1、近代天线理论及其发展趋势提要本文首先介绍了天线理论的物理基础和数学基础,然后综合论述了几种近代天线理论,尤其对天线理论在 60 年代发生的两次突破(几何绕射理论和矩量法)作了比较详细的论述。最后对天线理论的发展趋势作了一些展望。天线理论的物理基础任何变化电流都能产生电磁辐射,起着天线的作用。但是,它们不一定是天线,因为具体的天线对效率、频宽、方向性等有一定的要求。在天线结构上激发交变电流,一般有两种方法:一是在夭线的二端加上交变电压。例如,在半波振子中间加上交变电压来激发天线上的电流分布。这实际上就是使半波振子强迫振荡而形成的。另一则是用电磁波入射到天线结构,在其上激发电流。例如,在反射面天线
2、中,从原辐射器发出的电磁波入射到反射面,在其上激发电流,后者产生电磁辐射;对人射波来说,反射面是一个散射体,散射波包括反射波和绕射波。又例如卫星通信的地面站夭线一般都采用双反射面天线(称为卡赛格伦天线) ,其中原辐射器所发出的电磁波先人射到一个单叶的双曲面上,后者的散射(主要是反射) 波再人射到一个抛物面上并在其上激发电流,后者产生散射场(其主要部分是反射场或反射波) 。由此可见,反射面夭线在理论上是一种电磁波的散射问题(一般称为电磁波的散射绕射问题,确切地说应该说是电磁波的散射问题)。波导口天线也是基于电磁波的散射绕射理论,因为波导中的电磁波传输到波导口经由开口散射绕射形成波导口天线的辐射场
3、。喇叭天线也有类似的情形。线状天线如八木天线中的无源振子从物理上看也是散射体。因此,夭线理论在很多情形下是与电磁波的散射绕射分不开的。对于天线阵来说,尤其是对于线形阵,依靠电磁场的相互干涉来取得和控制方向性,而在面夭线方面则依靠反射面的聚焦作用来获得方向性。近代天线理论无论是经典天线理论还是近代天线理论,可以说,上述天线理论的物理基础和数学基础都是共同的。这就是先介绍这两方面基础的原因。由于近代科技的蓬勃发展,尤其是电子计算机的迅速发展以及在天线方面不断增多的新需要,出现了天线领域内的一些新问题和一些新的解决方法。1.由于数学上的困难,使绝大多数较复杂的天线问题无法用严格解析法求解。近似解析法
4、如微扰法、变分法、迭代法、几何光学法、物理光学法等也只能求解一些形状不太复杂的天线问题。当天线形状复杂时,以上方法都无法应用。60 年代凯洛的“几何绕射理论”目和哈林顿的“矩量法”山就是为了解决而且已经解决了许多这类复杂天线问题而提出的。虽然几何绕射理论属于高频技术,但是,高频域正是我们感兴趣的领域。矩量法却不受频率的限制。有人说,60 年代发展起来的“几何绕射理论 ”和“矩量法”是对天线理论的突破,看起来这并不算过分。因为凡是以前不能解决的天线问题,一般都可借助于几何绕射理论或矩量法或它们的联合使用来得到解决。(1)几何绕射理论这里有必要介绍一下有关“几何绕射理论”的发展过程。1962 年凯
5、洛(J.丑一 Keller)提出几何绕射理论(GeometriealTheoryofDiffraetion.GTD),很多天线工作者用它来计算实际天线向题很奏效。但是,该理论在过渡区如阴影边界(SB)附近、反射边界(RB)附近以及在散焦处给出无限大场值。显然,在这些方向上,GTD 失效。此外,当入射场具有复杂性质时,GTD 公式也无效。过去用 GTD 计算夭线问题时,在失效的方向上是用其他近似法如物理光学法等求得场值的。(2)矩量法过去,古典的天线阵理论一般都忽略了各单元间的互祸问题,人为地将单元的辐射图和阵的干涉图分开,用前者乘以阵因子来求天线阵的总辐射图。必须指出,在互祸比较严重的情况下,
6、这样做不但误差显著,而且无论在理论上和在工程上是不允许的。要考虑互祸,必须将整个天线阵作为一个复杂电磁场的边界值向题来处理。无论用线天线、波导口天线或其他形式为阵的单元,一般需建立和求解积分方程或积分方程组。这些积分方程和积分方程组的严格或近似求解非常困难。自从矩量法问世后,借助于电子计算机,这些方程和方程组的近似求解己不成问题。根据这个方法,先由经验找到一个已知函数作为基函数,将待求函数展为基函数的级数,其中有一个待定系数。设 L(f)=g其中 L 为线性算符( 这里是积分算符),f 为待求函数,g 为已知函数,这时可将 f 展为适当的已知函数f, ,f, ,f3 ,的级数 f=an*fn
