Antenna Theory Analysis & Design

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出版者:Wiley
作者:Constantine A. Balanis
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:1996
价格:0
装帧:Mass Market Paperback
isbn号码:9789971512330
丛书系列:
图书标签:
  • 天线理论
  • 天线设计
  • 电磁场
  • 微波技术
  • 射频电路
  • 天线分析
  • 无线通信
  • 天线工程
  • 天线测量
  • 天线传播
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具体描述

《电磁波传播与应用:从基础理论到现代系统》 图书概述 本书旨在为读者提供一个全面而深入的电磁波理论学习路径,重点关注电磁波在不同介质中的传播特性、天线设计的基础原理,以及现代通信系统中天线和电波传播的实际应用。全书结构严谨,逻辑清晰,内容涵盖了从麦克斯韦方程组的经典导出到现代超材料天线设计的前沿技术。 第一部分:电磁场与麦克斯韦方程组基础 (Foundations of Electromagnetic Fields and Maxwell’s Equations) 本部分是理解电磁波现象的基石。我们将从矢量分析和标量分析的基础概念出发,系统地回顾静电场和静磁场理论。重点在于介绍电位、磁位以及坡印廷矢量等关键物理量。 随后,本书将详细阐述麦克斯韦方程组在不同场条件下的积分形式和微分形式。我们不仅会推导波动方程,还会探讨平面波在自由空间、理想介质(电介质和良导体)以及有损介质中的传播特性。详细分析包括传播常数、特性阻抗、反射与透射现象(如菲涅耳公式的应用)。通过丰富的例题和案例分析,读者将能熟练掌握计算电磁场强度的基本方法,并理解波阻抗匹配在能量传输中的重要性。 第二部分:传输线与波导理论 (Transmission Line and Waveguide Theory) 传输线是实现高频信号传输的物理结构。本章首先引入均匀传输线的等效电路模型,并深入探讨史密斯圆图的应用。读者将学习如何使用史密斯圆图来分析和设计匹配网络,包括串联、并联匹配以及单节/多节阻抗匹配技术。无损传输线和有损传输线的特性阻抗、电压驻波比(VSWR)和回波损耗的计算方法将被详细阐述。 接着,本书转向波导理论。我们将分析矩形波导、圆波导和介质波导的模式(TE、TM、TEM 模式)。重点解析截止频率的物理意义,以及波导内电磁场分布的数学推导。通过分析波导的色散特性,读者将理解不同频率信号在波导中传播的差异,为高频系统设计提供理论依据。 第三部分:辐射理论与基本天线单元 (Radiation Theory and Basic Antenna Elements) 本部分将理论从传输和波导系统过渡到电磁能量的有效辐射过程。我们将从基础的电流元(如贺兹振子)出发,推导其远场电磁场分布和辐射特性。 重点内容包括: 1. 矢量磁位与辐射场计算: 详细介绍如何利用矢量磁位计算任意电流源的辐射电场和磁场。 2. 偶极子和环天线: 深入分析半波长偶极子($lambda/2$)和短偶极子($lambda/10$)的输入阻抗、方向图和效率。对于小环天线和磁环天线的辐射特性也将进行详尽的建模和分析。 3. 功率辐射和有效面积: 引入辐射效率、增益(绝对增益和相对增益)、有效接收面积等关键性能指标,并探讨它们之间的内在联系。 4. 复数方向图分析: 掌握如何通过计算方向图的两个主要分量(主瓣和旁瓣)来评估天线的空间选择性。 第四部分:天线阵列与合成孔径 (Antenna Arrays and Synthetic Aperture) 在现代雷达、导航和空间通信系统中,单个天线往往无法满足要求,因此需要利用天线阵列来提升性能。本章专门讲解阵列理论: 1. 阵元分布与方向图合成: 分析均匀直线阵列(ULA)的辐射特性,重点研究阵因子(Array Factor)的形成,以及如何通过调整阵元间的相位和幅度来控制主瓣指向(Beam Steering)。 2. 阵列优化技术: 介绍切比雪夫综合和萨伦斯基综合等抑制旁瓣的技术,以提高阵列的抗干扰能力。 3. 相控阵基础: 阐述相控阵的基本工作原理,包括电子扫描的优势和挑战。 4. 合成孔径技术: 简要介绍合成孔径雷达(SAR)和合成孔径光学望远镜的基本概念,展示了如何通过运动和信号处理技术来获得远大于物理尺寸的有效孔径。 第五部分:实用天线设计与应用 (Practical Antenna Design and Applications) 本部分将理论知识转化为实际工程设计能力,介绍几种在工程中广泛使用的经典天线类型: 1. 宽带与多频天线: 重点讨论对数周期天线、螺旋天线的设计原理,以及如何通过缝隙或加载技术实现宽带特性。 2. 微带天线(Patch Antennas): 深入剖析微带贴片天线的辐射机制、尺寸优化(长度、宽度、厚度对谐振频率和带宽的影响),以及如何通过设计馈电点和引入切口来提高效率和极化纯度。 3. 反射面天线: 介绍抛物面天线(Primary Feed)、卡塞格林(Cassegrain)和格里高利(Gregorian)等系统的几何结构、焦比选择和馈源设计,并讨论其在卫星通信中的应用。 第六部分:电磁兼容性与传播环境 (Electromagnetic Compatibility and Propagation Environment) 最后,本书将讨论天线系统在真实环境下的表现和面临的挑战: 1. 电磁兼容性(EMC): 阐述电磁干扰(EMI)的来源、传播路径和抑制方法,包括屏蔽、接地和滤波技术。 2. 无线信道传播: 探讨电磁波在城市、郊区和室内环境下的多径效应、衰落机制(如瑞利衰落和莱斯衰落)。介绍路径损耗模型(如自由空间、Hata模型)在系统链路预算中的应用。 3. 新兴技术: 简要介绍超材料(Metamaterials)和超表面(Metasurfaces)在天线小型化和波束控制方面的最新进展,为读者展望未来的研究方向。 适用对象 本书适合于电子工程、通信工程、物理学以及相关专业的本科生、研究生,以及需要系统性了解和应用电磁波与天线技术的工程师和研究人员。本书的深度适中,既提供了扎实的数学基础,也强调了工程实践中的设计方法。通过对本书的学习,读者将能够独立进行高频电路和天线系统的分析与设计工作。

