天线理论与技术

　　本书系统地介绍了有关天线的基本理论、经典的分析计算方法和近代数值计算方法以及常用天线的结构、性能，天线中的一些新技术和一些新型天线。通过本书的学习，读者能对天线理论与技术有一个较全面和深入的了解，并能掌握常用天线的工作原理以及分析、设计方法。本书内容具有一定的深度和广度，各部分之间具有相对的独立性，可适应不同层次的读者阅读。本书可作为通信电子类专业大学本科高年级学生及研究生的教学用书，也可作为从事天线工作的广大在工程技术人员的自学参考书。序西安电子科技大学出版社一直把视角的焦点放在电子信息领域的最新发展和对于生产的应用方面。针对当前新经济时代，信息化水平已成为衡量我国现代化程度和综合国力的主要标志，现在出版“现代电子信息工程理论与技术丛书”，显然是一个十分恰当的时机。这套丛书的主要对象是从事电子信息领域研究和开发的科技工作者、工程师、在读的研究生，以及希望了解该领域发展的各类相关人员。因此本套丛书的重点不在于艰深的理论探讨，而是力求理论联系实际，揭示新应用，发展新领域。总之，我们希望通过这套丛书能帮助读者对电子信息领域的总体、全貌和发展趋势有所了解。西安电子科技大学出版社一直以电子信息领域的热心读者作为自己的服务对象。这套丛书的好与坏，起的作用大与小都要靠每一位读者来检验。因此在成立编委会和着手编辑这套丛书的时候，我们对读者的对象、读者的需求和读者的兴趣做了多方面的设想。为了使多方面的读者都有所收获，我们力求把每本书每个章节都做到简单明了、深入浅出；每本书都是读者了解电子信息领域的忠实“导游”；每本书都是作者与读者交换思想和促膝谈心的最佳机会。西安电子科技大学出版社一直有着广泛且相对联系紧密的作者群，他们大多是熟悉电子信息领域发展的一线专家，其中不乏该领域的知名学者、教授，正是由于这么一个群体，使我们有信心把这套丛书的学术水平和实用价值提到一个新的水平。尽管如此，这套丛书的编撰还是新的尝试，作者和编辑们缺乏经验，加之本领域发展十分迅速，使我们难于全面把握。衷心希望每一位读者都作为这套丛书的实践检验者，你们的每一条意见，将是丛书提高的重要依据。丛书编委会前言天线是无线电通信、无线电广播、无线电导航、雷达、遥测遥控等各种无线电系统中不可缺少的设备。从天线发明至今经历了1多年的时间。第一个天线是德国物理学家赫兹在1887年为验证英国数学家麦克斯韦预言的电磁波而设计的。其发射天线是两根3cm长的金属杆，杆的终端连接两块4cm见方的金属板，采用火花放电激励电磁波，接收天线是环天线。191年意大利物理学家马可尼采用一种大型天线实现了远洋通信，其发射天线为5根下垂铜线组成的扇形结构，顶部用水平横线连在一起，横线挂在两个高15英尺（1英尺＝．348米），相距2英尺的塔上，电火花放电式发射机接在天线和地之间。这可认为是真正付诸实用的第一副单极天线。早期无线电的主要应用是长波远洋通信，因此天线的发展也主要集中在长波波段上。自1925年以后，中、短波无线电广播和通信开始实际应用，各种中、短波天线得到迅速发展。194年前后，有关长、中、短波线状天线的理论基本成熟，主要的天线形式一直沿用至今。第二次世界大战中，雷达的应用促进了微波天线特别是反射面天线的发展。第二次世界大战以后的3多年是无线电电子学飞速发展的时代，微波中继通信；散射通信、电视广播的迅速发展，特别是2世纪5年代后期，人类进入太空时代，对天线提出了许多新的要求，出现了许多新型天线。随着天线应用的发展，天线理论也在不断发展。早期对线天线的计算方法是先根据传输线理论假设天线上的电流分布，然后由矢量位求其辐射场，由坡印廷矢量在空间积分求其辐射功率，从而求出辐射电阻。自2世纪3年代中期开始，为了较精确地求出天线上的电流分布及输入阻抗，很多人从边值问题的角度来研究典型的对称振子天线，提出用积分方程法来求解天线上的电流分布。2世纪3年代以后，随着喇叭和抛物面天线的应用，发展了分析口径天线的各种方法，如等效原理、电磁场矢量积分方法等。本书较系统地介绍了有关天线的基本理论和经典的分析计算方法。