【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。在無(wú)線電設(shè)備中用來(lái)發(fā)射或接收電磁波的部件。無(wú)線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來(lái)傳遞信息的，都依靠天線來(lái)進(jìn)行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號(hào)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(shù)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(jìn)行的著名實(shí)驗(yàn)時(shí)算起，天線已有一個(gè)世紀(jì)以上的研究和應(yīng)用歷史。各種各樣的天線構(gòu)成了所有無(wú)線電系統(tǒng)的基本組成部分，而且，隨著無(wú)線通信的穩(wěn)步發(fā)展，客觀上還在對(duì)天線不斷提出新的要求。這里，我們結(jié)合無(wú)線通信的發(fā)展歷史來(lái)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(gè)時(shí)期。二十世紀(jì) 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(zhǎng)波通信，再到短波通信，這一階段大多數(shù)天線的發(fā)展都純屬經(jīng)驗(yàn)性的。 30 年代是無(wú)線電技術(shù)一個(gè)明顯的迅猛發(fā)展時(shí)期，對(duì)天 線也是如此。無(wú)線電應(yīng)用的迅猛增加，導(dǎo)致許多新的研究領(lǐng)域出現(xiàn)，如出現(xiàn)了雷達(dá)，重新開始了對(duì)微波的研究，無(wú)線電廣播進(jìn)一步推廣，射電天文也初露頭角。同時(shí)，更出現(xiàn)一批新的天線工程師，他們用嚴(yán)格的理論來(lái)分析和設(shè)計(jì)天線。上述每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)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(gè)公共的理論體系。在下面的介紹中，我們也循同樣思路，對(duì) 30 年代以前的工作按年代加以區(qū)分，而對(duì)其后的工作則給出部分無(wú)線通信應(yīng)用領(lǐng)域的簡(jiǎn)要綜述。 ? 前赫茲時(shí)代 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設(shè)計(jì) 2 為了證實(shí)無(wú)線電波的存在，赫茲成為第一個(gè)設(shè)計(jì)和使用天線的人。不過(guò)，若從當(dāng)今微波工程 師們所經(jīng)常使用的光學(xué)原理來(lái)說(shuō)，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(xué)望遠(yuǎn)鏡。最早的反射式望遠(yuǎn)鏡是由蘇格蘭數(shù)學(xué)家格里高利（ James Gregory）于 1663 年提出的。同一年內(nèi)，牛頓（ Issac Newton）在皇家學(xué)會(huì)上展示了他的望遠(yuǎn)鏡，而卡塞格倫（ Gee Cassegrain）則提出用一個(gè)主反射器與副反射器相結(jié)合將光線聚焦于主反射器后一點(diǎn)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(shí)驗(yàn)。麥克斯韋（ James Clerk Maxwell）的研究工作基于法拉第（ Michael Farady）在實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。作為一個(gè)杰出的理論家，麥克斯韋預(yù)言了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的所有變化都將產(chǎn)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(jìn)一步的發(fā)展。這本書被視為經(jīng)典著作但極為晦澀難懂，是赫茲和海維賽德（ Heaviside）簡(jiǎn)化并重寫了有關(guān)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(shí)驗(yàn)。他首先完成的是一個(gè) ―非?？斓碾娬袷幵础Ｋ没鸹ǚ烹姲l(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(lái)發(fā)射。作為接收器，他用的是一個(gè)帶有微小間隙的金屬環(huán)。環(huán)上感應(yīng)電流在間隙處產(chǎn)生可以觀察到的微弱放電。