物理電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ) 第二版 電子工業(yè)出版社 電磁波的輻射

線形天線7.4赫茲和赫茲實(shí)驗(yàn)7.1振蕩偶極子的輻射7.2天線的電參量7.3面形天線7.5第7章電磁波的輻射天線陣7.6電磁波輻射的應(yīng)用7.7概要

前兩章介紹電磁波的無(wú)線傳播和有線傳輸均未涉及電磁波的產(chǎn)生問(wèn)題。電磁波的輻射是指振蕩波源產(chǎn)生的電磁波傳播至遠(yuǎn)處而不再返回波源的現(xiàn)象。由于波源輻射體一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，研究電磁波的輻射，通常間接引入輔助的滯后位，按邊界條件嚴(yán)格求解含源區(qū)域滯后位的非齊次波動(dòng)方程解。困難在于要精確確定輻射體上的未知電荷和電流的分布極其復(fù)雜。幸運(yùn)的是，輻射場(chǎng)對(duì)其輻射體的源分布的微小偏差的反應(yīng)很不靈敏，因而可以假定某種合理的近似源分布，仍然能得到滿足工程需要的結(jié)果。能夠輻射電磁波的輻射體稱為發(fā)射天線，由互易原理可知，接收天線與發(fā)射天線具有相同的電參量。本章首先以振蕩電、磁偶極子〔或電、磁基本振子〕作為輻射電磁波的基本單元，重點(diǎn)介紹了它的近區(qū)場(chǎng)分布特性和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射特性及描述天線特性的電參量；在此基礎(chǔ)上應(yīng)用疊加原理和對(duì)偶原理等進(jìn)行推廣，按不同頻率特點(diǎn)和應(yīng)用要求派生出各種類型的線形天線、面形天線和天線陣；最后介紹電磁波輻射的應(yīng)用。7.1赫茲和赫茲實(shí)驗(yàn)閱讀材料：自學(xué)。7.2振蕩偶極子的輻射7.2.1滯后位考慮均勻、線性和各向同性媒質(zhì)中時(shí)諧源的滯后位，可簡(jiǎn)化分析和計(jì)算。由式〔〕和〔〕有

利用式（7.2）將取代為，只需求一個(gè)A的解即可得式（7.4b）的。實(shí)際上，常用無(wú)源區(qū)麥克斯韋方程（4.8b）求電場(chǎng)由式〔〕得

問(wèn)題：什么是滯后位？滯后位——場(chǎng)點(diǎn)的響應(yīng)滯后于源點(diǎn)的擾動(dòng)形成的位函數(shù)7.2.2振蕩電偶極子〔赫茲偶極子〕的輻射例中定義的靜電偶極子按正弦函數(shù)作交變的時(shí)諧振蕩時(shí)，會(huì)產(chǎn)生脫離波源的電磁波，其源函數(shù)

●輻射場(chǎng)求解步驟

圖表示的振蕩電偶極子用細(xì)導(dǎo)線連通兩點(diǎn)電荷，形成等效的電流元，它是最簡(jiǎn)單的輻射系統(tǒng)，稱為電基本振子。赫茲電偶矩與電流元用下式等效為或式〔〕中的電流分布改寫成

為便于理解振蕩偶極子場(chǎng)的物理特性，A、H和E寫為球坐標(biāo)系中的分量形式電流元位于坐標(biāo)原點(diǎn)〔〕處，且有l(wèi)<<r，上式近似寫成場(chǎng)點(diǎn)P的磁場(chǎng)強(qiáng)度式〔〕代入上式，得場(chǎng)點(diǎn)P的電場(chǎng)強(qiáng)度式〔〕代入上式，得由式（7.10）和（7.11）可知，電基本振子傳播的電磁場(chǎng)只存在場(chǎng)分量，是沿r方向傳播的橫磁波，且與徑向距離r有復(fù)雜的變化關(guān)系，有必要按近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)進(jìn)行近似討論。1．振蕩電偶極子的近區(qū)場(chǎng)

