内容介绍
读者对象:
本书可供从事天线研究和设计的技术人员及高等院校相关专业的教师、研究生和本科生阅读参考。
内容介绍:
本书作者从事天线研发工作多年,他对反射面天线的形状设计原理、辐射场计算理论进行了系统的推导,编写了几何形状设计、辐射场计算程序并给出了计算实例,并经工程实践验证。书中设计程序读者可以拿来就用,大大提高学习、研究和设计反射面天线的效率,缩短从理论到实践的距离。
目 录
第1章 标准卡塞格伦天线和抛物面天线 1
1.1 标准卡塞格伦天线的等效抛物面法 1
1.1.1 标准卡塞格伦天线的几何参数 1
1.1.2 等效抛物面法 2
1.2 基于矢位法的抛物面天线辐射远场的分析 3
1.2.1 矢位法基本原理 3
1.2.2 基于矢位法的反射面天线辐射远场的计算 6
1.2.3 点源照射下的反射面天线辐射远场 8
1.2.4 抛物面的面积元和法向单位矢量 9
1.2.5 抛物面天线的辐射远场 10
1.3 程序计算实例 15
1.3.1 标准卡塞格伦天线计算实例 15
1.3.2 抛物面天线计算实例 20
1.4 程序清单 23
1.4.1 馈源辐射方向图轴对称时辐射远场计算程序清单HAA.FOR 24
1.4.2 馈源辐射方向图非轴对称时辐射远场计算程序清单HAB.FOR 32
第2章 单偏置抛物面天线 41
2.1 单偏置抛物面天线的几何结构 41
2.2 利用E模场辐射法计算单偏置抛物面天线的辐射远场 42
2.2.1 线极化辐射远场 42
2.2.2 圆极化辐射远场 47
2.3 程序计算实例 51
实例2.1 线极化时单偏置抛物面天线的计算 51
实例2.2 圆极化时单偏置抛物面天线的计算 53
实例2.3 抛物面天线的计算 55
2.4 单偏置抛物面天线辐射远场计算程序清单HOF.FOR 56
第3章 赋形波束双弯曲反射面天线 73
3.1 赋形波束双弯曲反射面天线几何形状设计 73
3.1.1 设计中截线 73
3.1.2 条带设计 76
3.2 赋形波束双弯曲反射面天线辐射远场 78
3.2.1 利用矢位法计算反射面天线辐射远场 78
3.2.2 点源照射下的反射面辐射远场 79
3.2.3 反射面的表面参量 81
3.2.4 辐射远场 82
3.3 程序计算实例 86
实例3.1 远场功率方向图为余割平方时的计算 86
实例3.2 远场功率方向图为任意分布时的计算 93
3.4 反射面形状设计和辐射远场计算程序清单HDR.FOR 95
第4章 赋形卡塞格伦天线 122
4.1 常用口面场分布函数分析 122
4.2 反射面结构设计 122
4.2.1 反射面方程 122
4.2.2 利用四阶龙格-库塔法求解微分方程组 127
4.3 利用镜面电流法求解辐射场 128
4.3.1 副面散射场 128
4.3.2 卡塞格伦天线辐射场 132
4.3.3 天线效率 137
4.4 射线跟踪和镜面电流法计算辐射场 141
4.4.1 反射面坐标的拟合处理 141
4.4.2 反射面上点的法向单位矢量 142
4.4.3 主反射面的面积元 144
4.4.4 主面口面场 145
4.4.5 辐射远场 148
4.5 程序计算实例 151
实例4.1 计算赋形卡塞格伦天线形状 151
实例4.2 馈源辐射方向图轴对称时辐射远场计算 154
实例4.3 赋形卡塞格伦天线形状计算及坐标拟合 158
实例4.4 馈源辐射方向图非轴对称时辐射远场计算 160
4.6 程序清单 163
4.6.1 计算赋形卡塞格伦天线形状程序清单HCC.FOR 163
4.6.2 馈源辐射方向图轴对称时辐射场计算程序清单HCD.FOR 168
4.6.3 计算赋形卡塞格伦天线形状及拟合程序清单HCE.FOR 185
4.6.4 馈源辐射方向图非轴对称时辐射场计算程序清单HCF.FOR 192
