化场强方向函数，由于各阵列单元为相似元，则各阵列单元的C 、(,)n F θ?也相同。应用远场近似后， ?n n n R r r r r r ′′=?≈? i 又 ???????sin cos sin sin cos n n n n r x x y y z z r x y z θ?θ??′′′′?=++? =++?? θ 则 ?sin cos sin sin cos n n n n r r x y z θ?θ?′′′′=++ i θ 代入（3.1）式，得 ?((,)4n j r )j r r n n n e E C F I e r ββθ?π?′= i （3.2） 整个阵列的场为个单元的叠加： n 1 1?(00 (,)4n j r N N )j r r n n n n n e E E C F I e r ββθ?π???′====∑∑ i （3.3） 用(,)f θ?表示天线阵的场强幅度方向函数，得 1(,)(,)(,)a f f f θ?θ?θ=i ? （3.4） 式中1(,)f θ?为阵元的方向函数，仅与阵元的形式和尺寸有关，称为单元因子； (,)a f θ?与阵元的个数、空间位置、电流幅度与相位分布相关，称为阵因子，表 示为： 一些天线基本知识 一、电磁波产生的基本原理? 按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场，而变化的磁场又要产生变化的电场。这样，变化的电场和变化的磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。? 周期性变化的磁场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场。? 电磁波不同于机械波，它的传播不需要依赖任何弹性介质，它只靠“变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场”的机理来传播。? 当电磁波频率较低时，主要籍由有形的导电体才能传递；当频率逐渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部反回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能反回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。? 根据以上的理论，每一段流过高频电流的导线都会有电磁辐射。有的导线用作传输，就不希望有太多的电磁辐射损耗能量；有的导线用作天线，就希望能尽可能地将能量转化为电磁波发射出去。于是就有了传输线和天线。无论是天线还是传输线，都是电磁波理论或麦克斯韦方程在不同情况下的应用。? 对于传输线，这种导线的结构应该能传递电磁能量，而不会向外辐射；对于天线，这种导线的结构应该能尽可能将电磁能量传递出去。不同形状、尺寸的导线在发射和接收某一频率的无线电信号时，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必须采用适当的天线才行！研究什么样结构的导线能够实现高效的发射和接收，也就形成了天线这门学问。? 高频电磁波在空中传播，如遇着导体，就会发生感应作用，在导体内产生高频电流，使我们可以用导线接收来自远处的无线电信号。? 二、天线? 在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线，通过天线将转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送到接收机输入端。? 综上所述，天线应有以下功能：? １．天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。? ２．天线应使电磁波尽可能集 第八章 电磁能量辐射与天线 习题8.1 一长为m 20的发射天线，在频率Hz M 1=f 时，可视为单元偶极子天线，设天线上电流振幅的有效值为A 52μ.，求天线的辐射电阻d a r R 和辐射功率P 。如频率变为Hz k 001=f ，其他参数不变时，辐射电阻和辐射功率又为多少? 题意分析： 单元偶极子天线辐射电阻和辐射功率是天线特性的重要参数，必须掌握。 解： 当Hz M 1=f 时 自由空间中电磁波的传播速度为光速c 所以，电磁波的波长： 3001011036 8 =??==f c λ （m ） 天线的辐射电阻： 5.3)300 20(80)( 802222≈=?=πλπl R rad （Ω） 天线的辐射功率： 112621019.25.3)105.2(--?=??