所以在式（7.10）和（7.11）中起支配作用的是的高次冪項(xiàng)，可以忽略其余各項(xiàng)，得近區(qū)場(chǎng)的近似表示利用，可將式〔、b〕寫為振蕩電偶極子近區(qū)場(chǎng)基本特性

（1）準(zhǔn)靜場(chǎng)特性：電場(chǎng)類似于靜電場(chǎng)中電偶極子的電場(chǎng)，磁場(chǎng)類似于靜磁場(chǎng)中電流元的磁場(chǎng)，故稱為準(zhǔn)靜場(chǎng)或似穩(wěn)場(chǎng)。由于近區(qū)場(chǎng)是由源的變化引起，又稱為感應(yīng)場(chǎng)。（2）束縛場(chǎng)特性：電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量間的相差為，電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行周期性能量交換，平均能流密度為零，無(wú)電磁能流向外輻射，被振蕩源束縛在其周圍附近，稱為束縛場(chǎng)。2．振蕩電偶極子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)，在遠(yuǎn)區(qū)中

所以在式（7.10）和（7.11）中起支配作用的是的項(xiàng)，可以忽略其余各項(xiàng)，得遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的近似表示（取振蕩電偶極子遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)基本特性（1）橫電磁波特性：電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量在空間上正交，且垂直于r的傳播方向（相互正交，且呈右旋關(guān)系），其場(chǎng)分量的比值取決于波阻抗；（2）輻射場(chǎng)特性：電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量在時(shí)間上同相，電磁波的能流密度沿徑向輻射；（3）非均勻球面波特性：沿徑向r輻射的電磁波是按衰減的球面波（的等相面是r=常數(shù)的球面，等相面上的場(chǎng)量非恒定不變，且其振幅沿r方向減弱）。球面波的衰減不是由空間介質(zhì)損耗所引起，而是球面波的固有擴(kuò)散特性所致；（4）場(chǎng)分布的方向性：電磁波是極角的正弦函數(shù)，其場(chǎng)分布具有方向性（，在極角的軸線方向上輻射為零，在極角的正交于軸線方向上輻射最強(qiáng)，但輻射場(chǎng)強(qiáng)與方位角無(wú)關(guān)）。

7.2.3振蕩磁偶極子的輻射振蕩磁偶極子的輻射可仿照振蕩電偶極子的類似方法或等效原理和對(duì)偶原理求解。等效原理——等效源和真實(shí)源在所考慮的同一區(qū)域內(nèi)能產(chǎn)生相同的場(chǎng)。對(duì)偶原理——滿足相同形式數(shù)學(xué)方程解的電量和磁量具有對(duì)偶性，可進(jìn)行對(duì)偶變換和疊加。例和例中定義的靜磁偶極子作交變的時(shí)諧振蕩時(shí)，其源函數(shù)

圖7.2表示的振蕩磁偶極子與等效的圓電流形成簡(jiǎn)單的輻射系統(tǒng)，稱為磁基本振子。兩者用下式等效為或

圓電流與振蕩磁偶極子進(jìn)行等效變換時(shí)，可引入等效系數(shù)，得或，有

進(jìn)行對(duì)偶變換：式〔〕變?yōu)榭紤]到式〔〕，有比較式〔〕和〔〕可以看出，振蕩電、磁偶極子的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)具有相似的基本特性。【例7.1】有一復(fù)合基本振子輻射系統(tǒng)由電流元和圓電流環(huán)組成，且。電流元的軸線垂直于電流環(huán)的平面，在直角坐標(biāo)系中的位置如下圖。試分析遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的極化特性。解：電流元和圓電流環(huán)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)