第5章 赋形环焦反射面天线 208
5.1 反射面形状设计 208
5.1.1 主面和副面母线的方程 208
5.1.2 反射面参数的选取 212
5.1.3 四阶龙格-库塔法求解微分方程组 214
5.2 辐射远场 214
5.3 程序计算实例 215
实例5.1 计算赋形环焦天线形状及拟合处理 215
实例5.2 馈源辐射方向图非轴对称时线极化辐射远场的计算 218
实例5.3 馈源辐射方向图非轴对称时圆极化辐射远场的计算 221
5.4 计算环焦天线形状及拟合程序清单HRA.FOR 222
第6章 双偏置对称转换格雷高利天线 230
6.1 基本几何结构参数 230
6.2 主副面表达式 233
6.2.1 副面法向单位矢量 233
6.2.2 副面反射线单位矢量 234
6.2.3 副面坐标 236
6.2.4 主面坐标 237
6.2.5 主面口面上反射线轨迹与馈源球坐标系下参量的关系 238
6.3 主面口面场 246
6.3.1 主面的面积元 246
6.3.2 主面口面场 248
6.4 辐射远场 251
6.4.1 线极化辐射远场 251
6.4.2 圆极化辐射远场 252
6.5 程序计算实例 254
实例6.1 馈源辐射电场为线极化时的计算 254
实例6.2 馈源辐射电场为圆极化时的计算 257
6.6 反射面形状和辐射场计算程序清单OFFA.FOR 259
第7章 双偏置对称转换卡塞格伦天线 276
7.1 基本几何结构参数 276
7.2 主副面表达式 279
7.2.1 副面法向单位矢量 279
7.2.2 副面反射线单位矢量 280
7.2.3 副面坐标 281
7.2.4 主面坐标 282
7.2.5 主面口面上反射线轨迹与馈源球坐标系下参量的关系 283
7.3 主面口面场 291
7.4 辐射远场 294
7.5 程序计算实例 295
实例7.1 馈源辐射电场为线极化时的计算 295
实例7.2 馈源辐射电场为圆极化时的计算 299
7.6 反射面形状和辐射远场计算程序清单OFFB.FOR 300
第8章 赋形双偏置反射面天线 312
8.1 求解反射面形状 312
8.1.1 能量守恒定律 312
8.1.2 斯奈尔定律 313
8.1.3 求解反射面坐标的步骤 316
8.2 主面口面场 317
8.3 辐射远场 321
8.4 程序计算实例 322
实例8.1 计算赋形双偏置格雷高利天线的形状 323
实例8.2 计算赋形双偏置卡塞格伦天线的形状 325
实例8.3 线极化时赋形双偏置格雷高利天线辐射远场的计算 326
实例8.4 圆极化时赋形双偏置格雷高利天线辐射远场的计算 328
实例8.5 线极化时赋形双偏置卡塞格伦天线辐射远场的计算 329
实例8.6 圆极化时赋形双偏置卡塞格伦天线辐射远场的计算 330
8.5 程序清单 331
8.5.1 反射面天线形状计算程序清单DOFA.FOR 332
8.5.2 反射面天线辐射场计算程序清单DOFB.FOR 339
第9章 格雷高利椭圆波束天线 346
9.1 反射面坐标求解 346
9.1.1 对称平面的几何参数 346
9.1.2 主面特性 348
9.1.3 副反射面的几何特性 348
9.1.4 主面坐标和副面坐标的关系 350
9.1.5 求解主副面坐标的具体过程 352
9.1.6 验证主副面形状设计结果 355
9.2 主面口面场 356
9.3 辐射远场 361
9.4 程序计算实例 361
实例9.1 求解不同坐标系下的方位角的对应关系 362
实例9.2 求解偏焦函数中的系数的值 363
实例9.3 利用偏焦函数计算反射面形状 364
实例9.4 线极化时天线俯仰面远场方向图的计算 367
实例9.5 线极化时天线方位面远场方向图的计算 369
实例9.6 右旋圆极化时天线俯仰面远场方向图的计算 370
