第0章 绪论
0.1 天线概述
天线是用来辐射或接收无线电波的装置，是一种导行波与自由空间波之间的转换器件。1865年，麦克斯韦预言了电磁波的存在。1887年，德国科学家赫兹建立了第一个天线系统，其中采用了终端加载的偶极子作为发射天线，谐振方环作为接收天线。之后，马可尼开发了商用无线电，开创了越洋通信，成为第一个在无线电系统中使用天线的人。随后的100多年，无线电电子学取得了日新月异的发展，天线技术也取得了长足进步，广泛地应用于移动通信、广播电视、雷达、导航、卫星、气象、遥感等领域。
近年来，随着无线通信技术的发展，各种新型天线和新的天线技术应运而生。微带天线、缝隙天线具有体积小、剖面低、易于实现多频多极化的特点，适应了小型化和集成化的发展，是天线研究的一个热点；智能天线技术能够有效地控制和抑制各种干扰，提高信号传输质量和频谱利用率，显著地增加系统容量，是目前在移动研究中*活跃的领域之一。另外，人工电磁材料的快速发展，也为天线设计提供了新的方向，例如电磁带隙结构(electromagnetic band-gap，EBG)，可以抑制贴片天线的表面波，进而提高天线的辐射效率、拓展带宽、减小阵元之问的耦合等。
0.1.1 天线在无线电系统中的作用
*基本的无线通信系统如图0.1所示。在发射端，信号经发射机调制成高频电流能量，经馈线送至发射天线。发射天线将高频已调电流（或导波能量）变换为空间传播的白由电磁波的能量，并将电磁波辐射到预定的方向。在接收端，接收天线将无线电波的能量变换为高频电流（或导波能量）经馈线传送到接收机。
图0.1 无线电通信系统的结构图
无线通信系统，例如移动通信、卫星通信、个人通信终端等，都需要天线完成电波的发射和接收。由于超宽带这种新型无线通信技术是直接利用极窄脉冲来进行短距离数据高速传输的，信号并不需要变频及功放，虽然可以省去射频混频及功率放大模块，但天线仍然是超宽带通信系统至关重要的组成部分。另外，天线不会像通常在电子学中发生的那样，小型化到被芯片所取代。可见，作为无线通信设备射频前端重要组件的天线，是无线通信系统不可缺少的部分。不仅是无线通信系统，在其他无线电技术领域，例如，广播电视、雷达、气象、遥感等，它们都是依靠空间传播的无线电波来传播信息，无线电波的辐射和接收都必须靠天线来完成。因此，天线也是这些系统的重要组成部分。
0.1.2 天线的特性
如图0.2(a)所示，对于终端开路的传输线，导线上电流呈驻波分布。由于两导线的电流方向相反，线间距远小于波长，所以两导线在远场空间产生的电磁场反相叠加相互抵消，它的辐射作用很小；如果两导线终端逐渐张开，如图0.2(b)所示，此时两导线上的电流沿传输线方向的分量仍然反向，而垂直于传输线方向的分量同向，因而在空间产生的场可以同相叠加，使空间辐射场增强。若两导线末端完全张开，如图0.2(c)所示，此时两臂上的电流方向完全相同，在离开传输线与张开的两臂垂直的方向上，两臂上各点到此方向上远区场点的行程差为零，其产生的场同相叠加，辐射场显著增强。由上面的分析可见，并不是所有能辐射或接收无线波的器件都能用来作为天线，作为天线它需要具有一定的效率，天线的效率与其结构有很大的关系，只有开放的结构才能够有效地辐射或接收无线电波。
图0.2 将末端开路的平行双导线传输线张开形成对称振子天线
天线除了要具有一定的辐射效率之外，对于不同的应用一般要求天线的辐射能量在一定的区域内分布。例如对于广播，需要天线在水平面内全向辐射；对于定点通信，需要天线形成一个很窄的波束将能量向指定的方向辐射；对于雷达天线，当雷达进行目标搜索时，希望天线的波束在一定的范围内进行辐射，以尽快地找到目标；当雷达对目标进行跟踪时，则需要一个很窄的针状波束，当目标离开天线的*大辐射方向时，信号迅速下降，雷达就会马上进行搜索和跟踪；移动通信中的基站天线的方向性需要在水平面内的全向或扇形的波束或根据覆盖区域的不同来确定天线的方向性；智能天线对天线的方向性提高了更高要求，它要求天线能在用户的方向形成一个很窄的波束，并实时地跟踪用户，在有干扰的方向形成零点，以减少对干扰的接收，提高天线接收信号的信噪比，从而提高系统的性能。从上面的分析可以看出，天线的方向性是非常重要的，天线一定要具有系统所需要的方向性。
天绒的研究主要集中在两个方面：一方面是天线的方向特性，即对天线辐射能量在空间的分布情况进行研究；另一方面是它的阻抗特性，它包括天线的辐射阻抗和输入阻抗。辐射阻抗反映了天线辐射能力的大小。为了实现天线与收发射设备之间的良好匹配，还必须知道天线的输入阻抗。此外，天线阵中各辐射单元间的相互影响也可以通过互阻抗的研究得到。
0.1.3 天线的分类与内容
天线的分类方法很多，按使用范围分类，有通信天线、广播和电视天线、雷达天线、导航天线、测向天线等；按照工作波长，天线可分为长波天线、超长波天线、中波天线、短波和超短波天线、微波天线；按照天线上电流分布的形式，天线可分为驻波天线和行波天线；按极化特性，天线可分为线极化（垂直极化和水平极化）天线、网极化天线和椭圆极化天线；按照频率函数的性能分类，有电小天线、谐振天线、宽带天线和口径天线等。