==rad R I P （W ） 当Hz k 001=f 时： 电磁波的波长： 30001010010338 =??==f c λ （m ） 天线的辐射电阻： 22222105.3)3000 20(80)( 80-?≈=?=πλπl R rad （Ω） 天线的辐射功率： 1322621019.2105.3)105.2(---?=???==rad R I P （W ） 从本题的分析可以看出：当激励电流和单元偶极子天线尺寸不变时，信号的频率越高，辐射功率越大。辐射电阻rad R 表征了单元偶极子天线辐射电磁能量的 能力，rad R 越大，辐射能力越强。 习题8.2 一单元偶极子天线位于坐标原点，离天线较远处测得天线激发的电磁波的场强为： θe )c r -t ω(r θE )t ,r (E ????? ?=sin sin 0V/m 式中c 为真空中的光速。求天线辐射的平均功率。 题意分析： 由题意，测量点距天线距离较远，本问题研究的是单元偶极子天线的远区场问题。远区场是横电磁波（TEM 波），电场强度和磁场强度在空间相互垂直，且与传播方向垂直，三者满足右手螺旋定律。在研究远区场时，天线的尺寸相对于源点到场点的距离很小，可以忽略天线尺寸的影响，因此建立如图所示球坐标系。 图8.2.1 场点P 处电场强度，磁场强度以及坡印廷矢量方向关系 解： 根据场量与波阻抗的关系，可得磁场强度为： φφθφφθe )c r -t ω(r Z E e Z E e H (r,t)H ?? ????===sin sin 00 0 （A/m ） 微波技术课程考核题目天线阵列辐射方向图的研究 系别物理与电子工程学院专业电子科学与技术班级07(4) 学号050207404 学生姓名牛涛 指导教师范瑜 日期2010-01-05 目录 一、基本概念 (2) 1.1方向图基本概念 (2) 1.2主瓣宽度 (3) 1.2.1主瓣宽度基本概念及特性 (5) 1.3旁瓣抑制 (5) 一、基本概念 1.1方向图基本概念 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內的方向图，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，见图1：全向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为圆柱型；图2：定向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为板状。 图1 全向天线波瓣示意图 图2 定向天线波瓣示意图 1.2主瓣宽度 为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定一些特性参数。主要包括：零功率波瓣宽度、半功率点波瓣宽度、旁瓣电平、前后比、方向系数等。 1.零功率波瓣宽度，指主瓣两侧场强值为0的两个方向之间的夹角，用2表示。许多天线方向图的主瓣是关于最大辐射方向对称的，因此，只要确定零功率主瓣宽度的一半，再取其2倍即可求得零功率主瓣宽度,即2=2。 2. 半功率点波瓣宽度，指方向图主瓣两侧两个半功率点（即场强下降到最大值下降到0.707（或分贝值从最大值下降3dB处对应的两点）之间的夹角，又称为3dB波束宽度或主瓣宽度，记为。对方向 第一章 1.天线的定义：用来辐射和接收无线电波的装置 2.天线的作用： 3.天线基本辐射单元：电基本振子、磁基本振子、惠更斯元 4.电基本振子又称电流元，其辐射场是球面波（等相位面的形状），辐射的是线极化波，传输的波的模式是横电磁波（TEM 波，沿传播方向电场、磁场分量为0） 5.媒质波阻抗η自由空间（120ηπ=Ω） 电基本振子E H θη? = 磁基本振子E H ? θη=- 6.磁基本振子又称磁流元、磁偶极子 7.电基本振子归一化方向函数(,)sin F θ?θ= 理想电源归一化方向函数(,)1F θ?= 8.方向图：E 面 H 面 9.电基本振子E 面方向函数()sin E F θθ=，H 面()1H F ?= 磁基本振子E 面方向函数()1E F θ=，H 面()sin H F ??= 10.方向系数：在同一距离及相同辐射功率条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度（场强的平方）和无方向性天线（点源）的辐射功率密度（场强的平方）之比 11.电基本振子D=1.5半波振子D=1.64 12.增益系数：在同一距离及相同输入功率条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度（场强的平方）和无方向性天线（点源）的辐射功率密度（场强的平方）之比 13.