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天线理论与设计 第一章 天线基础与定义 绪论 人类之间的通信最早是用声音，通过讲话来实现。随着长距离通信的愿望，出现了诸如鼓之类的装置。 然后，使用一些可视的手段如信号旗、烟火等。当然，这些光通信器件应用了电磁谱的光部分。 只是在人类历史的很近代，通过使用无线电，才将可见光区域以外的电磁谱用于通信。 天线的定义 IEEE官方对天线的定义是：“发射或接收系统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分。 天线是一个装置，它为辐射和接收无线电波提供了手段。它提供了从传输线上的导波到“自由空间”波的转换。这样，信息可以在异地间传输而不需任何中介结构。 携带此信息的电磁波的可能频率则构成电磁频谱。电磁频谱是人类最巨大的自然资源之一，而天线已经是专门利用这一资源的装置。 天线的历史 最早的辐射实验是由有线电报发明人普林斯顿大学的J.亨利(Henry)完成的。他在上层的房间里从电路中“扔出一个火花”，并观察到了位于地下室的指针被接收电路中的电流所磁化。此实验又被扩展到间隔1公里。亨利还致力于闪电研究，在他家的屋顶上装了个竖直导线。这些实验标志着线天线的起始。 1885年, T.爱迪生获得了一个通信系统的专利，其中采用了顶加载的竖直天线。 天线理论基础基于麦克斯韦方程组。1864年，J.C.麦克斯韦在皇家学会发表了这篇论文，它把电力与磁力统一成单一的电磁理论。 麦克斯韦还预言，光可以用电磁学来解释，光与电磁扰动二者以同样的速度行进。 1887年，德国物理学家H.赫兹(1857-1894)从实验上证明了麦克斯韦的断言，即电磁作用通过空气传播。赫兹发现，通过适当尺寸达到谐振的带有空气间隙的单个小环，可以产生火花而获得电扰动。赫兹研究的电扰动的主源，由两个处于同一平面的类似的金属板组成，每块板都用导线和电感线圈相连。这种早期天线，称为“赫兹偶极子”。赫兹还建成了环天线。在获得更定向辐射需求的驱动下，他又发明了反射器天线。 1888年，他用锌片制作了一个抛物柱面反射器天线。它由沿着焦线放置的偶极子馈电，工作在455兆赫。 意大利发明家G.马可尼(1874-1937)，为了发送他的原始代码，于1895年建立了一个微波抛物柱面反射器，工作在1.2千兆赫。但是，他随后改进通信范围的工作却在低频段。1901年首次穿越大西洋的无线电通信用的发射天线，是一个由50根导线做成的48米高的扇形单极子。一个70千赫的火花发生器接在天线和地之间。该天线像盘锥形天线的变种。 俄罗斯物理学家A.波波夫(1859-1905)也认识到赫兹发现无线电波的重要性，而且在马可尼之前一年开始接收无线电波。1897年，他在船与岸之间相隔3海里发送了信号，因此，有时以在第一个无线电系统中使用第一个天线而闻名。 不过，恰恰是马可尼开发了商用无线电，并开创了越洋通讯。马可尼可以考虑是后来被称作无线的无线之父。从此以后，“无线电(radio)”这个名字一直被使用，但是“无线(wireless)”也重又流行起来。 1912年，无线协会(WI)和无线电工程师学会(SRE)合并成立无线电工程师协会(IRE)。IRE汇刊的第一期的第一篇论文是有关天线的，这一事实标志着天线的重要性[5]。 早年，天线发展受限于是否有现成的发生器。约在1920年，DeForest三极管用于产生高达1兆赫的连续波信号后，物理上可实现其尺寸的谐振长度天线(例如，半波振子)得以成为可能。 第二次世界大战前夕，开发出了微波(约1兆赫)速调管和磁控管信号发生器与空管波导。这导致了喇叭天线的发展[C.Bose(1858-1937)多年前就在印度制造了第一个电磁喇叭天线]。 1934年，在英国和法国之间，首个商用无线电话系统在1.8千兆赫进行了工作。 战时的雷达需求催生了大批“现代”天线。诸如巨大的反射器天线、透镜天线和波导裂缝天线阵[6]。 天线的使用 传输电磁能可以利用传输线和天线。对收发距离为R，传输线的功率损耗是 , 其中α是传输线的衰减常数。如果天线被用于视距组合中，其功率损耗正比于1/R2。 一般而言，在低频和短距离时，用传输线是现实的。但是，由于可用带宽的缘故，高频有吸引力。 当距离变长，频率升高时，使用传输线的成本和信号损失变得很大，因此，人们更愿意使用天线。 一个明显的例外是光纤，它具有很低的损耗。 传输线具有不受干扰的优点，在无线电系统中却经常碰到干扰。而且，加放一根电缆就能得到附加的带宽。不过，使用电缆总会带来显著的花费与架设时间。 在某些应用中，不得不使用天线。例如，移动通信，包括飞机、航天飞机、船舶或地面机动车都需要天线。 在广播的场合，天线也很流行，那儿的发射终端能为无限多的接收机服务，这些接收机还可能是移动的。 非广播无线电应用，如