《天线与电波传播》PPT课件 游佰强 厦门大学

 
课件内容： 
第一章：天线与电波概述 
首先介绍课程即将讲述的核心内容包括：天线的基本概念、经典体现分析方法、现代天线的基本特征及电波传播的基础知识。 
1.1 天线与电波概述 
****** 课程核心及应用概述 
　1.1.1 天线概述 
　　☆ 天线工作原理、系统构成方法 
　　☆ 天线的特点、发射及接收天线的设计指标及要点 
　　☆ 天线结构、分析方法概述 
　1.1.2 各类实用天线展示 
　　☆ 实用天线图片集锦（原理初析） 
　　☆ 天线分类 
小节归纳 
　1.1.3 现代天线设计要点 
　　☆ 天线设计要点概述 
　　☆ 天线的选择与设计 
　　☆ 天线的激励方式 
　1.1.4 天线前沿研究选讲 
　● 单元总结 
1.2 天线基本单元分析 
　1.2.1 电基本振子场解：近场、远场及中场特点；辐射功率 
　1.2.2 电磁对偶原理及其运用 
　1.2.3 磁偶极子与小环天线（对比分析思路） 
　● 单元重点 
1.3 天线的基本电学参数、互易定理与接收天线 
　● 单元简介 
　1.3.1 天线的基本电学参数 
　　☆ 发射天线的基本电参数描述 
　　☆ 天线的方向图、方向系数 
　　☆ 天线的效率、增益与极化 
　　☆ 有效长度与加载技术 
　　☆ 输入与辐射阻抗以及工作频带宽度 
　　小节归纳 
　1.3.2 互易定理与接收天线 
　　感应电动势法简介（复杂，不实用） 
　　☆ 互易定理概述 
　　☆ 用互易定理分析接收天线 
　　☆ 接收天线的等效电路与电参量 
　　☆ 接收天线的噪声温度 
　　小节归纳 
　● 单元总结 
1.4 现代天线分析样例 
　1.4.1 对称振子 
　　☆ 对称振子的电流分布 
　　☆ 对称振子的方向特性 
　　☆ 方向图，主瓣宽度，旁瓣电流 
　　☆ 对称振子的辐射功率，辐射阻抗，方向系数 
　　☆ 对称振子的输入阻抗 
　　小节归纳 
　1.4.2 电磁场叠加原理与天线阵 
　　☆ 天线的方向性 
　　☆ 二元阵与方向图乘积定理 
　　练习:等幅相差90°（用类比方法可自行推导） 
　　☆ 均匀直线阵 
　　☆ 均匀直线边射阵与端射阵 
　　☆ 非均匀等间距直线阵及其改进设计 
　　☆ 天线阵的阻抗 
　　小节归纳 
　1.4.3 镜像理论及其应用 
　　应用前提 
　　☆ 天线的镜像 
　　☆ 无限大理想导电反射面对天线方向性的影响 
　　小节归纳 
****** 本章总结 
第一章 测验 
第一章 习题 
学习参考资料：本章图库集锦CP1（研究讨论） 
第二章 简单线天线及宽带天线 
本章主要讨论线天线及各种改进应用。从最简单的线天线入手，给出了形貌变化对电参数的调控设计技巧：包括V型、菱形、蝙蝠翼、引向、抛物面、喇叭等类的定向天线；笼型、等角螺旋、对数周期等宽带天线；也给出了馈电设计、加载匹配等常用的技术。 
2.1 线天线及其改进技术 
　● 单元主要内容 
　2.1.1 简单线天线 
　　☆ 简单线天线特征，特性 
　　☆ 水平对称振子天线 
　　水平对称振子小结 
　　☆ V形对称振子 
　　☆ 蝙蝠翼振子 
　　☆ 水平全向天线 
　　小节归纳 
　2.1.2 宽带天线的实现 
　　☆ 宽带天线的基本概念 
　　☆ 笼形天线 
　　☆ 平面螺旋天线 
　　☆ 螺旋天线锥体表面生长、共型设计 
　　☆ 对数周期天线 
　　小节归纳 
　2.1.3 直立天线及其加载技术 
　　☆ 加载技术分类，特性 
　　☆ 螺旋鞭天线 
