1887 年德國青年學(xué)者海因里?!ず掌潱ě痚inrich R.Нertz,如圖 0.2﹣1 所示)的著名實驗證實了電磁波的存在。他當時所用的電偶極子諧振器就是最早的發(fā)射天線,因此天線發(fā)明至今還只有 120 多年的歷史。當初在赫茲實驗的基礎(chǔ)上,意大利古利莫·馬 可尼(Guglielmo Marconi,如圖 0.2﹣2 所示)在 1895 年成功地進行了距離約 2.5 km的無線電報傳送實驗。1896 年俄羅斯亞歷山大·波波夫(Alexander C.Popov, 1859 -1906)也在相距 250 m的建筑物之間傳送了一份電報,電文就是НeinrichНertz。無線電開創(chuàng)初期使用的都是火花式發(fā)射機,工作頻率主要集中于米波和微波頻率。除采用電偶極子外,也使用了環(huán)形天線、拋物柱面天線、喇叭天線和介質(zhì)圓柱透鏡天線等。在這些初期的實驗研究后便開始了天線的廣泛應(yīng)用,其發(fā)展大致可劃分為三個歷史時期。 1. 線天線時期(19 世紀末至 20 世紀 30 年代初) 1901 年馬可尼在加拿大紐芬蘭島收到了橫渡大西洋由英國康泛爾半島發(fā)來的“ S”字母信號,開辟了無線電遠距離通信的新時代。他當時所用的發(fā)射天線是從 48 m高的橫掛線上斜拉下 50 根銅導(dǎo)線來形成一扇形結(jié)構(gòu),可認為是第一副實用的單極天線。其振蕩源是 70 kНz火花發(fā)生器。1905 年他在英格蘭康泛爾半島利用4 座木塔架設(shè)導(dǎo)線網(wǎng)來構(gòu)成方形單錐天線,其照片如圖0.2﹣3 所示,發(fā)射波長為1000 m。隨著20 世紀初電子管的發(fā)明和發(fā)展,這一時期開頭利用長波進行通信,隨后發(fā)展到中波通信,并因電離層的發(fā)現(xiàn),1924 年前后開始了短波通信和遠程廣播。典型天線形式有:T形和倒L形天線、菱形天線、魚骨形天線、對稱振子、環(huán)形天線、同相水平天線(見圖 0.2﹣4)和八木-宇田天線等,這些都是線天線。這一時期也建立了線天線的基本理論,如得出了對稱振子電流的積分方程和正弦近似分布,提出了感應(yīng)電動勢法、對偶原理等。
2. 面天線時期(20 世紀 30 年代初至 50 年代末)第二次世界大戰(zhàn)前夕,隨著微波速調(diào)管和磁控管的發(fā)明,導(dǎo)致了微波雷達的發(fā)展。戰(zhàn)時炮瞄雷達廣泛采用拋物面天線,同時也發(fā)展了由波導(dǎo)開口延伸的喇叭天線、在喇叭前加介質(zhì)或金屬透鏡的透鏡天線、其他形式的反射面天線等。這些天線都是面天線或稱口徑天線。此外,又出現(xiàn)了波導(dǎo)縫隙天線、介質(zhì)棒天線、螺旋天線及蝙蝠翼形天線等。戰(zhàn)后微波中繼通信、廣播和射電天文等應(yīng)用使面天線和線天線技術(shù)獲得了進一步的提高。這時期建立了口徑天線的基本理論,如幾何光學(xué)法、口徑場法和電流分布法等;發(fā)展了天線測試技術(shù),產(chǎn)生了分析天線公差的統(tǒng)計理論,開發(fā)了天線陣的綜合技術(shù)。
