移动通信天馈系统.doc

--------------------------校验:_____________--------------------------日期:_____________移动通信天馈系统移动通信天馈系统第一节天线的基本概念一、电磁辐射与电波传播电磁辐射的机理源自麦克斯韦方程。英国科学家麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)总结了法拉第、安培、高斯、库仑等前人的工作,创立了电磁理论学说,这一学说以他于1864年在英国皇家学会上宣读的论文《电磁场的动力学理论》为标志。麦克斯韦通过(3-1)式的方程组预言了电磁波的存在:在麦克斯韦方程组中,(3-1a)称为法拉第电磁感应定律,它表示变化的磁场可以产生电场;(3-1b)称为全电流安培环路定律,它表示传导电流和位移电流(也即变化的电场)都可以产生磁场;(3-1c)称为电场高斯定理,它表示电荷可以产生电场;(3-1d)称为磁场高斯定理,它表示磁场是无散场。22年之后,1886年德国科学家赫兹(HeinrichHertz)完成了著名的电磁波辐射实验,证明了麦克斯韦的电磁理论学说以及电磁波存在的预言。此后,一般认为大约是在1892~1897年之间,意大利的马可尼(GuglielmoMarconi)、俄国的波波夫(AlexanderPopov)分别实现了无线电远距离传播,并很快投入商业使用。根据麦克斯韦方程,如果导电体上有随时间变化的电流,就会有电磁辐射的产生。研究电磁波的辐射,具有双重含义:一方面,电磁辐射是有害的,导电系统的电磁辐射场会对系统本身或者其它系统形成干扰,因此在系统设计时,需要进行合理的考虑,使系统的电磁辐射及防护达到规定的指标,达到规定的电磁环境的要求,以使系统中各电路之间以及各电子系统之间互不干扰地正常工作,这一研究范围称为电磁兼容;另一方面,电磁辐射是有益的,可以被有效的利用,利用电磁辐射源与场的关系,合理地设计辐射体——天线,使电磁能量能够携带有用的信息,有效地辐射到指定的空间区域,实现无线电通信等用途。后者才是本章讨论的重点。天线作为辐射或接收无线电波的部件而应用于任何一个无线电系统之中,其作用是将发射机送来的高频电流(或导波)有效地转换为无线电波并传送到特定的空间区域;或者将特定的空间区域发送过来的无线电波有效地转换为高频电流而进入接收机。前者称为发射天线,后者称为接收天线,这取决于无线电系统的功能要求,天线本身同时兼备发射和接收的功能,因此在理论上和分析设计上并不需作特别区分。天线的辐射原理可通过图3-1予以描述:图中上半部分为终端开路的理想平行传输线,它连接到交变的射频信号源上,因此平行传输线上的交变电流可以在其周围产生交变的电磁场。然而,由于双导线之间的距离远远小于工作波长,在双导线的任意横截面位置上,两根导线上的电流始终是振幅相等、方向相反(相位相差180度)。因此,两根导线在离开本身较远的空间任一点处产生的场彼此抵消,电磁能量于是被束缚于双导线的附近区域,形成一个保守系统(传输线)。图3-1开路传输线与半波对称振子然而,在图3-1中下半部分,将双导线张开180度,分别与原导线垂直,当总长度等于半个波长时,形成半波对称振子。此时,半波对称振子对应的上下两线段上的电流可以转为同相,由此二者在空间不同位置上产生的场不再是相互抵消,而是完全叠加或者部分叠加。于是形成了开放的辐射系统——天线。图3-2半波对称振子的等效电流和等效电压分布半波对称振子馈接上交变的信号源,于是在对称振子上产生了一定的交变电流分布,这些交变的电流又在其周围空间激励起电磁场。这种电磁场也服从一定的空间分布,且应该使振子表面上的电磁边界条件得到满足,即反过来使振子表面上产生所述的电流分布。这种电流分布与在空间激励的电磁场俨然一体,互相联系,不可分割。求解振子上电流分布以及空间电磁场的任务即由麦克斯韦方程组结合电磁边界条件来完成。麦克斯韦方程组是通用的,而不同的天线结构形式的三维电磁边界条件是互不相同的,因此求解的结果是各异的。天线设计师尝试设计出具有不同电磁边界条件的天线结构,得到特殊的天线辐射特性,从而满足特定的应用需求。图3-2即为求解的半波对称振子的等效电流和等效电压分布。可以看出,终端是开路的,因此电流为零,电压最大,这服从等效电路的分析原理,也满足该天线结构本身的边界条件。另外,天线导电体上每一点的电流和电压都不同,这也体现了当天线结构尺寸与波长可相比拟时所呈现的高频分布参数特性。图3-3示出的是半波对称振子周围的电磁场分布。可以看出,导体上交变的电流产生出磁场,同时导体上分布的电荷也产生电场,电场和磁场是相互正交的。图3-3半波对称振子周围的电磁场分布图3-4电磁波的辐射与场区的划分进一步,天线周围的空间电磁场根据特性的不同又可划分为三个不同的区域:(a)感应近场,(b)辐射近