太原理工大学学士学位论文

太原理工大学学士学位论文内容摘要：

播的电磁波，或者进行相反的变换。 在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。 无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。 此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。 一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。 同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。 这就是天线的互易定理。 天线的发展及研究状况 天线的 发展概况 如果从赫兹（ Hertz）在 1886 年前后所进行的著名实验时算起，天线已有一个世纪以上的研究和应用历史。 各种各样的天线构成了所有无线电系统的基本组成部分，而且，随着无线通信的稳步发展，客观上还在对天线不断提出新的要求。 这里，我们结合无线通信的发展历史来概括介绍一下天线的发展历史。 一百多年的天线发展史可以粗略地分为前后两个时期。 二十世纪 30 年代以前的天线发展所循的是一条编年史式的路线：从赫兹的工作到早期的微波研究，到长波通信，再到短波通信，这一阶段大多数天线的发展都纯属经验性的。 30 年代是无线电技术一个明显的迅猛发展时期，对天 线也是如此。 无线电应用的迅猛增加，导致许多新的研究领域出现，如出现了雷达，重新开始了对微波的研究，无线电广播进一步推广，射电天文也初露头角。 同时，更出现一批新的天线工程师，他们用严格的理论来分析和设计天线。 上述每个应用领域都有自己的发展历史，而其中各种各样天线的发展则逐渐形成一个公共的理论体系。 在下面的介绍中，我们也循同样思路，对 30 年代以前的工作按年代加以区分，而对其后的工作则给出部分无线通信应用领域的简要综述。  前赫兹时代 太原理工大学毕业设计 带 寄生 单元单极 天线的 FEKO 仿真设计 2 为了证实无线电波的存在，赫兹成为第一个设计和使用天线的人。 不过，若从当今微波工程 师们所经常使用的光学原理来说，则大口径天线的出现可以一直上溯至牛顿等人所研究的光学望远镜。 最早的反射式望远镜是由苏格兰数学家格里高利（ James Gregory）于 1663 年提出的。 同一年内，牛顿（ Issac Newton）在皇家学会上展示了他的望远镜，而卡塞格伦（ Gee Cassegrain）则提出用一个主反射器与副反射器相结合将光线聚焦于主反射器后一点的方法。 麦克斯韦方程的提出以及此后天线理论的开始也都早于赫兹实验。 麦克斯韦（ James Clerk Maxwell）的研究工作基于法拉第（ Michael Farady）在实验中所发现的电磁感应现象。 作为一个杰出的理论家，麦克斯韦预言了电场和磁场的所有变化都将产生在空间中传播的波，而且光只是一种电磁波的形式。 麦克斯韦的这一想法最早发表于 1862 年，而在 1873 年的一本书中则有进一步的发展。 这本书被视为经典著作但极为晦涩难懂，是赫兹和海维赛德（ Heaviside）简化并重写了有关公式，才使之成为今天我们所看到的形式。 赫兹的天线 1886 年赫兹开始他的系列实验。 他首先完成的是一个 ―非常快的电振荡源。 他用火花放电发生器和由两端为球形的金属短杆作成的偶极子谐 振器来发射。 作为接收器，他用的是一个带有微小间隙的金属环。 环上感应电流在间隙处产生可以观察到的微弱放电。 通过改变环的尺寸，他可以检测到的最强火花所对应的频率（谐振现象）大约在 100MHz 左右。 由于火花放电发生器本质上是一个宽带的噪声源，我们可以想象能检测到的频率完全取决于偶极子谐振器的长度和环的尺寸。 因而，赫兹事实上已经发现了天线的谐振特性。 又经过十分仔细和天才的改进，他有了可行的源和检测器并由此构成以后一系列实验所用器材的基础。 赫兹不仅是一个天才的实验家，还是一个非常优秀的论文作者。 他的所有工作，包括实验 的细节，都完整而简明地记录在论文中。 赫兹的实验是在 Karlsruhe 高等技术学校（ Technical High School at Karlsruhe）的一间教室中进行的。 他所面临的问题不仅是要检测当时他自己还不知道是否存在的无线电波，而且又要处理实验室墙壁所造成的反射。 他在 60 到 500MHz 的频率范围内检测无线电波。 他下一个 ——也是他主要的在天线方面的革新，则是对实验室环境加以考虑后的直接结果。 