天线设计1-基本参数

第一章 导言

天线类型

辐射机理
电磁波是如何产生，并最终与天线“分离”而在自由空间中传播的呢？
我们讨论以下几种辐射源的辐射原理。
单根导线


这一方程表示了电流和电荷之间的关系，也是电磁辐射的基本条件：要产生电磁辐射，需要有电流或电荷的加速$或减速$。

要产生电荷的加速或减速，需要导线弯曲、不连续、或者端接。就如同水流一样，当管道宽度变化，流速发生变化，在管道宽度变化的区域，就有水流的加速/减速。

为了定性的的了解辐射机理。考虑一个脉冲源连接到一个导线，导线与GND存在RC寄生参数，到导线通电时，导体中的电子被加速；在终端的电子被减速，即反射；从而在导线的两端和导线上产生辐射场。在这个过程中，电荷加速是外部源造成的，电场使电荷运动；电荷减速，则于是由于感应场有关的力造成的，例如导线两端的电荷积累。因此激励电场引起电荷加速，而导线阻抗不连续导致辐射的产生。
传输线

考虑一个电压源连接到图1.11$a$所示的两根导线上。导线间的交变电压使得电荷加速或减速，交变电场感应出交变的磁场，反之亦然，因此，从天线端产生了电磁波，并传播到自由空间中。

结论：激发电场需要电荷，单维持电场不需要。（这就类似水波的产生）
偶极子
首先我们要接受电磁场传播的速度是有限的。两个偶极子在每T/2的时间内交换位置，每个T/2时间内，电场只能传播的距离。每次偶极子交换位置时，电场的极性发生了变化，因此传播的电场变成交变电场，产生交变磁场，从而形成了脱离源的电磁波。

电流在细导线上的分布
讨论天线的辐射场时，需要知道电流的分布。




分析方法
在过去，分析复杂天线问题通常用积分方程方法、几何衍射理论来求解。此类方法用于线型天线较为方便。然而当辐射系统为多个波长时，低频的方法计算效率不高，最近广为关注和应用的GTD/UTD方法，它是几何光学的拓展，通过引入衍射机制，克服了几何光学的局限性。有限差分时域是另一种在散射方面受到广泛关注的方法，现已应用到天线辐射问题。有限元是一种在解决天线问题中获得巨大成功的方法。

遇到的挑战
目前仍有许多挑战和需要解决的问题，例如单片集成MIC技术和相控阵架构依然是最具挑战的问题。复杂问题的计算电磁学。创新的天线设计。多功能、多频带、超宽带、可重构天线等。

第二章 天线的基本参数和FOM

在描述天线性能前，需要定义一些参数，一些参数可能是相互关联的。书中的许多带引号的定义来源于 IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas $$IEEE Std 145-1993.Reaffirmed 2004(R2004)$$

Radiation Pattern 辐射图
在天线研究中，通常用球面坐标来表示电磁场会较为方便，因此首先介绍球面坐标系



辐射波瓣（radiation lobe）：以辐射强度较弱的区域为边界，将辐射图分割成几个区域。

最大的辐射波瓣称为主瓣（major lobe），其他则为次瓣$minor lobe$。副瓣$side lobe$通常表示功率水平最高的次瓣。后瓣$back lobe$方向与主瓣方向相反的次瓣。



各向同性、定向、全向天线

其中全向天线是定向天线的特殊类型。

主平面
对于线性极化的天线，通常用其主要平面图来描述其性能，包括：
电场平面$E-plane$：包含最大电场矢量与最大辐射方向的平面。
磁场平面$H-plane$：包含最大磁场矢量与最大辐射方向的平面。
大多数天线的通常的做法是让至少一个电磁平面与几何平面重合。例如图2.5中，可以定义XOZ平面为电场的主平面，而XOY为磁场的主平面。


Field Regions 场区
天线周围空间可分成三个区域：

图2.8显示了，从近场到远场时，场的形状随距离的典型变化趋势。在近场中，场更加分散，几乎均匀，只有很小的变化，随着距离到辐射近场区，图案变得圆滑，逐渐形成波瓣。在远场区，形成了类似花瓣的图案。

弧度和球面度


波束宽度
HPBW Half power beam width 半波束宽度

FNBW First Null Beam width 第一组零点之间的宽度

方向性
定义：在给定方向上的辐射强度与各项同性源的辐射强度之比。

波束立体角
波束立体角定义：假如辐射强度是恒定的，且等于最大值，流过某一个立体角的功率等于天线辐射功率，那么该立体角称为波束立体角。



传导效率和介电效率通常很难计算，可以通过实验测量，但也很难区分出二者，因此把两项合并成传导-介电效率

极化
辐射波的极化定义为：沿着传播方向观察电场的矢量箭头，随时间变化，绘制的轨迹图。

极化可以分成线性、圆形和椭圆。如果电场的矢量始终沿着一条直线变化，则该电场称为线性极化；但一般而言，电场矢量箭头的路径通常是椭圆形，这称为椭圆极化。圆形和线性实际上是椭圆的特赦情况。

假如有一个沿着负z轴方向传播的平面波。其电场可以写成：


输入阻抗

重要公式