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本书系统地阐述了电磁场理论、电波传播理论、天线理论与技术、天线在通信中的应用及天线的工程设计，较充分地反映了电磁场与天线发展的最新技术。全书分为上、下两篇，共13章。上篇为电磁场理论（第1～6章），内容包括：矢量分析与场论基础、静电场、恒定电场、恒定磁场、时变电磁场及平面电磁波。下篇为天线技术（第7～13章），内容包括：电波传播基本理论、蜂窝移动通信中的电波传播、天线原理、常用天线、线天线的馈电系统、天线在蜂窝移动通信系统中的应用及天线的仿真设计。为帮助读者理解教材内容，激发学习兴趣、扩大视野，每章配有丰富的拓展知识、习题及答案，相关内容可通过扫描书中的二维码获取。

目   录
上篇  电磁场理论

第1章  矢量分析与场论基础	2
　1.1  矢量代数	2
　　　　1.1.1  矢量的加减运算	3
　　　　1.1.2  标量与矢量相乘	3
　　　　1.1.3  矢量的点积	4
　　　　1.1.4  矢量的叉积	4
　1.2  三种常用的正交坐标系	5
　　　　1.2.1  直角坐标系	5
　　　　1.2.2  圆柱坐标系	6
　　　　1.2.3  球坐标系	7
　1.3  标量场的梯度	8
　　　　1.3.1  标量场的等值面	8
　　　　1.3.2  标量场的方向导数	8
　　　　1.3.3  标量场的梯度	8
　1.4  矢量场的散度	10
　　　　1.4.1  矢量场的矢量线	10
　　　　1.4.2  矢量场的通量与散度	11
　　　　1.4.3  散度定理	13
　1.5  矢量场的旋度	14
　　　　1.5.1  矢量场的环量	14
　　　　1.5.2  矢量场的旋度	14
　　　　1.5.3  斯托克斯定理	17
　1.6  亥姆霍兹定理	18
　本章小结	19
　思考题	19
　习题	20
第2章  静电场	21
　2.1  真空中的静电场	21
　　　　2.1.1  电荷与电荷密度	21
　　　　2.1.2  库仑定律与叠加原理	22
　　　　2.1.3  电场强度	22
　2.2  真空中静电场的基本方程	24
　　　　2.2.1  静电场的高斯定理	24
　　　　2.2.2  静电场的环路定理	28
　2.3  电位及其梯度	28
　　　　2.3.1  电位与电位差	28
　　　　2.3.2  电位的微分方程	30
　2.4  电介质中的静电场	31
　　　　2.4.1  介质的极化	31
　　　　2.4.2  介质中电场的基本方程	32
　　　　2.4.3  静电场中的导体	34
　2.5  静电场的边界条件	34
　　　　2.5.1  法向边界条件	34
　　　　2.5.2  切向边界条件	35
　2.6  静电场中的能量	36
　本章小结	39
　思考题	39
　习题	40
第3章  恒定电场	42
　3.1  导电媒质中的传导电流	42
　　　　3.1.1  欧姆定律	42
　　　　3.1.2  焦耳定律	43
　3.2  恒定电场的基本方程及边界条件	44
　　　　3.2.1  电流连续性方程	44
　　　　3.2.2  恒定电场的基本方程	44
　　　　3.2.3  恒定电场的边界条件	45
　3.3  恒定电场与静电场的比较	47
　本章小结	48
　思考题	48
　习题	49
第4章  恒定磁场	50
　4.1  恒定磁场的基本方程	50
　　　　4.1.1  安培力定律	50
　　　　4.1.2  毕奥?萨伐尔定律	50
4.1.3  磁通连续性方程与安培环路
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  磁偶极子的磁场	55
　4.3  磁介质中的场方程	56
　　　　4.3.1  介质的磁化	56
　　　　4.3.2  介质中磁场的基本方程	56
　4.4  恒定磁场的边界条件	58
　　　　4.4.1  磁感应强度的法向边界条件	58
　　　　4.4.2  磁场强度的切向边界条件	58
　4.5  恒定磁场的能量	59
　本章小结	61
　思考题	61
　习题	62
第5章  时变电磁场	63
　5.1  麦克斯韦方程组	63
　　　　5.1.1  法拉第电磁感应定律	63
　　　　5.1.2  位移电流	64
　　　　5.1.3  麦克斯韦方程组	67
　5.2  时变场的边界条件	69
　　　　5.2.1  一般形式的边界条件	69
　　　　5.2.2  理想导体表面的边界条件	69
　　　　5.2.3  理想介质表面的边界条件	70
　5.3  坡印亭定理与坡印亭矢量	71
　　　　5.3.1  坡印亭定理	71
　　　　5.3.2  坡印亭矢量	72