天线效率：物理意义（表述了天线能量转换的有效程度） 14.A G D η= 15.天线极化可分为：线极化、圆极化、椭圆极化 16.有效长度 17.输入阻抗 18.频带宽度 19.有效接收面积是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。 20.对称振子中间馈电，极化方式为线极化，辐射场为球面波。 计算输入阻抗采用“等值传输线法”，最终等效成具有一平均特性阻抗的有耗传输线。对称振子天线振子越粗，平均特性阻抗越小。 21.末端效应：由于对称振子末端具有较大的端面电容，末端电流实际不为零。 22.采用天线阵是为了加强天线的定向辐射能力。 电磁辐射测量的基础知识 1.电磁辐射传播区域的分类 电磁辐射传播区域可分为近场区和远场区两大范围，因此电磁辐射测量首先要考虑测量点和辐射源/天线之间的距离，即确定所进行的测量是近场测量还是远场测量。近场区通常指靠近天线或其他辐射源的区域，在此区域内，电场和磁场不具备完全的平面波特性，点和点之间的差异非常大。近场区又进一步分为感应近场区(Reactive Near-field Region)和辐射近场区(Radiating Near-field Region)。 1）最接近辐射源/天线的是感应近场区，相对于辐射近场区，这里感应场占支配地位，它包含大部分或者几乎所有的储存能量。无线电发射机供给发射天线以电荷和电荷的变化，对于任一瞬间, 这种电荷可以看作是由静止电荷和变化电荷所组成。其变化电荷即电流又可以看作是由恒定电流和变化电流所组成。静电荷产生静电场, 恒定电流产生恒定磁场, 变化电流产生交变电磁场。因而近场区分布不但具有交变电磁场成份, 而且更具有静电场和恒定磁场的特征。一般情况下，对于电压高电流小的场源(如发射天线、馈线等)，电场要比磁场强得多；对于电压低电流大的场源(如某些感应加热设备的模具)，磁场要比电场大得多。在靠近辐射源/天线的地方，感应场强度与R2至R3成反比，因此随着距离R的减小，感应场强度急剧增加。感应近场区的电磁场强度比其它区域大得多，电磁辐射防护的重点应该在这里。 2）当测量距离增大到R1＝λ/2π时(λ为电磁波波长，λ=c/f，c为光速，f为频率)，感应场强度与辐射场强度相当，即为感应近场区和辐射近场区的分界线。进入辐射近场区后，相对于感应近场区，这里辐射场占支配地位。电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，辐射强度的衰减比感应场要慢得多。但这里的电磁场仍不具备平面波特性，即辐射场强度角分布与距天线的距离有关。 3）当测量距离增大到R2＝2D2/λ时(D为天线的最大物理性尺寸)，就进入了远场区，电磁波辐射具备平面波特性，即辐射场强度角分布基本上与距天线的距离无关。此时可利用自由空间传播模型来测量计算电磁辐射强度的衰减（参见后面章节）。例：天线最大尺寸为1m，载波频率为900MHz(λ=c/f=0.33m)，远场区距离是多少？答：R = 2(1)2/0.33 = 6m 一般认为，当测量点与辐射源的距离大于3λ时，就可忽略感应场的成份，认为处于远场区，电磁场强度相对较小。 电磁辐射能量转换和收集技术初探 随着微电子技术和通信技术飞速发展，电磁辐射充斥了自然空间。针对当前无处不在的具有能量的电磁辐射，探讨了一种电磁辐射能量转换和收集技术，一方面提示人们主动地远离电磁辐射污染源，另一方面将电磁辐射传播的能量转换成有价值的电能，并收集和保存在超能存储器中，使之变废为宝。 标签：电磁辐射；能量转换；能量收集；能量存储 引言 电场和磁场的交互变化产生电磁波，电磁波向空中发射或泄露的现象，叫电磁辐射。电磁辐射由自然电磁辐射源和人为电磁辐射源组成，其中自然界电磁辐射源包括雷电、太阳黑子活动和宇宙射线等；人类社会形成的电磁辐射源则包括电脑、电视、音响、微波炉、电冰箱、手机、传真机、通讯站、高压电线、电动机、航空、电气铁路、广播、电视发射台、移动通信基站、雷达系统、电力产业的机房、卫星地面工作站、调度指挥中心等。电磁辐射覆盖了所有频段，几乎无处不在，且电磁波在传播时有一个电场和磁场分量的振荡，分别在两个相互垂直的方向传播能量，具有能量的电磁辐射充斥整个宇宙空间。这种电磁辐射能量积累到一定的程度，将会对人体造成永久不可逆的伤害。 因此，设计一个能够将电磁辐射变废为宝的能量转换和收集装置显得尤为迫切和重要，一方面可警示人们主动地远离电磁辐射源，另一方面使具有巨大累积能量的电磁辐射能够为社会服务。 关于将自然界中存在的能量进行转换和存储的文献、专利和应用多见于风能转换、太阳能转换和机车类等能量回收。目前尚未见将电磁辐射能量进行转换和存储的相关文献，因此，展开该技术的研究和探索具有极为重要的意义和价值。 