1、天线与电磁辐射,吉林大学仪器科学与电气工程学院 2010级4班 杨宇,何为天线天线的发射机理形形色色的天线,上篇何为天线,天线是无线电设备中用于辐射或接受电磁波的部件,根据天线的作用不同，可以把它分为发射天线和接收天线发射天线的主要功能是把发电机输出的高频电流转化为能向空间辐射的电磁波接收天线的主要作用是把空间的电磁波转换为高频导波，再经传输线发送给接受设备根据“天线互易原理”，一副天线即可以作为发射天线，也可以作为接收天线，其性能参数完全相同。有线电视系统中，接收天线的作用是把空中的无线电视信号、多路微波信号或卫星电视信号接收下来送往系统中进行传输和分配,【方向性系数】方向性系数是用来表示天
2、线向某一个方向集中辐射电磁波程度（即方向性图的尖锐程度）的一个参数。 为了确定定向天线的方向性系数，通常以理想的非定向天线作为比较的标准。任一定向天线的方向性系数是指在接收点产生相等电场强度的条件下，非定向天线的总辐射功率对该定向天线的总辐射功率之比。按照上面的定义，由于定向天线在各个方向上的辐射强度不等，故天线的方向性系数也随着观察点的位置而不同，在辐射电场最大的方向，方向性系数也最大。通常如果不特别指出，就以最大辐射方向的方向性系数作为定向天线的方向性系数。在中波和短波波段，方向性系数约为几到几十；在米波范围内，约为几十到几百；而在厘米波波段，则可高达几千，甚至几万。,【天线最大增益系数】
3、平时也简称天线最大增益或天线增益。指在最大场强方向上某点产生相等电场强度的条件下，标准天线（无方向）的总输入功率对定向天线总输入功率的比值，称该天线的最大增益系数。它是比天线方向性系数更全面的反映天线对总的射频功率的有效利用程度。并用分贝数表示。可以用数学推证，天线最大增益系数等于天线方向性系数和天线效率的乘积。 【天线效率】它是指天线辐射出去的功率（即有效地转换电磁波部分的功率）和输入到天线的有功功率之比。是恒小于1的数值。,【辐射电阻】发射天线的辐射功率与馈电点的有效电流平方之比，称为天线的辐射电阻。 辐射电阻是一个等效电阻，如果用它来代替天线，就能消耗天线实际辐射的功率。因此，采用辐射电
4、阻这个概念，可以简化天线的有关计算。 辐射电阻的大小取决于天线的尺寸、形状以及馈电电流的波长。因为发射天线的任务是辐射电磁波，所以在装置天线时总是适当地选择其尺寸和形状，使辐射电阻尽可能大一些。,【天线有效高度】小于四分之一波长的垂直天线：假定在一根垂直的天线上有均匀分布的电流。此均匀电流等于实际天线上的最大电流，且所产生的辐射场强与实际天线的辐射场强相同，该假设的垂直天线的长度即为实际天线有效高度。,天线有五个基本参数：方向性系数、天线效率、增益系数、辐射电阻和天线有效高度。这些参数是衡量天线质量好坏的重要指标。,天线的基本参数,天线的发射机理,天线的一般原理是： 当导体上通以高频电流时，在
5、其周围空间会产生电场与磁场。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区、中间区、远区。 设R为空间一点到导体的距离， 是高频电流信号的波长，在R2时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流、电压有紧密的联系；在RA2的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流、电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流、电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。,天线中的电磁场,图1 传输线与天线模型,图2 天线电压、电流、电场、磁场分布图,图3 天线中电流方向与电场、磁场方向的关系,图4 两种基本的单极化的情况,（l）从天线的工作性质上划分，天线可分为两
6、大类：即发射天线系统和接收天线系统。（2）从天线的用途上划分，可分为：通信天线（电讯部门使用的）、广播电视天线（广电部门使用的）、雷达天线（军事、气象部门使用）。（3）从天线传播无线电波的频段上来划分，可分为：长波天线、中波天线、短波大线（米波天线）、电视、调频天线（分米波天线）、微波天线（厘米波、毫米波天线）、卫星天线等等。（4）从高频电流在天线中的工作状态来划分，可分为行波天线、驻波天线。（5）从天线转化电磁波的状态来划分，可分为水平极化天线、垂直极化天线、圆极化天线。（6）从天线的几何形状来划分,总体上可分为两大类：一类是线形天线。如直立式桅杆天线；带顶负荷的拉线式直立天线；带有垂直导线
