[分享] 天线基础

    天线为什么能发射和接收无线电信号？

自赫兹和马可尼发明天线以来 ，天线在人类的社会生活中发挥着越来越重要的作用。天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，是无线电通信系统中重要的一环，天线的性能将直接影响到通信系统的品质。

 天线辐射的原理如图1.1所示。当导线上有交变电流通过时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关，若两条导线的距离很近，电场被束缚在两条导线之间，那么辐射很微弱。若将两条导线张开，电场就散播在周围的空间内，那么辐射增强。需要指出的是，当导线的长度L远小于波长时，辐射很微弱；当导线de的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因此就能形成较强的辐射。

偶极子天线搬开    传输线

天线的辐射

辐射的基本单元有电基本振子，下面以电基本振子为列来讲解天线的辐射问题。

    电基本振子的辐射场

电基本振子又称电流元或者电偶极子，它是一段高频电流直导线，其长度dl<<波长，其截面半径a<<dl，导线上的电流处处等幅同相。用这样的电基本振子可以组成实际的复杂天线，所以电基本振子的辐射特性是研究复杂天线辐射特性的基础。

根据电流连续性源理，在电基本振子两端将同时积存大小相等、符号相反的时变电荷。将电基本振子的中心放置于球坐标系的坐标原点，并使长度dl沿着Z轴方向，如图所示：

电基本振子的电流大小使用I表示，则矢量位A可以表示为

 在球坐标系中

于是，可以求得辐射的磁场强度为：

  即

 在利用麦克斯韦方程，可以求得电场强度为：

 即

式中，E为电场强度，单位V/m;H为磁场强度，单位为A/m;下标  分  别表示球坐标系的各个方向分量；

为自由空间的介电常数，   单位为F/m；

为自由空间导磁率，    单位为H/m；k是自由空间相位常数， 是自由空间波长。  

近区场

kr<<1的区域称为近区，此时  则可以近似为：

 由此可以看出，近区电场和磁场存在Π/2的相位差，于是坡印廷矢量的平均值为：

由于能量在电场和磁场以及场和源之间交换而没有能量辐射，因此近区场也称为感应场。 

远区场

kr>>1的区域称为远区，此时   近似为：

 由此可以看出，在远区内，电场只有E0分量，磁场只有  分量，且电场和磁场的相位相同。此时，坡印廷矢量的平均值为： 由于电磁波沿着球坐标系的 r 方向 向外辐射，因此远区场也称为辐射场。

对于电基本振子的辐射场而言，电场、磁场和传播方向三者相互垂直，在传播方向上电场和磁场的分量为零，故称为横电磁波，即TEM波。

而且，电场分量E0和磁场分量 的比值为常数，我们将其称为媒质的波阻抗。

对于自由空间而言，媒质的波阻抗为：