天线课件5..ppt

第 5章 地面对天线电气特性的影响,5.1 地面电流的作用与镜像原理,5.2 理想导电地面上方的对称振子,5.3 理想导电地面上方的天线阵,5.1.1 地面电流的作用,在前面几章的讨论中，都是假设天线处于自由空间事实上，大多数天线是设置在地面上的实际大地是半导电媒质在天线所产生的电磁场作用下，大地上会产生感应电流大地的电流由两部分构成:,2、位移电流:电位移矢量对时间的变化率,地面上方任何观察点处的电磁场，是天线辐射的电磁波与大地电流辐射的电磁波相互叠加的结果1、传导电流:自由电子定向运动产生的电流5.1 地面电流的作用与镜像原理,JC = E,导电媒质对天线的影响由其电气特性决定良导体：,不良导体：,结论：大地的电气特性与电磁波的工作频率密切相关在长波和中波波段，工作频率较低，地面呈现良导体特征，将对天线的电气特性产生较大的影响在超短波和微波波段，工作频率较高，大地呈现不良导体的特征，可以忽略大地对天线的电气特性影响，仅在分析无线电波传播的时候才考虑到大地的作用本章讨论频率较低时，地面呈现良导体特征的情况，此时把大地表面近似看成是无限大的理想导体平面，简称理想地面通过麦克斯韦方程和电磁场的边界条件，可以直接分析无限理想大导体平面上方的电荷、电流引起的电磁场，但这样做是非常麻烦的。

根据电磁场理论的惟一性原理可以得到镜像原理，通过镜像原理来分析无限大理想导体平面上方的电荷、电流引起的电磁场，要比直接通过麦克斯韦方程来分析简单得多5.1.2 镜像原理,1．点电荷的镜像,垂直于理想导体平面的电流元，沿垂直方向看，其镜像电流方向与电流元本身电流方向一致，故称为正像2．电流元的镜像,平行于理想导体平面的电流元，其镜像电流方向与电流元本身电流方向相反，故称为负像2．电流元的镜像,：电磁波射线与 z 轴的夹角；,垂直对称振子本身的辐射场,5.2.1 垂直对称振子的辐射场及其方向性,垂直对称振子和它的镜像一起构成了共轴线排列、间距为 d = 2H 的等幅、同相二元天线阵5.2 理想导电地面上方的对称振子,仰角 ：电磁波射线与地面的夹角 = 90  ,垂直对称振子与其镜像辐射场之间的相位差函数,等幅、同相二元天线阵的阵因子,无限大理想导电地面上方垂直对称振子辐射场,理想导电地面上方垂直半波振子在垂直面内的归一化方向性图最大辐射方向始终沿地表面，适合辐射地面波因为理想导体内部电磁场为零，所以垂直半波振子的方向性图仅是自由空间同相二元阵方向性图的一半5.2.2 水平对称振子的辐射场及其方向性,1．水平对称振子的辐射场,水平对称振子和它的镜像一起构成了齐平排列、间距 d = 2H 的等幅、反相二元天线阵。

设半波对称振子的振子轴沿 y 轴电磁波射线与 y 轴的方向余弦为,cosy = sin sin = cos sin,水平对称振子本身的辐射场为,等幅、反相二元阵的辐射场相位差函数,阵因子,理想导电地面上方水平对称振子的辐射场,2．水平对称振子赤道面和子午面的方向性,水平半波对称振子的归一化方向性函数,归一化阵因子,总归一化方向性函数,赤道面： zOx 平面，  = 0º,理想导电地面上方水平对称振子赤道面内总的归一化方向性函数就等于阵因子，即,半波对称振子的方向性函数为,水平半波振子赤道面的归一化方向性图仅是自由空间反相二元天线阵方向性图的一半水平面的辐射始终为零，最大辐射方向有一定仰角，适合辐射天波子午面： yOz 平面，  = 90º,,总归一化方向性函数为,半波振子本身的归一化方向性函数,水平半波对称振子子午面的归一化方向性图子午面方向性图形状与赤道面相似，但除最大方向外其他方向辐射均变小，故通常工作在赤道面结论1：水平天线架设高度 H 越高，使阵因子有最大值的k 值越多，最大辐射仰角 M 就越多结论2：在保持同样仰角的情况下，k越大，所需H越大 故通常使用 k = 1 的最大辐射方向作为工作方向。

令,得,,: 第 k 个最大辐射仰角k ：不大于 的正整数结论1：水平天线架设高度 H 越高，使阵因子有最大值的k 值越多，最大辐射仰角 M 就越多或,结论:3：天线架设高度 H 越低，第 1 个最大辐射方向的仰角 M1 越大适用于近距离天波传播使阵因子有最大值的第 1 个仰角 M1 与天线架设高度 H 的关系,结论2：在保持同样仰角的情况下，k越大，所需H越大 故通常使用 k = 1 的最大辐射方向作为工作方向记住！,在水平面（即 xOy 平面）内，电磁波与地面的夹角  = 0ºFa()|  = 0 ＝0,实际中所说的水平对称振子在水平面内的方向性，是指仰角（通常为 )一定的情况下，辐射场随水平面方位角变化的方向图，并不是指几何意义上的水平面3．水平对称振子在水平面内的方向性图,仰角  ＝ M1时，阵因子 Fa( M1) = 1,电磁波射线与振子轴(y 轴)的夹角,cosy = cosM1 sin 1,当方位角  在[–180º, 180º]范围内变化时，y 方向余弦的模 |cosy| 总是小于 1结论：仰角  ＝ M1时，方向性函数仅随方位角  变化。

因此，上式中分母大于零，分子永不为零，水平面内的方向性图没有零辐射方向水平振子在水平面的方向性图,cosM1 sin 1,4. 理想导电地面上对称振子的阻抗特性,由于地面电流的作用，天线辐射复功率发生变化,思考题：理想导电地面上方对称振子系统的辐射阻抗等于上两式的阻抗还是二元阵的总辐射阻抗？,Z = Z11 + Z12,理想导电地面上的水平对称振子与其镜像电流等幅、反相，故辐射阻抗为,Z = Z11 - Z12,理想导电地面上方垂直对称振子与其镜像电流等幅、同相，故辐射阻抗为,5.3 理想导电地面上方的天线阵,5.3.1 垂直于理想导电地面的天线阵,,f1:阵元方向性函数faij:阵元i和阵元j构成的等幅二元阵的阵因子在子午面（yoz面）内，各方向性函数分别为,天线阵总的方向性函数为,,,,,,在赤道面（即xoy面）,天线阵总的方向性函数为,f1 = 1 f a13 = 2,,5.3.2 平行于理想导电地面的天线阵,天线阵的总辐射场为,,在子午面（即yoz面）内，各方向性函数分别为,天线阵总的方向性函数为,,,,,,,在赤道面（即xoz面）,天线阵总的方向性函数为,,,,,,,,,,,。