　　☆ 盘锥天线 
　　☆ 垂直地线天线的加载（提高效率） 
　　小节归纳 
　2.1.4 直线阵 
　　☆ 直线阵的特性 
　　☆ 二元天线阵分析，方向图乘积定理 
　　☆ 均匀直线阵方向图分析，各项性能指标 
　　均匀直线阵小结 
　　小节归纳 
　● 单元总结 
2.2 环形天线单元分析 
　● 单元主要内容 
　2.2.1 环形基本天线单元分析 
　　☆ 环形基本天线结构特征，环天线分类 
　　☆ 小环天线 
　　☆ 大环天线 
　　☆ 加载圆环天线及双环天线，变换参数法 
　　小节归纳 
　2.2.2 行波天线单元分析 
　　☆ 行波天线概述 
　　☆ 行波单导线的辐射场、方向图 
　　☆ 菱形天线 
　　☆ V 形天线（简化菱形） 
　　☆ 圆极化天线 
　　小节归纳 
　2.2.3 引向天线单元分析 
　　☆ 引向天线结构，特点，分析方法 
　　☆ 半波折合振子（Folded Dipole） 
　　☆ 平衡器–对称天线的馈电 
　　☆ λ/4扼流套、附加平衡段平衡器、U形管平衡器的结构，作用，特点 
　　小节归纳 
　● 单元总结 
2.3 面天线基础 
　● 单元主要内容 
　2.3.1 面天线 
　　☆ 面天线概述 
　　☆ 等效原理与惠更斯元的辐射 
　　小节归纳 
　2.3.2 喇叭天线 
　　☆ 喇叭天线的构成，分类 
　　☆ 矩形喇叭天线 
　　☆ 圆锥喇叭天线 
　　☆ 加脊喇叭天线 
　　☆ 波纹喇叭天线 
　　☆ 口径匹配喇叭天线 
　　☆ 喇叭天线实例 
　　小节归纳 
　2.3.3 抛物面天线 
　　☆ 抛物面天线的分类，分析方法，应用 
　　☆ 旋转抛物面天线 
　　☆ 卡塞格伦天线（Cassegrain Antenna）分析，优缺点 
　　☆ 抛物面天线实例 
　　小节归纳 
　****** 单元总结 
第一章 测验 
第一章 习题 
本章学习参考资料：图库集锦CP2（研究讨论） 
第三章 缝隙天线贴片天线及EDA 
本章重点介绍缝隙天线及微带天线。包括基本工作原理分析、设计技巧、常用EDA工具等。也给出了GPS、北斗、等一批实际实际应用样例（专题报告）。 
3.1 缝隙天线 
　● 单元主要内容 
　3.1.1 缝隙天线工作原理 
　　☆ 缝隙天线概述，优点，等效分析 
　　☆ 电磁场巴比涅原理 
　　☆ 缝隙天线的输入阻抗 
　　☆ 缝隙天线的馈电，波导馈电的缝隙天线 
　3.1.2 天线的效率分析 
　　☆ 天线的损耗，总效率分析 
　　☆ 天线效率的参考测量方法（只扣除热耗散影响时） 
　3.1.3 辐射边的尺度压缩设计（尺度压缩技术） 
　　☆ 采用高介电常数的材料（提升等效长度，GPS微带天线为例） 
　　☆ 短路加载 
　　　☆☆ PIFA（平面倒F型天线），PILA（平面倒L型天线） 
　　　☆☆ 短路“探针” 
　　　☆☆ 电阻加载（集中加载技术/分布加载技术） 
　　☆ 开槽开缝（提升有限尺度内的等效长度、加载） 
　　☆ 分型 
　3.1.4 常见缝隙天线 
　　☆ 矩形波导缝隙元阵列 
　　☆ 有限尺寸金属平面缝隙辐射 
　　☆ 矩形波导壁上缝隙的等效电路 
　　☆ 波导缝隙元等效导纳 
　　☆ 矩形波导缝隙元阵列结构，特点 
　　　☆☆ 谐振式缝隙阵 
　　　☆☆ 非谐振式缝隙阵 
　　　☆☆ 匹配偏斜缝隙阵 
　　☆ 圆柱表面缝隙天线 
　　☆ 异形波导面上的缝隙天线 
　3.1.5 分形变换 
　　☆ 分形概念，特征 
　　☆ 现代无线通信要求，传统微带天线实现双频和多频工作的方法 