实例9.7 左旋圆极化时天线方位面远场方向图的计算 372
9.5 程序清单 373
9.5.1 求解不同坐标系下的方位角的对应关系程序清单HERA.FOR 373
9.5.2 偏焦函数中的系数求解程序清单HERB.FOR 376
9.5.3 反射面形状计算程序清单HERC.FOR 383
9.5.4 反射面天线辐射远场计算程序清单HERD.FOR 390
第10章 对称双反射面椭圆波束天线 399
10.1 求解变焦距环焦椭圆波束天线形状 399
10.1.1 长轴平面内的副面几何参数 400
10.1.2 短轴平面内的副面几何参数 402
10.1.3 其他平面内的副面几何参数 403
10.1.4 副面上点的法向单位矢量 406
10.1.5 求解主面坐标 410
10.2 求解变照射角赋形卡塞格伦椭圆波束天线形状 411
10.2.1 求解长轴和短轴平面内的主副面形状 412
10.2.2 求解其他平面内的副面形状 413
10.2.3 求解其他平面内的主面形状 414
10.3 主面口面场 417
10.4 辐射远场 421
10.5 程序计算实例 422
10.5.1 变焦距环焦椭圆波束天线计算实例 422
10.5.2 变照射角赋形卡塞格伦椭圆波束天线计算实例 434
10.6 程序清单 446
10.6.1 环焦椭圆波束天线形状计算程序清单HEEA.FOR 446
10.6.2 环焦椭圆波束天线辐射场计算程序清单HEEB.FOR 456
10.6.3 卡塞格伦椭圆波束天线形状计算程序清单HFFA.FOR 463
10.6.4 卡塞格伦椭圆波束天线辐射远场计算程序清单HFFB.FOR 486
第11章 三反射体赋形球面天线 490
11.1 三反射体赋形球面天线特性 490
11.2 求解主副面形状 491
11.2.1 求解对称平面内的曲线 491
11.2.2 在反射面坐标系下计算主副面形状 496
11.2.3 在馈源坐标系下计算主副面形状 498
作者介绍:
何山红:安徽工业大学副教授、硕士生导师,中国电子学会高级会员,IEEE Member。曾在南京电子技术研究所从事天线研究工作多年,主持完成多项大型国防工程及其他国家重大工程中天线系统的研制,担任过天线与微波国防科学技术重点实验室基金等预研课题的组长。目前担任多本IEEE汇刊的审稿人。已在IEEE Transactions on Antennas and Propagation、IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters、《电波科学学报》等期刊及会议上发表学术论文30多篇,其中被SCI、EI检索20多篇。
作者介绍
何山红:1973年生,安徽工业大学副教授、硕士生导师,中国电子学会高级会员,IEEE Member。曾在南京电子技术研究所从事天线研究工作多年,主持完成多项大型国防工程及其他国家重大工程中天线系统的研制,担任过天线与微波国防科学技术重点实验室基金等预研课题的组长。目前担任多本IEEE汇刊的审稿人。已在IEEE Transactions on Antennas and Propagation、IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters、《电波科学学报》等期刊及会议上发表学术论文30多篇,其中被SCI、EI检索20多篇。
