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瓣电平控制在不影响干扰检测定向的程度内^另外，使天线能在小的手持基面上 工作，满足移动检测的便携式要求。
关于实际应用的便携式高增益的天线系统（此时方向系数要用增益来衡量’ 因为方向性系数受天线效率的影响，得到的实际值是天线的增益，它们之间的关 系是G=kD,即增益是天线效率乘以天线方向系数得到的)，国内外均有不少研究 成果实例，例如R&S公司的迷你型干扰接收机EB200和手持定向天线HE200, 在GSM-R频段HE200增益达15~18dB，这两个装置的组合将可以检测干扰并同 时储存数据，它的频率范围可从20MHz-3GHz;在近海海洋表面流探测工程中， 英国的OSCR系统、美国CODAR公司的SeaSonde系统（采用交叉环单极子天 线）也以其小巧轻便、对信号接收灵敏的性能发挥着很大的作用。另外，背射式 高增益定向收/发天线、螺旋髙增益天线、抛物面型高增益定向收发天线也在近、 远程距离通信、全向区域通信、移动网络通信及便携通信设备中得到了广泛的应 用a
对于定向高增益天线，八木天线是经典的种类之一，它由一根有源振子和多 根无源振子组成，有源振子可以是半波振子，也可以是折合振子。无源振子通常 由一个比有源振子长的反射器和多个比有源振子短的引向器组成.有源振子被馈 电后向空间辐射电磁波，使无源振子中产生感应电流来产生辐射，辐射方向指向 引向器方向。当改变无源振子的长度及其与有源振子之间的距离时，无源振子上 感应电流的幅度及相位也随之而变化，可以影响有源振子的方向图。它的优点是 结构简单、增益高、方向性强，其次用它来测向、远距离通信效果特别好。如果 再配上仰角和方位旋转控制装置，就能得到良好的干扰检测性能。本文就是选择 八木天线作为设计和研究对象，通过理论分析和数值软件工具仿真得到符合要求 的干扰接收检测定向天线的实例。
1.3论文内容安排
文章第二章分两方面来讲，首先介绍天线的基本理论：包括天线的应用和发展 概况，天线的原理’天线的主要参数；其次介绍天线测试、测量的相关内容：包 括天线的馈电种类及设计I天线方向图的测量方法，天线的校准方法等等s这些 是本论文以下内容的必备知识和实践操作准则。
第三章将介绍线天线的分析方法。包括感应电动势法、行波天线的观点、矩 量法和优化算法结合的方法及软件仿真设计法=前两种方法主要是基于天线经典 理论得到的分析方法。而对天线参数的优化可以借助于电磁场仿真工具来做，也 可以采用优化算法与数值计算方法相结合的做法。围绕研究问题的不同，可以将
1 绪论
各种电磁场解法和优化算法相结合进行求解，但由于某些算法本身的特点，并非 所有的数值方法都能有效的与算法结合0由于本文主要采用软件仿真的方法来分 析设计八木天线，因此软件分析方法重点对电磁场仿真软件FEKO和HFSS做了 介绍。第三章对天线分析方法的详细介绍为第四章的天线设计与分析打下了基础a 第四章将主要讲述八木天线的分析设计方法，包括八木天线的工作原理，天 线方向图优化设计和平衡不平衡转换器设计，实物天线的方向性图及误差分析， 天线的驻波比测量及误差分析，介绍了一种新型的八木天线设计方法并简要介绍 了此种八木天线的天线参数特点。
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第二章天线的基本理论
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2.1天线的发展和应用概况
人类之间的通信最早是通过话音的方式来完成的，但是它仅限于近距离的信息 交流。为实现远距离通信，在人类文明发展的历史上曾先后出现了鼓、旗语、烟 火等可视方法，这些原始的“光通信”方式当然都利用了电磁波谱中的光波部分。 直到近代，无线电波——电磁波谱中可见光以外的部分才在通信中渐渐得到了应 用。
凡是靠电磁波传递信息的无线电技术设备，如广播、电视、通讯、导航、雷达 等，天线是必不可少的重要组成部分。根据IEEE有关天线术语的标准定义，天 线为“辐射或接收无线电波的装置”。换言之，天线提供了由导行波向“自由空间” 波的转换（接收状态反之)》因此可不借助于任何中间设备，使信息可以在不同地 点之间不通过任何连接设备传输。