由疊加原理可得復(fù)合基本振子系統(tǒng)的遠(yuǎn)區(qū)合成場(chǎng)看出遠(yuǎn)區(qū)合成場(chǎng)在空間相互正交〔〕，時(shí)間相位差為，正交方向的振幅不相等，一般為橢圓極化波。

當(dāng)時(shí)退化為圓極化波，此時(shí)有，可將產(chǎn)生圓極化的條件表示為

所以電矩與磁矩之比的絕對(duì)值等于自由空間的波數(shù)時(shí)，遠(yuǎn)區(qū)任意點(diǎn)的合成場(chǎng)為圓極化電磁波。需要指出，在上面的分析中已經(jīng)默認(rèn)和相位相同。若和的相位差為，則合成場(chǎng)不再是橢圓極化或圓極化，而是線極化。7.3天線的電參量問(wèn)題：什么是天線的電參量？為什么要引入天線的電參量？互易原理——同一天線用作發(fā)射和接收均具有相同的電參量〔?；诎l(fā)射天線定義天線的電參量〕方向性圖、主瓣寬度和副瓣電平方向性因子〔或方向性函數(shù)〕——定量描述天線輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度在空間相對(duì)分布的解析式。取的最大值為，得歸一化方向性因子

由知1．方向性圖方向性圖——的圖解表示?？臻g立體圖可分解為兩個(gè)主平面〔E面和H面〕的剖面圖?！耠娀菊褡拥姆较蛐詧D〔圖〕2.主瓣寬度圖表示方向性圖波瓣的主瓣寬度和副瓣電平。主瓣寬度——電場(chǎng)強(qiáng)度〔或功率密度〕方向性圖中主瓣軸線兩側(cè)場(chǎng)強(qiáng)〔或功率密度〕下降為最大值的〔或一半〕的矢徑夾角。它用于表征天線輻射的能量集中程度和定向性能。3．副瓣電平副瓣電平——功率方向性圖中最大副瓣方向上功率密度與主瓣最大方向上功率密度之比。它用于表征非輻射區(qū)能量的相對(duì)大小。

7.3.2方向性系數(shù)、效率和增益系數(shù)

1．方向性系數(shù)方向性系數(shù)——在等值輻射功率條件下，最大輻射方向某處有向、無(wú)向天線功率密度之比2．效率實(shí)用天線的損耗——天線導(dǎo)體焦耳熱損耗、介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗和天線附屬物的感應(yīng)損耗。效率——表征天線有效轉(zhuǎn)換能量的能力，它等于天線輻射功率與其輸入功率〔輻射功率加損耗功率〕之比3．增益系數(shù)增益系數(shù)——在等值輸入功率條件下，最大輻射方向某處有向、無(wú)向天線功率密度之比比較D和G的定義式看出，兩者分別針對(duì)等值輻射功率和等值輸入功率而言，而輸入功率中的輻射功率和損耗功率已包含了效率問(wèn)題，其相互關(guān)系為

7.3.3輸入阻抗和輻射電阻天線有效輻射的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)天線與饋線的阻抗匹配，使天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗相等。輸入阻抗——天線輸入端高頻電壓、電流之比【例7.2】確定赫茲偶極子的輻射功率、輻射電阻和方向性系數(shù)。解：〔1〕赫茲電偶極子的輻射功率等于時(shí)均坡印廷矢量對(duì)包圍該偶極子的某一假想球面取面積分

輻射電阻——假想吸收天線輻射功率的等效電阻。它用于形象化描述天線輻射功率的能力。其表示式由式〔〕和，上式變?yōu)椤?〕饋源提供給赫茲偶極子的能量轉(zhuǎn)化為它的輻射功率，該輻射功率假想為等效的輻射電阻所吸收，所以輻射電阻所吸收的功率比較上面兩個(gè)式子，即得赫茲偶極子的輻射電阻〔3〕分別寫出式〔〕中的有向天線和無(wú)向天線的輻射功率在等值輻射功率條件下，，由方向性系數(shù)的定義式〔〕可知將赫茲電偶極子的歸一化方向性因子代入上式分母中，有故得

