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天线基本原理

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该方程的物理含义是:包围在封闭体积内的电场和磁场能量总和等于传输能量和

称为波印亭矢量,它代表功率通量。

损耗的能量之和。

6. 矢量波动方程

从麦克斯韦方程出发,利用矢量公式和相关边界条件,可以得到电磁场的矢量波动方程:

给定电流密度

和电荷密度,求解矢量波动方程就可以得到麦氏方程的解。

矢量波动方程不是一组独立的方程。本质上它与麦克斯韦方程及其边界条件一致。

天线问题可以通过求解矢量波动方程得到,也可以通过直接求解麦克斯韦方程得到。

[问题] 既然已有麦克斯韦方程,为什么还要矢量波动方程

麦克斯韦方程是一个严格方程,但它的求解非常复杂。由于过去的计算手段非常落后,许多电磁问题只能通过手工计算得到,在这种情况下直接求解麦克斯韦方程非常困难;

麦克斯韦方程不仅是天线的理论基础,也是传输线和光纤的理论基础。麦克斯韦方程与不同的边界条件可以分别导出矢量波动方程,电报方程和射线方程,但只有矢量波动方程才代表天线;

导出矢量波动方程并在不同的具体应用条件对该方程作简化,往往可以获得某些规则天线的准确解,这在当时非常有意义;

近年来随着计算机和电磁仿真工具的发展,直接求解麦克斯韦方程才逐渐成为可能。

[注意] 麦克斯韦方程和矢量波动方程之间不能划等号。矢量波动方程是天线方程,而麦克斯韦方程必须连同特定的边界条件才构成天线方程。

在无耗媒质(非导电媒质)和时谐电场中,上式变为:

其中

,k称为波数。

无源区域退化为齐次亥姆霍兹方程:

三、 电磁场唯一性定理和电磁场方程的求解方法

1. 电磁场唯一性定理:满足特定边界条件的电磁场是唯一的。因此不论采取什么方法,只要得到了一个符合边界条件的电磁场解,这个解正是需要寻找的解。

2. 电磁问题的求解方法

特定的少数具有规则几何形状和简单几何条件下的电磁场问题,可以采用

一些技巧性方法进行严格的数学求解。这些方法有分离变量法、镜像法、格林函数法等。

少数简单几何形状的电磁问题可以采用辅助函数法求解,如矢量磁位和标量磁位法,微分函数法和积分函数法。

大多形状不规则的电磁问题不能进行严格的数学方法进行求解,或者数学方程过于复杂。此时可以借助计算机工具对麦克斯韦方程或矢量波动方程进行数值求解。这些方法有矩量法、有限元法和有限时域差分法等。

四、 辐射条件

对天线来说,不仅需要满足麦克斯韦波动方程及其边界条件,而且还应满足辐射条件。天线的激励源分布在有限区域,无穷远处不存在场源,因此满足齐次波动方程。求解该方程即得到辐射条件。

这个方程的物理含义是,在无穷远处,位函数和场为0,即只有出射波,没有入

射波。这是天线问题与一般电磁场问题的根本区别之处。只有同时满足矢量波动方程和辐射条件,才能形成天线。

五、 天线的近场和远场

满足条件kr<<1的场区称为天线的近场,又称感应场。近场的场强与半径的平方

或更高次方成反比。即随着半径的减小,场强迅速增大。从这个概念还可以看出,近场场强与天线的形状相关。

满足条件kr>>1的场区称为天线的远场,又称辐射场。远场的场强与半径成反比。远场场强与天线形状关系不大,但与观察方向有关。

天线的近场与远场分解点可用以下公式表达:

Rff?2D2?,其中D是天线的最大尺寸,?是工作波长。

近场与远场之间通过快速傅立叶变换相关联。因此天线的近场测试与远场测试在一定范围内是等效的,只是精度会有所不同。

六、 天线的电参数

1. 输入阻抗和带宽

天线的输入阻抗即馈电端输入电压和输入电流的比值。输入到天线的功率被输入阻抗吸收,并被天线转换成辐射功率。

天线的输入阻抗由两部分组成,即:ZA?RA?jXA。其中ZA称为天线的输入电阻,

XA称为天线的输入电抗。理想情况下,天线的输入阻抗是纯电阻并等于馈线的特性

阻抗,这时馈线终端没有功率反射。天线匹配电路的作用就是消除天线输入阻抗中的电抗分量,使电阻分量尽可能接近馈线的特性阻抗。描述匹配的优劣常用的参数是驻波比和回波损耗。

假设馈线的特性阻抗是Z0,则馈点处的反射系数由下式定义:

Γ=(ZA- Z0)/(ZA+ Z0)

驻波比定义为:VSWR=(1+|Γ|)/(1-|Γ|)

其值在1和无穷大之间。完全匹配状态下(ZA = Z0),驻波比为1;完全失配状态下(馈线终端短路或开路,ZA =0或无穷大)驻波比为无穷大。手机天线一般要求驻波比小于。

回波损耗(RL)定义为:RL=20log(|Γ|)

它是反射系数绝对值的倒数,以分贝值表示。回波损耗值在0dB到负无穷大之间,其绝对值越大表示匹配越好。0dB表示全反射,负无穷大表示完全匹配。手机天线一般要求回波损耗小于-7dB左右。

驻波比(VSWR)和回波损耗(RL)两个参数之间有固定的数值对应关系:

?VSWR?1?RL?20log??

VSWR?1??

天线的输入阻抗取决于天线本身的结构、工作频率并受环境因素的影响,一般它只能通过实验确定。输入阻抗测试等效于驻波比和回波损耗测试。

在天线谐振频率附近,可使电气性能(回波损耗或驻波比)满足使用要求的频带范围称为天线的带宽。

2. 方向系数

天线的方向系数描述电磁能量集中程度以描述方向特性,又称为方向增益,最大

天线基本原理

该方程的物理含义是:包围在封闭体积内的电场和磁场能量总和等于传输能量和称为波印亭矢量,它代表功率通量。损耗的能量之和。6.矢量波动方程从麦克斯韦方程出发,利用矢量公式和相关边界条件,可以得到电磁场的矢量波动方程:给定电流密度和电荷密度,求解矢量
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