電磁場與天線技術

本書系統地闡述了電磁場理論、電波傳播理論、天線理論與技術、天線在通信中的應用及天線的工程設計，較充分地反映了電磁場與天線發展的最新技術。全書分為上、下兩篇，共13章。上篇為電磁場理論（第1～6章），內容包括：矢量分析與場論基礎、靜電場、恆定電場、恆定磁場、時變電磁場及平面電磁波。下篇為天線技術（第7～13章），內容包括：電波傳播基本理論、蜂窩移動通信中的電波傳播、天線原理、常用天線、線天線的饋電系統、天線在蜂窩移動通信系統中的應用及天線的模擬設計。為幫助讀者理解教材內容，激發學習興趣、擴大視野，每章配有豐富的拓展知識、習題及答案，相關內容可通過掃描書中的二維碼獲取。

目 錄
上篇 電磁場理論

第1章 矢量分析與場論基礎 2
　1.1 矢量代數 2
　　　　1.1.1 矢量的加減運算 3
　　　　1.1.2 標量與矢量相乘 3
　　　　1.1.3 矢量的點積 4
　　　　1.1.4 矢量的叉積 4
　1.2 三種常用的正交坐標系 5
　　　　1.2.1 直角坐標系 5
　　　　1.2.2 圓柱坐標系 6
　　　　1.2.3 球坐標系 7
　1.3 標量場的梯度 8
　　　　1.3.1 標量場的等值面 8
　　　　1.3.2 標量場的方向導數 8
　　　　1.3.3 標量場的梯度 8
　1.4 矢量場的散度 10
　　　　1.4.1 矢量場的矢量線 10
　　　　1.4.2 矢量場的通量與散度 11
　　　　1.4.3 散度定理 13
　1.5 矢量場的旋度 14
　　　　1.5.1 矢量場的環量 14
　　　　1.5.2 矢量場的旋度 14
　　　　1.5.3 斯托克斯定理 17
　1.6 亥姆霍茲定理 18
　本章小結 19
　思考題 19
　習題 20
第2章 靜電場 21
　2.1 真空中的靜電場 21
　　　　2.1.1 電荷與電荷密度 21
　　　　2.1.2 庫侖定律與疊加原理 22
　　　　2.1.3 電場強度 22
　2.2 真空中靜電場的基本方程 24
　　　　2.2.1 靜電場的高斯定理 24
　　　　2.2.2 靜電場的環路定理 28
　2.3 電位及其梯度 28
　　　　2.3.1 電位與電位差 28
　　　　2.3.2 電位的微分方程 30
　2.4 電介質中的靜電場 31
　　　　2.4.1 介質的極化 31
　　　　2.4.2 介質中電場的基本方程 32
　　　　2.4.3 靜電場中的導體 34
　2.5 靜電場的邊界條件 34
　　　　2.5.1 法向邊界條件 34
　　　　2.5.2 切向邊界條件 35
　2.6 靜電場中的能量 36
　本章小結 39
　思考題 39
　習題 40
第3章 恆定電場 42
　3.1 導電媒質中的傳導電流 42
　　　　3.1.1 歐姆定律 42
　　　　3.1.2 焦耳定律 43
　3.2 恆定電場的基本方程及邊界條件 44
　　　　3.2.1 電流連續性方程 44
　　　　3.2.2 恆定電場的基本方程 44
　　　　3.2.3 恆定電場的邊界條件 45
　3.3 恆定電場與靜電場的比較 47
　本章小結 48
　思考題 48
　習題 49
第4章 恆定磁場 50
　4.1 恆定磁場的基本方程 50
　　　　4.1.1 安培力定律 50
　　　　4.1.2 畢奧?薩伐爾定律 50
4.1.3 磁通連續性方程與安培環路
定理 52
　4.2 矢量磁位 53
　　　　4.2.1 矢量磁位的引入 53
　　　　4.2.2 矢量磁位的泊松方程 54
　　　　4.2.3 磁偶極子的磁場 55
　4.3 磁介質中的場方程 56
　　　　4.3.1 介質的磁化 56
　　　　4.3.2 介質中磁場的基本方程 56
　4.4 恆定磁場的邊界條件 58
　　　　4.4.1 磁感應強度的法向邊界條件 58
　　　　4.4.2 磁場強度的切向邊界條件 58
　4.5 恆定磁場的能量 59
　本章小結 61
　思考題 61
　習題 62
第5章 時變電磁場 63
　5.1 麥克斯韋方程組 63
　　　　5.1.1 法拉第電磁感應定律 63
　　　　5.1.2 位移電流 64
