淺談復(fù)雜環(huán)境下的一些天線問(wèn)題

如今的大工業(yè)趨勢(shì)和全球化浪潮給熱學(xué)、力學(xué)以及電磁學(xué)計(jì)算提供了很大的市場(chǎng)和舞臺(tái)，產(chǎn)生了針對(duì)日益高度標(biāo)準(zhǔn)化的各行各業(yè)的計(jì)算機(jī)仿真專業(yè)化公司。和電子行業(yè)密切相關(guān)的電磁場(chǎng)計(jì)算業(yè)也不例外，基于各種算法的電磁場(chǎng)計(jì)算軟件如雨后春筍般層出不窮。

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一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象是：許多人沉迷于各種數(shù)學(xué)算法以及軟件的使用而忽視了對(duì)問(wèn)題物理過(guò)程本質(zhì)的理解和融會(huì)貫通。這給設(shè)計(jì)者本人的工作效率和質(zhì)量帶來(lái)很大的局限性。復(fù)雜環(huán)境下對(duì)天線一些問(wèn)題的考慮就是很突出的例子。下面討論的這些問(wèn)題往往也是軟件工程師所感到很棘手的問(wèn)題。

天線是將導(dǎo)行波轉(zhuǎn)化為行波的一個(gè)關(guān)鍵電子器件。天線的一些性能參數(shù)如方向圖、輸入阻抗、增益、帶寬等在設(shè)計(jì)之前可以根據(jù)電磁場(chǎng)的輻射理論或電路理論進(jìn)行估 算。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)特別是PC機(jī)計(jì)算速度的不斷提高和并行算法理論的完善，借助于基于離散數(shù)學(xué)、矩陣?yán)碚撘约胺汉碚摰葦?shù)學(xué)理論與電磁場(chǎng)中的積分方程和微 風(fēng)方程相結(jié)合的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法可以越來(lái)越精確地對(duì)天線的這些性能參數(shù)進(jìn)行仿真和計(jì)算。這的確給天線的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便。

這種仿真不僅可以對(duì)于自由空間中的一個(gè)孤立天線進(jìn)行，也可以對(duì)在天線周圍存在其它物體的情況下進(jìn)行。如數(shù)值算法（有限元法、矩量法、有限差分法等）和高頻 近似方法（幾何繞射理論、物理光學(xué)、幾何光學(xué)等）相結(jié)合就是一個(gè)有效的仿真手段，雖然其仿真精度會(huì)有一定程度的下降。

一般來(lái)說(shuō)，天線周圍存在其它物體時(shí)屬于電大尺寸的問(wèn)題，即所研究的場(chǎng)域的尺寸和電磁場(chǎng)的波長(zhǎng)相比較大。習(xí)慣性做法是在近場(chǎng)用數(shù)值算法，而在遠(yuǎn)場(chǎng)用高頻近似方法。

天線周圍若有其它物體時(shí)是一個(gè)散射問(wèn)題，即天線輻射的入射電磁波和天線周圍物體發(fā)生作用的問(wèn)題。從物理本質(zhì)上來(lái)看，散射問(wèn)題是一個(gè)物體對(duì)電磁場(chǎng)的感應(yīng)問(wèn) 題，即物體（質(zhì)）在電磁場(chǎng)（波）的作用下感應(yīng)出“次生源”（天線上分布的電流、電荷、磁流、磁荷是“初始源”），這些感應(yīng)出來(lái)的“次生源”分布在物體內(nèi)部 和表面，“次生源”輻射的電磁波稱為散射波?？臻g中的總的電磁場(chǎng)（波），即總場(chǎng)，由天線輻射的入射電磁波和天線周圍物體上感應(yīng)出來(lái)的“次生源”輻射的散射 波疊加而成。天線周圍物體對(duì)天線輻射方向圖的影響是顯而易見(jiàn)的了。