他想要减少墙壁的反射并使辐射更具方向性，于是他发明了反射面天线。 他的抛物柱面反射器是用一张锌板沿模型弯曲而成， 天线口径长和宽分别为 米和 米，焦长 公分且馈源为偶极子。 这是一个很深的且效率不高的反射面天线，最好情形下水平面和垂直面内的 dB3 波束宽度分别为 35 度和 80 度。 然而这已达到设计的目的。 赫兹又做了第二副柱面反射器天线，进行了一副天线到另外一副天线之间的信号传输。 利用这一系统，他还通过由导线构成的极化屏验证了电磁波的极化特性，用一个平太原理工大学毕业设计 带 寄生 单元单极 天线的 FEKO 仿真设计 3 面反射器使波束转过一个角度，做出一个树脂棱镜来折射电磁波波束。 如此，赫兹给出微波光学的基本原理。  微波光学时期 赫兹的实验引起 科学界的广泛重视，很多人验证或发展了他的实验。 赫兹所使用的VHF 和 UHF 频段自然成为其他人研究的对象，或者通过使用更高的频率来解决反射的问题。 于是微波出现了，赫兹到马可尼 (Marconi)的这一时期可以称之为微波光学时期。 有关的研究工作几乎全部属于实验室范畴，研究人员均属学术界，且以一种好奇的态度来对待其研究对象。 这是天线历史中绝无仅有的阶段，因为大多数天线的发展都是作为对客观需求的反应而产生的。  马可尼时代 马可尼与他同时代研究者的不同之处在于，他不仅对科学发现感兴趣，也重视进一步的开发以获利。 他是一个出 色的企业家和成功的组织者，他将无线电从实验室带入工业中。 赫兹 1887 年发现无线电波，但直到 1896 年才有马可尼申请了第一项有关专利。 二十世纪前三十年中，马可尼致力于无线通信的商业开发。 有很多人提出了许多新的天线、发射机和接收机，但大都是通过马可尼的发展才使之从一些想法进而应用到实际工作系统中。 所使用的波长迅速地由研究先驱们所用的十公分变成远距离通信用的上万公里。 LF， MF 及其后 HF 波段的使用意味着所有的问题归结为发展高效率的线天线。 不久人们认识到，具有方向特性的天线应有适当的高度，并且又发明出两种实现方式：即阵列天线及指向性天线。 阵列天线最早的工作似乎是布朗 (Braun)在斯特拉斯堡进行的：他将三根垂直天线放在三角形的三个顶点上并加以适当的馈电相位，得到了有方向性的辐射。 指向性天线的想法则是由马可尼于 1905 年提出的：天线有一个短的垂直部分和一个长的水平部分，其辐射在线端的相反方向。 基于镜像理论，弗莱明对这一天线的工作进行了数学解释。 在接下来的十年里，出现了很多指向性天线的专利。 诚然，无线电技术的发展也离不开其它的有关发明，如 1906 年费森顿（ Fessenden）发明的大功率交流发电机， 1904 年弗莱明 发明的二极管检测， 1907 年福雷斯特（ Forrest）发明的三极管（电子管）， 1906 年邓沃德（ Dunwoody）和皮克卡特（ Pickard）发明的晶体检测， 1913 年德弗雷特（ de Forrest）和阿姆斯特朗（ Armstrong）发明的负反馈电路等。 随着 1920 年亚历山大逊（ Alexanderson）发明多调谐天线，一副天线同时用于多个频率成为可能， LF 天线的设计变得相当有效。 在二十年代中，建造了许多大型的 LF天线，这一领域趋于成熟。 贝雷（ Baily）等人在有关综述中注意到，远距离 LF 传输的天线形式的选 择极为有限。 他们证实了三种形式：垂直天线，环或线圈以及 ―波天线 ‖。 后者又称为贝弗里奇（ Beverage）天线，即在一个长的水平导线段的两端接与其特性阻太原理工大学毕业设计 带 寄生 单元单极 天线的 FEKO 仿真设计 4 抗相同的阻抗，在与导线成某一角度的方向上产生较强的辐射，这是行波天线的一种简单形式。 二十世纪第一个阶段的特征应该说是无线电在实用上的发展。 部分因为低频及中频系统辐射问题求解的困难，导致理论方面工作较为贫乏，但也不乏例外。 从 1910 年起开始出现计算辐射电阻的论文。 1916 年，范 德 玻尔（ Van der Pol）研究了加载天线的辐射电阻并计算辐射积分画出辐射图。 这一期间最著名的论文当属索末菲（ Sommerfeld）1909 年对理想导电平地面上天线辐射问题的严格求解。 短波因为 LF 及 MF 波段工作的移动天线没有方向性，在战争中出现了对保密通信的要求。 正是这一要求使马可尼回想到他早期的研究工作，并意识到使用更短的波长可以方便地实现较强方向性的天线。 1916 年他与同事富兰克林用两米的波长（ 150MHz）和抛物柱面天线实现了 20 英里的保密通信。 