【正文】 () () () () () () () () 式中，E為電場(chǎng)單位；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，電基本振子的場(chǎng)強(qiáng)矢量由三個(gè)分量 組成，每個(gè)分量都由幾項(xiàng)組成，它們與距離r有著復(fù)雜的關(guān)系[3]。在近場(chǎng)區(qū)，電基本振子的表達(dá)式變成： () () () () 近場(chǎng)區(qū)的一個(gè)重要的特點(diǎn)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間存在90176。(2) 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：當(dāng)rλ/2π的區(qū)域稱(chēng)為遠(yuǎn)區(qū)。由公式()和()可以看出，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)具有以下四個(gè)性質(zhì)：①無(wú)論是電場(chǎng)，還是磁場(chǎng)，都與距離r成反比，都含有相位因子，等相位面則是以振子為球心的球面，并且沿著r增大的方向傳播。③與sinθ成正比，說(shuō)明電基本振子的輻射具有方向性。 ()此公式為實(shí)功功率，說(shuō)明存在功率的消耗，這是電磁波由源不斷向外傳播或者說(shuō)電磁能從振子表明不斷向外輻射引起的。根據(jù)電路理論，電阻R與實(shí)功功率P的關(guān)系可以知道，電基本振子所呈電阻（單位為歐姆），可以按照()計(jì)算： ()為了與普通電阻有所區(qū)分，通常稱(chēng)為輻射電阻。④的比值為常數(shù)，該常數(shù)稱(chēng)為媒質(zhì)的波阻抗，記為η，對(duì)于自由空間當(dāng)中的波阻抗： () 磁基本振子的輻射磁基本振子又稱(chēng)為磁流元、磁偶極子。設(shè)想一段長(zhǎng)為ι(ιλ)的磁流元置于球坐標(biāo)系原點(diǎn)，根據(jù)電磁對(duì)稱(chēng)性原理，有如下的變換（e和m分別對(duì)于電源和磁源）： () () () () 現(xiàn)在只討論磁基本振子的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的表達(dá)式： () ()磁偶極子的輻射總功率是： ()其輻射電阻是： () 天線的基本參數(shù) 天線方向性(1) 天線的方向函數(shù)和方向圖 由電基本振子的分析可以知道，天線輻射出去的電磁波雖然是一球面波，卻不是均勻球面波，因此，任何一個(gè)天線的輻射場(chǎng)都具有方向性。為了便于比較不同的天線方向性，常采用歸一化方向函數(shù)，用表示。即，與天線等距離處，天線輻射場(chǎng)大小在空間中相對(duì)分布隨方向變化的圖形。分析天線的方向圖就可分析天線的輻射特性。 ()歸一化方向函數(shù)： () 按照空間的維度，方向圖有三維的立體方向圖和二維的平面方向圖之分。E面即電場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面；H面即磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在的并包含最大輻射方向的平面。 (2) 天線的方向圖參數(shù) ①主瓣寬度：指方向圖主瓣上兩個(gè)半功率點(diǎn)()之間的夾角。主瓣寬度有時(shí)又稱(chēng)為半功率波束寬度或3dB波束寬度。主瓣寬度這一參量可以描述天線波束在空間的覆蓋范圍，在工程上，往往由主瓣寬度來(lái)設(shè)計(jì)口徑天線和陣列天線的結(jié)構(gòu)尺寸。但對(duì)于高副瓣天線(副瓣電平接近于主瓣情況)，主瓣寬度這一指標(biāo)就不能說(shuō)明天線的輻射集中程度，也不能說(shuō)明天線的方向性強(qiáng)弱[4]。公式()中，和表示最大副瓣和主瓣的功率密度最大值；和分別表示最大副瓣和主瓣的場(chǎng)強(qiáng)最大值。