天线发展简史

天线发展简史天线是无线电通信、无线电广播、无线电导航、雷达、遥测遥控等各种无线电系统中不可缺少的设备。从天线发明至今经历了100多年的时间。纵观天线的发展，其大致可分为三个历史阶段。第一阶段：线天线时期（19世纪末至20世纪30年代初）第一个天线是德国物理学家在1887年为验证英国数学家及物理学家麦克斯韦预言的电磁波而设计的。其发射天线是两根30cm长的金属杆，杆的终端连接两块40cm见方的金属板，采用火花放电激励电磁波，接收天线是环天线。此外，1888年赫兹还用锌片制作了一个抛物柱面反射器天线，它由沿着焦线放置的振子馈电，工作在455MHz。1901年，意大利发明家马可尼（1874-1937）采用一种大型天线实现了远洋通信，其发射天线为50根下垂铜线组成的扇形结构，顶部用水平横线连在一起，横线挂在两个高150英尺，相距200英尺的塔上，电火花放电式发射机接在天线和地之间。这可认为是付诸实用的第一副单极天线。早期无线电的主要应用是长波远洋通信，因此天线的发展也主要集中在长波波段上。自1925年以后，中、短波无线电广播和通信开始实际应用，各种中、短波天线得到迅速发展。第二阶段：面天线时期（20世纪30年代初至50年代末）二战前夕，微波速调管和磁控管的发明，导致了微波雷达的出现，厘米波得以普及，无线电频谱才得到更为充分的利用。这一时期广泛采用了抛物面天线或其他形式的反射面天线，这些天线都是面天线或称口径天线。此外，还出现了波导缝隙天线、介质棒天线、螺旋天线等。1940年后有关长、中、短波线状天线的理论基本成熟，主要的天线形式沿用至今。第二次世界大战中，雷达的应用促进了微波天线特别是反射面天线的发展，微波中继通信、散射通信、电视广播的迅速发展，使面天线和线天线技术进一步得到发展、提高。这时期建立了口径天线和基本理论，如几何光学、口径场法等，发明了天线测试技术，开发了天线阵的综合技术。第三阶段：大发展时期（20世纪50年代至今）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，也对天线提出了许多新的要求，出现了许多新型天线。这些新的高要求如：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。1963年出现了高效率的双模喇叭馈源，1966年发明了波纹喇叭，1968年制成了高功率相控阵雷达AN／FPS-85。1972年制成了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。近年来还出现了分形天线等小型化天线形式。随着天线应用的发展，天线理论也在不断发展。早期对天线的计算方法是先根据传输线理论假设天线上的电流分布，然后由矢量位求其辐射场，由玻印廷矢量在空间积分求其辐射功率，从而求出辐射电阻。自20世纪30年代中期开始，为了较精确地求出天线上的电流分布及输入阻抗，很多人从边值问题的角度来研究典型的对称振子天线，提出用积分方程法来求解天线上的电流分布。20世纪30年代以后，随着喇叭和抛物面天线的应用，发展了分析口径天线的各种方法，如等效原理、电磁场矢量积分方法等。由于天线问题是具有复杂边界条件的电磁场边值问题，难以得到严格解。20世纪70年代以后，随着电子计算机的普及，各种电磁场数值计算方法应运而生，如矩量法（MOM）、时域有限差分法（FDTD）、有限元方法（FEM）和几何绕射理论（GTD）等分析方法，这些方法成为分析各种复杂天线问题的有力工具，并已形成商用软件。在天线测量技术方面，发展了微波暗室和近场测量技术，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当今，天线技术已具有成熟科学的许多特征，仍然是一个富有活力的技术领域。主要的发展方向是：多功能化（以一代多）、智能化（提供信息处理能力），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）。天线种类繁多，一些典型的、常用的天线如下各图所。图1：八木天线图2：对数周期天线图3：螺旋天线图4:反射面天线图5：波导缝隙天线阵图6：波纹喇叭天线图7：透镜天线图8：相控阵天线图9：微带天线