天線理論

詞語解釋

天線理論是指用于傳輸和接收無線電波的天線的理論。它是一種電磁波傳輸技術(shù)，可以用來傳輸聲音、圖像和數(shù)據(jù)。它是無線電通信的基礎(chǔ)，是傳輸無線信號的關(guān)鍵技術(shù)。天線理論的基本原理是利用電磁波在空間傳播的特性，將電磁波發(fā)射到指定的地方，從而傳輸信息。天線的形狀和大小會影響它的傳播特性，因此，設(shè)計者必須根據(jù)不同的應(yīng)用場景來選擇合適的天線形狀和大小。天線理論的應(yīng)用非常廣泛，可以用于無線電技術(shù)、電視技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)、移動通信技術(shù)、家庭娛樂技術(shù)等。無線電技術(shù)是利用天線理論發(fā)射和接收電磁波來傳輸信息的技術(shù)。它可以用來傳輸聲音、圖像和數(shù)據(jù)，是無線電通信的基礎(chǔ)。電視技術(shù)也是利用天線理論發(fā)射和接收電磁波來傳輸信息的技術(shù)，可以用來傳輸視頻信號。衛(wèi)星通信技術(shù)是利用衛(wèi)星發(fā)射和接收電磁波來傳輸信息的技術(shù)。它可以用來傳輸聲音、圖像和數(shù)據(jù)，是無線電通信的基礎(chǔ)。移動通信技術(shù)也是利用天線理論發(fā)射和接收電磁波來傳輸信息的技術(shù)，可以用來傳輸語音和數(shù)據(jù)信號。家庭娛樂技術(shù)也是利用天線理論發(fā)射和接收電磁波來傳輸信息的技術(shù)，可以用來傳輸音樂、電影和電視節(jié)目。總之，天線理論是一種電磁波傳輸技術(shù)，可以用來傳輸聲音、圖像和數(shù)據(jù)，是無線電通信的基礎(chǔ)，是傳輸無線信號的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用非常廣泛。