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《天线理论分析与设计》在“接地天线”(Ground Plane Antennas)这一章节的深入剖析,让我对其在实际应用中的重要性有了全新的认识。我过去总觉得接地平面(Ground Plane)只是一个简单的导电体,为天线提供一个“参考”,但这本书却让我看到了接地平面在天线辐射特性、阻抗特性以及效率方面所扮演的关键角色。作者首先从“镜像原理”(Image Theory)出发,解释了当一个天线靠近一个理想导电平面时,该平面如何“镜像”出天线的“虚像”,从而形成一个等效的天线系统。这对于理解如“单极子天线”(Monopole Antenna)等基于接地平面的天线的设计至关重要。书中对于不同尺寸和形状的接地平面,对单极子天线辐射方向图和阻抗的影响进行了详尽的分析,例如,有限尺寸的接地平面会导致“边缘效应”(Edge Effects)和“寄生辐射”(Parasitic Radiation),从而影响天线的效率和带宽。我特别欣赏作者在讨论“接地平面的影响”(Ground Plane Effects)时,是如何结合“边沿电流”(Edge Currents)和“场穿透”(Field Penetration)来解释这些现象的。书中还探讨了如何通过优化接地平面的形状和大小,甚至引入“接地阵列”(Ground Plane Arrays)来改善天线的性能,例如增强低频响应或实现方向性控制。当我读到关于“接地平面上的天线阵列”(Antenna Arrays on Ground Planes)的章节时,我更是被书中展示的复杂系统设计所震撼,如何通过精巧的布局和馈电,实现高性能的通信系统。这本书让我明白,接地平面不仅仅是天线的一个“陪衬”,更是天线设计中不可或缺的关键组成部分,其优化程度直接影响到整个系统的性能。