1 系统模型 1.1 电磁辐射的特点 在复杂电磁环境下，通常在某一接收感应点会聚集各个频段各种能量的空中无线信号，包括直达波、发射波和绕射波等。系统模型如图1所示。 图1 电磁辐射模型 虽然电磁信号在传播时存在着能量损耗，如自由空间损耗公式为： （1） 其中f单位为MHz；d的单位为千米。考虑城区应用模型，则损耗公式为： 天线的主要特性（一） 天线是微波收发信设备的“出入口”，它既要将发信机的微波沿着指定的方向放射出去，同时还要接受对方传来的电磁波并送到微波收信机。因此，天线性能的好坏将直接影响到整个微波通信系统的正常运行。这里我们将对天线的性能指标及要求作一介绍。 天线的方向性 通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。所谓天线的方向系数是指在某点产生相等电场强度的条件下，无方向性天线总辐射功率PF0与定向天线总辐射功率PF的比值，常用“D”来表示，即 天线方向性图 （3-4） 不难想象，定向天线沿各个方向辐射的电场强度是不相同的，因而定向天线的方向系数也将随着观测点的位置不同而有所不同。其中方向系数最大的地方，即辐射增强的方向，称主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线对各个方向的方向系数大小，如图所示。由图可以看出，天线的方向性图像象花朵的叶瓣，各叶瓣称为方向叶。处于主射方向的方向叶称为主叶，处于主叶反方向位置的方向叶称为后叶，其他方向的方向叶统称为副叶。显然主叶的宽度越窄，说明天线的方向性也好。天线方向性的好坏，工程上常采用半功率角和零功率角两个参量来表示。所谓半功率角是指主叶瓣上场强为主射方向场强的1/√2= 0.707时（即功率下降1/2时），两个方向间的夹角，即为“2θ0.5”；所谓零功率角是指偏离主射方向最近的两个零射方向（辐射场强为零的方向）之间的夹角，记为“2θ0”。半功率角和零功率角越小，表示主叶瓣的宽度越窄，说明天线的方向性越好。 一副方向性良好的天线，除了必须具备上述具有较小的半功率角和零功率角外，还应该包括后叶瓣和副叶瓣尽可能小，以减小可能出现的窜扰。 天线的主要性能指标 表征天线性能的主要参数有方向图，增益,输入阻抗，驻波比,极化，双极化天线的隔离度，及三阶交调等。 1、方向图 天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。以发射天线为例，从不同角度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。一般地，用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立体方向图，分为水平面方向图和垂直面方向图。平行于地面在波束最大场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强最大位置剖开的图形叫垂直面方向图。 描述天线辐射特性的另一重要参数半功率宽度，在天线辐射功率分布在主瓣最大值的两侧,功率强度下降到最大值的一半(场强下降到最大值的0.707倍,3dＢ衰耗)的两个方向的夹角，表征了天线在指定方向上辐射功率的集中程度。一般地,GSM定向基站水平面半功率波瓣宽度为65o，在１20o 的小区边沿，天线辐射功率要比最大辐射方向上低9-1０ｄB。２、方向性参数 不同的天线有不同的方向图，为表示它们集中辐射的程度,方向图的尖锐程度,我们引入方向性参数。理想的点源天线辐射没有方向性,在各方向上辐射强度相等，方向是个球体。我们以理想的点源天线作为标准与实际天线进行比较，在相 同的辐射功率某天线产生于某点的电场强度平方E2与理想的点源天线在同一点产生的电场强度的平方E０2的比值称为该点的方向性参数Ｄ=E2/E02 3、天线增益 增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参数,但两者又不尽相同。增益是在同一输出功率条件下加以讨论的,方向性系数是在同一辐射功率条件下加以讨论的。由于天线各方向的辐射强度并不相等,天线的方向性系数和增益随着观察点的不同而变化，但其变化趋势是一致的。一般地，在实际应用中，取最大辐射方向的方向性系数和增益作为天线的方向性系数和增益。 另外，表征天线增益的参数有dBd和dＢi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的;dＢd相对于对称阵子天线的增益dBｉ=dBd+2．1５。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。 