7、其中 an 为待求系数,fn 称为基函数,将 J 代人积分方程得现在根据经验用一组权函数 W n 与上式取内积得写成矩阵形式,则其中从而得设fn=f1 f2 f3 ,则待求函数 f 可以写成这就是矩量法的要点。2.过去由于我们关心的是电磁场的稳态简谐状态,也就是我们关心的是电磁场的“频域”(Frequency Domain)问题。近来人们注意到天线要发射、接收、散射极宽频谱的短脉冲波,电磁波要经过随时间变化的媒质如电离层等,用脉冲波激励的电磁暴发对通信和电子设备的影响,瞬变电磁场的研究已经开始。这是一种所谓电磁场的“时域”问题。其基本问题就是根据初始条件和边界条件求解电磁场的边界值问题。因此,
8、这类问题的求解方法与“频域”的相似,只不过多了一个边界条件(即时间的边界条件 )。求解时域问题,可以用分离变量法、格林函数法或从频域解借用傅氏或拉氏变换求出时域解。最近提出一种方法,称为“奇异性展开法”(singularity Expansion Method,SEM) ,它的根据是将电磁场表示为双边拉氏变换的变数 s(复频率)的函数和后者的解析性质。拉氏变换的奇异性被用来表征时域电磁响应或“复频域”(complex Frequency Domain)电磁场响应。提出该法的启示是实验。从实验结果看,经常发现有“衰减的正弦波”(Damped Sinusoids)。我们知道,衰减的正弦波的拉氏变换
9、对应于在复频面上的一个极点或一对极点。SEM 法就是根据这一想法提出来的。3.近来由于航天事业的兴起和发展,飞行体穿过大气层时,在其周围形成等离子体鞘套,而当经过电离层时则淹没在等离子海洋中,因此,等离子体中天线的理论受到应有的重视。这个天线问题横跨两门学科,一个是电磁理论,另一个是等离子体中的流体动力学。因此,要解决这个问题,就必须联合求解电磁场方程和等离子体中流体动力学方程。4.由于实际应用的需要,尤其是长波和超长波天线或波长远大于载体的物理尺寸时,电小天线的理论近来受到充分重视。如何从理论上探讨电小夭线的效率和带宽,使效率一带宽积增大是该领域内的重要问题,这个问题关系到广播、导航、航空、
10、航海等事业的发展,至为重要。5.为了特殊用途的导电媒质中的天线,例如水下和地下天线的研究,已获得充分的重视。由于体积的限制,近来对微带天线和印刷天线以及它们的天线阵的研究也受到了重视。其他如自适应天线阵、信号数据处理天线阵等应用甚广,但它们不纯粹是电磁场问题,而是一种场路结合的技术。天线理论的发展趋势虽然求解电磁场边值问题的三种求解方法在今后天线理论的发展过程中都会起作用,但几何绕射理论和矩量法以及它们的联合使用将是夭线理论的发展趋势。原因很清楚,它们已经、正在和将解决大量的以前无法解决的问题。由于航天、航海、水下航行等日益增加的实际需要,夭线在等离子体中,导体媒质中,不均匀煤质中,各向不同性
11、媒质中以及非线性媒质中的辐射理论研究,也是夭线理论的发展趋势。其他如用时间调制以时代空来扩大天线面积的理论研究(一种信号数据处理天线或称为四维天线) 也有发展前途。印刷天线、微带天线、天线和其载体的联合求解,也都是将要深入研究的对象。参考文献1 任朗,天线理论基础,人民邮电出版社,198。年 12 月出版。2 L. B. Felsen (Editor),Transient Electromagnetic Fields,1976.3 J. B .Keller,J. opt. Science,Am52,1962,pp.116130.近代天线理论及其发展趋势班级:0902602学号:090260221姓名:王兆阳