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《天线理论分析与设计》这本书在“喇叭天线”(Horn Antennas)部分的详尽阐述,让我领略到了这种经典天线的魅力与设计中的精妙之处。我一直认为喇叭天线结构相对简单,但通过阅读这本书,我才发现其背后的理论推导和设计考量是多么的复杂和严谨。作者从“电磁波在波导中的传播”(Electromagnetic Wave Propagation in Waveguides)开始,逐步引入了喇叭天线的概念,即通过逐渐扩大的截面来改变波导的阻抗,并实现电磁波向自由空间的辐射。书中详细分析了不同类型的喇叭天线,如“角锥喇叭”(Pyramidal Horn)、“扇形喇叭”(Sectoral Horn)和“圆锥喇叭”(Conical Horn),以及它们各自的辐射特性和应用场景。我特别欣赏作者在讲解“喇叭天线的焦距”(Focal Length of Horn Antennas)和“喇叭口尺寸”(Aperture Size)对辐射方向图、旁瓣和交叉极化的影响时,所进行的细致入微的数学分析。书中还探讨了如何通过优化喇叭的几何形状(如引入相位校正环或脊)来改善其性能,例如实现更低的旁瓣或更窄的波束宽度。当我读到关于“喇叭天线阵列”(Horn Antenna Arrays)的章节时,我更是被书中展示的复杂系统设计所震撼,如何通过多单元的协同工作,实现高增益和波束扫描的功能。这本书让我明白,喇叭天线虽然经典,但在设计中仍然蕴含着丰富的物理原理和工程智慧,其在雷达、通信等领域仍然扮演着不可替代的角色。

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《天线理论分析与设计》这本书在解析微带天线(Microstrip Antennas)方面,展现出了令人惊叹的细致与全面。我尤其欣赏作者在阐述微带天线的工作原理时,所采用的“传输线模型”(Transmission Line Model)和“边缘电流模型”(Edge Current Model)的结合。这两种模型,虽然各有其适用范围和局限性,但作者却能够通过巧妙的数学运算,将它们有机地整合起来,提供一个更为精确和直观的理解。书中对于不同微带贴片天线(Microstrip Patch Antennas)的各种馈电技术,如边馈(Edge Feed)、馈电(End Feed)、以及共面波导馈电(Coplanar Waveguide Feed)的优缺点分析,让我对其在实际应用中的选择有了更清晰的认识。更让我印象深刻的是,书中还深入探讨了如何通过改变贴片形状(如三角形、圆形、扇形等)以及引入槽或孔等结构来调控天线的带宽、极化方式(线极化、圆极化)和增益。当我读到关于“带宽扩展”(Bandwidth Enhancement)的技术时,例如采用厚贴片、缝隙耦合(Slot Coupling)、以及多层结构(Multi-layer Structures),我被书中提供的多种创新解决方案所启发,这些方法在实际的射频前端设计中具有极高的参考价值。作者甚至提及了一些先进的微带天线技术,比如“智能微带天线”(Smart Microstrip Antennas)的概念,虽然只是点到为止,但也足以勾起我对未来天线发展方向的无限遐想。总而言之,这本关于微带天线的章节,是我阅读过程中一个重要的知识增长点,让我对这种普遍应用的天线类型有了更深层次的理解和更强的实践信心。