基本理论的讨论对于理解天线的工作原理是十分重要的，但天线问题是具有复杂边界条件的电磁场边值问题，难以得到严格解。2世纪？o年代以后，随着电子计算机的普及，各种电磁场数值计算方法应运而生，这些方法成为分析各种复杂天线问题的有力工具。本书结合实际的例子对在天线分析中常用的几种近似分析方法进行比较详细的讨论，这些方法中包括矩量法、时域有限差分法和几何绕射理论。天线的种类繁多，因篇幅所限，不可能对所有的天线进行详细讨论，只能讨论一些典型的、常用的天线的结构和性能。可以从不同的角度对天线进行分类，如按工作性质可分为发射天线和接收天线，按用途可分为通信天线、雷达天线、导航天线、电视天线和广播天线等，按工作频段可分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。这些分类方法并不是绝对的。如在通信和雷达系统中接收天线和发射天线通常是合二为一的，雷达天线和微波通信天线通常采用相同的结构，有些天线（如偶极天线、单极天线等）可用于从长波到超短波的各个频段等等。一般天线手册常采用上述的一些分类方法，而作为教材通常按其结构和分析方法将天线大致分为线天线和口径天线两大类。线天线基本由金属导线构成，这类天线包括各种偶极天线和单极天线、螺旋天线、八木天线、对数周期天线、行波天线等。口径天线通常是由一个平面或曲面上的口径构成的，通常也称为面天线，这类天线包括喇叭天线、反射面天线、缝隙天线、微带天线等。线天线的辐射场通常由导线上的电流分布来计算，而口径天线的辐射场一般由口径上的电场和磁场的切向分量来计算。这种分类方法也不是绝对的，如反射面天线的辐射场既可以用口径场计算，也可以由反射面上的电流分布计算。天线阵理论是天线理论的重要组成部分。本书较详细地介绍了常用的天线阵分析和综合技术。自适应天线及智能天线是根据不同的应用需要对天线阵的零点及主瓣进行自适应控制的天线阵，其基础理论属于信号处理学科的范畴，传统的天线教材中很少涉及这方面的内容。由于自适应天线阵的理论极大地改变了天线阵的传统概念和设计方法，已成为天线理论的重要前沿分支，因此本书专门用一章来介绍有关自适应天线阵的基本知识。频率无关天线与行波天线是两类不同的天线，前者不论方向图还是阻抗都具有宽带特性，而行波天线一般来说仅阻抗特性是宽带的。在实际应用中阻抗特性通常是限制天线带宽的主要因素，从这个意义上说，行波天线也属于宽带天线，因此将二者都放在宽带天线一章中。超宽带天线（或称时域天线）是一种，用于超宽带通信和超宽带雷达的天线，其工作原理和分析方法完全不同于常规的天线，本应单独讨论。但由于这方面的理论还不完全成熟，许多问题都还在研究之中，因此本书只介绍其基本工作原理和发展概况。这些内容单独作为一章太少，所以也将它放在宽带天线一章中，主要是考虑二者都有“宽带”特性，并且目前也有人从事将常规宽带天线用于超宽带的研究工作。但要注意宽带天线和超宽带天线是两个完全不同的概念。希望这样的安排不至于引起读者概念上的混乱。本书关于时谐场的讨论中假设场随时间变化的因子为e-jat本书分为4部分，第1、2、3章为天线基本理论部分，第4、5章为线天线部分，第6、7、8、9章为口径天线部分，第1、11章为天线阵部分。各章之间具有相对独立性·，读者根据需要选择单独的章节阅读并不会有太大的困难。感谢毛乃宏教授审阅了本书的初稿并提出宝贵的意见。由于编者水平有限，错误与不当之处在所难免，敬请批评指正。编者24年2月

暂缺《天线理论与技术》作者简介

第1章 电磁场理论基础
1. 1 电磁场的基本方程
1. 1. 1 麦克斯韦方程组
1. 1. 2 波动方程
1. 1. 3 边界条件和辐射条件
1. 1. 4 电磁场的位函数
1. 1. 5 电磁场的能量
1. 2 电磁场的等效原理
1. 2. 1 惟一性定理
1. 2. 2 镜像原理
1. 2. 3 等效原理
1. 2. 4 互易原理
1. 2. 5 巴俾涅 Babinet 原理
1. 2. 6 相似原理
1. 3 电磁场方程的基本解法
