【文章內容簡介】 播的電磁波，或者進行相反的變換。在無線電設備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數是相同的。這就是天線的互易定理。 天線的發(fā)展及研究狀況 天線的 發(fā)展概況 如果從赫茲（ Hertz）在 1886 年前后所進行的著名實驗時算起，天線已有一個世紀以上的研究和應用歷史。各種各樣的天線構成了所有無線電系統(tǒng)的基本組成部分，而且，隨著無線通信的穩(wěn)步發(fā)展，客觀上還在對天線不斷提出新的要求。這里，我們結合無線通信的發(fā)展歷史來概括介紹一下天線的發(fā)展歷史。 一百多年的天線發(fā)展史可以粗略地分為前后兩個時期。二十世紀 30 年代以前的天線發(fā)展所循的是一條編年史式的路線：從赫茲的工作到早期的微波研究，到長波通信，再到短波通信，這一階段大多數天線的發(fā)展都純屬經驗性的。 30 年代是無線電技術一個明顯的迅猛發(fā)展時期，對天 線也是如此。無線電應用的迅猛增加，導致許多新的研究領域出現(xiàn)，如出現(xiàn)了雷達，重新開始了對微波的研究，無線電廣播進一步推廣，射電天文也初露頭角。同時，更出現(xiàn)一批新的天線工程師，他們用嚴格的理論來分析和設計天線。上述每個應用領域都有自己的發(fā)展歷史，而其中各種各樣天線的發(fā)展則逐漸形成一個公共的理論體系。在下面的介紹中，我們也循同樣思路，對 30 年代以前的工作按年代加以區(qū)分，而對其后的工作則給出部分無線通信應用領域的簡要綜述。 ? 前赫茲時代 太原理工大學畢業(yè)設計 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設計 2 為了證實無線電波的存在，赫茲成為第一個設計和使用天線的人。不過，若從當今微波工程 師們所經常使用的光學原理來說，則大口徑天線的出現(xiàn)可以一直上溯至牛頓等人所研究的光學望遠鏡。最早的反射式望遠鏡是由蘇格蘭數學家格里高利（ James Gregory）于 1663 年提出的。同一年內，牛頓（ Issac Newton）在皇家學會上展示了他的望遠鏡，而卡塞格倫（ Gee Cassegrain）則提出用一個主反射器與副反射器相結合將光線聚焦于主反射器后一點的方法。 麥克斯韋方程的提出以及此后天線理論的開始也都早于赫茲實驗。麥克斯韋（ James Clerk Maxwell）的研究工作基于法拉第（ Michael Farady）在實驗中所發(fā)現(xiàn)的電磁感應現(xiàn)象。作為一個杰出的理論家，麥克斯韋預言了電場和磁場的所有變化都將產生在空間中傳播的波，而且光只是一種電磁波的形式。麥克斯韋的這一想法最早發(fā)表于 1862 年，而在 1873 年的一本書中則有進一步的發(fā)展。這本書被視為經典著作但極為晦澀難懂，是赫茲和海維賽德（ Heaviside）簡化并重寫了有關公式，才使之成為今天我們所看到的形式。 赫茲的天線 1886 年赫茲開始他的系列實驗。他首先完成的是一個 ―非?？斓碾娬袷幵?。他用火花放電發(fā)生器和由兩端為球形的金屬短桿作成的偶極子諧 振器來發(fā)射。作為接收器，他用的是一個帶有微小間隙的金屬環(huán)。環(huán)上感應電流在間隙處產生可以觀察到的微弱放電。通過改變環(huán)的尺寸，他可以檢測到的最強火花所對應的頻率（諧振現(xiàn)象）大約在 100MHz 左右。由于火花放電發(fā)生器本質上是一個寬帶的噪聲源，我們可以想象能檢測到的頻率完全取決于偶極子諧振器的長度和環(huán)的尺寸。