　　　　5.1.3 麥克斯韋方程組 67
　5.2 時變場的邊界條件 69
　　　　5.2.1 一般形式的邊界條件 69
　　　　5.2.2 理想導體錶面的邊界條件 69
　　　　5.2.3 理想介質錶面的邊界條件 70
　5.3 坡印亭定理與坡印亭矢量 71
　　　　5.3.1 坡印亭定理 71
　　　　5.3.2 坡印亭矢量 72
　5.4 時諧電磁場 73
　　　　5.4.1 電磁場的波動方程 73
　　　　5.4.2 時諧場的復數表示 74
　　　　5.4.3 麥克斯韋方程組的復數形式 74
　　　　5.4.4 平均能流密度 75
　本章小結 76
　思考題 77
　習題 78
第6章 平面電磁波 79
　6.1 無界理想介質中的均勻平面波 79
　　　　6.1.1 無源區域波動方程的解 79
　　　　6.1.2 無源區域時諧場波動方程的解 80
　　　　6.1.3 均勻平面波傳播特性 81
　6.2 無界導電介質中的均勻平面波 84
　　　　6.2.1 導電介質中的波動方程 84
　　　　6.2.2 導電介質中的均勻平面波 85
　　　　6.2.3 良導體中的主要電磁參數 87
　　　　6.2.4 良介質中的主要電磁參數 89
　6.3 電磁波的極化 89
　　　　6.3.1 線極化 90
　　　　6.3.2 圓極化 91
　　　　6.3.3 橢圓極化 92
6.4 均勻平面波對平面分界面的
反射與折射 93
　　　　6.4.1 對理想介質平面的垂直入射 93
　　　　6.4.2 對理想導體平面的垂直入射 96
　　　　6.4.3 對理想介質平面的斜入射 97
　本章小結 101
　思考題 102
　習題 103

下篇 天線技術

第7章 電波傳播基本理論 106
　7.1 電波及電波傳播概述 106
　　　　7.1.1 電磁波基本知識 106
　　　　7.1.2 無線電波的特點 107
　　　　7.1.3 電波傳播的媒質特性 109
　　　　7.1.4 電波傳播方式 109
　　　　7.1.5 無線電波的基本傳輸特性 110
　7.2 地波傳播 112
　　　　7.2.1 地面的電參數 112
　　　　7.2.2 波前傾現象 112
　　　　7.2.3 地波傳播特性 113
　　　　7.2.4 地波傳播的應用 114
　7.3 電離層與天波傳播 114
7.3.1 電離層的結構特點和對天波
傳播的影響 114
　　　　7.3.2 短波天波傳播 117
　7.4 視距傳播 121
7.4.1 影響視距傳播的
地面菲涅耳區 122
　　　　7.4.2 平面地對視距傳播的影響 125
7.4.3 光滑平面地視距傳播場強的
計算 127
7.4.4 平面地上的地形地物對視距
傳播的影響 128
7.4.5 考慮地球曲率影響的非平面地
視距傳播的極限距離 129
7.4.6 對流層大氣對視距傳播的
影響 130
　7.5 無線電乾擾 132
　本章小結 133
　習題 134
第8章 蜂窩移動通信中的電波傳播 135
　8.1 蜂窩移動通信電波傳播方式 135
8.1.1 蜂窩移動通信電波的視距傳播
方式 135
　　　　8.1.2 移動通信中的電波傳播路徑 135
　8.2 蜂窩移動通信中電波傳播特性 136
8.2.1 陰影效應、遠近效應和
多徑效應 136
　　　　8.2.2 多普勒效應 137
　　　　8.2.3 繞射損耗 138
　　　　8.2.4 衰落現象 139
　8.3 典型電波傳播損耗的計算 141
　　　　8.3.1 電波在自由空間中傳播 141
8.3.2 由建築物外部向內部的
穿透傳播 141
　　　　8.3.3 其他損耗 142
　8.4 移動通道電波傳播模型 142
　　　　8.4.1 移動通道電波傳播模型的意義 142
　　　　8.4.2 移動通道電波傳播模型種類 142
　　　　8.4.3 Okumura模型具體內容 143
8.4.4 傳播模型在無線通信工程中的
應用 146
　本章小結 146
　習題 147
第9章 天線原理 148
　9.1 概述 148
　　　　9.1.1 天線研究的主要內容 148