　5.4  时谐电磁场	73
　　　　5.4.1  电磁场的波动方程	73
　　　　5.4.2  时谐场的复数表示	74
　　　　5.4.3  麦克斯韦方程组的复数形式	74
　　　　5.4.4  平均能流密度	75
　本章小结	76
　思考题	77
　习题	78
第6章  平面电磁波	79
　6.1  无界理想介质中的均匀平面波	79
　　　　6.1.1  无源区域波动方程的解	79
　　　　6.1.2  无源区域时谐场波动方程的解	80
　　　　6.1.3  均匀平面波传播特性	81
　6.2  无界导电介质中的均匀平面波	84
　　　　6.2.1  导电介质中的波动方程	84
　　　　6.2.2  导电介质中的均匀平面波	85
　　　　6.2.3  良导体中的主要电磁参数	87
　　　　6.2.4  良介质中的主要电磁参数	89
　6.3  电磁波的极化	89
　　　　6.3.1  线极化	90
　　　　6.3.2  圆极化	91
　　　　6.3.3  椭圆极化	92
6.4  均匀平面波对平面分界面的
反射与折射	93
　　　　6.4.1  对理想介质平面的垂直入射	93
　　　　6.4.2  对理想导体平面的垂直入射	96
　　　　6.4.3  对理想介质平面的斜入射	97
　本章小结	101
　思考题	102
　习题	103

下篇  天线技术

第7章  电波传播基本理论	106
　7.1  电波及电波传播概述	106
　　　　7.1.1  电磁波基本知识	106
　　　　7.1.2  无线电波的特点	107
　　　　7.1.3  电波传播的媒质特性	109
　　　　7.1.4  电波传播方式	109
　　　　7.1.5  无线电波的基本传输特性	110
　7.2  地波传播	112
　　　　7.2.1  地面的电参数	112
　　　　7.2.2  波前倾现象	112
　　　　7.2.3  地波传播特性	113
　　　　7.2.4  地波传播的应用	114
　7.3  电离层与天波传播	114
7.3.1  电离层的结构特点和对天波
传播的影响	114
　　　　7.3.2  短波天波传播	117
　7.4  视距传播	121
7.4.1  影响视距传播的
地面菲涅耳区	122
　　　　7.4.2  平面地对视距传播的影响	125
7.4.3  光滑平面地视距传播场强的
计算	127
7.4.4  平面地上的地形地物对视距
传播的影响	128
7.4.5  考虑地球曲率影响的非平面地
视距传播的极限距离	129
7.4.6  对流层大气对视距传播的
影响	130
　7.5  无线电干扰	132
　本章小结	133
　习题	134
第8章  蜂窝移动通信中的电波传播	135
　8.1  蜂窝移动通信电波传播方式	135
8.1.1  蜂窝移动通信电波的视距传播
方式	135
　　　　8.1.2  移动通信中的电波传播路径	135
　8.2  蜂窝移动通信中电波传播特性	136
8.2.1  阴影效应、远近效应和
多径效应	136
　　　　8.2.2  多普勒效应	137
　　　　8.2.3  绕射损耗	138
　　　　8.2.4  衰落现象	139
　8.3  典型电波传播损耗的计算	141
　　　　8.3.1  电波在自由空间中传播	141
8.3.2  由建筑物外部向内部的
穿透传播	141
　　　　8.3.3  其他损耗	142
　8.4  移动信道电波传播模型	142
　　　　8.4.1  移动信道电波传播模型的意义	142
　　　　8.4.2  移动信道电波传播模型种类	142
　　　　8.4.3  Okumura模型具体内容	143
8.4.4  传播模型在无线通信工程中的
应用	146
　本章小结	146
　习题	147
第9章  天线原理	148
　9.1  概述	148
　　　　9.1.1  天线研究的主要内容	148
　　　　9.1.2  天线的分类	148
　　　　9.1.3  对通信天线的基本要求	148
　9.2  天线辐射电磁波的原理	149
　　　　9.2.1  天线辐射电磁波的过程	149
　　　　9.2.2  天线有效辐射电磁波的条件	150
　9.3  电基本振子的辐射场	151
　　　　9.3.1  电基本振子辐射场表达式	151
　　　　9.3.2  电基本振子辐射场的特点	151
　　　　9.3.3  电基本振子的辐射电阻	152
　9.4  发射天线的特性参数	152
　　　　9.4.1  方向函数与方向图	152
　　　　9.4.2  方向系数	154
　　　　9.4.3  效率	156
　　　　9.4.4  增益	157
　　　　9.4.5  天线的输入阻抗	157
　　　　9.4.6  有效长度	158
　　　　9.4.7  天线的极化	158