天线的理论基础是麦克斯韦方程组，由麦克斯韦（James Clerk Maxwell. 1831-1879) 1864年提交给英国皇家学会，它将电学和磁学统一到一致的电磁理 论中。1887年，德国的物理学家赫兹通过试验证实了麦克斯韦关于电磁波运动通 过空气传播的预言。1901年，意大利20多岁的研究者马可尼在第一次跨越大西 洋的无线电通信中取得成功，在纽芬兰的圣约翰斯接收到发自英格兰波尔多无线 电信号。天线早期的发展受到信号发生器实用性的制约，采用德福雷斯特三极管 产生高达1MHz的信号后，1920年左右，可调节物理长度的谐振天线（例如半波 振子天线）成为现实。二次世界大战前夕，微波调速管和磁控管信号发生器以及 波导管得到了发展，这些促进了喇叭天线的发展。第一部商用微波无线电话系统 1934年在英国和法国间开始运营，工作频率为1.8GH&第二次世界大战期间出 现了雷达，雷达工作于超短波、微波频段，微波能量常用波导系统来传输，从而 出现了缝隙天线、喇叭口天线、抛物面天线等。60年代以来，由于导弹、卫星、 遥感、航天技术和散射通信的发展，对工程天线的要求越来越高。开拓频段、降 低噪声、防止干扰、提高精度己经成为天线技术迫切需要解决的问题，于是出现 了大量适应相应需求的工程天线，如卡塞格伦天线、单脉冲天线、相控阵天线、 微带天线、自适应天线等等[51。
今天，在电子技术发展H新月异的形势下，天线理论与技术水平也在不断的发 展和提高，如今天线在人们的社会生活中的已不可或缺，它无处不在，家庭或工 作场所，汽车或飞机早.，船舶、卫星和航天器的有限空间内甚至可以由步行者随
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大线的基本理论
身携带。归纳起来，就天线在电子系统中的应用来说.大体上可以分为广播天线、 通信天线、雷达天线、卫星天线和卫星地面站天线等几个方面。例如，移动通信 涉及飞机、宇宙飞船、舰船或者陆上交通工具时的需要；对于广播电台电视台， 一个传输终端可以支持不限数量的接收用户，而这些用户可能是移动中的，此时 通常要采用天线；同时蜂窝移动电话系统等需要使用天线的个人通信器材也很常 见。此外，天线还有很多非通信方面的应用，这些应用包括遥感和工业应用等。 遥感系统可以有源（如雷达）也可以无源（如辐射计)，并且各自接收来自物体的 散射和固有辐射，接收信号经过处理后产生关于物体或环境的信息：工业的应用 包括利用微波烹饪和烘干等方面。
2.2天线的基本原理和主要参数 2.2.1天线的基本原理
电磁场的一切问题，归根结底都是求解麦克斯韦方程组的问题< 分析天线问 题，主要在于求解外施电流分布J产生的场，一般来说，应该根据天线的边界条 件求解麦克斯韦方程，外施电流分布在求解过程中得到。一根天线可以看作由许 多首尾相接的电流元所组成，这些电流元又称基本振子。基本振子是构成天线辐 射的基本单元。只要求得基本振子的辐射场，利用叠加原理即可了解整个天线的 辐射情况。基本振子包括点辐射元、‘电振子元和磁振子元^
图2-1空间源的场 如
图2-1所示t空间源产生的场可以表示为t29]:
E ■? -JcaA +— --- VV*/4—Vx Ac
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如果没有磁源，仅有电源，则有r
E - -jcuA + ~-~ VV ? A
}0)fJl￡
(2.2)
H = —
M
如果空间没有电源，仅有磁源，则有：
E = —^ ▽?及
.(2.3)
H = -jajAe + ----------- W.4
jcopie
其中A和Ac分别为矢量磁位和矢量电位?
A^JLri^v R
(2.4)
At ■-—CJ^ 1 ~dV 4JIEJ R
对于具体问题，方程（2.1)可在圆柱坐标系下展开为：
\\E\\^E{R,6^)
一般根据R的变化可以将空间分为感应近场区、辐射近场区（菲涅耳区）和 远场区（夫琅和费区）三个区。感应近场区的场主要是感应场，其外边界条件一 般定义为丑< 0.621)73/1,其中，D是天线的最大尺寸，A是工作波长。如果天 线是非常短的偶极天线，其外边界定义为i?sA/2^r。感应近区场比较复杂，电场 和磁场不易互相转换，需要分别测量，这是由于这个区域场强和l/r2或]/r3有关， 所以位置的微小变化都会引起较大的测量误差。辐射近场区的场以辐射场为主， 但是场随空间角度的分布会随R的变化而变化，场的径向分量也有可能较大，这 —区域的范围一般定义为Q_62DJ5/I
SR< 2D
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.(2.5)
/X(D > A)?当天线的尺寸与波长 相比很小时，这一区域可能不存在。远区场
则是我们最关心的区域，测量几乎都 必须在这个区域进行，远场区的场基本上是横向场r径向分量很小，并且场随空 间角度的分布规律不再随R而变化。这一区域范围一般为21)2/2￡及<00。此时 电场和磁场方向垂直并且都和传播方向垂直，因此远区场的波为平面波，电场和 磁场的比值是固定值，只需测出电场就能算出磁场，反之亦然。在远场区，空间 的场可以表示为：
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