因而，赫茲事實上已經發(fā)現(xiàn)了天線的諧振特性。又經過十分仔細和天才的改進，他有了可行的源和檢測器并由此構成以后一系列實驗所用器材的基礎。赫茲不僅是一個天才的實驗家，還是一個非常優(yōu)秀的論文作者。他的所有工作，包括實驗 的細節(jié)，都完整而簡明地記錄在論文中。 赫茲的實驗是在 Karlsruhe 高等技術學校（ Technical High School at Karlsruhe）的一間教室中進行的。他所面臨的問題不僅是要檢測當時他自己還不知道是否存在的無線電波，而且又要處理實驗室墻壁所造成的反射。他在 60 到 500MHz 的頻率范圍內檢測無線電波。他下一個 ——也是他主要的在天線方面的革新，則是對實驗室環(huán)境加以考慮后的直接結果。他想要減少墻壁的反射并使輻射更具方向性，于是他發(fā)明了反射面天線。他的拋物柱面反射器是用一張鋅板沿模型彎曲而成， 天線口徑長和寬分別為 米和 米，焦長 公分且饋源為偶極子。這是一個很深的且效率不高的反射面天線，最好情形下水平面和垂直面內的 dB3 波束寬度分別為 35 度和 80 度。然而這已達到設計的目的。赫茲又做了第二副柱面反射器天線，進行了一副天線到另外一副天線之間的信號傳輸。利用這一系統(tǒng)，他還通過由導線構成的極化屏驗證了電磁波的極化特性，用一個平太原理工大學畢業(yè)設計 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設計 3 面反射器使波束轉過一個角度，做出一個樹脂棱鏡來折射電磁波波束。如此，赫茲給出微波光學的基本原理。 ? 微波光學時期 赫茲的實驗引起 科學界的廣泛重視，很多人驗證或發(fā)展了他的實驗。赫茲所使用的VHF 和 UHF 頻段自然成為其他人研究的對象，或者通過使用更高的頻率來解決反射的問題。于是微波出現(xiàn)了，赫茲到馬可尼 (Marconi)的這一時期可以稱之為微波光學時期。有關的研究工作幾乎全部屬于實驗室范疇，研究人員均屬學術界，且以一種好奇的態(tài)度來對待其研究對象。這是天線歷史中絕無僅有的階段，因為大多數天線的發(fā)展都是作為對客觀需求的反應而產生的。 ? 馬可尼時代 馬可尼與他同時代研究者的不同之處在于，他不僅對科學發(fā)現(xiàn)感興趣，也重視進一步的開發(fā)以獲利。他是一個出 色的企業(yè)家和成功的組織者，他將無線電從實驗室?guī)牍I(yè)中。赫茲 1887 年發(fā)現(xiàn)無線電波，但直到 1896 年才有馬可尼申請了第一項有關專利。 二十世紀前三十年中，馬可尼致力于無線通信的商業(yè)開發(fā)。有很多人提出了許多新的天線、發(fā)射機和接收機，但大都是通過馬可尼的發(fā)展才使之從一些想法進而應用到實際工作系統(tǒng)中。所使用的波長迅速地由研究先驅們所用的十公分變成遠距離通信用的上萬公里。 LF， MF 及其后 HF 波段的使用意味著所有的問題歸結為發(fā)展高效率的線天線。 不久人們認識到，具有方向特性的天線應有適當的高度，并且又發(fā)明出兩種實現(xiàn)方式：即陣列天線及指向性天線。陣列天線最早的工作似乎是布朗 (Braun)在斯特拉斯堡進行的：他將三根垂直天線放在三角形的三個頂點上并加以適當的饋電相位，得到了有方向性的輻射。指向性天線的想法則是由馬可尼于 1905 年提出的：天線有一個短的垂直部分和一個長的水平部分，其輻射在線端的相反方向?；阽R像理論，弗萊明對這一天線的工作進行了數學解釋。