在 1919 年 —1924 年期间，他们研究了波长从 100 米到 6 米的电磁波，选择发展了我们称之为 HF 波段的短波通信体系。 短波波段较小的天 线和较好的传播特性使得在这一应用领域中好几年的时间内 LF 备受冷落。 二十年代和三十年代，特别是在美国，出现了对 HF 天线不同设计的大量研究。 贝尔实验室建立了一支得力的研究队伍，产生大量的设计如菱形天线。 这一天线呈水平的菱形，并在水平和垂直面内都有很好的辐射。 八木 —宇田（ YagiUda）阵列天线就在这一期间提出。 最初的设计者是东京帝国大学教授宇田。 他在 米的波长上用一个有源的单极天线，无源的反射器及几个引向单极天线得到了带很强方向性的辐射。 日本东北大学教授八木于 1928 年首先向西方介绍了这一天才设计。 尽管 他一直将这一设计归功于宇田，但他的名字还是与这一广泛使用的天线联系在一起。 二十世纪天线发展的第一个阶段就出现了业余无线电运动。 从诞生之日起，它便同专业的研究并行发展。 不提及业余无线电对天线实际发展所作的贡献，就没有完整的天线发展史。 1921 年一位美国的业余无线电爱好者横跨大西洋用短波传输了第一个完整的信号，第二年英国业余无线电爱好者劝说英国政府同意建立试验性质的广播站。 其结果在 Essex 的 Writtle 建立了著名的 2MT 站，并于 1922 年 2 月 14 日开始广播。 其工作波长为 700 米，发射机功率 200 瓦，用两根 轻便的 110 英尺高的天线杆支撑起 140 英尺长的四线倒 L 形天线。 但英国在这一方面已经处于落后，同时期美国已有数家商业广播站，而法国已在艾菲尔铁塔顶上架起了发射天线。  计算机前的理论设计 1930 以来的理论设计技术可以分为三个方面：电小的线天线，大口径天线以及天线方向图的综合。 有关内容可简要介绍如下。 太原理工大学毕业设计 带 寄生 单元单极 天线的 FEKO 仿真设计 5 赫兹导出一个小偶极天线 ——―赫兹偶极子 ‖——的场。 二十年代末随短波通信的发展，需要分析的是有限长度的偶极或单极天线。 这时，精确分析是不可能，因而只好改而作近似处理。 最常用的假设是天线上的正弦电流分布，这样，对细的 线天线可以导出―精确 ‖的模型。 这一方法通常又被称为 EMF 法，最初由卡特（ Carter）于 1932 年提出，经布罗恩（ Brown）、莱因（ Riazin）及金（ King）等人的研究而趋于系统化。 对有限尺寸粗细的天线，在以近似的分析模型来模拟实际天线并求得近似解的问题上，最著名的当属谢昆诺夫（ Schelkunoff）在三十年代和四十年代中所做的工作。 谢昆诺夫首先解决的是已知外场时求解天线上电流分布的难题。 他通过比较当时已有的许多解法，提出双圆锥模型对实际天线模拟效果最好。 金对圆柱天线作为边值问题的有关求解进行过总结。 虽然基本的场方程早在 1938 年就由海伦（ Hallen）给出，但直到六十年代以后才具备数值求解的计算条件，所以三十年代到六十年代间的大多数研究工作都是在寻求近似解。 口径天线 ——包括喇叭、反射器及各种透镜 ——的理论基于光学原理，即将能量视为沿射线束进行传播。 口径的绕射效果通常从基于惠更斯原理的基尔霍夫公式出发来分析。 这在口径尺寸远大于波长且观察点远离口径面时是近似正确。 四十年代中， MIT辐射实验室的研究人员们发展了微波天线理论。 五十年代中期，鲍凯姆（ Bouwkamp）在一篇内容丰富的论文中对绕射理论进行了综 述。 大约在这一时期，人们开始热衷于寻求能对微波反射面天线上绕射射线作用效果进行更精确预估的方法。 这直接导致 1962年凯勒（ Keller）几何绕射理论（ GTD）的提出，即用绕射系数来计算绕射场并把它迭加在几何光学场上。 此后，该理论又为柯泳坚（ Kouyoumjiam）及其它许多人进一步发展，并广泛而成功地用于反射面天线辐射场的预估中。 四十年代人们开始认识到口径天线的辐射场是口径分布的傅立叶（ Fourier）变换。 这一方法最早由拉姆塞（ Ramsay）于 1947 年所提出，而其中某些近似处理则是 1950年由布克（ Booker）和克莱茅（ Clemmow）所澄清，即用口径电场的变换来定义平面波的角谱。 傅氏变换法不仅简单易行，而且还能对给定辐射场分布研究其对应的口径场分布。 理论设计的第三个分支即产生特定辐射方向图的天线综合问题。 这一领域的工作始于四十年代，并一直延续至今。 大多数早期的工作集中在线性口径分布及线性阵列分布综合问题的研究上，可以归纳为赋形波束天线的综合与具有某种副瓣特征的针状波束天线的综合两类。 赋形波束天线的设计最初是利用反傅氏变。