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合肥师范学院2013届本科生毕业论文（设计）
2.1.2 天线的分类
按工作频段划分：超长波、长波、中波、短波、超短波和微波天线；
按用途划分：通信、广播、电视、雷达、导航和测向天线等 ； 按辐射方向划分：全向天线、定向天线；
按外形划分：偶极子天线、T形、菱形、环形、螺旋、喇叭、反射面以及透镜天线等等。
按形状划分：线天线（导线或金属棒构成）、面天线（金属面或介质面构成）。线天线主要用于长波、短波和超短波；面天线主要用于微波波段。 2.1.3 天线的发展史
上世纪初，德国赫芝作试验用的赫芝偶极子就是第一个天线。无线电通信还只局限于长、中波领域，当时所用的天线的基本型式是垂直极化的电小天线，到二十年代初期才开始出现接收用定向天线——波天线。到三十年代中期就比较普遍地采用了定向发射天线于长、中波通信了。这期间，定向天线对长、中波通信的进一步发展起了重要作用。
虽然早在1888年赫兹就首先使用了抛物柱面天线，但由于没有相应的振荡源，一直到30年代才随着微波电子管的出现陆续研制出各种面天线。这时已有类比于声学方法的喇叭天线、类比于光学方法的抛物反射面天线和透镜天线等。这些天线利用波的扩散、干涉、反射、折射和聚焦等原理获得窄波束和高增益。
第二次世界大战期间出现了雷达，大大促进了微波技术的发展。为了迅速捕捉目标，研制出了波束扫描天线，利用金属波导和介质波导研制出波导缝隙天线和介质棒天线以及由它们组成的天线阵。在面天线基本理论方面，建立了几何光学法，物理光学法和口径场法等理论。当时，由于战时的迫切需要，天线的理论还不够完善。天线的实验研究成了研制新型天线的重要手段，建立了测试条件和误差分析等概念，提出了现场测量和模型测量等方法。
人造地球卫星和洲际导弹研制成功对天线提出了一系列新的课题，要求天线有高增益、高分辨率、圆极化、宽频带、快速扫描和精确跟踪等性能。从60年代到70年代初期，天线的发展空前迅速。一方面是大型地面站天线的修建和改进，包括卡塞格伦天线的出现，正副反射面的修正，波纹喇叭等高效率天线馈源和波束波导技术的应用等；另一方面，沉寂了将近30年的相控阵天线由于新型移相器和电子计算机的问世，以及多目标同时搜索与跟踪等要求的需要，而重新受到重视并获得了广泛应用和发展。
由于高速大容量电子计算机的研制成功，60年代发展起来的矩量法和几何绕射理论在天线的理论计算和设计方面获得了应用。这两种方法解决了过去不能解决或难以解决的大量天线问题。随着电路技术向集成化方向发展，微带天线引起了广泛的关注和研究，并在飞行器上获得了应用。同时，由于遥感技术和空间通信的需要，天线在有耗媒质或等离子
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体中的辐射特性及瞬时特性等问题也开始受到人们的重视。
这一时期在天线结构和工艺上也取得了很大的进展，制成了直径为 100米、可全向转动的高精度保形射电望远镜天线，还研制成单元数接近 2万的大型相控阵和高度超过500米的天线塔。
2.2 基本元的辐射
2.2.1电基本振子的辐射
给出在球坐标原点沿z轴放置的电基本振子在各向同性理想均匀无限大自由空间的表达式：
Er?IAl2k?jcos???3?24???0r?r??jkr?e??jIAl1kjk2??jkrE??sin???3?2??e4???0r?r?rIljk??1H??Asin??2??e?jkr4?r??rHr?H??E??0a) 近区场
10?9???0?36?注：相移常数k?2?/?0；k2??2?0?0
波阻抗?0?E??120?（远区场）H?IAlsin?4?r2Il2Er??jA3cos?4?r??0当kr<<1时称为近区场，此时 Il1E???jA3sin?4?r??0H??Hr?H??E??0不难看出，上述表达式和稳态场的公式完全相符，因此，近区场又称为似稳区。场随
1距离的增大而迅速减少。电场滞后于磁场90度，因此复坡印延矢量是虚数(S?E?H),
2每周平均辐射的功率为零。这种没有能量向外辐射的场称之为“感应场”。 b) 远区场
60?IAlsin?e?jkr?rIAlH?jsin?e?jkr 当kr>>1时称为远区场，此时?2?rEr?0E??jHr?H??E??0此时，有电场和磁场两个分量在空间相互垂直且与r矢径方向垂直，三者构成右手螺
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旋系统。电场、磁场在时间上同相，其复坡印延矢量S?1E?H*是实数，为有功功率且2指向r增加的方向上。二者比值为一实数?0?120?，所以仅需讨论二者之一。且电基本振子远区场是沿着径向向外传播的横电磁波TEM。在??0o1、80o方向上辐射为0，在??90o方
向辐射最强。方向图：E面（包含振子轴）为一个8字形，H面（垂直振子轴）为一个圆。 c) 辐射功率
2??P????sS?dS??0?2?S?nrsin?d?d?
0式中s为平均复坡印延矢量，且S?1EHer?er，将其代入上式得2240?E21P??240?2????00Er2sin?d?d?。此式为计算辐射功率的一般公式。
22??l?将远区场模值代入上式有：P??40I??
???2Ad) 辐射电阻
为了分析计算方便，引入辐射电阻概念，将天线向外辐射的功率等效为在电阻上的损耗，此电阻称为辐射电阻R?。用输入电流来归算的称为归算于输入电流的辐射电阻R?0，用波腹电流来归算的称为归算于波腹电流的辐射电阻R?。显然电基本振子的辐射电阻为
R??2P?2IA??l??80??
???22.2.2 磁基本振子的辐射
在进行磁基本振子辐射分析时,可以采用对偶性原则。 对称形式麦克斯韦方程如下：
?E???H???JA??t????E????H?JM 注：JM磁流密度，?M磁荷密度 ??t????D?????B???M上式第二个方程右端两项有负号，是因为电流产生的磁场的方向是按右手螺旋定则定出的，而磁流产生的电场方向与之相反，是按左手螺旋定则定出的。
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将上式中的电磁场分解为电荷与电流产生的场强Ee和He及磁荷和磁流产生的场强EM和HM即E=Ee+EM和H=He+HM。他们分别满足下列麦克斯韦方程：
?Ee?EM????H???J??H??eAM???t?t?????E????He???E????HM?J和eMM ???t?t?????DM?0???De?????B?????B?0?MMe? 比较上面两个式子是完全对称的，其对偶量如下：Ee与HM , He与-EM ,JA与JM ,
?与?M，?与?。
2.2.3 小环天线的辐射
实际磁基本振子不存在,半径远小于波长的小电流环可等效为一磁基本振子,根据对偶
置换原理得其场强为:
E????Slksin?e?jkr4?rSlk2H???sin?e?jkr4?r
Hr?0Er?E??H??0辐射电阻为:R??320?4S2?4
由上式可知:小电流环在环平面上是均匀辐射的,方向图为一个圆,但在饱含环轴的平面上,方向图为8字形.且辐射场大小不与环的形状有关而是环所包围的面积有关.如果采用同样长度的导线制成一个电基本振子和一个小电流环,则小环的辐射电阻要小很多.故小电流环天线仅用作接受天线。
2.3 天线的基本原理和主要参数
2.3.1 天线的工作原理
天线本身就是一个振荡器，但又与普通的LC振荡回路不同，它是普通振荡回路的变形。图2-2示出了它的演变过程。
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