作者：钟顺时
出版社：电子工业出版社
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天线理论与技术(第2版)试读：
前言
随着人类跨入信息时代，形形色色的天线随处可见，天线理论与技术受到了广泛的关注与应用。在电子工业出版社的鼓励和支持下，笔者基于从事天线课程教学和科研的体会，学习国内外同类教材，进行了编写本书的努力。然而，由于水平和时间所限，本书与其目标可能差之甚远，而且错误和不妥之处在所难免，谨请读者诸君不吝批评指正！
本书的主要特色如下。
1.系统性较强，由浅入深，推导充分，便于自学。书中首先在第1章至第3章介绍天线的基础理论；然后依次研究三类主要天线形式：第4章和第5章的线天线，第6章的缝天线，第7章和第8章的面天线；作为扩展，第9章阐述特殊功能天线，第10章介绍天线的数值计算。
2.兼收美苏教材之长，又有国人成果，启发创新。全书以欧美教材的大量成果为基础。而对方向系数的定义、耦合振子的互阻抗、振子阵的方向系数等，都采用了前苏联教材的讲法，以便掌握；同时，对于对称振子的输入阻抗，既介绍了欧美的严格处理，又阐述了前苏联的简化算法。书中也融入了笔者与同事们的教学成果，例如天线阵方向性的形成，抛物面天线最佳张角的“矛盾论”分析，以及极化效率计算公式的推导等。而且，书中还编入了笔者与研究生及国内同行的一些科研成果，例如超宽带印刷单极天线、低旁瓣与双极化微带天线阵等。
3.经典与新颖并蓄，广度与深度兼备。书中安排了一些专为研究生学习的较广、较深的内容，有的用小五号字编排（加*号表示）。有一些是国际最新科研成果，是国内外教材中首次引入的，例如三种超宽带天线阵和介质谐振器天线等；有些内容是同类教材中较少见的，例如分形天线、波纹喇叭馈源的分析与其相位中心的计算、球面波展开法和场相关法等。同时补充了几种天线的设计介绍。但是，受篇幅及水平所限，不少内容只进行了简要介绍。
4.概念清晰，图文并茂。本书从天线功能出发，突出天线的4项主要电性能：方向性、阻抗和极化，以及它们的带宽。以此为天线研究的主题，抓住共性，逐步深化。书中还有丰富的实例、照片、图表及习题。不少图是新绘的，特别是一些少见的三维图，如同相水平天线和菱形天线的三维方向图等。同时，为便于读者掌握，习题中增加了证明题，并对带△号的习题给出了参考答案。
本书适用于通信电子类专业大学高年级本科生和研究生40～80学时的教学，也可供有关工程技术人员参考。按40学时教学时，主要内容为：第1章至第3章的大部分内容，再加三类主要天线形式的介绍（参看ⅩⅤ页所列的课程安排表），例如折合振子和平衡器（巴仑）、同相水平天线、八木-宇田天线、螺旋天线、超宽带天线、微带贴片天线、口径天线结构特点与远区场、抛物面天线的远场特性、增益与设计，以及智能天线等。与这些内容相配套的电子教案（素材）及一些更广或更深入探讨的内容，包括一些动态演示（如对称振子方[1]向图随臂长的变化等）和彩图等，可通过网站下载。更多学时数的教学可根据各校的特色，在上述基础上增加相应的内容。
本书的编写得到上海大学通信与信息工程学院领导与同事们的热情支持和帮助。上海大学印刷中心负责打印了原稿；博士孙竹、张丽娜、汤小蓉、刘建军、杜成珠、孔令兵、陈敏华，以及薛玲珑和李丽娴硕士等共同描绘了原稿全部插图，其中新绘的立体图是孙竹完成的；张丽娜和陈旷达分别帮助翻译了8.7节和9.4节的英文原稿。下列博士（其中多位是教授、博士生导师）应邀分别撰写了使本书颇为增色的一节或两节内容（各节分别署名），依次为：郭英杰、汪伟、姚凤薇、高式昌、尹应增、延晓荣、杨雪霞、余春、梁仙灵和倪维立等。谨向前述各位表示深深的谢意，向本书引用的参考文献的作者们致以敬意。同时向电子工业出版社参加本书出版工作的诸君表示衷心的感谢，并感谢妻子和儿女的支持！