　　　　9.1.2 天線的分類 148
　　　　9.1.3 對通信天線的基本要求 148
　9.2 天線輻射電磁波的原理 149
　　　　9.2.1 天線輻射電磁波的過程 149
　　　　9.2.2 天線有效輻射電磁波的條件 150
　9.3 電基本振子的輻射場 151
　　　　9.3.1 電基本振子輻射場表達式 151
　　　　9.3.2 電基本振子輻射場的特點 151
　　　　9.3.3 電基本振子的輻射電阻 152
　9.4 發射天線的特性參數 152
　　　　9.4.1 方向函數與方向圖 152
　　　　9.4.2 方向系數 154
　　　　9.4.3 效率 156
　　　　9.4.4 增益 157
　　　　9.4.5 天線的輸入阻抗 157
　　　　9.4.6 有效長度 158
　　　　9.4.7 天線的極化 158
　　　　9.4.8 工作頻帶寬度 159
　　　　9.4.9 功率容量 159
　9.5 接收天線 159
　　　　9.5.1 天線接收無線電波的物理過程 160
　　　　9.5.2 接收天線的等效電路 160
　　　　9.5.3 接收天線的噪聲溫度 161
　　　　9.5.4 對接收系統的特殊要求 162
　　　　9.5.5 接收天線的分集接收技術 162
　9.6 自由空間對稱振子 162
　　　　9.6.1 對稱振子上電流分佈 162
　　　　9.6.2 對稱振子的遠區輻射場 163
　　　　9.6.3 對稱振子的方向特性 164
9.6.4 對稱振子的輻射功率與
輻射電阻 165
　　　　9.6.5 對稱振子的輸入阻抗 166
　9.7 天線陣 168
　　　　9.7.1 天線陣基本理論 168
　　　　9.7.2 二元陣 169
　　　　9.7.3 均勻直線陣 172
9.8 無限大理想導電反射面對天線電
性能的影響 174
9.8.1 鏡像天線等效無限大理想導電
反射面 174
9.8.2 無限大理想導電反射面對天線
電性能的影響 175
　本章小結 176
　習題 177
第10章 常用天線 179
　10.1 直立天線 179
　　　　10.1.1 直立天線及其特性 179
　　　　10.1.2 直立天線的主要特性參數 179
　　　　10.1.3 直立天線的應用 180
　　　　10.1.4 加載直立天線 180
　10.2 雙極天線 181
　　　　10.2.1 雙極天線的結構及應用 181
　　　　10.2.2 雙極天線的輻射場 182
　　　　10.2.3 雙極天線的方向性 182
　　　　10.2.4 雙極天線的方向系數和增益 184
　　　　10.2.5 雙極天線的阻抗特性 184
　　　　10.2.6 雙極天線的尺寸選擇 185
10.3 自由空間的籠形和分支籠形
天線 186
　　　　10.3.1 自由空間的籠形天線 186
　　　　10.3.2 分支籠形天線 187
　10.4 角形天線 188
　　　　10.4.1 角形天線結構 188
　　　　10.4.2 角形天線方向性 188
　　　　10.4.3 角形天線架設高度的設計 189
　10.5 引向天線 189
　　　　10.5.1 引向天線的結構 189
　　　　10.5.2 引向天線的性能 190
　　　　10.5.3 引向天線的優缺點 190
　10.6 對數周期天線 191
　　　　10.6.1 對數周期天線的結構 191
10.6.2 對數周期天線實現寬頻帶的
原理 192
　　　　10.6.3 對數周期天線的性能 193
　10.7 菱形天線 194
　　　　10.7.1 菱形天線結構 194
　　　　10.7.2 菱形天線載行波原理 194
　　　　10.7.3 菱形天線的方向性 195
　　　　10.7.4 菱形天線的輻射電阻 196
　　　　10.7.5 菱形天線方向系數 197
　　　　10.7.6 短波菱形天線的設計方法 197
　　　　10.7.7 菱形天線的優缺點 199
　10.8 螺旋天線 199
　　　　10.8.1 螺旋天線結構 199
　　　　10.8.2 螺旋天線的特性 200
　　　　10.8.3 螺旋天線的應用 201