7.4線形天線

7.4.1對(duì)稱振子天線線形天線——橫向尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸，且縱向尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的非微波波段天線。按疊加原理計(jì)算圖所示對(duì)稱振子天線的場(chǎng)，它表示對(duì)稱振子半波天線的演化過(guò)程。

設(shè)沿z軸振子上的駐波電流分布振子上電流元作為電基本振子，其輻射電場(chǎng)由式〔〕表示為對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，取〔振幅〕和〔相位〕，有

式〔〕代入式〔〕

對(duì)稱振子總輻射場(chǎng)等于無(wú)數(shù)電流無(wú)輻射場(chǎng)疊加，對(duì)上式取積分

上式積分為是對(duì)稱振子的E面方向性因子?！纠壳髮?duì)稱振子半波天線的方向性因子、輻射場(chǎng)分布、輻射功率和輻射電阻。解：〔1〕半波天線的單臂長(zhǎng)度，式〔〕變?yōu)橛缮鲜娇僧嫵霭氩ㄌ炀€的方向性圖，如下圖。〔2〕由式〔〕，并考慮到和可求出半波天線的輻射場(chǎng)分布〔3〕時(shí)均坡印廷矢量半波天線的總輻射功率上式的積分值由計(jì)算得，即知

〔4〕半波天線的輻射電阻7.4.2引向天線引向天線——由有源振子和假設(shè)干無(wú)源振子形成的引向器和反射器組成，如下圖。引向天線輻射場(chǎng)的方向性圖指向場(chǎng)點(diǎn)P。

應(yīng)用：米波、分米波波段的雷達(dá)、通信及其他無(wú)線電系統(tǒng)。

●定向工作原理

對(duì)多元振子天線，任一饋電振子的近場(chǎng)耦合在其他振子上的感應(yīng)電流取決于各振子長(zhǎng)度及其間距。由此調(diào)節(jié)彼此電流分配比達(dá)到控制方向性圖指向和定向輻射的目的。

問(wèn)題：圖7.10（b）所示折合振子作為有源振子，為什么可提高引向天線的輸入阻抗？應(yīng)用折合振子有那些優(yōu)點(diǎn)？

7.4.3寬頻帶天線

寬頻帶天線——在大于一倍頻程范圍內(nèi)電特性無(wú)明顯變化的天線。寬頻帶天線改善了引向天線頻帶窄的缺點(diǎn)。電特性——由天線電參量〔如方向性圖和阻抗〕所決定的輻射特性。駐波天線的電特性對(duì)天線的電尺寸十分敏感。在寬頻帶范圍內(nèi)天線的頻率或波長(zhǎng)變化與天線結(jié)構(gòu)尺寸的相應(yīng)變化只要能確保其電尺寸或電特性不變化，就可能在超短波和短波范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全頻道接收。假設(shè)電磁波頻率與天線結(jié)構(gòu)尺寸按長(zhǎng)度或角度均作周期性變化，且相鄰結(jié)構(gòu)尺寸比值為特定值，那么出現(xiàn)在頻率范圍間的天線性能，將在頻率范圍間重復(fù)出現(xiàn)。因而，天線的電特性也將在寬頻帶范圍內(nèi)作周期性變化。

●對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)圖7.11表示對(duì)相鄰振子交叉饋電的對(duì)數(shù)周期天線，其相鄰振子尺寸滿足關(guān)系

天線整體結(jié)構(gòu)取決于周期率和結(jié)構(gòu)角。天線結(jié)構(gòu)尺寸按作周期性變化。

●對(duì)數(shù)周期天線工作原理

對(duì)數(shù)周期天線的工作區(qū)由傳輸波的頻率決定，頻率由高變低，工作區(qū)就由短振子向長(zhǎng)振子方向移動(dòng)。由于頻率和結(jié)構(gòu)尺寸的周期性變化不影響天線電尺寸的變化，確保了天線電性能的穩(wěn)定性。問(wèn)題：對(duì)數(shù)周期天線與引向天線有什么關(guān)系？?jī)烧叩闹饕獏^(qū)別是什么？