　　☆ 分型变天线定义，优点 
　　☆ 几种典型的分型天线 
　　　☆☆ Koch 单极天线 
　　　☆☆ Hilbert 分形天线 
　　　☆☆ Sierpinski Gasket 分形天线 
　　☆ 分形环天线优势 
　　☆ 分形天线阵列　 
　● 单元总结 
3.2 贴片天线 
　● 单元主要内容 
　3.2.1 基本贴片及辐射机理 
　　☆ 应用背景及特点 
　　☆ 微带天线的分析方法 
　　☆ 矩形微带天线的等效结构、辐射 
　　☆ 单缝辐射 
　　☆ 矩形微带天线的辐射场、辐射功率、方向性系数 
　　☆ 矩形微带天线的等效电路（边馈） 
　3.2.2 天线阵列 
　　☆ 天线阵列特性，分类，优点 
　　☆ 方向图乘积定理 
　　☆ 等幅二元阵列 
　　☆ 均匀直线阵 
　　☆ 改进技术 
　　☆ 地面对天线的影响 
　3.2.3 微带天线结构，原理 
　　☆ 常用微带天线 
　　☆ 圆极化微带天线 
　　☆ 多频带微带天线（如手机双频微带天线） 
　　☆ 微带天线阵、微带行波天线 
　3.2.4 拓展频带的现代技术 
　　☆ 频率带宽衡量方法 
　　☆ 拓展频带的各种方法的原理，经典样例 
　　　☆☆ 降低等效谐振电路Q值：增大h，降低介电常数 
　　　☆☆ 附加阻抗匹配网络 
　　　☆☆ 采用楔形或者阶梯形基板 
　　　☆☆ 采用非线性调整元件（加变容管） 
　　　☆☆ 附加无源贴片 
　　　☆☆ 采用多层结构 
　　　☆☆ 开U形槽 
　　　☆☆ 其他办法 
　● 单元总结 
3.3 片式天线现代应用及EDA 
　● 单元主要内容 
　3.3.1 手机天线与设计要点 
　　☆ 手机天线分类（根据结构方式、连接方式） 
　　☆ 外置天线分类 
　　☆ 假内置特性，设计要求 
　　☆ PIFA天线（Planar Inverted F Antenna，倒F）基本属性，所需条件 
　　☆ 直板机PIFA天线，重要参数，馈点和接地的摆放 
　　☆ 翻盖或滑盖手机PIFA天线原理，常见设计优缺点 
　　☆ PIFA的局限 
　　☆ Internal Planar Monopole（内置平面单极天线）意义，发展 
　　☆ Monopole天线设计要求 
　　☆ Internal Helix（内置螺旋天线） 
　　☆ Furukawa天线设计要求 
　　☆ Chipset（片式天线）特点，设计要求 
　　☆ Bluetooth & WiFi（蓝牙 无线双模，都属于Chipset天线） 
　3.3.2 GPS北斗天线分析展示（工作原理，结构模型） 
　　☆ 用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线 
　　☆ 北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线 
　　☆ 北斗导航系统月牙圆弧分布加载双频圆极化多馈微带天线 
　　☆ 带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线 
　　☆ 团队/课题组？专利？天线设计展示（http://boya.xmu.edu.cn） 
　3.3.3 现代天线设计EDA（Electronic Design Automation  电子设计自动化）软件简介，功能特点 
　　☆ 微波射频领域EDA软件列表 
　　☆ 电磁学数值求解方法分类（频域、时域两大类） 
　　☆ HFSS仿真软件：基于有限元 
