漫谈复杂环境下的一些天线问题.doc

漫谈复杂环境下的一些天线问题 董积平 中国空间技术研究院 北京5142－107信箱，dong.j.p@163.com 如今的大工业趋势和全球化浪潮给热学、力学以及电磁学计算提供了很大的市场和舞台，产生了针对日益高度标准化的各行各业的计算机仿真专业化公司。和电子行业密切相关的电磁场计算业也不例外，基于各种算法的电磁场计算软件如雨后春笋般层出不穷。 一个普遍存在的现象是：许多人沉迷于各种数学算法以及软件的使用而忽视了对问题物理过程本质的理解和融会贯通。这给设计者本人的工作效率和质量带来很大的局限性。复杂环境下对天线一些问题的考虑就是很突出的例子。其实下面讨论的这些问题往往也是软件工程师所感到很棘手的问题。 天线是将导行波转化为行波的一个关键电子器件。天线的一些性能参数如方向图、输入阻抗、增益、带宽等在设计之前可以根据电磁场的辐射理论或电路理论进行估算。随着现代计算机特别是PC机计算速度的不断提高和并行算法理论的完善，借助于基于离散数学、矩阵理论以及泛函理论等数学理论与电磁场中的积分方程和微分方程相结合的电磁场数值计算方法可以越来越精确地对天线的这些性能参数进行仿真和计算。这的确给天线的设计带来很大的方便。 这种仿真不仅可以对于自由空间中的一个孤立天线进行，也可以对在天线周围存在其它物体的情况下进行。如数值算法（有限元法、矩量法、有限差分法等）和高频近似方法（几何绕射理论、物理光学、几何光学等）相结合就是一个有效的仿真手段，虽然其仿真精度会有一定程度的下降。 一般来说，天线周围存在其它物体时属于电大尺寸的问题，即所研究的场域的尺寸和电磁场的波长相比较大。习惯性做法是在近场用数值算法，而在远场用高频近似方法。 天线周围若有其它物体时是一个散射问题，即天线辐射的入射电磁波和天线周围物体发生作用的问题。从物理本质上来看，散射问题是一个物体对电磁场的感应问题，即物体（质）在电磁场（波）的作用下感应出“次生源”（天线上分布的电流、电荷、磁流、磁荷是“初始源”），这些感应出来的“次生源”分布在物体内部和表面，“次生源”辐射的电磁波称为散射波。空间中的总的电磁场（波），即总场，由天线辐射的入射电磁波和天线周围物体上感应出来的“次生源”辐射的散射波叠加而成。天线周围物体对天线辐射方向图的影响是显而易见的了。 天线周围物体的电磁性能特点不同，其对天线辐射方向图的影响也会有很大的不同。一个突出的例子就是导体和非导体。良导体在电磁场中感应出来的“次生源”几乎都分布在表面。如果是电磁性能均匀的非导体，其感应出来的“次生源”也分布在表面。而电磁特性不均匀的非导体，其感应出来的“次生源”就较为复杂，不仅表面有，在物体内部的各个小均匀区域之间的不连续面处也会有“次生源”的存在。 值得注意的是，物体的均匀性和非均匀性是相对而言的。由于材料生成、加工工艺等原因，同一材料制作的物体，尺度较小时可以看作是均匀的，而尺度较大时其非均匀性就显示出来了。许多电子工程师往往在使用软件时忽视了这一点，却每每责怪软件算法的精度不够。同一物体均匀性和非均匀性还和波长（频率）有很大的关系。波长较长时可以看作是均匀的，波长较短时有可能就不能看作是均匀的了。 在周围物体离天线较远时（远场），这些物体一般只影响天线的辐射方向图和增益，对天线的输入阻抗和带宽影响不大。而一旦周围物体离天线较近时（近场），对天线的输入阻抗和带宽影响就是一个突出的问题了。天线和周围物体的近场耦合除了散射效应之外，会改变天线的分布电容（电容耦合）和分布电感（电感耦合）。特别当周围物体是导体时尤为如此。这一点可以通过多体之间的部分电容与部分电感的概念以及总的分布电容和分布电感的变化去理解。 一个对称振子天线在没有周围物体时，其分布电容和分布电感就是自身的部分电容与部分电感。而当周围有其它物体时，情况就大不一样了。 如图.1所示，对称振子天线在附近有导体存在时的分布电容是部分电容和串联后再和天线附近无导体存在时的分布电容并联所得。 图.1 对称振子天线在附近无导体存在时和有导体存在时的分布电容 多个天线单元组成阵列既有近场耦合，也有远场相互散射的问题。为了防止栅斑的出现，各个相邻天线单元之间的距离一般不会超过一个波长。自然这种天线单元之间的耦合关系要比上面的情况要复杂得多，而且各个单元由于在阵列中的位置不同，情况也大不相同。虽然我们经常利用多端口耦合网络的方法来研究和测试单元间的耦合及相互影响，但这种方法是近似的，不能够完全反应天线单元的自阻抗和单元之间的互阻抗。比如将某个天线单元的自阻抗用该单元在自由空间孤立存在时的输入阻抗来代替。实际上根据前面例子分析，天线单元之间在近场耦合时对彼此输入阻抗产生的影响（特别是对分布电容）有时候是