　　研究如何應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法分析和求解由導(dǎo)線所組成的天線或天線陣的問題，包括求出天線上電流分布、輸入阻抗和輻射場等。
　　早期的理論 H.R.赫茲是天線理論的奠基人。1887～1888年他第一個建立了最基本和最簡單的電容天線理論。但天線理論進(jìn)展很慢。1897年，H.C.波克林頓為細(xì)線天線建立了積分方程并證明了細(xì)線天線上的電流接近正弦分布，天線上電流波和電荷波是以光速向前傳播的。從那時起一直到20世紀(jì)30年代，天線和天線陣?yán)碚摱际腔诓ǹ肆诸D得出的這兩個結(jié)果。赫茲的解能使人們在給定電流分布下求出電磁場和輻射圖，再加上波克林頓的結(jié)果和能量守恒定律，就能解決許多實際天線問題。但是由于當(dāng)時數(shù)學(xué)上的困難，未能解出波克林頓的積分方程，這一時期的天線理論都是近似的。例如，在求天線的輸入阻抗時,先假設(shè)其上的電流分布為正弦分布,據(jù)此并利用坡印亭定理求出由天線表面發(fā)出去的功率除以最大電流的平方（半波振子）而得到輸入阻抗。這種方法稱為感應(yīng)電動勢法，其近似性在于正弦電流分布在天線表面所產(chǎn)生的場不滿足邊界條件。
　　電路理論或積分方程理論大約從30年代開始，為了求出準(zhǔn)確的電流分布和輸入阻抗，一些學(xué)者對線天線尋求嚴(yán)格的求解方法。1931年，E.海倫對中間用旋轉(zhuǎn)對稱 δ－函數(shù)源饋電的無限薄理想金屬細(xì)管狀天線建立了他的積分方程，并于1938年求出嚴(yán)格解。后來R.金等人根據(jù)海倫的線性化積分方程對實體細(xì)線天線作了大量的理論分析、數(shù)值計算和設(shè)計的實驗，得出了大量的曲線和數(shù)字結(jié)果。他們都是根據(jù)邊界條件先將麥克斯韋方程化為以天線上電流分布為待求函數(shù)的積分方程，然后對后者加以適當(dāng)?shù)奶幚�，以便�?yīng)用逐步逼近法求出其級數(shù)解。雖然R.金等人所用的線性化的積分方程本身是近似的，但根據(jù)該積分方程進(jìn)行近似計算的結(jié)果，對細(xì)線天線來說仍然有實際意義。
　　場理論或微分方程理論 1941年J.A.斯特拉頓和朱蘭成利用長橢球坐標(biāo)，對中間旋轉(zhuǎn)對稱饋電的、偏心率接近于1的長橢球形天線進(jìn)行了理論分析,應(yīng)用分離變量法并根據(jù)邊界條件直接求解麥克斯韋方程而得其場，再從后者求出天線上電流分布和輸入阻抗。
　　1941～1945年，S.A.謝昆穆諾夫利用球坐標(biāo)，對中間饋電的對頂細(xì)雙錐體天線進(jìn)行了理論分析，應(yīng)用分離變量法并根據(jù)邊界條件直接求解麥克斯韋方程而得場、天線上的電流分布和輸入阻抗。他將線天線理論分為線天線的諧振器理論和線天線的模理論。前者是把天線看成有漏波的諧振器；后者是把天線看成有開口散射的雙錐波導(dǎo)。
　　1950年，H.朱爾特利用圓柱坐標(biāo)對無限個同軸細(xì)圓管天線陣進(jìn)行了理論分析，研究了相鄰陣元中間反相饋電，應(yīng)用分離變量法并根據(jù)邊界條件求解標(biāo)量的亥姆霍茲方程，然后使相鄰陣元間的距離趨向無限大而得單個圓管細(xì)天線的場、電流分布和輸入阻抗。
　　矩量法線天線理論對一根細(xì)線天線來說是有效的，但對耦合線天線或線天線陣來說，只有線天線的積分方程理論適用。60年代矩量法應(yīng)用于電磁場方面之后，線天線的理論計算得到很大發(fā)展。借助電子計算機(jī)，矩量法應(yīng)用于線天線的積分方程理論計算，解決了和正在解決許多過去無法解決的線天線問題。純數(shù)值法是將線天線或線天線陣的導(dǎo)線分割成許多小段，每段上的待求電流假設(shè)是均勻的，然后將積分方程或積分方程組中的積分化為有限求和，從而得到與小段數(shù)目相等的代數(shù)方程組，然后用電子計算機(jī)求解，得出每一小段的電流，從而得到電流分布。
　　瞬變問題或時域問題線天線的瞬變問題或線天線的時域問題有三種求解方法。①經(jīng)典法或傅里葉變換法：先求出線天線的頻域解，然后再利用傅里葉變換將頻域解化為時域解；②直接時域解法：先建立以線天線的時空分布為待求函數(shù)的時域積分方程，然后用數(shù)值法求解，從而得到輸入特性和輻射特性。在這里，線天線本身和時間都必須分割成小段。但線天線的時域嚴(yán)格解，只有當(dāng)線天線為無限長時才能求得；③奇異性展開法：主要是用復(fù)頻率平面上的奇異性展開來表示線天線的時域響應(yīng)。根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，用脈沖源激勵的天線或散射體的瞬變響應(yīng)主要由一些衰減的正弦型響應(yīng)組成，而每個響應(yīng)的特征是用拉普拉斯變換復(fù)頻率平面上的一個極點(diǎn)或一對極點(diǎn)來表示。天線或散射體在這些極點(diǎn)附近的頻率有很大的電磁響應(yīng)。這就引出了奇異性展開法。寬頻帶的脈沖激發(fā)了這些極點(diǎn)，后者則是天線或散射體自由振蕩的解。自然模的波形與源脈沖波形無關(guān)，但其復(fù)振幅系數(shù)（稱為耦合系數(shù)或諧振強(qiáng)度）卻與源函數(shù)有關(guān)。
　　參考書目
　　任朗:《天線理論基礎(chǔ)》,人民郵電出版社,北京,1980。
　　Ronold W.P. King, Theory of Linear Antennas,Harvard Univ. Press, Cambridge, Mass., 1956.

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