　　☆ CST仿真软件：基于时域有限积分 
　● 单元总结 
●● 本章总结 
3S1 专题报告：最新高性能天线设计方法（林斌副教授） 
　● 专题简介 
　3S1.1 设计方法，特性 
　　☆ 镜像补偿结构 
　　☆ 微观分形结构 
　　☆ 生长式分形结构 
　　☆ 复合分形结构 
　　☆ 分形缝隙结构 
　　☆ 分形阵列天线 
　　☆ “嵌入式”缝隙分形结构 
　　☆ 陶瓷薄片-铁氧体涂层复合结构 
　3S1.2 设计案例 
　　☆ 第五代移动通信系统镜像补偿折叠偶极子天线 
　　☆ 第五代移动通信系统微观分形镜像折叠偶极子天线 
　　☆ 三频段高稳定辐射生长式分形微带天线 
　　☆ 用于第四代移动通信的复合分形天线 
　　☆ 高兼容性分形阵列仿生天线 
　● 归纳总结 
3S2 专题报告：漏波天线理论与设计 （李伟文副教授） 
　3S2.1 漏波天线简述 
　　☆ 为一类行波天线，特性，起源（矩形波导开缝） 
　　☆ 分类（均匀、周期性，快波、慢波） 
　3S2.2 均匀漏波天线辐射原理 
　　☆ 辐射条件，传播常数（相位常数、衰减系数） 
　　☆ 无限、有限尺寸漏波结构辐射分析 
　　☆ 波束扫描特性 
　　归纳总结 
　3S2.3 周期型漏波天线辐射原理 
　　☆ 周期函数，空间谐波 
　　☆ 模式的辐射条件 
　　　☆☆ 基模属于快波 
　　　☆☆ 基模属于慢波 
　　总结 
第三章 测验 
第三章 习题 
本章学习参考资料：图库集锦CP3（研究讨论） 
第四章 电波传播初步 
本章将从电波传播的入门知识入手，给出电波传播的频率范围及五种典型的传播方式，从载体变化（天、地、水、电离层）、损耗与衰落、信道模型、场强计算、天波运用、静区与回波、高性能接接收与发射（抛物面天线、定向天线、立体通信体系）等方面逐步展开讨论。初步分析了影响系统工作的一些问题（EMC要求、常用的屏蔽方法，改进技术等）。也列举了一些系统级应用（微波通信系统、中继转接、SDH数字微波、微波遥感、水下及地面融合、超长波、激光通信）等。 
4.1 电波传播入门介绍　 
● 单元主要内容　 
4.1.1 概述（频率范围及五种传播方式简介） 
　　☆ 地波传播 
　　☆ 对流层电波传播：低空大气层 
　　☆ 电离层传播 
　　☆ 地——电离层波导传播：电波在地球表面及以电离层为界的空间内传播 
　　☆ 大气层及星际空间电波传播（卫星） 
　　☆ 无线电波谱 
　　☆ 电波传播特性的影响因素 
　4.1.2 自由空间电波传输 
　　☆ 自由空间传播损耗（扩散） 
　　☆ 衰减损耗（吸收损耗） 
　　☆ 路径传输损耗（基本传输损耗） 
　　☆ 电道的传输损耗（考虑天线电学性能） 
　　结论，练习 
　4.1.3 电波传播的菲涅尔区 
　　☆ 二次波源与菲涅尔环带 
　　☆ 电波传播的主要通道 
　4.1.4 传播媒质对电波传播的影响 
　　☆ 传输损耗 
　　☆ 衰落（吸收形、干涉形） 
　　☆ 传输失真 
　　☆ 电波的折射、反射、绕射 
　4.1.5 干扰与噪声 
　　☆ 信道模型的一般表示式 
　　☆ 电磁噪声的分类，表述方法 
4.2 地波传播　 
● 单元主要内容 
　4.2.1 地球表面电特性 
　4.2.2 地波传播特性 
　　☆ 地波传播原理、定义、特点、分析方法 
　　☆ 波前倾斜现象及其能流解释法 
　　☆ 地波传播时场的结构 
　　☆ 地波传播特性　 
4.2.3 地波场强计算　　 
☆ CCIR曲线图使用条件，所需参数计算方式 
4.2.4 地面不均匀性对地波传播的影响 