4、入阻输入阻抗 输抗是指天线在工作频段的高频阻抗,即馈电点的高频电压与高频电流的比值,可用矢量网络测试分析仪测量,其直流阻抗为0Ω。一般移动通信天线的输入阻抗为５0Ω。 ５、驻波比 由于天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不可能完全一致,会产生部分的信号反射，反射波和入射波在馈线上叠加形 天线辐射与接收的基本理论 第6章天线辐射与接收的基本理论 6.1 概论 6.2 基本振子的辐射 6.3 天线的电参数 6.4 接收天线理论 返回主目录 第6章天线辐射与接收的基本理论 第6章天线辐射与接收的基本理论 6.1 概论 通信的目的是传递信息, 根据传递信息的途径不同, 可将通信系统大致分为两大类: 一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息, 即所谓的发射机所产生的已调制的高频电流能量(或导波能量)经馈线传输到发射天线, 通过天线将其转换为某种极化的电磁波能量, 并向所需方向辐射出去.到达接收点后, 接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量, 经馈线输送至接收机输入端.天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备, 它的选择与设计是否合理, 对整个无线电通信系统的性能有很大的影响, 若天线设计不当, 就可能导致整个系统不能正常工作. 综上所述, 天线应有以下功能: ①天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量. 这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与发射机或接收机匹配. ②天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性. ③天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当的极化. ④天线应有足够的工作频带. 以上四点是天线最基本的功能, 据此可定义若干参数作为设计和评价天线的依据.通信的飞速发展对天线提出了许多新的要求,天线的功能也不断有新的突破.除了完成高频能量的转换外, 还要求天线系统对传递的信息进行一定的加工和处理, 如信号处理天线,单脉冲天线,自适应天线和智能天线等.特别是自1997年以来, 第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点, 而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技术之一. 天线的种类很多,按用途可将天线分为通信天线, 广播电视天线,雷达天线等; 按工作波长, 可将天线分为长波天线, 中波天线, 短波天线, 超短波天线和微波天线等; 按辐射元的类型可将天线分为两大类: 线天线和面天线.所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成, 主要用于长波,中波和短波波段; 面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的, 主要用于微波波段, 超短波波段则两者兼用. 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统. 馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线,同轴线传输线, 波导或微带线等.由于馈线系统和天线的联系十分紧密, 有时把天线和馈线系统看成是一个部件, 统称为天线馈线系统, 简称天馈系统. 研究天线问题, 实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布.空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件, 因此, 求解天线问题实质上是求解电磁阵天线完美版
天线辐射的方向特性
电磁辐射的危害与环境监测方法.
天线辐射的方向特性
天线基本原理
11天线辐射的方向特性
天线辐射
天线基础知识介绍
(两个辐射单元)偶极子天线阵辐射场图matlab仿真--工程电磁场小论文
第3章 天线阵
一些天线基本知识
第八章 电磁能量辐射与天线
天线阵列辐射方向图的研究
电磁波与天线知识点
电磁辐射测量的基础知识
电磁辐射能量转换和收集技术初探
天线的主要特性
天线的主要性能指标
天线辐射与接收的基本理论概要