淺談復雜環(huán)境下的一些天線問題

如今的大工業(yè)趨勢和全球化浪潮給熱學、力學以及電磁學計算提供了很大的市場和舞臺，產生了針對日益高度標準化的各行各業(yè)的計算機仿真專業(yè)化公司。和電子行業(yè)密切相關的電磁場計算業(yè)也不例外，基于各種算法的電磁場計算軟件如雨后春筍般層出不窮。

一個普遍存在的現(xiàn)象是：許多人沉迷于各種數(shù)學算法以及軟件的使用而忽視了對問題物理過程本質的理解和融會貫通。這給設計者本人的工作效率和質量帶來很大的局限性。復雜環(huán)境下對天線一些問題的考慮就是很突出的例子。下面討論的這些問題往往也是軟件工程師所感到很棘手的問題。

天線是將導行波轉化為行波的一個關鍵電子器件。天線的一些性能參數(shù)如方向圖、輸入阻抗、增益、帶寬等在設計之前可以根據(jù)電磁場的輻射理論或電路理論進行估 算。隨著現(xiàn)代計算機特別是PC機計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、矩陣理論以及泛函理論等數(shù)學理論與電磁場中的積分方程和微 風方程相結合的電磁場數(shù)值計算方法可以越來越精確地對天線的這些性能參數(shù)進行仿真和計算。這的確給天線的設計帶來很大的方便。

這種仿真不僅可以對于自由空間中的一個孤立天線進行，也可以對在天線周圍存在其它物體的情況下進行。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、幾何光學等）相結合就是一個有效的仿真手段，雖然其仿真精度會有一定程度的下降。

一般來說，天線周圍存在其它物體時屬于電大尺寸的問題，即所研究的場域的尺寸和電磁場的波長相比較大。習慣性做法是在近場用數(shù)值算法，而在遠場用高頻近似方法。

天線周圍若有其它物體時是一個散射問題，即天線輻射的入射電磁波和天線周圍物體發(fā)生作用的問題。從物理本質上來看，散射問題是一個物體對電磁場的感應問 題，即物體（質）在電磁場（波）的作用下感應出“次生源”（天線上分布的電流、電荷、磁流、磁荷是“初始源”），這些感應出來的“次生源”分布在物體內部 和表面，“次生源”輻射的電磁波稱為散射波。空間中的總的電磁場（波），即總場，由天線輻射的入射電磁波和天線周圍物體上感應出來的“次生源”輻射的散射 波疊加而成。天線周圍物體對天線輻射方向圖的影響是顯而易見的了。

天線周圍物體的電磁性能特點不同，其對天線輻射方向圖的影響也會有很大的不同。一個突出的例子就是導體和非導體。良導體在電磁場中感應出來的“次生源” 幾乎都分布在表面。如果是電磁性能均勻的非導體，其感應出來的“次生源”也分布在表面。而電磁特性不均勻的非導體，其感應出來的“次生源”就較為復雜，不 僅表面有，在物體內部的各個小均勻區(qū)域之間的不連續(xù)面處也會有“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，尺度較小時可以看作是均勻的，而尺度較大時其 非均勻性就顯示出來了。許多電子工程師往往在使用軟件時忽視了這一點，卻每每責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（頻率）有很大的 關系。波長較長時可以看作是均勻的，波長較短時有可能就不能看作是均勻的了。

在周圍物體離天線較遠時（遠場），這些物體一般只影響天線的輻射方向圖和增益，對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（近場），對 天線的輸入阻抗和帶寬影響就是一個突出的問題了。天線和周圍物體的近場耦合除了散射效應之外，會改變天線的分布電容（電容耦合）和分布電感（電感耦合）。 特別當周圍物體是導體時尤為如此。這一點可以通過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。

一個對稱振子天線在沒有周圍物體時，其分布電容和分布電感就是自身的部分電容與部分電感。而當周圍有其它物體時，情況就大不一樣了。

一個天線單元組成陣列也屬于近場耦合。為了防止柵斑的出現(xiàn)，各個天線單元之間的距離一般不會超過一個波長。自然這種天線單元之間的耦合關系要比上面的情 況要復雜得多，而且各個單元由于在陣列中的位置不同，情況也大不相同。雖然我們經常利用多端口耦合網絡的方法來研究和測試單元間的耦合及相互影響，但這種 方法是近似的，不能夠完全反應天線單元的自阻抗和單元之間的互阻抗。比如將某個天線單元的自阻抗用該單元在自由空間孤立存在時的輸入阻抗來代替。實際上根 據(jù)前面例子分析，天線單元之間在近場耦合時對彼此輸入阻抗產生的影響（特別是對分布電容）有時候是很大的。應該讓所有其它單元開路，然后根據(jù)該單元測得的 電壓和電流之比求得。應該注意的是，自阻抗并不等于該天線單元的匹配阻抗，即激勵點阻抗。匹配阻抗為所有天線單元均激勵時該單元測得的電壓和電流之比。容 易提出的問題是，為什么自阻抗不等同于而匹配阻抗？