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这本《天线理论分析与设计》如同一个深邃的知识宝库,每一次翻阅都能挖掘出新的惊喜。我尤其被其中对于天线阵列的详尽阐述所吸引。作者并没有仅仅停留在基础的巴特勒矩阵或相控阵的简单介绍,而是深入探讨了各种阵列因其物理结构、激励方式以及单元类型而带来的细微但至关重要的性能差异。从简单的均匀直线阵列到复杂的二维平面阵列,再到具有特殊波束形状控制能力的自适应阵列,书中都提供了扎实的理论分析和精密的数学推导。读到关于“波束形成”(Beamforming)的章节时,我更是被深深震撼,作者以清晰的逻辑和丰富的图示,将复杂的数字信号处理技术与天线阵列的物理原理巧妙地结合起来。特别是对于数字波束形成(Digital Beamforming)的详细讲解,不仅仅是介绍了算法,更触及了实际工程中的实现挑战,例如ADC/DAC的精度、计算复杂度以及功耗等问题,这些都是我在其他教材中很少能找到的深度。书中对于“旁瓣抑制”(Sidelobe Reduction)和“零点控制”(Null Steering)的讨论,也让我对如何优化天线阵列的指向性有了更深刻的理解,这些技术在雷达、通信等领域至关重要。我发现,作者在解释这些复杂概念时,总是能循序渐进,从最基本的物理原理出发,逐步构建出更高级的理论框架,这使得即便是初学者也能逐渐掌握其中的精髓。而且,书中提到的各种优化算法,如最优化方法(Optimization Methods)在天线设计中的应用,也为我提供了全新的思考角度,如何通过数学工具来指导实际的物理结构设计,以达到最佳的性能指标。这不仅仅是一本理论书,更是一本能够激发工程灵感的宝典。

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《天线理论分析与设计》在“电磁兼容性”(Electromagnetic Compatibility, EMC)与天线设计这一章节的结合,给我带来了非常独特的视角。我一直认为 EMC 是一个工程实践性很强的领域,但这本书却将其与天线理论的根源紧密相连。作者并没有仅仅罗列 EMC 的标准和测试方法,而是从电磁波的传播、辐射和耦合机制出发,阐述了天线设计如何直接影响到系统的 EMC 性能。例如,在讲解“电磁干扰”(Electromagnetic Interference, EMI)的传播途径时,作者就特别强调了天线作为信号辐射和接收的接口,其设计对空间电磁环境的“污染”或“污染”程度有着决定性的影响。书中关于“天线辐射效率”(Antenna Radiation Efficiency)和“方向图旁瓣”(Radiation Pattern Sidelobes)的分析,与 EMC 的“辐射发射”(Radiated Emissions)和“辐射抗扰度”(Radiated Susceptibility)紧密相关。我印象深刻的是,作者通过实例分析,展示了如何通过优化天线设计,例如采用低旁瓣天线、使用屏蔽措施,以及合理布局天线,来降低设备自身的电磁辐射,并提高其抵抗外部电磁干扰的能力。书中还讨论了“共模电流”(Common-mode Current)和“差模电流”(Differential-mode Current)在PCB布局和天线馈电点的影响,以及如何通过设计差分馈电天线来抑制共模电流的辐射。当我读到关于“电磁屏蔽”(Electromagnetic Shielding)和“滤波”(Filtering)在天线系统中的应用时,我才意识到,EMC 不仅仅是后期的测试和整改,而是在天线设计之初就应该考虑的关键因素。这本书让我明白,一个优良的天线设计,不仅要关注其信号传输的性能,更要兼顾其在复杂电磁环境中的“生存能力”和对环境的“责任感”。