7.4.4螺旋天線螺旋天線是常用的圓極化天線，廣泛應(yīng)用于米波和分米波波段的雷達(dá)、移動(dòng)衛(wèi)星和移動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航。

圖7.12表示用同軸線饋電的螺旋天線，按導(dǎo)線繞制形狀分為圓柱式和圓錐式兩種類型。圖7.13表示螺旋天線的幾何參量。各參量滿足關(guān)系●螺旋天線結(jié)構(gòu)式中

圖7.14表示方向性圖最大輻射方向垂直于螺旋軸線的法向模螺旋天線，其輻射場(chǎng)等效為電、磁基本振子輻射場(chǎng)的疊加。（，空間、時(shí)間相差均為，形成圓極化波）。

●軸向模螺旋天線圖表示方向性圖最大輻射方向沿螺旋軸線的軸向模螺旋天線，其每圈螺旋線可看作平面圓環(huán)，周長(zhǎng)等于波長(zhǎng)，電流近似于純行波分布?！穹ㄏ蚰Ｂ菪炀€

看出經(jīng)過(guò)四分之一周期后，軸向場(chǎng)由y方向旋轉(zhuǎn)變?yōu)閤方向，形成圓極化波。

7.4.5旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線——采用旋轉(zhuǎn)場(chǎng)饋電法，能產(chǎn)生繞天線垂直桿旋轉(zhuǎn)的水平方向性圖的天線。電視和調(diào)頻廣播發(fā)射天線采用旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線，就能滿足周圍觀眾和聽(tīng)眾機(jī)會(huì)均等地接收到電磁波信號(hào)。

●旋轉(zhuǎn)場(chǎng)原理圖表示水平面內(nèi)兩正交直線電線元的電流由式〔〕知的含方向性因了，與其正交的滯后一個(gè)空間相位，其方向性因子。由和產(chǎn)生的輻射場(chǎng)在場(chǎng)點(diǎn)P的合成場(chǎng)看出某一瞬間電基本振子所在水平面內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)的方向性圖，是以周期為的角速度在空間旋轉(zhuǎn)的“8〞字形圖象；而在整個(gè)旋轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)，這種旋轉(zhuǎn)著的方向性圖在水平面內(nèi)形成一個(gè)無(wú)向性、穩(wěn)態(tài)的圓極化的圓形圖象。圖〔b〕表示用半波振子天線取代電基本振子天線，方向性圖略有變化，其合成場(chǎng)及方向因子

圖7.18表示電視臺(tái)廣泛采用的蝙蝠翼天線，它由半波對(duì)稱振子演化而來(lái)，形成兩對(duì)正交的形如蝙蝠翼狀的十字交叉結(jié)構(gòu)。這兩對(duì)天線采用移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)相位差為的電流饋電，使在水平面內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。7.4.6槽隙天線槽隙天線——以磁基本振子為輻射單元，基于對(duì)偶原理和疊加原理，在薄金屬導(dǎo)體板上開(kāi)槽，形成與其等效的假設(shè)干細(xì)縫構(gòu)成的區(qū)別于金屬細(xì)導(dǎo)線的線形結(jié)構(gòu)天線。

●槽隙天線工作原理

圖表示半波槽隙天線及其互補(bǔ)天線。

圖表示理想槽隙天線的輻射方向性圖。7.4.7微帶天線除槽隙天線外，各類細(xì)導(dǎo)線線形天線多半為體積較大的非平面型天線，不適應(yīng)于空間科學(xué)與技術(shù)等領(lǐng)域?qū)π⌒突?、輕型化和集成化的需求。微帶天線可以解決上述需求。