　　　　9.4.8  工作频带宽度	159
　　　　9.4.9  功率容量	159
　9.5  接收天线	159
　　　　9.5.1  天线接收无线电波的物理过程	160
　　　　9.5.2  接收天线的等效电路	160
　　　　9.5.3  接收天线的噪声温度	161
　　　　9.5.4  对接收系统的特殊要求	162
　　　　9.5.5  接收天线的分集接收技术	162
　9.6  自由空间对称振子	162
　　　　9.6.1  对称振子上电流分布	162
　　　　9.6.2  对称振子的远区辐射场	163
　　　　9.6.3  对称振子的方向特性	164
9.6.4  对称振子的辐射功率与
辐射电阻	165
　　　　9.6.5  对称振子的输入阻抗	166
　9.7  天线阵	168
　　　　9.7.1  天线阵基本理论	168
　　　　9.7.2  二元阵	169
　　　　9.7.3  均匀直线阵	172
9.8  无限大理想导电反射面对天线电
性能的影响	174
9.8.1  镜像天线等效无限大理想导电
反射面	174
9.8.2  无限大理想导电反射面对天线
电性能的影响	175
　本章小结	176
　习题	177
第10章  常用天线	179
　10.1  直立天线	179
　　　　10.1.1  直立天线及其特性	179
　　　　10.1.2  直立天线的主要特性参数	179
　　　　10.1.3  直立天线的应用	180
　　　　10.1.4  加载直立天线	180
　10.2  双极天线	181
　　　　10.2.1  双极天线的结构及应用	181
　　　　10.2.2  双极天线的辐射场	182
　　　　10.2.3  双极天线的方向性	182
　　　　10.2.4  双极天线的方向系数和增益	184
　　　　10.2.5  双极天线的阻抗特性	184
　　　　10.2.6  双极天线的尺寸选择	185
10.3  自由空间的笼形和分支笼形
天线	186
　　　　10.3.1  自由空间的笼形天线	186
　　　　10.3.2  分支笼形天线	187
　10.4  角形天线	188
　　　　10.4.1  角形天线结构	188
　　　　10.4.2  角形天线方向性	188
　　　　10.4.3  角形天线架设高度的设计	189
　10.5  引向天线	189
　　　　10.5.1  引向天线的结构	189
　　　　10.5.2  引向天线的性能	190
　　　　10.5.3  引向天线的优缺点	190
　10.6  对数周期天线	191
　　　　10.6.1  对数周期天线的结构	191
10.6.2  对数周期天线实现宽频带的
原理	192
　　　　10.6.3  对数周期天线的性能	193
　10.7  菱形天线	194
　　　　10.7.1  菱形天线结构	194
　　　　10.7.2  菱形天线载行波原理	194
　　　　10.7.3  菱形天线的方向性	195
　　　　10.7.4  菱形天线的辐射电阻	196
　　　　10.7.5  菱形天线方向系数	197
　　　　10.7.6  短波菱形天线的设计方法	197
　　　　10.7.7  菱形天线的优缺点	199
　10.8  螺旋天线	199
　　　　10.8.1  螺旋天线结构	199
　　　　10.8.2  螺旋天线的特性	200
　　　　10.8.3  螺旋天线的应用	201
　10.9  鱼骨形天线	201
　　　　10.9.1  鱼骨形天线的结构	201
　　　　10.9.2  鱼骨形天线的工作原理	202
　　　　10.9.3  鱼骨形天线的方向性	205
　　　　10.9.4  鱼骨形天线的参数选择	205
　10.10  微带天线	206
　　　　10.10.1  微带天线结构	206
　　　　10.10.2  微带天线的方向性	207
　　　　10.10.3  微带天线优缺点	209
　10.11  面天线	209
　　　　10.11.1  抛物面天线	209
　　　　10.11.2  喇叭天线	210
　10.12  智能天线	211
　　　　10.12.1  智能天线的主要功能	212
　　　　10.12.2  智能天线关键技术	212
　　　　10.12.3  智能天线的优缺点	213
　本章小结	213
　习题	214
第11章  线天线的馈电系统	216
　11.1  馈线相关概念	216
　　　　11.1.1  分布参数的概念	216
　　　　11.1.2  电磁能在馈线上的传播	217
　　　　11.1.3  系统匹配的概念	218
　11.2  传输线性能指标	221
　11.3  常用馈线	224
　　　　11.3.1  发信馈线	224