7、的直立天线；带反射幕的同相水平天线；带反射板的各种偶极子天线；还有笼形天线、角笼天线、分支笼天线、角锥形、环形、菱形、螺旋形天线；有多单元折合振子天线以及蝙蝠翼天线、对数周期天线、多模多馈式天线、隙缝天线等等。另一类是面式天线。如：喇叭形天线、抛物面天线、平反射面天线、双曲发射面天线（单功能和多功能卫星接收天线），雷达天线、潜望镜天线、介质棒天线、微带天线、MMDS 天线（多功能微波传输天线）等。【2】,天线的分类,【倒F天线】在单根水平导线的一端连接一根垂直引下线而构成的天线。因其形状象英文字母L倒过来，故称倒F形天线。它是垂直接地天线的一种形式。为了提高天线的效率，它的水平部分可用几根导线
8、排在同一水平面上组成，这部分产生的辐射可忽略，产生辐射的是垂直部分。 倒L天线一般用于长波通信。它的优点是结构简单、架设方便；缺点是占地面积大、耐久性差。,形形色色的天线,【V形天线】是由彼此成一角度的两条导线组成，形状象英文字母V的一种天线。它的终端可以开路，也可以接有电阻，其电阻的大小等于天线的特性阻抗。V形天线具有单向性，最大发射方向在分角线方向的垂直平面内。它的缺点是效率低、占地面积大。,下篇天线与电磁辐射,天线与电磁辐射实验室,天线与电磁辐射,天线电磁辐射的条件天线电磁辐射的电磁辐射特性天线电磁辐射对人体的影响,1 输入到天线上的电流源频率必须高。只有高频率的电流才能产生高速变化的电
9、场才能使天线的周围和空间形成强大的位移电流。这个位移电流又使其周围产生出很强的磁场，这个磁场随时间变化，又在其周围产生出变化的电场，即位移电流，并且在空间互相向前推进，从而形成向空间传播的电磁波。在一定的场强下，波源频率越高，位移电流越强，辐射的能量也越多，而静态场不变化，频率为零，不会产生辐射。2 天线的结构：并不是任何带电的物件都可以产生和辐射电磁波，要使波源的能量有效地从辐射体辐射出去，脱离辐射体，就必须使这个辐射体的结构成为一个带电的开放系统，即将这个辐射体按照电磁场理论与特性做成耦合形、开放形传导结构。【1】,天线作为辐射电磁波的辐射体在辐射电磁波时必须具备两个条件,（1）天线电磁波
10、传播模式无线广播在传播过程中因传播的波长不同而采用不同的传播方式。其中主要分为地波传播、天波传播和直接传播。,（2）辐射场区的划分电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分，其中一部分电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动，不向外发射，称为感应场；另一部分电磁场能量脱离辐射体，以电磁波的形式向外发射，称为辐射场。一般情况下，电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为远区场（感应场）和近区场（辐射场）。由于远场和近场的划分相对复杂，要具体根据不同的工作环境和测量目的进行划分，一般而言，以场源为中心，当2r 时称为远区场，也可称为辐射场。,（3）天线方向性和场形天线的方向性
11、是指天线辐射场强的大小随方向而改变的特性。发射天线的作用是把高频电流变成发散的电磁波。为了能有效地利用电磁波的能量，有时希望天线将它的能量集中地向一定方向辐射。不同的工作要求天线有不同的方向性，例如有时要求天线在某个平面方向性强，而另一个平面则要求方向性弱。所以在实际工作中对天线的方向性是有选择的。绝对无方向的天线是不存在的。因此在天线环境影响分析过程中一般需要根据天线的方向性来确定天线产生的电磁场在空间的分布。【2】,天线电磁辐射特性,电磁辐射对人体的影响,天线在工作的过程中会向周围空间发射电磁波。对周围环境产生一定的电磁环境影响 电磁辐射对人体的健康也有一定的影响，如记忆力衰退、失眠、多梦
12、、脱发、头昏等症状。根据文献报道，电磁辐射危害人体健康的机理主要是热效应、非热效应和累积效应等。,来看看医学研究者对电磁辐射的危害的专业定义,通常，人们把微波生物学效应分为热效应和非热效应，这显然是从相互作用机理观点出发划分的。 所谓热效应，是指进入生物系统的微波能转化为热能，由热能引起的生物响应。由于微波能的热转化，往往引起生物系统整体或局部的温度升高，但有时却因生物系统或环境系统的热平衡调节，及时将转化的热能带走而并不伴随整体或局部的温度升高。 所谓非热效应，过去曾用“non-thermal effect”这一术语表示，定义是：当生物系统吸收电磁能后，产生的不直接与热的生成有关的生物学变化。基于新的知识，现在非热效应用“athermal effect”这一术语表示，定义是：当生物系统吸收电磁能量后，产生的不可归属于温度变化的生物学变化。非热效应也称为场的特异性效应。,谢谢老师,