圖表示微帶天線結(jié)構(gòu)。介質(zhì)基片兩面金屬片分別為接地板和各形輻射元導(dǎo)片，利用微帶線或同軸線饋電，在其間激勵(lì)射頻電磁波向外輻射。

體積小、重量輕、剖面低、制造簡(jiǎn)單、成本低，

易于與高速飛行器共形；

電氣性能多樣化，易于實(shí)現(xiàn)線極化或圓極化；

易于與有源器件、微波電路集成為平面型一體

化組件，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

優(yōu)缺點(diǎn)波瓣較窄、方向性系數(shù)較低；

頻帶窄、損耗大、增益系數(shù)較低和功率容量小。

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

●微帶天線輻射特性分析法傳輸模分析法——將微帶天線看作一段兩端開(kāi)路的傳輸線進(jìn)行等效分析的方法。

圖表示矩形微帶天線方向性圖。面形天線〔口經(jīng)天線〕——電流分布在天線金屬表面，且口徑尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的微波天線。它廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、微波中繼通信、衛(wèi)星通信及衛(wèi)星電視廣播?！窆こ探品治龇?．感應(yīng)電流法面形天線由饋源〔初級(jí)輻射器〕和金屬導(dǎo)體面〔輻射口面〕組成。感應(yīng)電流法——先求饋源波束照射金屬導(dǎo)體面的感應(yīng)面電流分布，再求感應(yīng)面電流分布的輻射場(chǎng)。7.5.1面形天線輻射場(chǎng)的分析方法7.5面形天線2．口徑場(chǎng)法口徑場(chǎng)法——包圍源作假想閉合面，先求饋源在閉合面上的內(nèi)場(chǎng)，再求閉合面內(nèi)場(chǎng)在其外部空間的外場(chǎng)——輻射場(chǎng)。兩種方法都是應(yīng)用等效原理來(lái)簡(jiǎn)化問(wèn)題，其區(qū)別是它們分別從真實(shí)金屬導(dǎo)體面源分布和假想口徑面源分布的等效值來(lái)取代復(fù)雜饋源分布求輻射場(chǎng)。*7.5.2惠更斯面元的輻射口徑場(chǎng)法的理論依據(jù)是惠更斯——菲涅耳原理。惠更斯原理——傳播波波陣面〔或等相面〕上各點(diǎn)視為新的次級(jí)子波源，此后任意時(shí)刻的波陣面就是這些次級(jí)子波的包絡(luò)。菲涅耳原理——基于惠更斯原理的補(bǔ)充，假定空間任意點(diǎn)的場(chǎng)是由這些次級(jí)子波源相互干涉而形成。圖表示惠更斯原理的作圖法〔S-原波陣面，新波陣面〕。惠更斯面元——面天線的假想口徑面分割成許多基本輻射的面元。圖表示輻射區(qū)傳播的均勻橫電磁波波陣面上的矩形惠更斯面元。

問(wèn)題：組成面形天線的基本輻射單元的惠更斯面元，能否用組成兩類線形天線的基本輻射單元的正交電、磁流元來(lái)等效？●惠更斯面元的形成圖表示惠更斯面元的形成過(guò)程：圖〔a〕、〔b〕的正交電、磁流元相疊加，形成圖〔c〕的均勻面源分布，其等效關(guān)系為利用邊界條件式〔〕知，其對(duì)偶變換為，上式中的面源分布可轉(zhuǎn)換為惠更斯面元dS上的電磁場(chǎng)分布結(jié)論：橫電磁波波陣面上任一點(diǎn)的惠更斯面元等效為正交振蕩電、磁偶極子的組合?！窕莞姑嬖妮椛鋱?chǎng)圖表示惠更斯等效源的輻射場(chǎng)〔將圖的惠更斯面元均勻場(chǎng)分布用等效正交振蕩電、磁偶極子作新輻射源，移至圖的球坐標(biāo)系中〕。坐標(biāo)原點(diǎn)至場(chǎng)點(diǎn)P的徑向距離與x、y和z的夾角為、和，式〔〕中的應(yīng)用取代。當(dāng)移至?xí)r〔對(duì)應(yīng)于圖中的場(chǎng)〕，式〔〕變?yōu)槭健病澈汀病车恼袷庪?、磁偶極子輻射場(chǎng)，其偶極子取向均沿z方向，而圖的正交電、磁偶極子取向分別沿－x、y方向，應(yīng)用變換關(guān)系式，由式〔〕和對(duì)偶原理知式〔〕代入式〔、b〕后疊加，利用，得惠更斯面元的輻射場(chǎng)