　　☆ 不同性质地面上传播时（环境载体变化）电场近似计算方法 
　　☆ 地质沿不均匀媒质传播时的场强曲线 
4.3 天波传播及短波传播　 
● 单元主要内容　　天波传播概念，方式，优缺点 
　4.3.1 电离层　　 
☆ 电离层基本概念　　 
☆ 电离层结构特点 
　　☆ 电离层变化规律 
　　☆ 电离层的等效电参数推导 
　　☆ 电离层的介电性质（基本特性、电导率、各向异性、双折射） 
　4.3.2 无线电波在电离层中的传播 
　　☆ 电离层折射率近似推导 
　　☆ 反射条件（传播距离）分析 
　　☆ 电离层的吸收的定义，分类，特性 
　4.3.3 短波天波的传播 
　　☆ 短波天波概念，用途，优缺点 
　　☆ 短波天波传输模式 
　　☆ 短波天波传播工作频率的选择 
　　☆ 短波天波传输特性 
　　☆ 短波传输的基本特点 
　　　☆☆ 衰落：信号的随机起伏 
　　　☆☆ 多径延时特性 
　　　☆☆ 静区 
　　　☆☆ 回波现象 
4.4 短波传播常用的抛物面天线及定向天线 
　4.4.1 抛物面天线简介 
　　☆ 抛物面天线的特点，组成（馈源、反射面） 
　　☆ 抛物面天线的几何关系 
　　☆ 抛物面天线口径场分析 
　　☆ 抛物面天线辐射场分析 
　　☆ 抛物面天线方向性与增益 
　　☆ 增益因子与抛物面半张角关系曲线 
　4.4.2 定向天线简介 
　　☆ 定向天线基本概念 
　　☆ 定向天线应用特点 
　　☆ 定向天线的典型形式 
4.5 立体通信体系中的天线 
　● 单元主要内容　 
4.5.1 跨应用兼容天线设计要点 
　　☆ 基本概念补充：电磁兼容技术术语 
　　☆ EMC要求 
　　　☆☆ 构成干扰三要素 
　　　☆☆ 共模和差模 
　　　☆☆ 传输途径（空间辐射、导线传导） 
　　☆ 空间辐射电磁波 
　　　☆☆ 问题概述 
　　　☆☆ 设备内天线辐射 
　　　☆☆ 磁场天线的差模电流辐射 
　　　☆☆ 骚扰源的频谱分析 
　　☆ 机箱屏蔽方法，特性，改进 
　　小节结语　 
4.5.2 地空天线系统实现 
　　☆ 雷达系统 
　　　☆☆ 工作原理，组成框图 
　　　☆☆ 常见功能原理 
　　　☆☆ 典例（单脉冲、相控阵、合成孔径） 
　　☆ 微波通信系统 
　　　☆☆ 中继转接方式（基带、中频、微波） 
　　　☆☆ SDH数字微波通信系统 
　　☆ 微波遥感系统 
　　　☆☆ 工作原理 
　　　☆☆ 微波遥感器（微波辐射针，微波成像雷达） 
　　　☆☆ 应用　 
4.5.3 水下及地面融合通信支持 
　　☆ 水下天线 
　　☆ 水下与地面融合通信 
　　　☆☆ 无线电波 
　　　☆☆ 超长波或极长波信号 
　　　☆☆ 激光技术第四章 测验第四章 习题 
第五章 电波传播视距传播 
掌握视距传播的基本概念，讨论基本模型及修正变化、对流层中的折射衰减等。了解常用的视距传播天线、无线通信中实际视距。初步建立智能天线的概念、分类及特点；对现代通信系统载频有初步概念，了解相关新型天线的设计要点、跨频段跨应用跨载体兼容的设计理念。 
5.1 视距传播 
　5.1.1 视距传播的模型 
　　☆ 地面传播模型 
　　　☆☆ 光滑地面情况分析 
　　　☆☆ 光滑地面的判别标准判别标准 
　　☆ 光滑球面地情况 
　　　☆☆ 视线距离 
　　　☆☆ 天线的等效高度 
　　　☆☆ 球面地的扩散因子 
　　☆ 对流层大气模型 
　　　☆☆ 电波在对流层中的折射 
　　　　☆☆☆ 大气折的射率 
　　　　☆☆☆ 大气折射及类型 
　　　　☆☆☆ 等效地球半径 