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目 录 第1章 标准卡塞格伦天线和抛物面天线 1 1.1 标准卡塞格伦天线的等效抛物面法 1 1.1.1 标准卡塞格伦天线的几何参数 1 1.1.2 等效抛物面法 2 1.2 基于矢位法的抛物面天线辐射远场的分析 3 1.2.1 矢位法基本原理 3 1.2.2 基于矢位法的反射面天线辐射远场的计算 6 1.2.3 点源照射下的反射面天线辐射远场 8 1.2.4 抛物面的面积元和法向单位矢量 9 1.2.5 抛物面天线的辐射远场 10 1.3 程序计算实例 15 1.3.1 标准卡塞格伦天线计算实例 15 1.3.2 抛物面天线计算实例 20 1.4 程序清单 23 1.4.1 馈源辐射方向图轴对称时辐射远场计算程序清单HAA.FOR 24 1.4.2 馈源辐射方向图非轴对称时辐射远场计算程序清单HAB.FOR 32 第2章 单偏置抛物面天线 41 2.1 单偏置抛物面天线的几何结构 41 2.2 利用E模场辐射法计算单偏置抛物面天线的辐射远场 42 2.2.1 线极化辐射远场 42 2.2.2 圆极化辐射远场 47 2.3 程序计算实例 51 实例2.1 线极化时单偏置抛物面天线的计算 51 实例2.2 圆极化时单偏置抛物面天线的计算 53 实例2.3 抛物面天线的计算 55 2.4 单偏置抛物面天线辐射远场计算程序清单HOF.FOR 56 第3章 赋形波束双弯曲反射面天线 73 3.1 赋形波束双弯曲反射面天线几何形状设计 73 3.1.1 设计中截线 73 3.1.2 条带设计 76 3.2 赋形波束双弯曲反射面天线辐射远场 78 3.2.1 利用矢位法计算反射面天线辐射远场 78 3.2.2 点源照射下的反射面辐射远场 79 3.2.3 反射面的表面参量 81 3.2.4 辐射远场 82 3.3 程序计算实例 86 实例3.1 远场功率方向图为余割平方时的计算 86 实例3.2 远场功率方向图为任意分布时的计算 93 3.4 反射面形状设计和辐射远场计算程序清单HDR.FOR 95 第4章 赋形卡塞格伦天线 122 4.1 常用口面场分布函数分析 122 4.2 反射面结构设计 122 4.2.1 反射面方程 122 4.2.2 利用四阶龙格-库塔法求解微分方程组 127 4.3 利用镜面电流法求解辐射场 128 4.3.1 副面散射场 128 4.3.2 卡塞格伦天线辐射场 132 4.3.3 天线效率 137 4.4 射线跟踪和镜面电流法计算辐射场 141 4.4.1 反射面坐标的拟合处理 141 4.4.2 反射面上点的法向单位矢量 142 4.4.3 主反射面的面积元 144 4.4.4 主面口面场 145 4.4.5 辐射远场 148 4.5 程序计算实例 151 实例4.1 计算赋形卡塞格伦天线形状 151 实例4.2 馈源辐射方向图轴对称时辐射远场计算 154 实例4.3 赋形卡塞格伦天线形状计算及坐标拟合 158 实例4.4 馈源辐射方向图非轴对称时辐射远场计算 160 4.6 程序清单 163 4.6.1 计算赋形卡塞格伦天线形状程序清单HCC.FOR 163 4.6.2 馈源辐射方向图轴对称时辐射场计算程序清单HCD.FOR 168 4.6.3 计算赋形卡塞格伦天线形状及拟合程序清单HCE.FOR 185 4.6.4 馈源辐射方向图非轴对称时辐射场计算程序清单HCF.FOR 192 第5章 赋形环焦反射面天线 208 5.1 反射面形状设计 208 5.1.1 主面和副面母线的方程 208 5.1.2 反射面参数的选取 212 5.1.3 四阶龙格-库塔法求解微分方程组 214 5.2 辐射远场 214 5.3 程序计算实例 215 实例5.1 计算赋形环焦天线形状及拟合处理 215 实例5.2 馈源辐射方向图非轴对称时线极化辐射远场的计算 218 实例5.3 馈源辐射方向图非轴对称时圆极化辐射远场的计算 221 5.4 计算环焦天线形状及拟合程序清单HRA.FOR 222 第6章 双偏置对称转换格雷高利天线 230 6.1 基本几何结构参数 230 6.2 主副面表达式 233 