不論在E面或H面，其合成場(chǎng)均為其方向性因子

圖表示E面的方向圖?；莞姑嬖B續(xù)疊加，構(gòu)成面天線假想口徑面的總輻射場(chǎng)

7.5.3喇叭天線平行雙導(dǎo)線張開(kāi)形成基本的線形天線，波導(dǎo)開(kāi)口處張開(kāi)也形成基本的面形天線。終端開(kāi)口波導(dǎo)構(gòu)成一個(gè)輻射器，其口面輻射場(chǎng)可按惠更斯原理進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)用口徑場(chǎng)法近似分析喇叭天線的輻射特性說(shuō)明，它與相應(yīng)波導(dǎo)中的場(chǎng)結(jié)構(gòu)相似，但等相面由平面變?yōu)閳A柱面。7.5.4拋物面天線旋轉(zhuǎn)拋物面天線——饋源置于繞焦軸旋轉(zhuǎn)的反射旋轉(zhuǎn)拋物面焦點(diǎn)處構(gòu)成的面型天線。反射面將焦點(diǎn)處饋源投射的球面波轉(zhuǎn)變?yōu)檠亟馆S逆向反射、平行傳播的平面波，具有很尖銳的方向性和很強(qiáng)的定向輻射功能。

拋物面天線主波瓣窄、副瓣電平低、增益系數(shù)大，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信和射電天文等系統(tǒng)中，其波段從短波直至拓展到光波。

●旋轉(zhuǎn)拋物面天線的幾何關(guān)系圖表示的拋物面天線結(jié)構(gòu)有如下幾何關(guān)系

式中

●旋轉(zhuǎn)拋物面天線的類型

●旋轉(zhuǎn)拋物面天線工作原理分析方法：幾何光學(xué)法和能量守恒定律。幾何光學(xué)法——利用射線理論分析電磁波傳播特性的方法。射線理論——用射線表示波的傳播路徑。平面波的射線彼此平行，球面波的射線聚焦于球心，非均勻媒質(zhì)中存在射線的彎曲、反射和折射。

拋物面的基本性質(zhì)：（1）由拋物面焦點(diǎn)投向它的射線，其反射的射線平行于焦軸；（2）由拋物面焦點(diǎn)投向它的各射線，其反射的射線到達(dá)焦軸任一垂直面波程相同（焦點(diǎn)處垂直面取）。工作原理（由基本性質(zhì)分析）：置于拋物面焦點(diǎn)處饋源的球面波投向它的射線反射后變?yōu)橐皇叫猩渚€，從焦點(diǎn)出發(fā)到達(dá)口面的這些射線經(jīng)歷的路程相等，在口面上形成同向場(chǎng)。因此，拋物面將球面波變?yōu)槠矫娌ǎ浞瓷淦矫娌ㄑ亟馆S正向傳播，在該方向出現(xiàn)最大定向輻射能量。

7.5.5雙反射面天線卡塞格倫天線——最常用的一種雙反射面天線，基于幾何光學(xué)反射原理，仿照卡塞格倫光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)展而成的微波天線。問(wèn)題：雙反射面天線比拋物面天線有哪些優(yōu)點(diǎn)？