天線副瓣電平愈低，表明天線在不需要方向上輻射或接收的能量愈弱，或者說(shuō)在這些方向上對(duì)雜散的來(lái)波抑制能力愈強(qiáng)，抗干擾能力就愈強(qiáng)，因此要求天線的副瓣電平盡可能的低。④前后比：指主瓣最大值與后瓣最大值之比，通常也用分貝表示。為了更為精確的反映和比較不同天線之間的方向性，需要引入一個(gè)能定量的表示天線定向輻射能力的電參數(shù)，這就是方向系數(shù)。 方向系數(shù)的定義是：在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度(或者場(chǎng)強(qiáng)的平方)和無(wú)方向性天線(點(diǎn)源)的輻射功率密度(或者場(chǎng)強(qiáng)的平方)之比，記為D，公式如下： ()式中，Pr和Pr0分別表示實(shí)際天線和無(wú)方向性天線的輻射功率。 天線的主要電參數(shù)(1) 天線的效率天線的效率是用來(lái)計(jì)及損耗的。而天線結(jié)構(gòu)內(nèi)的損耗又包括導(dǎo)體和介質(zhì)的損耗。即： () 如果從電阻的角度來(lái)考慮天線的效率的話，天線的效率還可以表示成： () 從公式()可以看出，若想提高天線效率，必須盡可能的減小損耗電阻，提高輻射電阻。人們關(guān)心的不只是天線的方向性，還關(guān)心天線的定向收益程度，這就是天線的增益。結(jié)合前面的天線方向性系數(shù)()和天線效率()，可以得到：天線的增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換效率和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)和天線效率的乘積，即： ()(3) 天線的極化電磁波的極化方向通常是以其電場(chǎng)矢量的空間指向來(lái)描述的。如果這個(gè)軌跡是一條直線，則稱(chēng)為線極化；如果是一個(gè)圓，則稱(chēng)為圓極化；如果是一個(gè)橢圓，則稱(chēng)為橢圓極化。在通信和雷達(dá)中,通常是采用線極化天線；但如果通信的一方是劇烈擺動(dòng)或高速運(yùn)動(dòng)著的,為了提高通信的可靠性,發(fā)射和接收都應(yīng)采用圓極化天線；如果雷達(dá)是為了干擾和偵察對(duì)方目標(biāo),也要使用圓極化天線。[5]。天線的有效長(zhǎng)度定義如下:在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)值不變的條件下,假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時(shí)天線的等效長(zhǎng)度。顯然,有效長(zhǎng)度愈長(zhǎng),表明天線的輻射能力愈強(qiáng)。天線的輸入阻抗對(duì)頻率的變化往往十分敏感,當(dāng)天線工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí),天線與傳輸線的匹配變壞,致使傳輸線上電壓駐波比增大,天線效率降低。(6) 天線的頻帶寬度 天線的所有電參數(shù)都與頻率有關(guān),也就是說(shuō),上述電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻率設(shè)計(jì)的。實(shí)際上,天線也并非工作在點(diǎn)頻,而是有一定的頻率范圍。 短波天線傳播研究短波通信離不開(kāi)對(duì)短波傳播知識(shí)的了解。短波天線傳播廣泛應(yīng)用于各種距離的定點(diǎn)通信、廣播、航海通信等。同時(shí)，建造通信設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低。 短波的基本傳播途徑有兩個(gè)：一個(gè)是地波，一個(gè)是天波。海面介質(zhì)的電導(dǎo)特性對(duì)于電波傳播最為有利，短波地波信號(hào)可以沿海面?zhèn)鞑?000公里左右；陸地表面介質(zhì)電導(dǎo)特性差，對(duì)電波衰耗大，而且不同的陸地表面介質(zhì)對(duì)電波的衰耗程度不一樣（潮濕土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大）。