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好学近乎知，力行近乎仁，知耻近乎勇。——《中庸》

【相控阵教程】第二讲-天线原理与测试

第二讲天线基础知识

可以说，天线是一种能量变换器：接收天线是将空间的电磁波能量变换为传输

能量；发射天线是将传输能量变成向空间辐射的电磁波能量。

这就要求：

（1）与发射机或接收机的传输线匹配；

（2）与自由空间的波阻抗匹配；

（3）具有一定的方向性，即向指定空间辐射；

（4）具有要求的极化特性。

1.1天线辐射特性的求解

求解电磁场问题通常有两种方法：一是从麦氏方程组直接求解的直接法；二是

通过位函数求解的间接法。

它们都归结为求解一个齐次或非齐次的矢量或标量的波动方程问题，即为二阶

线性偏微分方程。有时需要先求出导体上的电流分布而后再求空间的场分布，就

需要根据导体表面上的边界条件将麦氏方程演变为以导体上的电流分布为待求量

的积分方程，此时求解电磁场的问题就变成求解积分方程的问题。

求解电磁场边界值问题（或简称边值问题）的方法，归纳起来可分为三大类，

其中每一类又包含若干种方法。

第一类是严格解析法或称为解析法；

第二类是近似解析法或称为近似法；

第三类是数字法或称为数值法。

数值方法应用于电磁场领域的短短30多年里，特别是随着大型计算机的出现，

工程电磁场问题的理论研究和分析方法，取得了前所未有的突破性进展和获得大

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量的有实用价值的结果。各种数值计算方法应运而生，并相继应用到各类电磁场

问题之中。

以数值技术为基础的商用电磁场仿真软件为设计师提供了快捷而准确的设计

手段。如AnsoftHFSS、CSTDesignStudio、IE3D、ANSYS、WinFEKO、EMPIRE等。

表4常用软件的主要性能

解析法求解天线辐射特性简介

我们在中学物理课中学到，点电荷q产生的电场强度可以用库仑定律计算，离

开电荷R处的静电场场强为E=q/4πR²。

任何给定电荷分布都可以分成微小的体积元素，各个元素所产生的场强的矢量

和就等于全部电荷所产生的总场强。静磁场也有同样的规律。静电场和静磁场间

没有相互作用，但是，如前所说，随时间变化的电场和磁场却相互作用，它们间

用麦克斯韦方程联系起来。为了求解方便，引入矢量位的概念。

（1）求解电磁场问题的矢量位

引入电矢量位A的概念对处理某些天线问题较为方便。许多问题可利用矢量位

加以解决。因为用矢量位表达式较之电场和磁场表达式更为简便。电磁场总可由

矢量位导出。

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假定在均匀各向同性媒质中放入一个无限小电流源，则电矢量位A方程的解为：

|r-r\\\\\\\\|为源点到场点的距离，a是电流源方向的单位矢量，

ejKR/R项称为格林函数，因为根据定义，格林函数为单位源微分方程的解。在某

一有限体积V内包含的电流分布J(r\\\\\\\\)所产生的矢量位，应等

于所有这些电流贡献的体积分。

因此

注意，如果J为面电流，其积分则应为封闭面积分。闭合面外部的电磁场（E，

H）可由下式求得

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图6电流元的辐射

（2）应用实例－电流元辐射

假设微分电流元沿Z轴放置，图6，借助矢量位A可导出辐射场，对于图6，

A仅存Z分量AZ，由（11）式可求得辐射场电磁场分量为：

其中，Idl为微分电流元，η是自由空间的波阻抗。真空中，

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以上表达式给出距离天线为r的所有点上的场。在近场区（kr1），1/(kr)

³,1/(kr)²项起主要作用，在远场区（kr1），1/kr项起重要作用。

设一点源天线（即无方向性天线）置于自由空间中，若天线