●雙反射面天線的幾何關(guān)系圖表示的卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)有如下幾何關(guān)系

式中

●雙反射面天線工用原理雙反射面天線的七個(gè)幾何參量比普通反射面天線多了四個(gè)幾何參量，為簡(jiǎn)化分析，可引入等效拋物面法進(jìn)行分析。等效拋物面法——將拋物面和雙曲面組成的復(fù)合系統(tǒng)用單一的等效拋物面來(lái)取代，從而可按普通拋物面天線的理論分析卡塞格倫天線的輻射特性和電參量。圖7.33表示卡塞格倫天線等效為拋物面天線的工作原理：將卡塞格倫天線饋源投向雙曲面的射線延伸與平行于焦軸的射線束相交，這些交點(diǎn)繞軸旋轉(zhuǎn)的軌跡構(gòu)成假想的等效拋物面。等效拋物面天線結(jié)構(gòu)有如下幾何關(guān)系

式中

7.6天線陣問(wèn)題：如何改善和調(diào)控天線的方向性圖，以適應(yīng)各種天線的需求？電、磁基本振子具有一定的方向性圖，但按不同方式組成的各種線型、面型天線，那么具有不同的方向性圖。所以不同輻射單元組合而成的天線陣可以達(dá)到改善、調(diào)控方向性圖的目的。天線陣——假設(shè)干輻射單元按一定方式排列組合而成的系統(tǒng)。陣元〔或天線元〕——組成天線陣的輻射單元。為簡(jiǎn)化分析，只考慮各陣元相對(duì)位置〔形式、間隔和取向〕一致和電流關(guān)系〔振幅和相位〕有規(guī)律變化的天線陣。7.6.1方向性相乘原理

●天線陣的方向性相乘原理圖表示形式、取向一致，間距d的二元陣。在遠(yuǎn)區(qū)，，近似平行，、的、也近似平行，合成場(chǎng)為標(biāo)量和、隨r的函數(shù)變化因子為。討論：〔1〕空間相差在遠(yuǎn)區(qū)取〔振幅〕和〔相差〕，由程差引起的空間相差決定于表示超前的空間相差為?！?〕時(shí)間相差設(shè)電流絕對(duì)值比，其時(shí)間相差決定于表示I2滯后I1的時(shí)間相差為。綜合〔1〕、〔2〕知，場(chǎng)點(diǎn)P處超前的凈相差由式〔〕知，有，由式〔〕和〔〕得

陣因子取為

由式〔〕寫出二元天線的方向性相乘原理表示式方向性相乘原理：二元天線陣的方向性因子等于元天線的方向性因子與陣因子的乘積。7.6.2常見(jiàn)二元陣天線取m=1，式〔〕變?yōu)榇胧健病车萌〔煌?，得不同二元天線陣。1、等幅同相二元陣天線當(dāng)時(shí)，由式〔〕得當(dāng)取不同值時(shí)，可得不同的陣因子方向性圖。圖〔a〕表示時(shí)的方向性圖。2、等幅反相二元陣天線當(dāng)時(shí)，由式〔〕得圖〔b〕表示時(shí)的方向性圖。3、等幅正交相二元陣天線當(dāng)時(shí)，由式〔〕得圖〔c〕表示時(shí)的方向性圖。

注意：比較圖和圖可知，二元天線陣的E面陣因子中的代換為，即可將E面方向性圖代換為H面方向性圖。

7.6.3直線陣天線多元均勻直線陣天線——等間距、等振幅，且按等相位差遞變的直線陣天線。1．側(cè)射式天線主射方向——天線陣的最大幅射方向。它是輻射場(chǎng)方向性圖的主瓣方向。側(cè)射式天線陣——主射方向垂直于天線陣軸線或指向其軸線兩側(cè)的天線陣。由式〔〕知，在主射方向要求