微波技术与天线——电磁波导行与辐射工程(第二版)殷际

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1、第五章天线理论基础5-1研究天线问题的基本思路[用于下篇提要]5-2电流元的辐射场[用于5.1]5-3利用电流元的辐射结论分析研究实际天线的辐射[用于5.2，5.3]5-4发射天线的电特性参量[用于5.4]5－15－25-5接收天线[用于5.5]5-6天线陈列[用于5.6.1～5.6.4]5-7相控阵列与智能天线[用于5.7]5-8地面对天线辐射特性的影响[用于5.8]5-9天线工程理论研究的其它问题[用于5.6.5，5.9，5.10，6.1]5－35-1研究天线问题的基本思路无线电信是以辐射传播的电磁波作为信息的载体

2、而实现的通信。在无线电信的实现中，天线具有至关重要的作用：在发送端天线把载有信息的导行电磁波转换为辐射电磁波；在接收端则完成相反的过程，即把载有信息的辐射电磁波转换为导行电磁波。也就是说，天线完成导行电磁波与辐射电磁波的相互转换。就天线本身而言，它是由传输线演变而成的。无论是理论上还是工程实际中，天线问题的核心则是求取辐射电磁波在空间存在的规律，特别是求取其场量幅值的空间分布规律，这称之为天线的方向性。5－4从易于理解和研究问题的方便考虑，研究辐射波的问题都是从辐射源的分布求其辐射场的分布，即分析研究发射天线的辐射问题

3、。而其基本思想则是因辐射波传播的空间充斥线性媒质而适用叠加原理，因而求分布源（不同形状的天线及不同结构的天线阵列）的辐射问题就成为不同矢量方向、幅值及相位的电场、磁场矢量求和问题（即空间中场的干涉）。这一基本思想贯穿天线理论的始终。基于电路理论中的互易定理，确立了发射天线与接收天线（或同一天线发射与接收状态时）电性能的关系，这样在分析并得出发射天线的结论和相关参量之后，也就得到了接收天线的基本参量。这也是我们不去基于电磁感应原理去专门分析接收天线并得出相应结果的原因所在。5－5载流导线类天线直观具体，我们由研究它的辐射

4、问题入手。为此先研究载有高频电流的微小导线段—电流元的辐射情况，因为金属导线天线可视为无穷多电流元的组合，其辐射问题可由电流元的辐射场叠加求取。由电磁场基本方程可知，场源的存在形式有传导电流J、电荷ρ（时变情况下与J相关），还有时变电场（位移电流）和时变磁场（位移磁流）。这样，载流导线和有时变电场、磁场分布的口径面都是场源，都可作为发射天线。5－65-2电流元的辐射场1/电流元的辐射问题是研究辐射电磁波的基础电流元是为分析金属导线天线而构想的一个物理模型。对其结构的设定，可认为高频电流集总于电流元的轴线，沿长度方向电流

5、的幅值和相位都不变。5－7求电流源的辐射场，是电磁场理论中的经典问题之一，它是借助辅助函数A（矢量磁位），求解达朗贝尔方程而得出结果。讨论天线的方向性问题是考察波源的远区（r>>λ），电流元远区场（辐射场）只有两个场分量其详细分析过程见1-8电磁波的产生及传播。由电流元辐射场表达式可知：电流元辐射场为横波（球面波），其Eθ与Hφ的比值即波阻抗是空间媒质（μ0，ε0）决定的恒定值Eθ（及Hφ）具有方向性，即其在不同空间方向上辐射强度不同，方向函数就是方向性的数学表示，它是天线辐射波表达式幅值中与方向有关的因子5－8辐射强

6、度，即波的振幅Eθ、Hφ正比于dl/λ。就是说天线长度与波长相当时才能建立有效的辐射。这是天线工程的一个重要理念，对信号的频谱搬移不仅仅是为了信道复用，也是为了无线通信实现有效的辐射。2/电流元辐射的结论F（θ，φ）的图象就是方向图。它可以是以方向角为自变量的标高图，而用极坐标表示则更为直观形象。三维极坐标方向图空间实感好，但绘制较难。5－9我们以流有行波电流的长直导线的辐射场分析为例，来说明电流元是怎样应用于线天线的分析研究中的。5－105-3利用电流元的辐射结论分析研究实际天线的辐射1/行波长线天线的辐射场载有行波

7、电流的长直天线称为行波长线天线，令线长l长可与波长比拟，线终端接匹配负载以保证线上为行波电流。为简化分析，暂不计地面影响，即行波长线天线工作于自由空间；在确定线上电流规律时，不计沿线的欧姆损失和辐射损失，即沿线长电流幅值不变而只有相位滞后。这样行波长线天线上的电流为5－11其相移常数与自由空间中电磁波的相移常数相同。把行波长线天线看做是无穷多的电流元沿天线轴线连接而成。取线上任一位置z处的dz线段，我们把它看做电流元（在dz内线上电流幅值、相位均为恒定），它在空间任一点p处产生的辐射场（这里只写出电场记做，而无须再写出

8、磁场）为5－12整个l长线长中无穷多个这样的电流元都要在p点处产生各自的辐射场，它们叠加的结果就是整个行波长线天线的辐射场。现在我们以行波长线天线的始端为基准并取一电流元dz，考察它与前面我们在天线上任取的电流元dz在空间p点产生的辐射场的叠加。首先，它们到场点p的距离不同（r0与r），观察线与天线轴线z的夹角不同（与），因此它们