本书第1版出版后，受到了广大读者的欢迎。不少同学反映，本书能使读者由浅入深和由点到面地，较系统深入地获得天线的知识；而且书中还收录了作者及同行们的一些最新科研成果，既反应了天线领域的发展动态，又能启发读者的创新意识。这次再版时，新加坡陈志宁、澳大利亚郭英杰、上海大学杨广立、上海交通大学梁仙灵和合肥汪伟等教授/研究员又分别撰写了独到的一节或进行了重要补充；同时，杨雪霞和沈文辉等同事指正了前版的一些印刷错误。谨向他们致以衷心的谢意，并感谢韩荣苍和刘静等博士研究生的协助！
钟顺时
2014年11月[1]：① 登录华信教育资源网（http：//www.hxedu.com.cn），可注册下载本书相关资料。
作者简介
钟顺时，1939年生，浙江人。1960年西安军事电信工程学院（西安电子科技大学前身）雷达工程系毕业，并留校任教。1980年至1982年为美国华盛顿大学和伊利诺伊大学（厄班那香槟分校）访问学者，后期任研究顾问。1988年引进到上海科学技术大学，任通信工程系微波教研室主任。1993年由国务院学位委员会批准为博士生导师。1994年起任上海大学通信与信息工程学院教授，博士生导师。中国电子学会（CIE）会士，CIE全国面天线专业委员会副主任委员，国际电子电气工程师学会（IEEE）高级会员，IEEE南京联合分会副主席，美国纽约科学院院士。
钟教授负责指导了我国授予的首批外籍博士。相继主持国家自然科学基金项目6项和国家863高技术发展计划课题2项。研制成我国第一部舰载三坐标雷达的波导缝隙阵天线和国际上第一副C波段卫星接收站平面天线等，获国家科技进步奖和部省级科技进步奖7项，中国发明专利授权9项。已在国内外学术期刊和会议上发表300余篇论文，并编著《微带天线理论与应用》、《电磁场与波（第2版）》等书，获部省级优秀教材奖2项。
钟教授1964年获军事电信工程学院优秀教师奖，1998年获全国性宝钢优秀教师奖；1991年起享受国务院政府特殊津贴。业绩入选《当代中国科学家传略》、《中国教育家》、美国马奎斯《世界名人录》
绪论
天线是无线电通信、广播、导航、雷达、测控、微波遥感、射电天文及电子对抗等各种民用和军用无线电系统必不可少的设备之一。随着信息时代的到来，我们几乎天天都看见和使用天线，如电视塔上的电视发射天线、移动电话基站塔上的通信天线、大型单位的卫星通信地面站天线、家用卫星电视接收天线、全球定位系统（GPS）接收天线和大家身边手机内的天线，等等。
天线种类繁多，大小不一，千姿百态。尽管它们之间的差异很大，但都基于相同的辐射与接收机理，都是以电磁场理论为基础进行分析与设计的。本书的要旨就是，使读者由浅入深、系统地掌握天线的基本理论和基本分析方法，理解典型天线的特性与设计原理；并从中培育创新精神和科学作风，提高分析问题和解决问题的能力。0.1 天线的功能
无线电系统中发射或接收电磁波的设备，称为天线（antenna）。天线的功能首先是能量转换：将发射机经传输线输出的射频导波能量变换成无线电波能量向空间辐射（发射天线），如图0.1-1所示；或反之，将入射的空间电磁波能量变换成射频导波能量传输给接收机（接收天线）。可见，天线是导行电磁波与空间电磁波（无线电波）之间的转换器。即[1]