地波傳播不需要經(jīng)常改變工作頻率，但要考慮障礙物的阻擋，這與天波傳播是不同的。短波信號(hào)由天線發(fā)出后，經(jīng)電離層反射回地面，又由地面反射回電離層，可以反射多次，因而傳播距離很遠(yuǎn)（幾百至上萬(wàn)公里），而且不受地面障礙物阻擋。在天波傳播過(guò)程中，路徑衰耗、時(shí)間延遲、大氣噪聲、多徑效應(yīng)、電離層衰落等因素，都會(huì)造成信號(hào)的弱化和畸變，影響短波通信的效果。 天線設(shè)計(jì)的理論根據(jù) 圓形陣列半徑的選擇根據(jù) 隨著圓形陣列半徑 R 的增大，天線的增益在減小。不同 R ，當(dāng)R=λ/4時(shí)，副瓣較小；當(dāng)R增至R =λ時(shí)，雖然還有一個(gè)給定指向的主瓣，但出現(xiàn)了幾個(gè)與主瓣大小幾乎相同的副瓣，因而增益降低了[7]。如Error! Reference source not 。而當(dāng)L=，主瓣指向雖然是 10176。若振子臂長(zhǎng)增長(zhǎng)至 L = ，則方向圖主瓣指向發(fā)生明顯偏移，且出現(xiàn)一個(gè)大副瓣，增益值變小[7]。圓陣工作中心頻率在15MHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為20m，直線對(duì)稱(chēng)偶極天線總長(zhǎng)度為2L=λ/2=10m，在地面加鏡像金屬導(dǎo)體后，臂長(zhǎng)L大約需要λ/4=5m（理論值）。 陣子半徑a對(duì)方向圖的影響[7]實(shí)際上陣子半徑a對(duì)駐波比的影響比對(duì)方向圖的影響要大得多，所以在仿真時(shí)，主要考慮的是a對(duì)駐波比的影響，而不是對(duì)方向圖的影響。[7] 輸入電阻隨R 變化很快，當(dāng) R =λ時(shí)，振子間的互耦作用較小，天線輸入阻抗接近單振子的數(shù)值。當(dāng)R由λ/2減至λ/4時(shí)，輸入電阻由150Ω左右減到僅10多Ω。例如當(dāng)R =λ/8時(shí)，圓陣半徑R減小了一半，求得其增益G值仍可達(dá)9dB以上，與R =λ/ 4時(shí)相近；而天線的輸入電阻小于10Ω,Q遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1，此時(shí)出現(xiàn)了超增益特性。天線的輸入阻抗隨著陣元數(shù)的變化也有明顯的變化[7]。這是因?yàn)?R 一定，天線的體積不變，單元數(shù)增加，使得增益不斷增大，因而Q值增高。當(dāng)臂長(zhǎng)變長(zhǎng)時(shí)，輸入阻抗的實(shí)部和虛部都增大。 建模步驟(1)打開(kāi)FEKO，選擇File，新建工程文件并進(jìn)入工作界面。(2)環(huán)境設(shè)置 ①在菜單欄中選擇motel→motel unit，把建模環(huán)境尺寸設(shè)置成metres,點(diǎn)擊OK。點(diǎn)擊OK。Comment表示對(duì)該變量進(jìn)行備注。這些變量都是預(yù)設(shè)的初始值。在“幾何形體創(chuàng)建及編輯工具”欄中，點(diǎn)擊cylinder，彈出create cylinder對(duì)話框，在Base centre中，采用(U，V，N)=(0,0,)),表示幾何模型的坐標(biāo)位置，在Dimensions中輸入圓柱盤(pán)的參數(shù)radius為R，height為d,采用變量的目的是為了下面的仿真優(yōu)化。②建立饋線。饋線設(shè)置在R/2處，是為了使振子的反射鏡像竟可能的為無(wú)限大(相對(duì)于小尺寸的振子來(lái)說(shuō))。 Variables初始值設(shè)置變量預(yù)設(shè)值變量意義d圓柱盤(pán)厚度f(wàn)req14e+6中心頻率h5陣元長(zhǎng)度Lc0/freq波長(zhǎng)P10陣元1的相位P20陣元2的相位P30陣元3的相位P40陣元4的相位P50陣元5的相位