| 单词 | 电波传播与天线 |
| 释义 | 【电波传播与天线】 电波传播是研究无线电波在各种介质中传播规律的科学。广播、电视、通讯、雷达及所有无线电系统皆利用无线电波来传递信息。发射天线将载有信息的高频振荡电流转换为电磁波并将其辐射至预定方向；而接收天线则用来捕捉空间传来的电磁波能量并将其转变为高频电流能量，然后将它进一步处理取出所需信息。 1831年法拉弟发现电磁感应现象。1873年麦克斯韦以严密的数学形式表达了电磁场的一般变化规律并预言电磁波的存在。1887年，德国赫芝用实验方法产生了电磁波，赫芝的辐射电磁波装置是天线的雏形。麦克斯韦建立了经典电磁场的理论基础，它也是研究电波传播与天线的理论基础。1895年意大利人马克尼和俄国波波夫分别发明了接收无线电波的装置，1901年马克尼实现了横跨大西洋的远距离通信。肯尼里和海维赛于1902年提出这种远距离的传播是由于空中电离层反射的结果，并于1926年用实验证实了电离层的存在。电磁波可以在自由空间传播，可以沿导体和完纯介质结构传播。这种性质与约束结构的型式直接有关。已经使用的常见约束结构有平行双线、微带线、同轴线及金属空心波导管等，它们经常用作天线的馈线。发展极迅速的光纤通讯系统中应用的光纤传输线是由完纯介质构成的导行波光波导。电离层是由电子、正离子及中性粒子所组成的气体混合体。实验探测证明：在白天有3个或4个电离层存在，55～85km高度是最低的D层，其电子密度约为2×103个电子／cm3。中午日照射最强，夜间消失，它仅反射波长很长的无线电波。E层(100～110km)电子密度在中午最大(105个电子／cm3)，夜里下降(103～104个电子／cm3)。E层变化较有规律，它可反射斜向传播的中波。150至200km为F1层，电子密度大于2×105电子／cm3，它在冬季经常会消失，中午电子密度最大，而在夜间消失。200km以上高度是F2层，其电子密度大于8×105电子／cm3，它昼夜存在，短波主要靠它反射而传播。电离层的状态也像气象一样，随时间、昼夜及季节而变化，故一般来说天波信号比地波信号稳定性差，但电离层的许多变化是有规律的。对流层散射可引起电波衰落；多径传播时直射波与反射波的干涉产生干涉衰落；雨雾吸收引起大气吸收性衰落；不利的大气折射引起绕射性衰落等。采用频率分集(两个以上频率接收同一信号)及空间分集(不同空间地点接收同一频率信号)等分集接收技术可克服衰落。目前应用的天线主要为线型天线及面天线或它们的组合型式。中波主要靠地波传播故广播发射中采用垂直接地单振子线型天线；电视传播采用水平对称振子型线天线，由多振子组合而成的天线系统具有较强的方向性。目前广泛应用的共用天线系统及波长较长时远程警戒雷达皆属组合振子阵列型天线系统。卡塞格伦天线则是双反射镜面型面天线系统，用在较高的微波及毫米波频段上。天线发展的重要的方向是实现快速电扫描，即复杂天线阵不动而是利用电扫方法使波束在空间扫掠；另一方面是采用有源阵列。由英国海军研究机构及普莱西公司共同投资研究的舰艇用有源阵列雷达机即属上述典型结构类型。1987年，英国《同际飞行》报道该样机为多功能电扫自适应S波段雷达，整机由918个收／发组件构成一个1．8m宽的相控阵列，它可水平电扫士45°，在垂直方向上电扫±70°。整体由4个这样的阵列构成360°扫描阵列系统。每个阵面可跟踪数百个目标，同时可用快速顺序波束连续搜索更多目标。方位和俯仰上的电扫是通过改变每个阵列各单元的移相器。日本三菱电机从84年开始开发采用地面遥控、覆盖范围可自由变化的直播阵，它也属于电扫类型天线。它是国际通信卫星组织新一代卫星用天线系统，并已于1987年春进行了正常运转。整个天线由64个阶梯喇叭面天线组成，有可变功率分配器及移相器。由各个喇叭产生的合成电磁波覆盖特定的区域。各个喇叭输出的电磁波的振幅及相位均可由地面站发出的指令信号进行遥控。这样，即使卫星轨道发生变动，只要重新调整形成波束即可不改变其复盖范围。以傅里叶变换、方向控制自适应阵技术为基础得出波束再形成算法。现在研制成的阵列是ku波段使用的11GHz发射天线。在空对地应用中，识别目标的良好分辨力是最根本的条件。但分辨力受天线口径限制，而口径受飞机上可安装尺寸限制。解决途径之一是平行飞机轴向安装非常宽的天线，以增加实际天线的口径，另外可采用合成孔径雷达系统。1985年法国的拉法勒(Raphael)侦察系统投入工作。雷达属合成孔径型天线，并且具有脉冲压缩及频率捷变能力。它工作在3cm波段，能对飞机下面的地面进行地面测绘。天线是锐方向性的，有效的波束带度为几毫弧度。在约50km远的距离上，雷达从40km宽的带状陆地上产生回波，给出3m的地面分辨力。卫星直播电视的发展及普及促进了平面型天线的研究开发。日本广播协会广播技术研究所研制成能复盖11．7～12．0GHz频带的高效率卫星广播接收用平面天线，它的结构型式是由在印制基板上蚀刻的带状辐射单元组成的阵列。这种结构制造方便，可大批量生产。平面天线在效率方面虽不如抛物面天线，但可制成较薄结构，重量很轻。波束方向相对天线平面来说可设计成斜向的，故可方便地安装在屋顶或墙壁上，提高平面型天线效率的工作尚在开展中。各种天线应用的频段不同，因此电波传播的途径各有所异，天线的型式也就不同。在较低频段上使用的天线大体定形，今后的研究主要集中于提高其性能如宽频带、高增益及高效率等。在较高频段上如微波及毫米波天线主要朝多阵列组合、适于快速电扫、适应频率捷变等方面发展。在结构上向小型化、集成化方向发展。相控阵列系统、合成孔径天线系统及小型化平面天线将有较大发展。高性能的天线离不开高性能计算机系统的控制及相应数据处理系统的配合。超大容量极光盘在贮器的问世将使处理系统的功能大大增强，高分辨力、高效率天线与计算机技术两者紧密的结合将使新型天线系统充分发挥其效能。【参考文献】：1 谢处方，饶克谨，电磁场与电磁波，北京：人民教育出版社，19792 程新民，无线电波传播，北京：人民邮电出版社，19823 IEEE International Radar conference，19854 European Telemetry conference，1987，6∶23～255 International conference on Radar，1989，4(合肥工业大学张寿广教授撰) |
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