通過(guò)改變環(huán)的尺寸，他可以檢測(cè)到的最強(qiáng)火花所對(duì)應(yīng)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(zhì)上是一個(gè)寬帶的噪聲源，我們可以想象能檢測(cè)到的頻率完全取決于偶極子諧振器的長(zhǎng)度和環(huán)的尺寸。因而，赫茲事實(shí)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了天線的諧振特性。又經(jīng)過(guò)十分仔細(xì)和天才的改進(jìn)，他有了可行的源和檢測(cè)器并由此構(gòu)成以后一系列實(shí)驗(yàn)所用器材的基礎(chǔ)。赫茲不僅是一個(gè)天才的實(shí)驗(yàn)家，還是一個(gè)非常優(yōu)秀的論文作者。他的所有工作，包括實(shí)驗(yàn) 的細(xì)節(jié)，都完整而簡(jiǎn)明地記錄在論文中。 赫茲的實(shí)驗(yàn)是在 Karlsruhe 高等技術(shù)學(xué)校（ Technical High School at Karlsruhe）的一間教室中進(jìn)行的。他所面臨的問(wèn)題不僅是要檢測(cè)當(dāng)時(shí)他自己還不知道是否存在的無(wú)線電波，而且又要處理實(shí)驗(yàn)室墻壁所造成的反射。他在 60 到 500MHz 的頻率范圍內(nèi)檢測(cè)無(wú)線電波。他下一個(gè) ——也是他主要的在天線方面的革新，則是對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境加以考慮后的直接結(jié)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(zhǎng)和寬分別為 米和 米，焦長(zhǎng) 公分且饋源為偶極子。這是一個(gè)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(nèi)的 dB3 波束寬度分別為 35 度和 80 度。然而這已達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。赫茲又做了第二副柱面反射器天線，進(jìn)行了一副天線到另外一副天線之間的信號(hào)傳輸。利用這一系統(tǒng)，他還通過(guò)由導(dǎo)線構(gòu)成的極化屏驗(yàn)證了電磁波的極化特性，用一個(gè)平太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設(shè)計(jì) 3 面反射器使波束轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，做出一個(gè)樹脂棱鏡來(lái)折射電磁波波束。如此，赫茲給出微波光學(xué)的基本原理。 ? 微波光學(xué)時(shí)期 赫茲的實(shí)驗(yàn)引起 科學(xué)界的廣泛重視，很多人驗(yàn)證或發(fā)展了他的實(shí)驗(yàn)。赫茲所使用的VHF 和 UHF 頻段自然成為其他人研究的對(duì)象，或者通過(guò)使用更高的頻率來(lái)解決反射的問(wèn)題。于是微波出現(xiàn)了，赫茲到馬可尼 (Marconi)的這一時(shí)期可以稱之為微波光學(xué)時(shí)期。有關(guān)的研究工作幾乎全部屬于實(shí)驗(yàn)室范疇，研究人員均屬學(xué)術(shù)界，且以一種好奇的態(tài)度來(lái)對(duì)待其研究對(duì)象。這是天線歷史中絕無(wú)僅有的階段，因?yàn)榇蠖鄶?shù)天線的發(fā)展都是作為對(duì)客觀需求的反應(yīng)而產(chǎn)生的。 ? 馬可尼時(shí)代 馬可尼與他同時(shí)代研究者的不同之處在于，他不僅對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)感興趣，也重視進(jìn)一步的開發(fā)以獲利。他是一個(gè)出 色的企業(yè)家和成功的組織者，他將無(wú)線電從實(shí)驗(yàn)室?guī)牍I(yè)中。赫茲 1887 年發(fā)現(xiàn)無(wú)線電波，但直到 1896 年才有馬可尼申請(qǐng)了第一項(xiàng)有關(guān)專利。 二十世紀(jì)前三十年中，馬可尼致力于無(wú)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(jī)和接收機(jī)，但大都是通過(guò)馬可尼的發(fā)展才使之從一些想法進(jìn)而應(yīng)用到實(shí)際工作系統(tǒng)中。所使用的波長(zhǎng)迅速地由研究先驅(qū)們所用的十公分變成遠(yuǎn)距離通信用的上萬(wàn)公里。 LF， MF 及其后 HF 波段的使用意味著所有的問(wèn)題歸結(jié)為發(fā)展高效率的線天線。 不久人們認(rèn)識(shí)到，具有方向特性的天線應(yīng)有適當(dāng)?shù)母叨?