1.1 天线发展史在线视频

同学们

我们开始天线课的学习

第一讲从天线的发展史开始

第一讲主要包括三部分

第一部分是天线起源

第二部分是天线分类

包括结构的分类 频率的分类

功能的分类等等

第三部分讲天线的分析与综合

这部分是我们课程的重点内容

问大家一个问题

什么是天线

看左边的第一幅图

这是一个典型的无线电视天线

右边这幅图展示的是电视发射塔

主要发射一些低频电磁波信号

下面这个天线是手机里的倒F多频天线

PCB上的这部分也是天线

左边这个是大型相控阵天线

右面这是著名的Fast天线

是目前世界上最大的单体口径天线

直径有500米

这么多东西都是天线

那天线到底是什么

天线是无线电设备中

辐射或接收无线电波的装置

是无线电通信装备 雷达 电子对抗设备

和无线电导航设备的重要组成部分

如果没有它

那这些装备就都不再是无线的

所以说天线应该是所有无线电设备的眼睛

是电磁波的感应器 传感器

天线又可以分为发射天线和接收天线

发射天线是用于辐射无线电波的天线

它把发信机送来的交变电流能量

转换为空间电磁波能量

接收天线是用于接收无线电波的天线

它把从空间获取的电磁波能量

转换为交变电流能量送给收信机

通常一副天线既可作为发射天线

也可作为接收天线

比如手机的天线既能接5G的信号

也能发射相应的信号

这里强调一下 通常 两个字

有通常 就有特殊

有的天线也可能只接收或只发射

比如一些有源天线等

现在我问 天线是什么

刚才我已经讲了天线的定义

天线是在无线电收发系统中

向空间发射或从空间接收电磁波的装置

那天线还是什么

我给大家举一个例子

天线是能量的汇聚 发散的装置

这是从电磁波能量的角度来讲的

天线还是信息的汇聚和发散装置

我们天线服务的设备是通信 雷达等

都是电磁波携带着信息

把信息接收或者发射出去

天线是电路和自由空间的匹配器

比如手机的信号开始是在手机电路里传输的

然后通过天线发送到自由空间里

一般同轴线的特性阻抗大概是50欧姆

自由空间的特性阻抗是377欧姆

他们之间直接连接会引起比较大的反射

如果只是从匹配的角度来说

天线是传输线与自由空间之间的匹配器

天线是频域的滤波器

因为每个天线都有相应的工作频率

天线还是空域的滤波器

天线有定向 全向之分

它不可能将整个空间里的电磁波都很好的接收

电磁波是有极化的

如果天线只能发射垂直线极化电磁波

那它能接收水平线极化的电磁波

理论上是不能接收的

因为两者是正交的

所以说天线也可以视作 极化域的滤波器

天线还是LC的振荡电路

是人们见闻世界的耳目

是人类与太空的联系

是文明社会的组成要素

天线的起源最早要追溯到1819年

丹麦科学家奥斯特发现了电生磁现象

奠定了人们正确认识电磁现象的本质

12年后

法拉第又发现了奥斯特试验的逆现象

变化的磁场也将产生电流

天线最早的形式是放在天棚上的一根线

来自于一个叫怀特的人的突发奇想

叫格朗德发明家

联系电灯的阴阳两极

和早期汽车大灯的独特之处

发现了接地的妙用

振子天线的发明

也与发明者的生活经历有关

很多科学上的发现和发明

都跟你生活里面的一些灵感是有关系的

到了1886年

德国科学家赫兹建立了第一个天线系统

发射天线采用了电火花放电的偶极子天线

接收天线使用了谐振环天线

这时候

无线电科学开始走向实用化

1901年意大利科学家马可尼

在赫兹系统基础上

添加了调谐电路

实现了在纽芬兰的圣约翰斯

接收到发自英格兰波尔多的无线电信号

二次世界大战雷达的出现

对厘米波天线的发展起到了巨大的推动作用

到现如今

天线走进了日常生活

如手机中的天线

WIFI 蓝牙 广播 等等

下面介绍一下天线技术目前的发展方向和热点

巨型天线

图片中的是

安第斯山脉上的ALMA巨型天线阵

第二个是多频天线

手机上面就有很多

另外就是超宽带天线

是时域穿墙成像雷达的关键模块

第四个是智能天线

它是随着信号处理芯片技术的发展而一起发展

有源天线可以增加天线接收的增益

相控阵天线是目前研究的一个热点和难点

飞机上的火控雷达