6.2.1 副面法向单位矢量 233 6.2.2 副面反射线单位矢量 234 6.2.3 副面坐标 236 6.2.4 主面坐标 237 6.2.5 主面口面上反射线轨迹与馈源球坐标系下参量的关系 238 6.3 主面口面场 246 6.3.1 主面的面积元 246 6.3.2 主面口面场 248 6.4 辐射远场 251 6.4.1 线极化辐射远场 251 6.4.2 圆极化辐射远场 252 6.5 程序计算实例 254 实例6.1 馈源辐射电场为线极化时的计算 254 实例6.2 馈源辐射电场为圆极化时的计算 257 6.6 反射面形状和辐射场计算程序清单OFFA.FOR 259 第7章 双偏置对称转换卡塞格伦天线 276 7.1 基本几何结构参数 276 7.2 主副面表达式 279 7.2.1 副面法向单位矢量 279 7.2.2 副面反射线单位矢量 280 7.2.3 副面坐标 281 7.2.4 主面坐标 282 7.2.5 主面口面上反射线轨迹与馈源球坐标系下参量的关系 283 7.3 主面口面场 291 7.4 辐射远场 294 7.5 程序计算实例 295 实例7.1 馈源辐射电场为线极化时的计算 295 实例7.2 馈源辐射电场为圆极化时的计算 299 7.6 反射面形状和辐射远场计算程序清单OFFB.FOR 300 第8章 赋形双偏置反射面天线 312 8.1 求解反射面形状 312 8.1.1 能量守恒定律 312 8.1.2 斯奈尔定律 313 8.1.3 求解反射面坐标的步骤 316 8.2 主面口面场 317 8.3 辐射远场 321 8.4 程序计算实例 322 实例8.1 计算赋形双偏置格雷高利天线的形状 323 实例8.2 计算赋形双偏置卡塞格伦天线的形状 325 实例8.3 线极化时赋形双偏置格雷高利天线辐射远场的计算 326 实例8.4 圆极化时赋形双偏置格雷高利天线辐射远场的计算 328 实例8.5 线极化时赋形双偏置卡塞格伦天线辐射远场的计算 329 实例8.6 圆极化时赋形双偏置卡塞格伦天线辐射远场的计算 330 8.5 程序清单 331 8.5.1 反射面天线形状计算程序清单DOFA.FOR 332 8.5.2 反射面天线辐射场计算程序清单DOFB.FOR 339 第9章 格雷高利椭圆波束天线 346 9.1 反射面坐标求解 346 9.1.1 对称平面的几何参数 346 9.1.2 主面特性 348 9.1.3 副反射面的几何特性 348 9.1.4 主面坐标和副面坐标的关系 350 9.1.5 求解主副面坐标的具体过程 352 9.1.6 验证主副面形状设计结果 355 9.2 主面口面场 356 9.3 辐射远场 361 9.4 程序计算实例 361 实例9.1 求解不同坐标系下的方位角的对应关系 362 实例9.2 求解偏焦函数中的系数的值 363 实例9.3 利用偏焦函数计算反射面形状 364 实例9.4 线极化时天线俯仰面远场方向图的计算 367 实例9.5 线极化时天线方位面远场方向图的计算 369 实例9.6 右旋圆极化时天线俯仰面远场方向图的计算 370 实例9.7 左旋圆极化时天线方位面远场方向图的计算 372 9.5 程序清单 373 9.5.1 求解不同坐标系下的方位角的对应关系程序清单HERA.FOR 373 9.5.2 偏焦函数中的系数求解程序清单HERB.FOR 376 9.5.3 反射面形状计算程序清单HERC.FOR 383 9.5.4 反射面天线辐射远场计算程序清单HERD.FOR 390 第10章 对称双反射面椭圆波束天线 399 10.1 求解变焦距环焦椭圆波束天线形状 399 10.1.1 长轴平面内的副面几何参数 400 10.1.2 短轴平面内的副面几何参数 402 10.1.3 其他平面内的副面几何参数 