在接下來的十年里，出現(xiàn)了很多指向性天線的專利。 誠然，無線電技術的發(fā)展也離不開其它的有關發(fā)明，如 1906 年費森頓（ Fessenden）發(fā)明的大功率交流發(fā)電機， 1904 年弗萊明 發(fā)明的二極管檢測， 1907 年福雷斯特（ Forrest）發(fā)明的三極管（電子管）， 1906 年鄧沃德（ Dunwoody）和皮克卡特（ Pickard）發(fā)明的晶體檢測， 1913 年德弗雷特（ de Forrest）和阿姆斯特朗（ Armstrong）發(fā)明的負反饋電路等。隨著 1920 年亞歷山大遜（ Alexanderson）發(fā)明多調諧天線，一副天線同時用于多個頻率成為可能， LF 天線的設計變得相當有效。在二十年代中，建造了許多大型的 LF天線，這一領域趨于成熟。貝雷（ Baily）等人在有關綜述中注意到，遠距離 LF 傳輸的天線形式的選 擇極為有限。他們證實了三種形式：垂直天線，環(huán)或線圈以及 ―波天線 ‖。后者又稱為貝弗里奇（ Beverage）天線，即在一個長的水平導線段的兩端接與其特性阻太原理工大學畢業(yè)設計 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設計 4 抗相同的阻抗，在與導線成某一角度的方向上產生較強的輻射，這是行波天線的一種簡單形式。 二十世紀第一個階段的特征應該說是無線電在實用上的發(fā)展。部分因為低頻及中頻系統(tǒng)輻射問題求解的困難，導致理論方面工作較為貧乏，但也不乏例外。從 1910 年起開始出現(xiàn)計算輻射電阻的論文。 1916 年，范 德 玻爾（ Van der Pol）研究了加載天線的輻射電阻并計算輻射積分畫出輻射圖 。這一期間最著名的論文當屬索末菲（ Sommerfeld）1909 年對理想導電平地面上天線輻射問題的嚴格求解。 短波因為 LF 及 MF 波段工作的移動天線沒有方向性，在戰(zhàn)爭中出現(xiàn)了對保密通信的要求。正是這一要求使馬可尼回想到他早期的研究工作，并意識到使用更短的波長可以方便地實現(xiàn)較強方向性的天線。 1916 年他與同事富蘭克林用兩米的波長（ 150MHz）和拋物柱面天線實現(xiàn)了 20 英里的保密通信。在 1919 年 —1924 年期間，他們研究了波長從 100 米到 6 米的電磁波，選擇發(fā)展了我們稱之為 HF 波段的短波通信體系。短波波段較小的天 線和較好的傳播特性使得在這一應用領域中好幾年的時間內 LF 備受冷落。二十年代和三十年代，特別是在美國，出現(xiàn)了對 HF 天線不同設計的大量研究。貝爾實驗室建立了一支得力的研究隊伍，產生大量的設計如菱形天線。這一天線呈水平的菱形，并在水平和垂直面內都有很好的輻射。 八木 —宇田（ YagiUda）陣列天線就在這一期間提出。最初的設計者是東京帝國大學教授宇田。他在 米的波長上用一個有源的單極天線，無源的反射器及幾個引向單極天線得到了帶很強方向性的輻射。日本東北大學教授八木于 1928 年首先向西方介紹了這一天才設計。盡管 他一直將這一設計歸功于宇田，但他的名字還是與這一廣泛使用的天線聯(lián)系在一起。 二十世紀天線發(fā)展的第一個階段就出現(xiàn)了業(yè)余無線電運動。從誕生之日起，它便同專業(yè)的研究并行發(fā)展。不提及業(yè)余無線電對天線實際發(fā)展所作的貢獻，就沒有完整的天線發(fā)展史。 