因此，“天线可说是波源与空间（space）的匹配件。”通常它是无源、线性、可逆的器件。一般天线都具有可逆性，即同一种天线既可用来作为发射天线，也可用来作为接收天线。因此，为简便起见，本书中通常都把它作为发射天线来分析。图0.1-1 发射天线的能量转换
天线的另一主要功能是，能量的发射与接收具有方向性，即，天线具有对能量进行空间分配的功能。例如，卫星地面站天线如图0.1-2所示，能将辐射能量集束成一个很窄的主波束，并将它指向卫星。中央电视台北京地面站正是这样把央视节目传送给通信卫星上的转发器，而后又由卫星天线形成集束波束向地球转发。由于同步地球卫星位于赤道上空约35800km处，因此，从地球到达卫星的信号将非常微弱。为此，使卫星地面站天线形成窄的辐射波束，也就是把向四周其他方向辐射的功率都加强到向卫星方向辐射，这样到达卫星的功率密度就大大增大了，其作用就如同探照灯的聚光作用一样。这正是需要采用特定设计的天线的一个重要原因。
天线的第三个功能是辐射或接收指定的极化波，即天线能形成所需的极化。例如，在卫星广播中，为实现频谱复用，往往要求卫星天线有双极化能力。以国际通信卫星5号（IntelsatⅤ）为例，其转发器的4GHz发射天线能形成东、西两个“半球”波束，分别辐射左、右旋圆极化波；同时又形成两个照射较小面积的“区域”波束，采用反旋圆极化波，如图0.1-3所示。这样，由于同一覆盖区内的同频波束间是极化正交的，而覆盖不同区域的“区域”、“半球”波束间又是空间隔离的，因此，它们能使用同一4GHz频带而互不干扰，从而实现了四重频谱复用，提高了通信容量。IntelsatⅤ号的天线配置图如图0.1-4所示，其中共有7副通信天线，它们的特性如表0.1-1所示。上面只提到第1副天线的情形。不难看出，其他天线的设置也都利用了极化隔离和波束（空间）隔离技术。图0.1-2 卫星地面站天线图0.1-3 大西洋区IntelsatⅤ卫星的覆盖区图0.1-4 IntelsatⅤ卫星的天线配置图表0.1-1 Intelsat V卫星的通信天线特性
为能满意地完成天线的功能，已对它提出了一系列具体要求。表达这些要求的电指标称为天线电参数，如辐射效率、波束宽度、方向系数、增益、输入阻抗、极化和频带宽度等。在某些无线电系统中，天线的电参数直接决定其整个系统的性能指标，如卫星地面接收站的G/T（增益噪声温度比）、通信卫星的EIRP（等效全向辐射功率）、探测雷达的远程测角精度和射电天文望远镜的分辨度（即天线半功率波束宽度）等。
随着天线技术的发展，它在无线电系统中的作用更加突出了。现在它不但具有上述功能，而且因不同的应用需求，又发展了天线更多的功能。例如，相控阵天线能将波束进行电控扫描；单脉冲天线能形成用于发射的针状“和”波束和用于接收精密跟踪目标信息的叉瓣形“差”波束，等等。此外，天线不但用于信息传递，而且也已应用于非信号的能量传输，如微波输能用的整流天线（包括太阳能微波传送、管道机器人的微波供电等）、微波波束武器、医用辐射计等等。正是人类对天线的形形色色、逐步发展的需求，不断地推动着天线理论与技术的发展，导致了千姿百态、性能万千的天线结构的应用。0.2 天线发展简史
1887年德国青年学者海因里希·赫兹（Heinrich R.Hertz，如图0.2-1所示）的著名实验证实了电磁波的存在。他当时所用的电偶极子谐振器就是最早的发射天线，因此天线发明至今还只有120多年的历史。当初在赫兹实验的基础上，意大利古利莫·马可尼（Guglielmo Marconi，如图0.2-2所示）在1895年成功地进行了距离约2.5 km的无线电报传送实验。1896年俄罗斯亚历山大·波波夫（Alexander C.Popov，1859—1906）也在相距250 m的建筑物之间传送了一份电报，电文就是Heinrich Hertz。无线电开创初期使用的都是火花式发射机，工作频率主要集中于米波和微波频率。除采用电偶极子外，也使用了环形天线、抛物柱面天线、喇叭天线和介质圆柱透镜天线等。在这些初期的实验研究后便开始了天线的广泛应用，其发展大致可划分为三个历史时期。