天线的分析方法与它的结构有很大的关系，为了理论分析的方便，通常按照结构的不同，将天线分为两类：一类是由半径远小于波长的金属导线构成的线天线主要用于长波、短波和超短波。常见的线天线包括对称振子、网（或方）环天线、螺旋天线等，如图0.3所示。另一类是由尺寸大于波长的金属或介质画构成的面天线，主要用于微波波段，包括如图0.4所示的喇叭天线、抛物面天线等。本书先介绍线天线，然后再对面天线进行分析。
图0.3 线天线
图0.4 面天线
天线的研究主要涉及分析、设计和综合三个方面。天线的分析是确定给定天线结构的方向和阻抗特性。天线的理论分析，实质上是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及该场分布所决定的天线特性，空间任一点的电磁场一定满足麦克斯韦方程和边界条件，所以，求解天线问题即是根据天线上特定边界条件（如激励条件、边界条件和辐射条件等）来求电磁场的解。天线的设计是确定产生期望方向图和阻抗的特定天线的硬件特性（长度、角度等）。天线的综合，广义而言是首先给定期望的方向图，而后用综合的方法得到天线的形式，使之产生的方向图能够满意地逼近期望方向图，并满足系统的其他限制；狭义而言是确定给定天线形式的激励，使之产生的方向图能够满意地逼近期望方向图。
本书天线部分在求解基本辐射单元（电流元、磁流元和惠更斯面元）空间场分布的基础上，对天线基础知识进行介绍，从而使读者掌握天线的基本原理和基本分析方法。为了让读者对天线有一个全面的了解，书中还介绍了各种典型的天线形式以及天线在一些领域中的应用。
0.2 电波传播概述
无线电波是指频率从几十赫兹到3000GHz频谱范围内的电磁波。无线电波传播是指发射天线或自然辐射源所辅射的无线电波在媒质（如地表、地球大气层或宇宙空间等）中的传播过程。
0.2.1 无线电波频段的划分
无线电波频段的划分如表0.1所示。从表中可以看出，无线电波的频率范围为从极长波的30Hz以下到亚毫米波的3000GHz，波长的范围为从104km到0.1mm。在如此宽的频率范围内，电波的传播特性会发生很大的变化，相应地会有不同的传播形式。表0.1中的微波波段从300MHz～300GHz，也包括很宽的频率范围，为了使用上的方便，通常把微波频段再分为若干个子频段，如表0.2所示，子频段均用英文字母命名。
表0.1 无线电波频段的划分
表0.2 微波波段再划分
0.2.2 电波的传播方式
根据电波在媒质中传播的物理过程的不同，可将电波的传播方式分为5种，如图0.5所示。地波传播为无线电波沿着地球表面的传播方式。空间波传播（也称视距传播）为电波直接从发射天线传播至接收点的传播方式，当收发天线都在地面上架设时，由于架设的高度与波长比很高，因此地波传播可以忽略，在接收点除了直射波之外，还有地面反射波到达，因此接收点的场强为直射波和反射波场强的和。天波传播（电离层反射传播）为无线电波经电离层反射后到达接收点的一种传播方式。外层空间传播为传播的空间，主要是在外大气层或行星际空间，并且是以宇宙飞船、人造地球卫星或星体为对象，在地一空或空一空之间的传播。本书对以上四种传播方式进行了详细介绍。散射传播为利用对流层中或电离层中介质的不均匀性对电波的散射作用进行的传播方式。由于散射传播应用得比较少，本书不作重点讨论。
图0.5 几种主要的电波传播方式
电波频率不同，其在媒质中的传播特性会有很大变化，因此会采用不同的传播方式。大地为导电媒质，无线电波在其中传播会有衰减，频率越高，衰减越大，因此中波以下波段主要为地波传播，其他波段的无线电波的波衰减很大，不可能传播到很远的地育。短波可以被电离层反射，主要采用天波传播。超短波、微波和毫米波可以穿透电离层，主要的传播方式为空间波传播和外层空间传播。
0.2.3 电波传播的研究方法及其发展
本书研究无线电波在媒质空间中的传播，也就是研究无线电波沿地球（地下、水下及地球表面）、大气层（对流层、电离层等）以及在星际空间中的传播。天线的辐射场的分布仅仅取决于天线辐射的方向图和地球、大气等自然因素。
当电波沿着不同的路径传播时，传播媒质对电波有两方面的影响。第一，媒质使在其中传播的无线电波衰减；第二，使无线电波的传播路径发生改变。无线电波在媒质中的衰减是指对接收点接收场强的总衰减，它取决于电波能量的自然扩散、在媒质中由热损耗引起的吸收和在传播途径中绕过所遇到障碍物时引起的场强的减小。这种障碍物的形式是地球的凸起部分和各种地物。无线电波的传播路径的改变是指由于电波在传播中遇到障碍物所引起的反射、散射、绕射现象。接收机收
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