1921 年一位美國的業(yè)余無線電愛好者橫跨大西洋用短波傳輸了第一個完整的信號，第二年英國業(yè)余無線電愛好者勸說英國政府同意建立試驗性質的廣播站。其結果在 Essex 的 Writtle 建立了著名的 2MT 站，并于 1922 年 2 月 14 日開始廣播。其工作波長為 700 米，發(fā)射機功率 200 瓦，用兩根 輕便的 110 英尺高的天線桿支撐起 140 英尺長的四線倒 L 形天線。但英國在這一方面已經處于落后，同時期美國已有數家商業(yè)廣播站，而法國已在艾菲爾鐵塔頂上架起了發(fā)射天線。 ? 計算機前的理論設計 1930 以來的理論設計技術可以分為三個方面：電小的線天線，大口徑天線以及天線方向圖的綜合。有關內容可簡要介紹如下。 太原理工大學畢業(yè)設計 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設計 5 赫茲導出一個小偶極天線 ——―赫茲偶極子 ‖——的場。二十年代末隨短波通信的發(fā)展，需要分析的是有限長度的偶極或單極天線。這時，精確分析是不可能，因而只好改而作近似處理。最常用的假設是天線上的正弦電流分布，這樣，對細的 線天線可以導出―精確 ‖的模型。這一方法通常又被稱為 EMF 法，最初由卡特（ Carter）于 1932 年提出，經布羅恩（ Brown）、萊因（ Riazin）及金（ King）等人的研究而趨于系統(tǒng)化。對有限尺寸粗細的天線，在以近似的分析模型來模擬實際天線并求得近似解的問題上，最著名的當屬謝昆諾夫（ Schelkunoff）在三十年代和四十年代中所做的工作。謝昆諾夫首先解決的是已知外場時求解天線上電流分布的難題。他通過比較當時已有的許多解法，提出雙圓錐模型對實際天線模擬效果最好。金對圓柱天線作為邊值問題的有關求解進行過總結 。雖然基本的場方程早在 1938 年就由海倫（ Hallen）給出，但直到六十年代以后才具備數值求解的計算條件，所以三十年代到六十年代間的大多數研究工作都是在尋求近似解。 口徑天線 ——包括喇叭、反射器及各種透鏡 ——的理論基于光學原理，即將能量視為沿射線束進行傳播。口徑的繞射效果通常從基于惠更斯原理的基爾霍夫公式出發(fā)來分析。這在口徑尺寸遠大于波長且觀察點遠離口徑面時是近似正確。四十年代中， MIT輻射實驗室的研究人員們發(fā)展了微波天線理論。五十年代中期，鮑凱姆（ Bouwkamp）在一篇內容豐富的論文中對繞射理論進行了綜 述。大約在這一時期，人們開始熱衷于尋求能對微波反射面天線上繞射射線作用效果進行更精確預估的方法。這直接導致 1962年凱勒（ Keller）幾何繞射理論（ GTD）的提出，即用繞射系數來計算繞射場并把它迭加在幾何光學場上。此后，該理論又為柯泳堅（ Kouyoumjiam）及其它許多人進一步發(fā)展，并廣泛而成功地用于反射面天線輻射場的預估中。 四十年代人們開始認識到口徑天線的輻射場是口徑分布的傅立葉（ Fourier）變換。這一方法最早由拉姆塞（ Ramsay）于 1947 年所提出，而其中某些近似處理則是 1950年由布克（ Booker）和克萊茅（ Clemmow）所澄清，即用口徑電場的變換來定義平面波的角譜。傅氏變換法不僅簡單易行，而且還能對給定輻射場分布研究其對應的口徑場分布。 理論設計的第三個分支即產生特定輻射方向圖的天線綜合問題。這一領域的工作始于四十年代，并一直延續(xù)至今。大多數早期的工作集中在線性口徑分布及線性陣列分布綜合問題的研究上，可以歸納為賦形波束天線的綜合與具有某種副瓣特征的針狀波束天線的綜合兩類。賦形波束天線的設計最初是利用反傅氏變