1.线天线时期（19世纪末至20世纪30年代初）
1901年马可尼在加拿大纽芬兰岛收到了横渡大西洋由英国康泛尔半岛发来的“S”字母信号，开辟了无线电远距离通信的新时代。他当时所用的发射天线是从48 m高的横挂线上斜拉下50根铜导线来形成一扇形结构，可认为是第一副实用的单极天线。其振荡源是70 kHz火花发生器。1905年他在英格兰康泛尔半岛利用4座木塔架设导线网来构成方形单锥天线，其照片如图0.2-3所示，发射波长为1000 m。随着20世纪初电子管的发明和发展，这一时期开头利用长波进行通信，随后发展到中波通信，并因电离层的发现，1924年前后开始了短波通信和远程广播。典型天线形式有：T形和倒L形天线、菱形天线、鱼骨形天线、对称振子、环形天线、同相水平天线（见图0.2-4）和八木-宇田天线等，这些都是线天线。这一时期也建立了线天线的基本理论，如得出了对称振子电流的积分方程和正弦近似分布，提出了感应电动势法、对偶原理等。图0.2-1 海因里希·赫兹Heinrich R.Hertz（1857—1894）图0.2-2 古利莫·马可尼Guglielmo Marconi（1874—1937）图0.2-3 马可尼在1905年架设的单锥天线图0.2-4 第二次世界大战时期美国SCR-270雷达的同相水平天线
2.面天线时期（20世纪30年代初至50年代末）
第二次世界大战前夕，随着微波速调管和磁控管的发明，导致了微波雷达的发展。战时炮瞄雷达广泛采用抛物面天线，同时也发展了由波导开口延伸的喇叭天线、在喇叭前加介质或金属透镜的透镜天线、其他形式的反射面天线等。这些天线都是面天线或称口径天线。此外，又出现了波导缝隙天线、介质棒天线、螺旋天线及蝙蝠翼形天线等。战后微波中继通信、广播和射电天文等应用使面天线和线天线技术获得了进一步的提高。这时期建立了口径天线的基本理论，如几何光学法、口径场法和电流分布法等；发展了天线测试技术，产生了分析天线公差的统计理论，开发了天线阵的综合技术。
3.大发展时期（20世纪50年代末至今）
1957年人造地球卫星上天标志着人类进入了开发宇宙的新时代，也对天线提出了多方面的高要求，如高增益、精密跟踪、快速扫描、宽频带、低旁瓣等。同时，电子计算机、微电子技术和现代材料的进展又为天线理论与技术的发展提供了必要的基础。1957年美国制成了用于精密跟踪雷达AN/FPS-16的单脉冲天线，其跟踪精度比二[2]次大战时的圆锥扫描体制提高了一个量级，达0.1密位。射电天文特别是卫星通信的兴起，大大促进了反射面天线及其馈源的发展，1963年出现了高效率的双模喇叭馈源，1966年发明了波纹喇叭。1966年提出了在通信卫星上使用多波束天线的概念，并首次应用于1978年发射的加拿大卫星ANIK-B。为满足跟踪洲际导弹的需求，相控阵天线在1960年问世，并在1968年制成了高功率相控阵雷达AN/FPS-85。20世纪60年代末制成了预警飞机E-3 A雷达用的第一副超低旁瓣天线。1957年美国伊利诺伊大学拉姆齐（Ⅴ.H.Rumsey）提出了非频变天线理论，相继制成用于电子对抗的等角螺线天线和对数周期天线等超宽频带天线。1969年德国出现了作为商品出售的第一副有源电视接收天线；1960年以后，利用非正弦的脉冲电磁波工作的时域天线引起了广泛的研究，并已应用于探地雷达。