　10.9 魚骨形天線 201
　　　　10.9.1 魚骨形天線的結構 201
　　　　10.9.2 魚骨形天線的工作原理 202
　　　　10.9.3 魚骨形天線的方向性 205
　　　　10.9.4 魚骨形天線的參數選擇 205
　10.10 微帶天線 206
　　　　10.10.1 微帶天線結構 206
　　　　10.10.2 微帶天線的方向性 207
　　　　10.10.3 微帶天線優缺點 209
　10.11 面天線 209
　　　　10.11.1 拋物面天線 209
　　　　10.11.2 喇叭天線 210
　10.12 智能天線 211
　　　　10.12.1 智能天線的主要功能 212
　　　　10.12.2 智能天線關鍵技術 212
　　　　10.12.3 智能天線的優缺點 213
　本章小結 213
　習題 214
第11章 線天線的饋電系統 216
　11.1 饋線相關概念 216
　　　　11.1.1 分佈參數的概念 216
　　　　11.1.2 電磁能在饋線上的傳播 217
　　　　11.1.3 系統匹配的概念 218
　11.2 傳輸線性能指標 221
　11.3 常用饋線 224
　　　　11.3.1 發信饋線 224
　　　　11.3.2 收信饋線 225
　　　　11.3.3 常用收、發信饋線的電參數 226
　11.4 天饋線的匹配裝置 228
　　　　11.4.1 分佈參數阻抗變換器 228
　　　　11.4.2 平衡與非平衡變換器 230
　11.5 寬帶傳輸線阻抗變換器 232
11.5.1 寬帶傳輸線阻抗變換器的工作
原理 232
　　　　11.5.2 常用傳輸線阻抗變換器 233
　本章小結 235
　習題 236
第12章 天線在蜂窩移動通信系統中的
應用 238
12.1 移動通信系統中基站天線的
發展 238
　12.2 基站天線工作原理 238
12.2.1 採用多個半波振子排成一個
垂直放置的直線陣 238
　　　　12.2.2 常規板狀天線 239
　12.3 移動通信基站天線技術指標 240
　　　　12.3.1 天線方向性 240
　　　　12.3.2 天線增益 240
　　　　12.3.3 極化方式 241
　　　　12.3.4 下傾角的調整 242
　　　　12.3.5 基站天線電壓駐波比 243
　　　　12.3.6 埠隔離度 243
　　　　12.3.7 功率容量 243
　　　　12.3.8 互調信號 244
　　　　12.3.9 風載荷 244
　　　　12.3.10 工作溫度和濕度 244
　　　　12.3.11 雷電防護和三防能力 244
　　　　12.3.12 天線尺寸和重量 244
12.4 不同應用環境下基站天線的
選型 245
　　　　12.4.1 市區基站天線選型 245
　　　　12.4.2 農村基站天線選型 246
　　　　12.4.3 郊區基站天線選型 246
　　　　12.4.4 公路覆蓋基站天線選型 247
　　　　12.4.5 山區覆蓋基站天線選型 247
　　　　12.4.6 近海覆蓋基站天線選型 248
　　　　12.4.7 隧道覆蓋基站天線選型 248
　　　　12.4.8 室內覆蓋基站天線選型 249
　12.5 基站天饋系統 250
　12.6 手機天線 251
　　　　12.6.1 手機天線設計的基本要求 251
　　　　12.6.2 典型手機天線 251
　本章小結 255
　習題 255
第13章 天線的模擬設計 257
　13.1 天線模擬的意義 257
　13.2 FEKO電磁模擬軟件 258
　　　　13.2.1 FEKO主要特點 258
　　　　13.2.2 FEKO主要應用領域 258
13.3 利用FEKO對天線進行
模擬設計 259
　13.4 FEKO工程應用實例 261
　　　　13.4.1 自由空間半波對稱振子 261
　　　　13.4.2 螺旋天線 268
　　　　13.4.3 微帶天線 276
　本章小結 286
　習題 287
附錄A 常用的矢量計算公式 288
附錄B 無線電波波段的劃分 290
參考文獻 291