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阅读《天线理论分析与设计》过程中,我对书中关于散射理论(Scattering Theory)及其在天线设计中的应用部分,有着非常深刻的体验。作者并没有将散射理论仅仅视为一个独立的物理分支,而是将其与天线性能优化紧密联系起来。我特别欣赏作者在解释“雷达散射截面”(Radar Cross Section, RCS)时,是如何从麦克斯韦方程组(Maxwell's Equations)出发,推导出描述目标与电磁波相互作用的积分方程,并进一步分析不同形状、材料和尺寸的物体对电磁波的散射特性。书中对于“目标识别”(Target Identification)和“隐身技术”(Stealth Technology)的理论基础都有所涉及,通过对散射场分布的分析,能够理解为何某些特定形状或涂层能够有效地降低目标被探测到的概率。在天线设计方面,书中也讨论了如何通过“阻抗匹配”(Impedance Matching)和“匹配网络设计”(Matching Network Design)来最小化天线在不同频率下的反射系数,这本质上也是一种对“散射”的控制。作者还提到了“电磁散射分析”(Electromagnetic Scattering Analysis)在优化天线旁瓣(Sidelobes)和减小交叉极化(Cross-polarization)中的作用。例如,通过调整天线单元的间距或相位,可以有效地控制能量向特定方向的散射,从而实现定向传输或接收。书中对“菲涅耳衍射”(Fresnel Diffraction)和“基尔霍夫衍射”(Kirchhoff Diffraction)等近似方法的应用,也让我明白了在复杂场景下如何对天线在非视距(Non-line-of-sight, NLOS)传播环境中的性能进行初步的预测和分析。这本书让我认识到,理解并控制电磁波的散射,是设计高性能天线的关键之一。

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《天线理论分析与设计》这本书在“螺旋天线”(Spiral Antennas)和“行波天线”(Traveling Wave Antennas)的介绍部分,给我带来了非常独特的体验,让我看到了天线设计中不同于传统谐振结构的思路。我一直对螺旋天线那种可以实现圆极化辐射的特性感到好奇,而这本书则从“电磁波的螺旋传播”(Spiral Propagation of Electromagnetic Waves)的物理原理出发,详细解释了其工作机制。作者通过分析螺旋天线中沿着螺旋线传播的电流,如何产生近似恒定的相移,从而实现“恒定相位前沿”(Constant Phase Front)的圆极化辐射,这让我对这种巧妙的设计赞叹不已。书中还讨论了不同螺旋天线的结构,如“轴向模螺旋天线”(Axial Mode Spiral Antenna)和“法向模螺旋天线”(Normal Mode Spiral Antenna),以及它们在不同工作模式下的辐射特性。我特别欣赏作者在讲解“螺旋天线的带宽”(Bandwidth of Spiral Antennas)时,是如何通过改变螺旋的匝数、线径以及导线间的间距来实现宽带工作的。当我读到关于“行波天线”的部分时,例如“八木天线”(Yagi-Uda Antenna)和“偶极子阵列”(Dipole Arrays)中的行波传播特性,我才真正理解了“行波”概念在天线设计中的重要性。这本书让我明白,天线的设计不仅仅局限于谐振结构,还可以通过理解和利用电磁波的传播特性,设计出功能多样、性能优越的宽带和特殊极化天线,这为我的设计思维提供了更广阔的空间。

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《天线理论分析与设计》这本书在“频率选择性表面”(Frequency Selective Surfaces, FSS)的介绍部分,为我打开了新的认知大门。我之前对 FSS 的了解仅仅停留在其能够选择性地允许或反射特定频率的电磁波,但这本书让我看到了其背后更为深刻的电磁理论和精巧的设计方法。作者从“周期性结构”(Periodic Structures)的电磁响应出发,详细解释了 FSS 的工作原理,是如何通过周期性排列的金属贴片或孔洞结构,在空间形成电磁共振,从而实现频率的选择性。书中对不同 FSS 单元的几何形状(如方形、圆形、十字形、三角形等)以及它们组合而成的周期性阵列,如何影响其滤波特性(高通、低通、带通、带阻)进行了详尽的分析。我特别欣赏作者在讲解“透射”(Transmission)和“反射”(Reflection)系数时,是如何结合“等效电路模型”(Equivalent Circuit Models)和“电磁场积分方程”(Electromagnetic Field Integral Equations)来推导和验证的。书中还探讨了 FSS 在“隐身”(Stealth)、“超材料”(Metamaterials)和“智能表面”(Intelligent Surfaces)等前沿技术中的应用,例如通过动态控制 FSS 的状态,可以实现可调谐的滤波或波束控制。当我读到关于“宽带 FSS”(Broadband FSS)的设计技术时,例如采用多层结构或复杂的单元设计,我被书中展示的创新性思路所折服。这本书让我认识到,FSS 不仅仅是一种被动的滤波器,更是一种能够主动与电磁波相互作用,实现复杂功能的智能结构,其在未来的电磁波调控领域有着无限的潜力。