特别令人瞩目的是，1972年美国豪威尔（J.Q.Howell）和芒森（P.E.Munson）制成第一批实用微带天线，并作为火箭和导弹的共形天线开始了应用。近年来不但这类天线获得了蓬勃发展和广泛应用，同时又出现了介质谐振器天线、分形天线等新的小型化天线形式。另一方面的重要进展是发展天线的信号处理能力。除上面提到的单脉冲天线和相控阵天线外，在天线内部运用信号处理技术的信号处理天线获得了发展，并在20世纪50年代末制成了第一批机载高分辨率合成孔径雷达（SAR）天线。20世纪50年代初，范阿塔（Van Atta）就提出方向特性能随外部环境改变而适当变化的自适应天线。20世纪90年代以来，随着无线通信的飞速发展，当频域、时域和码域资源已获充分利用之后，开始了空间资源的开发，产生了所谓智能天线。新世纪初已把它用来作为移动通信的基站天线，它能根据用户来波方向动态地形成指向用户的波束，并使波束零点对准干扰方向以提高接收信号的信干比。在这些天线技术的基础上，又产生了可重构天线。
这一时期理论上的重大进展是，创立了矩量法（MM）、时域有限差分法（FDTD）和几何绕射理论（GTD）等分析方法，并已形成商用软件。这使以前难以解决的大量天线问题能借助数字计算机加以处理，并使天线的设计前进到一个能利用商用软件进行较准确的预算与优化的新阶段，还可进行机电一体化设计。在天线测量技术方面，发展了微波暗室和近场测试技术，研制了紧缩天线测试场和利用射电源的测试技术，并建立了自动化测试系统，从而大大提高了天线测试的速度和精度。
当今，天线技术已具有成熟科学的许多特征，但它仍然是一个富有活力的技术领域。主要发展方向是：多功能化（一副天线代替多副甚至很多天线、适应电磁兼容要求）、智能化（提高信息处理能力）、小型化、集成化及高性能化（宽频带、高增益、低旁瓣、低交叉极化等）。
图0.2-5至图0.2-10给出了一些实用天线举例。图0.2-5 美国F-16歼击机上AN/APG-68火控雷达的相控缝隙阵天线图0.2-6 全球定位系统（GPS）卫星上的螺旋天线阵图0.2-7 奋进号航天飞机上SIR-C合成孔径雷达的微带天线阵图0.2-8 某舰艇上导弹引导雷达的一维相扫波导缝隙天线阵图0.2-9 某部队制导雷达的反射面天线图0.2-10 某射电天文望远镜的50m直径反射面天线图0.2-11《发信菱形天线》一书的封面（1951年6月）
在结束本节时，值得提及我国几位老前辈对天线研究的贡献。美籍华裔电磁学专家朱兰成（L.J.Chu）最早提出了小天线的物理限制[3]；上海大学前终身教授鲍家善（C.S.Pao）在美国辐射实验室工作[4]期间发明了用于测高雷达的扇形波束反射面天线；上海大学前名誉教授、美籍华裔电磁学专家戴振铎（C.T.Tai）则对双锥和圆柱天线[5]等做了重要研究；从事中国革命的老前辈李强（1949年中国电信总局局长）在莫斯科前苏联通信科学研究院工作期间，于1935年发表了研究论文“发信菱形天线”，最先给出这种天线的理论计算公式，[6]被誉为当时苏联的7位无线电专家之一，并在1951年出版了中文[7]《发信菱形天线》（见图0.2-11），它也许就是我国出版的第一本中文天线专著。0.3 天线的分类