天線周圍物體的電磁性能特點(diǎn)不同，其對(duì)天線輻射方向圖的影響也會(huì)有很大的不同。一個(gè)突出的例子就是導(dǎo)體和非導(dǎo)體。良導(dǎo)體在電磁場(chǎng)中感應(yīng)出來(lái)的“次生源” 幾乎都分布在表面。如果是電磁性能均勻的非導(dǎo)體，其感應(yīng)出來(lái)的“次生源”也分布在表面。而電磁特性不均勻的非導(dǎo)體，其感應(yīng)出來(lái)的“次生源”就較為復(fù)雜，不 僅表面有，在物體內(nèi)部的各個(gè)小均勻區(qū)域之間的不連續(xù)面處也會(huì)有“次生源”的存在。

值得注意的是，物體的均勻性和非均勻性是相對(duì)而言的。由于材料生成、加工工藝等原因，同一材料制作的物體，尺度較小時(shí)可以看作是均勻的，而尺度較大時(shí)其 非均勻性就顯示出來(lái)了。許多電子工程師往往在使用軟件時(shí)忽視了這一點(diǎn)，卻每每責(zé)怪軟件算法的精度不夠。同一物體均勻性和非均勻性還和波長(zhǎng)（頻率）有很大的 關(guān)系。波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)可以看作是均勻的，波長(zhǎng)較短時(shí)有可能就不能看作是均勻的了。

在周圍物體離天線較遠(yuǎn)時(shí)（遠(yuǎn)場(chǎng)），這些物體一般只影響天線的輻射方向圖和增益，對(duì)天線的輸入阻抗和帶寬影響不大。而一旦周圍物體離天線較近時(shí)（近場(chǎng)），對(duì) 天線的輸入阻抗和帶寬影響就是一個(gè)突出的問(wèn)題了。天線和周圍物體的近場(chǎng)耦合除了散射效應(yīng)之外，會(huì)改變天線的分布電容（電容耦合）和分布電感（電感耦合）。 特別當(dāng)周圍物體是導(dǎo)體時(shí)尤為如此。這一點(diǎn)可以通過(guò)多體之間的部分電容與部分電感的概念以及總的分布電容和分布電感的變化去理解。

一個(gè)對(duì)稱振子天線在沒(méi)有周圍物體時(shí)，其分布電容和分布電感就是自身的部分電容與部分電感。而當(dāng)周圍有其它物體時(shí)，情況就大不一樣了。

一個(gè)天線單元組成陣列也屬于近場(chǎng)耦合。為了防止柵斑的出現(xiàn)，各個(gè)天線單元之間的距離一般不會(huì)超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)。自然這種天線單元之間的耦合關(guān)系要比上面的情 況要復(fù)雜得多，而且各個(gè)單元由于在陣列中的位置不同，情況也大不相同。雖然我們經(jīng)常利用多端口耦合網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)研究和測(cè)試單元間的耦合及相互影響，但這種 方法是近似的，不能夠完全反應(yīng)天線單元的自阻抗和單元之間的互阻抗。比如將某個(gè)天線單元的自阻抗用該單元在自由空間孤立存在時(shí)的輸入阻抗來(lái)代替。實(shí)際上根 據(jù)前面例子分析，天線單元之間在近場(chǎng)耦合時(shí)對(duì)彼此輸入阻抗產(chǎn)生的影響（特別是對(duì)分布電容）有時(shí)候是很大的。應(yīng)該讓所有其它單元開(kāi)路，然后根據(jù)該單元測(cè)得的 電壓和電流之比求得。應(yīng)該注意的是，自阻抗并不等于該天線單元的匹配阻抗，即激勵(lì)點(diǎn)阻抗。匹配阻抗為所有天線單元均激勵(lì)時(shí)該單元測(cè)得的電壓和電流之比。容 易提出的問(wèn)題是，為什么自阻抗不等同于而匹配阻抗？

天線陣列一旦在結(jié)構(gòu)上布置好，自阻抗就確定下來(lái)了，而匹配阻抗卻不然。因?yàn)楫?dāng)所有單元均激勵(lì)時(shí)，其它單元電流輻射的電磁場(chǎng)會(huì)在第n個(gè)天線單元上感應(yīng)出“次生電流”，因而其上面電流應(yīng)該加上這部分感應(yīng)電流的。