403 10.1.4 副面上点的法向单位矢量 406 10.1.5 求解主面坐标 410 10.2 求解变照射角赋形卡塞格伦椭圆波束天线形状 411 10.2.1 求解长轴和短轴平面内的主副面形状 412 10.2.2 求解其他平面内的副面形状 413 10.2.3 求解其他平面内的主面形状 414 10.3 主面口面场 417 10.4 辐射远场 421 10.5 程序计算实例 422 10.5.1 变焦距环焦椭圆波束天线计算实例 422 10.5.2 变照射角赋形卡塞格伦椭圆波束天线计算实例 434 10.6 程序清单 446 10.6.1 环焦椭圆波束天线形状计算程序清单HEEA.FOR 446 10.6.2 环焦椭圆波束天线辐射场计算程序清单HEEB.FOR 456 10.6.3 卡塞格伦椭圆波束天线形状计算程序清单HFFA.FOR 463 10.6.4 卡塞格伦椭圆波束天线辐射远场计算程序清单HFFB.FOR 486 第11章 三反射体赋形球面天线 490 11.1 三反射体赋形球面天线特性 490 11.2 求解主副面形状 491 11.2.1 求解对称平面内的曲线 491 11.2.2 在反射面坐标系下计算主副面形状 496 11.2.3 在馈源坐标系下计算主副面形状 498 11.2.4 验证主副面形状设计结果 500 11.3 主面口面场 502 11.4 辐射远场 509 11.5 程序计算实例 510 实例11.1 非均匀分布时第1类天线形状计算 510 实例11.2 非均匀分布时第1类天线方位面辐射远场的计算 514 实例11.3 非均匀分布时第1类天线俯仰面辐射远场的计算 516 实例11.4 均匀分布时第1类天线形状的计算 518 实例11.5 均匀分布时第1类天线辐射远场的计算 519 实例11.6 均匀分布时第2类天线形状的计算 521 实例11.7 均匀分布时第2类天线辐射远场的计算 523 11.6 程序清单 524 11.6.1 三反射体球面天线形状计算程序清单HMMA.FOR 524 11.6.2 三反射体球面天线辐射场计算程序清单HMMB.FOR 539 第12章 瞬时多波束抛物面天线 547 12.1 瞬时多波束抛物面天线概述 547 12.1.1 瞬时抛物面天线特性 547 12.1.2 多个偏焦馈源形成多波束的机理 548 12.2 瞬时多波束抛物面天线辐射场 549 12.2.1 主动球面与瞬时抛物面的关系 549 12.2.2 基于矢位法的剩余球面辐射远场分析 551 12.2.3 点源照射下的剩余球面辐射远场 552 12.2.4 剩余球面的面积元和法向单位矢量 553 12.2.5 剩余球面的辐射远场 556 12.3 程序计算实例 560 实例12.1 馈源非偏焦时瞬时抛物面天线辐射远场的计算 561 实例12.2 馈源非偏焦时剩余球面和混合反射面的辐射远场的计算 563 实例12.3 馈源偏焦时瞬时抛物面天线辐射远场的计算 565 实例12.4 馈源偏焦时剩余球面和混合反射面的辐射远场的计算 566 12.4 程序清单 567 12.4.1 瞬时抛物面辐射远场计算程序清单HYR1.FOR 567 12.4.2 剩余球面和混合反射面的辐射远场计算程序清单HYR2.FOR 579 附录A 公用子程序清单 592 附录B 程序索引 597 附录C 程序的使用说明 599 参考文献 600