大部分也都由固定波束机扫天线

过渡为相控阵天线

相控阵天线可以通过相位调控

来同时控制很多的波束

执行不同的战术任务

天线的数值分析方法有很多

如有限元法 矩量法等

这个领域我国与国外还有明显差距

左手天线又叫超材料天线人工电磁材料天线

这类天线有一些反常的性能

也有一些不足

如效应 带宽等问题

等离子天线还是蛮有意思的

平时就有很多

你抬头看家里的荧光灯灯管

里面就是等离子体

实际上等离子体具有类似导体的特性

平时不开灯的时候不是等离子体的状态

这时候不是天线

打开之后就充满等离子体

可以视为天线

可以想象霓虹灯可以做成各种形状

如此等离子天线也可以做成各种样子

进而实现不同的天线性能

接下来讲第二部分 天线分类

按工作性质可分为发射天线和接收天线

按用途可分为

通信天线 广播天线 电视天线 雷达天线等

按工作波长可分为

超长波天线 长波天线 中波天线

短波天线 超短波天线 微波天线等

按结构形式和工作原理可分为

线天线和面天线等

有的天线是一根导线做的

有的天线比如反射面天线或者喇叭天线

就是面口径天线

第三部分

是我们讲的重点部分

我们先看两个名词

天线分析和天线综合

天线分析是电磁场中的正问题

就是一个天线我把它设计好了

或者已经拿到了一个天线实物

想分析计算它的性能

这个过程叫由因求果

即已经知道天线设计成什么样子

来算它最后的结果

天线综合是电磁场中的逆问题

由果求因

既已知了天线的性能指标

和安装要求等要素

进行天线设计

天线的正问题

已知初始条件和边界条件

包括安装的环境

如在飞机 卫星这种紧凑平台上

所有周边的结构 材料

都是天线的边界条件 初始条件

都要考虑进去

来求场分布

电磁波的辐射情况

逆问题是已知场分布 边界条件

求天线的初始值

以及部分的边界条件

天线在安装和使用的时候作为一个工程师

要提你的条件

做一些结构的要求

我们这门课主要属于

电磁场中的逆问题

总体给了指标

考虑怎么把合格的天线设计出来

正问题相对简单

逆问题难一点 更复杂

我们一般将电磁场中的逆问题

分为两部分

第一部分是参数识别问题

第二部分叫优化设计问题

参数识别主要涉及电磁信号反演问题

这不是本课程的重点

第二部分优化设计问题

即怎么设计性能良好的天线

包括电气参数优化

外形结构参数优化两个部分

这是本课程的重点

怎么来解决逆问题

这里给了一个例子

大家可以看到

左边是一个积木搭成的房子

现在要建一个房子

告诉你建成什么样子

房子是由多种建筑材料构成的

建筑材料是从积木的盘子里拿

我们上这门课的目的

就是通过几种典型天线的学习

把盘子里积木攒齐

这时候当我们知道房子要建成什么样子

就可以从盘子里自由选取积木

解决天线优化设计问题

解决天线综合问题

我们设计中主要储备的知识

即在设计过程中需要考虑什么问题

首先有一个天线

还要有一个馈电网络

以及连接结构将它们连在收发系统上

现在很多平台还要求转动

考虑和伺服之间的连接

天线是直接暴露在最外侧

所以需要天线罩保护

天线罩的设计也很重要

因为电磁波要从这穿梭

且波束宽带不能改变

交叉极化不能退化

因此要求天线罩有一定透波率和频选择性

以前很多传统的天线设计室

一般分成两个组

一个设计天线的

一个是设计天线罩的

分得更细一点还有天线馈电网络等等

我们现在回头来看

要想把天线做好

首先对经典的电磁场理论要很清楚

微波技术 天线的基本理论

是作为研究生创新 问题的出发点

第二是数值建模和仿真

另外是对材料科学也很熟悉

比如要知道聚四氟乙烯能用在哪里

介电常数 损耗角正切等等

天线罩大量用玻璃钢 胶木等材料

了解这些材料的机械结构强度

弹性模量是什么量级的

工程力学会涉及这些问题

以及包括三防的设计

要防水防雾防尘

另外用的时候还要求懂一些天文 地理知识

像设计FSAT在贵州是因为有天然的天坑

经纬度也比较合适

这只是举个例子

大家在以后的工作生活里

可能会碰到更多的问题

希望把这些问题一直积累起来

那以后你就是天线的专家

这节课就讲这么多

谢谢大家