，并且又發(fā)明出兩種實(shí)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(jìn)行的：他將三根垂直天線放在三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上并加以適當(dāng)?shù)酿侂娤辔?，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(gè)短的垂直部分和一個(gè)長(zhǎng)的水平部分，其輻射在線端的相反方向。基于鏡像理論，弗萊明對(duì)這一天線的工作進(jìn)行了數(shù)學(xué)解釋。在接下來(lái)的十年里，出現(xiàn)了很多指向性天線的專利。 誠(chéng)然，無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展也離不開其它的有關(guān)發(fā)明，如 1906 年費(fèi)森頓（ Fessenden）發(fā)明的大功率交流發(fā)電機(jī)， 1904 年弗萊明 發(fā)明的二極管檢測(cè)， 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(cè)， 1913 年德弗雷特（ de Forrest）和阿姆斯特朗（ Armstrong）發(fā)明的負(fù)反饋電路等。隨著 1920 年亞歷山大遜（ Alexanderson）發(fā)明多調(diào)諧天線，一副天線同時(shí)用于多個(gè)頻率成為可能， LF 天線的設(shè)計(jì)變得相當(dāng)有效。在二十年代中，建造了許多大型的 LF天線，這一領(lǐng)域趨于成熟。貝雷（ Baily）等人在有關(guān)綜述中注意到，遠(yuǎn)距離 LF 傳輸?shù)奶炀€形式的選 擇極為有限。他們證實(shí)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(gè)長(zhǎng)的水平導(dǎo)線段的兩端接與其特性阻太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設(shè)計(jì) 4 抗相同的阻抗，在與導(dǎo)線成某一角度的方向上產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射，這是行波天線的一種簡(jiǎn)單形式。 二十世紀(jì)第一個(gè)階段的特征應(yīng)該說(shuō)是無(wú)線電在實(shí)用上的發(fā)展。部分因?yàn)榈皖l及中頻系統(tǒng)輻射問(wèn)題求解的困難，導(dǎo)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(jì)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(jì)算輻射積分畫出輻射圖 。這一期間最著名的論文當(dāng)屬索末菲（ Sommerfeld）1909 年對(duì)理想導(dǎo)電平地面上天線輻射問(wèn)題的嚴(yán)格求解。 短波因?yàn)?LF 及 MF 波段工作的移動(dòng)天線沒(méi)有方向性，在戰(zhàn)爭(zhēng)中出現(xiàn)了對(duì)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(shí)到使用更短的波長(zhǎng)可以方便地實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)方向性的天線。 1916 年他與同事富蘭克林用兩米的波長(zhǎng)（ 150MHz）和拋物柱面天線實(shí)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(zhǎng)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(yīng)用領(lǐng)域中好幾年的時(shí)間內(nèi) LF 備受冷落。二十年代和三十年代，特別是在美國(guó)，出現(xiàn)了對(duì) HF 天線不同設(shè)計(jì)的大量研究。貝爾實(shí)驗(yàn)室建立了一支得力的研究隊(duì)伍，產(chǎn)生大量的設(shè)計(jì)如菱形天線。這一天線呈水平的菱形，并在水平和垂直面內(nèi)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(shè)計(jì)者是東京帝國(guó)大學(xué)教授宇田。他在 米的波長(zhǎng)上用一個(gè)有源的單極天線，無(wú)源的反射器及幾個(gè)引向單極天線得到了帶很強(qiáng)方向性的輻射。日本東北大學(xué)教授八木于 1928 年首先向西方介紹了這一天才設(shè)計(jì)。盡管 他一直將這一設(shè)計(jì)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(jì)天線發(fā)展的第一個(gè)階段就出現(xiàn)了業(yè)余無(wú)線電運(yùn)動(dòng)。