《天线设计原理与实践》 内容简介 本书旨在为读者系统地介绍现代天线的设计原理、关键技术以及实际应用。从天线最基础的电磁辐射概念出发,循序渐进地深入到各种主流天线类型的结构、工作机制、性能参数分析,并结合现代电磁场仿真软件,详细阐述了天线的设计、优化和性能评估流程。本书的编写力求理论与实践相结合,既注重理论的严谨性,又强调实际工程中的应用价值。 第一部分:天线基础理论 本部分将为读者奠定扎实的天线理论基础。 第一章:电磁波与天线概述 电磁波的产生与传播: 介绍麦克斯韦方程组在天线理论中的重要性,阐述时变电荷和电流如何产生电磁场,并进一步说明电磁波的传播特性,如波长、频率、波速、极化等。重点讨论在自由空间、导体、介质中的电磁波传播行为。 天线的基本概念: 定义天线的作用,即作为电磁波的发射器和接收器。介绍天线的关键参数,如辐射方向图(三维、二维切面)、增益、效率、输入阻抗、驻波比(VSWR)、带宽、极化匹配等。深入解析这些参数的物理意义及其对天线性能的影响。 天线的分类: 从不同维度对天线进行分类,包括按结构(如线天线、面天线、阵列天线)、按工作原理(如偶极子、单极子、螺旋天线、喇叭天线、贴片天线)、按频段(如低频天线、高频天线、微波天线、毫米波天线)等。简要介绍各类天线的特点和适用场景。 第二章:天线辐射场分析 基本辐射体分析: 详细分析最简单的辐射体,如理想偶极子和单极子,推导其辐射场分布、方向图和输入阻抗。讨论不同偶极子长度(如半波长偶极子、短偶极子)对辐射特性的影响。 电流元和电偶极子: 从微观的电流元出发,推导其产生的电磁场,并在此基础上构建任意电流分布的辐射场。深入理解由电流分布决定辐射特性的物理原理。 辐射阻抗与损耗: 详细讲解天线的辐射阻抗(包括辐射电阻和感抗),以及匹配网络设计的重要性。分析天线中的各种损耗(如导体损耗、介质损耗),并引入天线效率的概念,区分辐射效率、导电效率和总效率。 第三章:天线参数详解与测量 方向图分析: 深入解析主瓣、旁瓣、零点等方向图特征,理解方向性系数(Directivity)和增益(Gain)的区别与联系。讨论理想方向图与实际方向图的差异。 阻抗与匹配: 重点阐述输入阻抗的定义、测量方法和影响因素。详细介绍阻抗匹配的原理,包括使用匹配网络(如L型网络、λ/4阻抗变换器)和调整天线结构来实现阻抗匹配,以达到最大功率传输。 驻波比(VSWR)与回波损耗: 解释VSWR的物理意义,即传输线上的电压驻波的最大值与最小值之比,及其与阻抗失配的关系。引入回波损耗的概念,说明其与VSWR的换算关系。 带宽定义与测量: 介绍不同带宽的定义,如阻抗带宽、增益带宽、方向图带宽等。讨论影响天线带宽的因素,以及如何通过设计来拓宽天线的工作带宽。 极化特性: 详细介绍线极化、圆极化、椭圆极化等多种极化方式,以及极化匹配对于接收信号强度的重要性。讲解如何设计不同极化的天线。 天线测量基础: 介绍天线测量中的基本原理和方法,包括近场测量、远场测量、微波暗室的使用、标准增益天线等。简要介绍常用测量仪器,如矢量网络分析仪(VNA)、频谱分析仪等。 第二部分:主流天线类型及其设计 本部分将详细介绍几种常见且应用广泛的天线类型,并结合实例分析其设计方法。 第四章:线状天线 偶极子天线: 深入分析半波长偶极子、短偶极子、长偶极子的辐射特性、阻抗和方向图。讨论无限长偶极子和有限长偶极子的区别。 单极子天线: 分析无限大接地板上的单极子天线,并讨论其与偶极子天线的等效关系。重点介绍1/4波长单极子在各种应用中的设计和布局。 环形天线: 介绍小尺寸环形天线和共振环形天线的特点,分析其辐射方向图和阻抗。 螺旋天线: 详细分析轴向模螺旋天线(产生圆极化)和法向模螺旋天线(产生线极化)。讲解其工作原理、设计参数(如圈数、线径、间距)对增益和带宽的影响。 第五章:面状天线(孔径天线) 喇叭天线: 详细介绍不同类型的喇叭天线,如角喇叭、棱锥喇叭、扇形喇叭等。分析其工作原理、辐射特性、增益和带宽。讲解如何根据口径尺寸和喇叭角设计喇叭天线,以获得所需的增益和波束宽度。 透镜天线: 介绍介质透镜和金属透镜天线的设计原理,以及其在聚焦电磁波方面的作用。 反射面天线基础: 介绍抛物面、椭球面等反射面的基本几何光学原理,以及其如何将馈源产生的电磁波聚焦成平行波束。 