1. 3. 1 分离变量法和标量波函数
1. 3. 2 矢量波函数——矢量波动方程的
直接解
1. 3. 3 标量格林函数法
1. 3. 4 并矢格林函数法
1. 4 低频数值近似方法
1. 4. 1 矩量法
1. 4. 2 时域有限差分法
1. 5 高频近似方法
1. 5. 1 几何绕射理论的基本概念
1. 5. 2 几何光学的基本原理
1. 5. 3 柱面波入射时理想导电直劈的
绕射场
1. 5. 4 平面波和柱面波入射时理想
导电直劈的绕射场
1. 5. 5 等效电磁流法
1. 6 谱域法
1. 7 场区的划分
第2章 天线的基本参数
2. 1 天线的方向特性参数
2. 1. 1 方向性函数
2. 1. 2 方向图
2. 1. 3 主瓣宽度. 副瓣电平
2. 1. 4 方向性系数
2. 1. 5 天线增益
2. 2 天线的阻抗特性
2. 2. 1 辐射电阻
2. 2. 2 输入阻抗
2. 3 天线的效率
2. 4 天线的极化特性
2. 4. 1 电磁波的极化
2. 4. 2 极化效率
2. 4. 3 交叉极化
2. 4. 4 交叉极化隔离度和
交叉极化鉴别率
2. 5 天线的有效长度和有效面积
2. 5. 1 有效长度
2. 5. 2 有效面积
2. 6 天线频带宽度
2. 7 接收天线的等效噪声温度
第3章 天线辐射基础
3. 1 电流元的辐射
3. 2 磁流元的辐射
3. 3 惠更斯源的辐射
3. 4 任意分布电流和磁流的辐射场
3. 5 任意形状线天线的矩量法解
3. 6 平面口径辐射
3. 6. 1 等效源法
3. 6. 2 傅里叶变换法
3. 6. 3 平面口径的增益和口径效率
3. 7 矩形同相口径的辐射场
3. 7. 1 均匀分布口径场
3. 7. 2 不均匀分布口径场
3. 8 圆形同相口径的辐射场
3. 8. 1 均匀分布口径场
3. 8. 2 不均匀分布口径场
3. 9 不同相口径的辐射场
3. 9. 1 线性相位分布
3. 9. 2 平方律相位分布
3. 9. 3 立方律相位分布
第4章 偶极天线. 单极天线和
环天线
4. 1 双锥天线
4. 1. 1 双锥天线的场
4. 1. 2 双锥天线的输入阻抗
4. 2 对称偶极天线的积分方程
4. 2. 1 Pocklington积分方程 1897
4. 2. 2 Hallen积分方程 1938
4. 2. 3 Hallen方程的矩量法解
4. 2. 4 Pocklington积分方程的
谱域法解
4. 3 对称偶极天线的特性
4. 3. 1 方向特性
4. 3. 2 阻抗特性
4. 3. 3 对称偶极天线的应用
4. 4 折合偶极天线
4. 5 八木天线
4. 5. 1 无源反射器和无源引向器
4. 5. 2 八木天线
4. 6 旋转场天线与蝙蝠翼天线
4. 6. 1 旋转场天线
4. 6. 2 蝙蝠翼天线
4. 7 盘锥天线
4. 8 单极天线
4. 8. 1 简单单极天线
4. 8. 2 细螺旋天线
4. 8. 3 倒L形天线和倒F形天线
4. 9 偶极天线和单极天线的馈电
4. 10 环天线
第5章 宽频带天线
5. 1 非频变天线
5. 1. 1 平面等角螺旋天线
5. 1. 2 圆锥等角螺旋天线
5. 1. 3 阿基米德平面螺旋天线
5. 1. 4 对数周期天线
5. 2 行波天线
5. 2. 1 单导线行波天线
5. 2. 2 V形天线
5. 2. 3 菱形天线
5. 2. 4 轴向模螺旋天线
5. 3 超宽频带天线
5. 3. 1 偶极天线的脉冲辐射特性
5. 3. 2 几种超宽带天线
第6章 波导口和喇叭天线
6. 1 波导开口面的辐射
6. 2 H面扇形喇叭
6. 3 E面扇形喇叭
6. 4 角锥喇叭和圆锥喇叭
6. 4. 1 角锥喇叭
6. 4. 2 圆锥喇叭
6. 5 多模喇叭
6. 6 波纹喇叭
6. 7 表面波天线
6. 7. 1 介质平板波导
6. 7. 2 波纹导体表面波导
6. 7. 3 介质天线
6. 8 透镜天线
6. 8. 1 介质透镜