天线的品种极多，对它们可有多种分类方法。按工作性质分，可分为发射天线和接收天线。按用途分，可分为通信天线、雷达天线、广播天线、电子对抗天线及医用天线等。最常用的是按形式分，但国际上也没有统一的分法。本书从便于学习的角度，根据基本辐射元的三种形式，把主要天线分为三种基本类型，如图0.3-1所示。其中（a）类为线天线（Wire antenna），其基本辐射元是电流元，最基本的形式是对称振子和由对称振子组成的天线阵、环形天线、行波长导线天线及螺旋天线；（b）类是缝天线（Slot antenna），其基本辐射元是缝隙上的磁流元，最常见的是波导缝隙天线阵、微带贴片天线、微带缝隙天线和微带天线阵等；（c）类是面天线或口径天线（Aperture antenna），其基本辐射元是口径面上的惠更斯元，最典型的是喇叭天线、抛物反射面天线和透镜天线。以前国内的天线教材大多把天线分为线天线和面天线两大类，而缝隙天线与微带天线无论分到其中哪一类都很勉强。这里的分法便解决了这一问题。当然，从根本上说，只有电流元是天线的基本辐射元。但是分三种基本辐射元来处理，其优点是便于初学者掌握这三类天线的原理和分析方法。从应用的工作波段来看，这三类天线也有所不同。线天线广泛应用于长、中、短波及超短波（米波和分米波）波段；缝天线和面天线则主要应用于波长更短的微波波段。图0.3-1 天线的基本类型
下面先来复习有关的电磁场基本定理并介绍三种基本辐射元，然后结合对称振子的分析介绍天线的电参数，并学习天线阵理论。这些正是天线研究的重要基础理论。[1]：① 国际著名天线专家、美国工程院士、伊利诺伊大学教授罗远祉（Y.T.Lo）语，见第6章参考文献［2］。[2]：[3]：［1］L.J.Chu，Physical limitations of omnidirectional antennas，J.Appl.Phys.，Vol.19，Dec.1948：1163-1175.[4]：［2］C.S.Pao，The Beavertail antenna，RL Report No.1027，Apr.1946.[5]：［3］C.T.Tai，Application of a variational principle to biconical antenna，J.Appl.Phys.，Vol.20，Nov.1949：1076-1084.[6]：［4］紫丁，李强传，人民出版社，2004。[7]：［5］李强，发信菱形天线，华东电信出版社，1951。
第1章 基本定理与基本辐射元
1864年，英国詹姆斯·麦克斯韦教授（见图1.1-1）集以往电磁学实践与理论研究之大成，创立了适用于一切宏观电磁场的普遍方程组———麦克斯韦方程组。基于该方程组所建立的电磁场理论正是求解天线和其他电磁学问题的理论基础。本章将从复习电磁场基本方程开始，简要地介绍天线研究中的电磁场基本定理，如唯一性定理、坡印廷定理、对偶原理、镜像原理、等效原理和互易定理等。并重点研究在处理天线辐射问题中引入的三种基本辐射元：电流元、磁流元和惠更斯元。图1.1-1 詹姆斯·麦克斯韦JamesClerkMaxwell（1831—1879）
1.1 电磁场基本方程
1.1.1 麦克斯韦方程组[1][2]描述电磁场及其场源的基本物理量名称及单位为：———电场强度，Ⅴ/m———磁场强度，A/m2———电通密度，C/m22———磁通密度，Wb/m=Ⅴ·S/m=T2———体电流密度，A/m3
ρ（t）——体电荷密度，C/mv
如上所示，本书中用字母上方加短横线来表示矢量，如和等；若在字母上方加“^”，则表示单位矢量，如和等。
适用于一切宏观电磁场的麦克斯韦方程组微分形式如下：
方程（1.1-1a）为法拉第电磁感应定律，方程（1.1-1b）为安培-
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]