第六章:微带天线(贴片天线) 微带天线基本原理: 介绍微带天线的结构(基板、金属贴片、接地平面),以及其工作模式。详细分析微带天线的等效电路模型,包括辐射电导、电容等。 常见微带天线结构: 介绍矩形贴片天线、圆形贴片天线、扇形贴片天线等的基本设计和计算方法。 微带天线的馈电方式: 详细介绍端馈、侧馈(缝隙耦合、微带线耦合)、同轴线探针馈电等方式,分析各种馈电方式对阻抗匹配和性能的影响。 微带天线的带宽与性能改进: 讨论单层微带天线带宽受限的原因,并介绍提高带宽的方法,如使用厚介质基板、接地衬层、槽加载、多层结构等。 微带天线阵列: 简要介绍微带天线阵列的构成和设计,以及其在提升增益和控制波束方面的优势。 第七章:天线阵列 阵列的基本概念: 介绍天线阵列的构成,如单元天线、排列方式(线阵、面阵)、单元间距、馈电幅相。 线性阵列: 详细分析等间隔直线阵的远场辐射特性,包括均匀激励阵、非均匀激励阵。讲解相控阵的基本原理,即通过改变各单元的馈电相移来控制波束指向。 平面阵: 介绍矩形阵、圆形阵等平面阵列的特点。 阵列的性能参数: 讨论阵列增益、方向性系数、旁瓣电平、波束宽度等参数。 阵列综合设计: 简要介绍几种经典的阵列综合方法,如均匀激励阵、蔡比雪夫阵、多项式合成法等。 第三部分:天线设计与仿真实践 本部分将聚焦于现代天线设计中的关键工具和实用技术。 第八章:天线设计流程与考虑因素 设计需求分析: 详细分析在设计天线前需要明确的各项参数,包括工作频率、带宽、增益、方向图要求、极化方式、尺寸限制、环境适应性、功耗等。 选择合适的天线类型: 基于设计需求,如何选择最合适的天线类型,并阐述选择依据。 参数计算与初步设计: 介绍根据选定的天线类型,使用基本公式或经验公式进行初步参数计算和结构设计。 优化设计: 强调迭代优化在天线设计中的重要性,说明如何通过调整关键参数来逼近设计目标。 制造与测试: 简要介绍天线制造工艺中的注意事项,以及与设计相关的测试流程。 第九章:电磁场仿真软件在天线设计中的应用 仿真软件概述: 介绍目前主流的天线设计和电磁场仿真软件,如ANSYS HFSS, CST Studio Suite, FEKO, ADS等。简要说明它们各自的特点和适用范围。 仿真流程详解: 模型建立: 详细介绍在仿真软件中建立天线三维模型的方法,包括几何建模、材质定义、激励源设置、边界条件设置等。 网格划分: 强调高质量网格划分对仿真精度和效率的重要性,介绍自动网格划分和手动网格控制。 求解器设置: 说明不同求解器的选择(如有限元法、边界元法、时域有限差分法等)及其适用场景。 后处理与结果分析: 详细介绍如何提取和分析仿真结果,包括S参数(回波损耗、插入损耗)、电压驻波比(VSWR)、辐射方向图(增益、方向性)、输入阻抗、表面电流分布、电场/磁场分布等。 仿真实例分析: 通过具体的天线仿真实例,演示如何使用软件完成一个完整的天线设计和优化过程,例如一个微带贴片天线的增益优化,或一个偶极子天线的阻抗匹配设计。 第十章:天线工程中的实用技术与前沿 宽带与多频带天线设计: 介绍实现宽带和多频带工作的常用技术,如加载技术(螺旋加载、槽加载)、多谐振结构、分形天线等。 小型化天线技术: 讨论如何设计尺寸更小的天线,包括使用高介电常数材料、加载感抗/容抗元件、利用天线阵列技术等。 天线集成与布局: 探讨在实际电子设备中如何有效地集成天线,考虑其与电路、外壳等部分的相互影响。 新型天线技术概述: 简要介绍近年来发展较快的新型天线技术,如可重构天线、智能天线、超材料天线、MIMO天线等,展望其在未来通信系统中的应用前景。 本书以清晰的结构、丰富的实例和深入的分析,旨在帮助读者全面掌握天线的设计理论、关键技术和实践方法,为从事通信工程、电子工程、雷达技术、射频微波等领域工作的工程师和研究人员提供有价值的参考。