6. 8. 2 空气介质透镜
6. 8. 3 金属透镜
第7章 反射面天线
7. 1 单反射面天线
7. 1. 1 旋转抛物面的几何关系
7. 1. 2 镜面电流法
7. 1. 3 口径场法
7. 1. 4 旋转抛物面天线的效率和增益
7. 1. 5 抛物面天线的馈源
7. 2 旋转抛物面天线的几何绕射理论解
7. 2. 1 远轴副瓣区
7. 2. 2 后轴向区
7. 2. 3 前轴向区
7. 3 偏置抛物面天线
7. 3. 1 偏置抛物面天线的口径场
7. 3. 2 偏置抛物面天线的辐射场
7. 4 双反射面天线
7. 4. 1 椭圆和双曲线的几何特性
7. 4. 2 卡塞格伦双反射面天线
7. 4. 3 环焦天线
7. 5 其他形式的反射面天线
7. 5. 1 扁平形波束抛物面天线
7. 5. 2 余割平方方向图天线
7. 5. 3 喇叭抛物面天线
7. 5. 4 平面反射面
7. 6 反射面天线新技术
7. 6. 1 低副瓣技术
7. 6. 2 多波束天线和多频段天线
第8章 缝隙天线
8. 1 理想导电平面上的矩形缝隙
8. 2 矩形导电平板上缝隙辐射的
几何绕射解
8. 3 理想导电圆柱上的缝隙
8. 4 矩形波导馈电的缝隙
8. 4. 1 矩形波导馈电的缝隙
8. 4. 2 谐振波导缝隙阵
8. 4. 3 非谐振波导缝隙阵
第9章 微带天线
9. 1 传输线模型法
9. 2 空腔模型法
9. 2. 1 矩形微带贴片天线
9. 2. 2 圆形微带贴片天线
9. 3 积分方程法
9. 4 谱域导抗法
9. 5 微带天线元技术
9. 5. 1 宽频带技术
9. 5. 2 多频微带贴片天线
9. 5. 3 圆极化技术
9. 5. 4 其他形式的微带天线
9. 5. 5 馈电方法
9. 6 微带天线阵
第10章 阵列天线
10. 1 方向图相乘原理
10. 2 均匀阵列的分析
10. 2. 1 一维均匀直线阵的阵因子
10. 2. 2 一维均匀直线边射阵
10. 2. 3 一维均匀直线端射阵
10. 2. 4 二维均匀阵
10. 3 Schelkunoff单位圆
10. 3. 1 Schelkunoff单位圆
10. 3. 2 边射阵
10. 3. 3 端射阵
10. 3. 4 超方向性阵
10. 4 一维均匀直线阵的综合
10. 4. 1 傅里叶级数法
10. 4. 2 Chebyshev综合法
10. 4. 3 d>0／2的Chebyshev阵
10. 4. 4 Dolph变换
10. 5 相控阵天线
10. 5. 1 一维扫描阵
10. 5. 2 二维扫描阵
10. 5. 3 阵元间的互耦
10. 6 多波束阵列天线
第11章 自适应天线阵
11. 1 LMS阵
11. 1. 1 LMS准则下的最佳加权
11. 1. 2 用梯度算法实现LMS的
最佳加权
11. 1. 3 复数信号
11. 1. 4 复数LMS算法
11. 1. 5 二元LMS阵特性分析
11. 2 Applebaum阵
11. 2. 1 Applebaum阵的最佳准则
11. 2. 2 Applebaum反馈环
11. 2. 3 变形Applebaum反馈环
11. 2. 4 控制矢量
11. 2. 5 LMS阵和Applebaum阵的
关系
11. 3 离散自适应阵
11. 3. 1 离散LMS阵
11. 3. 2 离散Applebaum阵
11. 4 采样矩阵求逆法
附录
附录A 最陡下降法 鞍点法
A. 1 鞍点法的预备知识
A. 2 最陡下降法 鞍点法
A. 3 变形 修正 最陡下降法
附录B 驻相法
B. 1 驻相法
B. 2 用驻相法计算积分
附录C 绕射场与几何光学场的分离
附录D
函数的傅里叶展开式
附录E PML边界
E. 1 平面波在PML媒质中的传播
E. 2 平面波通过PML—PML媒质
边界的传播
附录F 散焦距离的计算
附录G 用傅里叶变换法计算
三维辐射问题
附录H
式的说明
附录I
的等效性
附录J 希尔伯特变换
参考文献