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《天线理论分析与设计》这本书在讲解“偶极子天线”(Dipole Antennas)部分,展现了其无与伦比的经典与深度。我被作者如何从一个最基础的电磁学概念——“加速的电荷”(Accelerated Charges)产生电磁波——开始,逐步构建出半波长偶极子天线的辐射场(Radiation Field)和方向图(Radiation Pattern)的过程深深吸引。书中对“有效长度”(Effective Length)和“电流分布”(Current Distribution)的深入分析,让我理解了为何偶极子天线的辐射特性会随着其长度的变化而变化,以及在“谐振”(Resonance)条件下,其阻抗(Impedance)的特点。我尤其喜欢作者对“偶极子天线阵列”(Dipole Antenna Arrays)的详细阐述,从简单的偶极子偶阵(Dipole Pairs)到更复杂的线阵和面阵,书中通过改变单元间距(Element Spacing)和激励相位(Excitation Phase),展示了如何实现波束的扫描(Beam Steering)和方向性的调整,这对于雷达和通信系统设计至关重要。书中关于“偶极子天线的输入阻抗”(Input Impedance of Dipole Antennas)的计算,不仅提供了精确的理论公式,还讨论了如何通过改变偶极子的形状(如折叠偶极子、环形偶极子)或使用匹配网络来优化阻抗匹配,以最大化从馈电线到天线的功率传输效率。当我读到关于“多频段偶极子天线”(Multi-band Dipole Antennas)的设计时,例如通过改变偶极子的几何形状或引入加载元件,就能实现在多个频段上的谐振,这为宽带和多功能应用提供了极大的灵活性。这本书让我对这个最基础但也最重要的天线类型有了全新的认识,也为我理解更复杂的天线结构打下了坚实的基础。

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《天线理论分析与设计》这本书在“近场测量”(Near-field Measurement)与“远场转换”(Far-field Transformation)这一章节的结合,给我带来了非常实用的工程指导。我一直认为天线性能的测量是一个复杂的工程问题,而这本书则提供了一种系统性的解决方案。作者首先解释了为什么在实际工程中,直接进行远场测量(Far-field Measurement)往往会受到场地限制和成本的制约,而近场测量则是一种更为灵活和精确的测量手段。书中详细阐述了近场测量的工作原理,即通过在天线近场区域的特定点上测量电磁场分布,然后利用“傅里叶变换”(Fourier Transform)等数学工具,将其“转换”成等效的远场辐射特性。我特别欣赏作者在讲解“近场探头”(Near-field Probe)的设计和校准时,是如何考虑到其对被测天线(DUT)的“干扰”和“探头本身的方向性”等因素的。书中还深入讨论了不同类型的近场测量技术,如“平面近场”(Planar Near-field)和“柱面近场”(Cylindrical Near-field),以及它们在实际应用中的优缺点。当我读到关于“近场到远场转换”(Near-field to Far-field Transformation, NFTFF)的算法和实现细节时,我更是被书中提供的详尽步骤和数学公式所折服。这本书让我明白,天线理论不仅仅停留在理论推导,更需要与实际的测量和验证技术相结合,才能真正地将理论转化为可用的工程实践。这为我进行天线的设计、优化和性能评估提供了强有力的工具和方法。

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