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(wú)線電對(duì)天線實(shí)際發(fā)展所作的貢獻(xiàn)，就沒(méi)有完整的天線發(fā)展史。 1921 年一位美國(guó)的業(yè)余無(wú)線電愛好者橫跨大西洋用短波傳輸了第一個(gè)完整的信號(hào)，第二年英國(guó)業(yè)余無(wú)線電愛好者勸說(shuō)英國(guó)政府同意建立試驗(yàn)性質(zhì)的廣播站。其結(jié)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(zhǎng)為 700 米，發(fā)射機(jī)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(zhǎng)的四線倒 L 形天線。但英國(guó)在這一方面已經(jīng)處于落后，同時(shí)期美國(guó)已有數(shù)家商業(yè)廣播站，而法國(guó)已在艾菲爾鐵塔頂上架起了發(fā)射天線。 ? 計(jì)算機(jī)前的理論設(shè)計(jì) 1930 以來(lái)的理論設(shè)計(jì)技術(shù)可以分為三個(gè)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(guān)內(nèi)容可簡(jiǎn)要介紹如下。 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設(shè)計(jì) 5 赫茲導(dǎo)出一個(gè)小偶極天線 ——―赫茲偶極子 ‖——的場(chǎng)。二十年代末隨短波通信的發(fā)展，需要分析的是有限長(zhǎng)度的偶極或單極天線。這時(shí)，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(shè)是天線上的正弦電流分布，這樣，對(duì)細(xì)的 線天線可以導(dǎo)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(jīng)布羅恩（ Brown）、萊因（ Riazin）及金（ King）等人的研究而趨于系統(tǒng)化。對(duì)有限尺寸粗細(xì)的天線，在以近似的分析模型來(lái)模擬實(shí)際天線并求得近似解的問(wèn)題上，最著名的當(dāng)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(chǎng)時(shí)求解天線上電流分布的難題。他通過(guò)比較當(dāng)時(shí)已有的許多解法，提出雙圓錐模型對(duì)實(shí)際天線模擬效果最好。金對(duì)圓柱天線作為邊值問(wèn)題的有關(guān)求解進(jìn)行過(guò)總結(jié) 。雖然基本的場(chǎng)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(shù)值求解的計(jì)算條件，所以三十年代到六十年代間的大多數(shù)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(xué)原理，即將能量視為沿射線束進(jìn)行傳播?？趶降睦@射效果通常從基于惠更斯原理的基爾霍夫公式出發(fā)來(lái)分析。這在口徑尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)且觀察點(diǎn)遠(yuǎn)離口徑面時(shí)是近似正確。四十年代中， MIT輻射實(shí)驗(yàn)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(nèi)容豐富的論文中對(duì)繞射理論進(jìn)行了綜 述。大約在這一時(shí)期，人們開始熱衷于尋求能對(duì)微波反射面天線上繞射射線作用效果進(jìn)行更精確預(yù)估的方法。這直接導(dǎo)致 1962年凱勒（ Keller）幾何繞射理論（ GTD）的提出，即用繞射系數(shù)來(lái)計(jì)算繞射場(chǎng)并把它迭加在幾何光學(xué)場(chǎng)上。此后，該理論又為柯泳堅(jiān)（ Kouyoumjiam）及其它許多人進(jìn)一步發(fā)展，并廣泛而成功地用于反射面天線輻射場(chǎng)的預(yù)估中。 四十年代人們開始認(rèn)識(shí)到口徑天線的輻射場(chǎng)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(chǎng)的變換來(lái)定義平面波的角譜。傅氏變換法不僅簡(jiǎn)單易行，而且還能對(duì)給定輻射場(chǎng)分布研究其對(duì)應(yīng)的口徑場(chǎng)分布。 理論設(shè)計(jì)的第三個(gè)分支即產(chǎn)生特定輻射方向圖的天線綜合問(wèn)題。這一領(lǐng)域的工作始于四十年代，并一直延續(xù)至今。大多數(shù)早期的工作集中在線性口徑分布及線性陣列分布綜合問(wèn)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(shè)計(jì)最初是利用反傅氏變