3. 大發(fā)展時期(20 世紀 50 年代末至今)1957 年人造地球衛(wèi)星上天標志著人類進入了開發(fā)宇宙的新時代,也對天線提出了多方面的高要求,如高增益、精密跟蹤、快速掃描、寬頻帶、低旁瓣等。同時,電子計算機、微電子技術(shù)和現(xiàn)代材料的進展又為天線理論與技術(shù)的發(fā)展提供了必要的基礎(chǔ)。1957 年美國制成了用于精密跟蹤雷達AN/FPS﹣16 的單脈沖天線,其跟蹤精度比二次大戰(zhàn)時的圓錐掃描體制提高了一個量級,達 0.1 密位。射電天文特別是衛(wèi)星通信的興起,大大促進了反射面天線及其饋源的發(fā)展,1963 年出現(xiàn)了高效率的雙模喇叭饋源,1966 年發(fā)明了波紋喇叭。1966 年提出了在通信衛(wèi)星上使用多波束天線的概念,并首次應(yīng)用于 1978 年發(fā)射的加拿大衛(wèi)星ANIK﹣B。為滿足跟蹤洲際導(dǎo)彈的需求,相控陣天線在 1960 年問世,并在 1968 年制成了高功率相控陣雷達AN/FPS﹣85.20 世紀 60 年代末制成了預(yù)警飛機E﹣3A雷達用的第一副超低旁瓣天線。1957 年美國伊利諾伊大學(xué)拉姆齊(V.Н.Rumsey)提出了非頻變天線理論,相繼制成用于電子對抗的等角螺線天線和對數(shù)周期天線等超寬頻帶天線。1969 年德國出現(xiàn)了作為商品出售的第一副有源電視接收天線;1960年以后,利用非正弦的脈沖電磁波工作的時域天線引起了廣泛的研究,并已應(yīng)用于探地雷達。 特別令人矚目的是,1972 年美國豪威爾(J.Q.Нowell)和芒森(P.E.Munson)制成第一批實用微帶天線,并作為火箭和導(dǎo)彈的共形天線開始了應(yīng)用。近年來不但這類天線獲得了蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用,同時又出現(xiàn)了介質(zhì)諧振器天線、分形天線等新的小型化天線形式。另一方面的重要進展是發(fā)展天線的信號處理能力。除上面提到的單脈沖天線和相控陣天線外,在天線內(nèi)部運用信號處理技術(shù)的信號處理天線獲得了發(fā)展,并在 20 世紀 50 年代末制成了第一批機載高分辨率合成孔徑雷達(SAR)天線。20 世紀 50 年代初范阿塔(Van Atta)就提出方向特性能隨外部環(huán)境改變而適當變化的自適應(yīng)天線。20 世紀 90 年代以來,隨著無線通信的飛速發(fā)展,當頻域、時域和碼域資源已獲充分利用之后,開始了空間資源的開發(fā),產(chǎn)生了所謂智能天線。新世紀初已把它用來作為移動通信的基站天線,它能根據(jù)用戶來波方向動態(tài)地形成指向用戶的波束,并使波束零點對準干擾方向以提高接收信號的信干比。在這些天線技術(shù)的基礎(chǔ)上,又產(chǎn)生了可重構(gòu)天線。 這一時期理論上的重大進展是創(chuàng)立了矩量法(MM)、時域有限差分法(FDTD)和幾何繞射理論(GTD)等分析方法,并已形成商用軟件。這使以前難以解決的大量天線問題能借助數(shù)字計算機加以處理,并使天線的設(shè)計前進到一個能利用商用軟件進行較準確的預(yù)算與優(yōu)化的新階段,還可進行機電一體化設(shè)計。在天線測量技術(shù)方面,發(fā)展了微波暗室和近場測試技術(shù),研制了緊縮天線測試場和利用射電源的測試技術(shù),并建立了自動化測試系統(tǒng),從而大大提高了天線測試的速度和精度。 當今,天線技術(shù)已具有成熟科學(xué)的許多特征,但它仍然是一個富有活力的技術(shù)領(lǐng)域。主要發(fā)展方向是:多功能化(一副天線代替多副甚至很多天線、適應(yīng)電磁兼容要求)、智能化(提高信息處理能力)、小型化、集成化及高性能化(寬頻帶、高增益、低旁瓣、低交叉極化等)。
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