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天线发展简史
- 2023-05-26-

       1887 年德国青年学者海因里希·赫兹(Нeinrich R.Нertz,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НeinrichНertz。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 kНz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。

       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﹣3A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.Н.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.Нowell)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)。


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