　　　☆☆ 大气衰减 
　　　　☆☆☆ 原理，特性 
　　　　☆☆☆ 对工作频率选择的影响 
　5.1.2 常用的视距传播天线原件 
　　☆ 八木天线/引向天线 
　　☆ 扇形天线 
　　☆ 双锥形天线 
　　☆ 喇叭天线/号角天线 
5.2 无线通信中的视距 
　5.2.1 有效覆盖区域 
　　☆ 地面上的有效反射区 
　5.2.2 定向扫描技术定义，应用 
　　☆ 定向扫描成像测井技术及其应用 
　　☆ 红外导引头定向扫描控制 
　5.2.3 天线单元的智能化 
　　☆ 智能天线发展，优点 
　　☆ 智能天线工作原理，工作特性 
　　☆ 智能算法分类 
　　☆ 智能天线特点 
5.3 5G 通信及工作频段展望 
　5.3.1 载频与系统承载潜力 
　　☆ 载频定义 
　　☆ 载频频率与系统承载能力 
　5.3.2 未来天线突破要数讨论 
　　☆ 发展趋势 
　　　☆☆ 天线体积小型化 
　　　☆☆ 多种制式网络共天馈应用 
　　　☆☆ 天线功能模式向智能化功能方向发展 
　　　☆☆ 天线与射频模块连接由分离式向集中式发展 
　　☆ 新型天线关键技术分析 
　　　☆☆ 小型化天线技术 
　　　☆☆ 多制式天线技术 
　　　☆☆ 有源天线技术 
　5.3.3 跨频段、跨载体展望 
　　☆ 跨频段 
　　　☆☆ 载波聚合 
　　　　☆☆☆ 简介 
　　　　☆☆☆ 应用 
　　　☆☆ TD-LTE多频段负载均衡 
　　☆ 跨载体 
　　　☆☆ 简介 
　　　☆☆ 实现方式 
　　　☆☆ 研究现状 
5E 拓展讲座–5G 
　● 单元主要内容 
　5E.1 应用前景和技术路线 
　　☆ 5G涉及的应用领域，总体规划 
　　☆ 5G网络架构设计 
　　　☆☆ 概述，接入、控制、转发平面 
　　　☆☆ 一个可能的5G系统架构 
　　　☆☆ 5G网络逻辑视图 
　　☆ 5G系统设计，特征及5G与4G技术的比较 
　　　☆☆ 机动车驾驶 
　　　☆☆ 移动通信 
　　　☆☆ 5G技术发展，应用，规范化时间线 
　　☆ 未来5G系统中各种场景 
　　☆ 5G的关键能力 
　　☆ 5G的关键技术（现状，方向/趋势） 
　5E.2 技术场景和性能挑战 
　　☆ 天线设计技术进展：电磁声学前沿系列讲座（107、108、110）［已结束］ 
　　　☆☆ 巧捷万端：5G中的天线技术 陈志宁教授 
　　　☆☆ Dual-Frequency Antenna Designs with Large Frequency Ratios 刘颜回教授 
　　　☆☆ New Developments  Applications and Future Direction of Gap Waveguide Technology 杨坚教授 
　　Gap Waveguide 简介 
　　☆ 无线传输技术 
　　　☆☆ 大规模多天线，信道建模，信道编码 
　　　☆☆ 全双工 
　　　☆☆ 不同应用场景下不同的技术要求 
　　☆ 挑战以及潜在的解决方案和相应的设计原则 
　　☆ 5G的技术场景 
　　　☆☆ 性能挑战，三大主要应用场景，四个主要技术场景 
　　　☆☆ 连续广域覆盖场景，热点高容量场景 
　　　☆☆ 低功耗大连接场景，低时延高可靠场景 
　　☆ 5G的技术场景与关键性能挑战 
　　☆ 5G技术场景和关键技术的关系 
　　☆ 5G投资产业链 
　5E.3 关键技术指标需求 
　　☆ 5G关键技术指标需求 
第五章 测验 
第五章 习题 
本章学习参考资料：图库集锦CP4（研究讨论）