　　　　11.3.2   收信馈线	225
　　　　11.3.3  常用收、发信馈线的电参数	226
　11.4  天馈线的匹配装置	228
　　　　11.4.1  分布参数阻抗变换器	228
　　　　11.4.2  平衡与非平衡变换器	230
　11.5  宽带传输线阻抗变换器	232
11.5.1  宽带传输线阻抗变换器的工作
原理	232
　　　　11.5.2  常用传输线阻抗变换器	233
　本章小结	235
　习题	236
第12章  天线在蜂窝移动通信系统中的
应用	238
12.1  移动通信系统中基站天线的
发展	238
　12.2  基站天线工作原理	238
12.2.1  采用多个半波振子排成一个
垂直放置的直线阵	238
　　　　12.2.2  常规板状天线	239
　12.3  移动通信基站天线技术指标	240
　　　　12.3.1  天线方向性	240
　　　　12.3.2  天线增益	240
　　　　12.3.3  极化方式	241
　　　　12.3.4  下倾角的调整	242
　　　　12.3.5  基站天线电压驻波比	243
　　　　12.3.6  端口隔离度	243
　　　　12.3.7  功率容量	243
　　　　12.3.8  互调信号	244
　　　　12.3.9  风载荷	244
　　　　12.3.10  工作温度和湿度	244
　　　　12.3.11  雷电防护和三防能力	244
　　　　12.3.12  天线尺寸和重量	244
12.4  不同应用环境下基站天线的
选型	245
　　　　12.4.1  市区基站天线选型	245
　　　　12.4.2  农村基站天线选型	246
　　　　12.4.3  郊区基站天线选型	246
　　　　12.4.4  公路覆盖基站天线选型	247
　　　　12.4.5  山区覆盖基站天线选型	247
　　　　12.4.6  近海覆盖基站天线选型	248
　　　　12.4.7  隧道覆盖基站天线选型	248
　　　　12.4.8  室内覆盖基站天线选型	249
　12.5  基站天馈系统	250
　12.6  手机天线	251
　　　　12.6.1  手机天线设计的基本要求	251
　　　　12.6.2  典型手机天线	251
　本章小结	255
　习题	255
第13章  天线的仿真设计	257
　13.1  天线仿真的意义	257
　13.2  FEKO电磁仿真软件	258
　　　　13.2.1  FEKO主要特点	258
　　　　13.2.2  FEKO主要应用领域	258
13.3  利用FEKO对天线进行
仿真设计	259
　13.4  FEKO工程应用实例	261
　　　　13.4.1 自由空间半波对称振子	261
　　　　13.4.2  螺旋天线	268
　　　　13.4.3  微带天线	276
　本章小结	286
　习题	287
附录A  常用的矢量计算公式	288
附录B  无线电波波段的划分	290
参考文献	291

前   言
　　天线是换能器，要进行无线通信就离不开天线，天线性能的好坏直接影响着通信效果。天线技术的理论基础是电磁场理论。因此，为了让学生能够打下扎实的理论基础，在工程上得心应手，本书本着“夯实基础、注重应用”的宗旨，在系统阐述电磁场理论、电波传播理论及天线技术理论的基础上，强调理论联系实际，着重探讨天线工程应用问题。由于移动通信与人们的生活息息相关、不可分割，因此本书将电磁场与天线技术的工程应用选择在移动通信环境下。本书中“蜂窝移动通信中的电波传播”“天线在蜂窝移动通信系统中的应用”及“天线的仿真设计”等章节就是理论在工程上的具体应用。
　　本书分为上、下两篇。上篇是电磁场理论，包括第1～6章，其中：第1章介绍描述矢量场特性的主要数学工具，阐明矢量场的重要性质；第2章讨论真空和介质中的静电场特性；第3章介绍导电介质的性质，给出恒定电场满足的基本方程及边界条件；第4章介绍真空和介质中的恒定磁场特性；第5章介绍麦克斯韦方程组和时变场的边界条件，并导出时谐场的特性；第6章描述平面电磁波的传播特性、极化特性以及在边界上的反射和折射特性。下篇是天线技术，包括第7～13章，其中：第7章是电波传播基本理论，阐述天线辐射出的电磁波被接收天线有效接收的原理；第8章阐述蜂窝移动通信中的电波传播方式、特点及传播模型，是电波传播理论在蜂窝移动通信中的具体应用；第9章是天线原理，介绍用来描述天线性能的指标参数以及使天线能量转换达到预期效果的措施和方法；第10章是常用天线，介绍不同波段、不同种类的天线及其性能特点；第11章是线天线的馈电系统，阐述天馈系统如何连接才能使天线性能达到最佳；第12章阐述天线在蜂窝移动通信系统中的应用，是天馈线理论在工程上的具体实现；第13章介绍天线的仿真设计——天线工程设计的重要手段，重点介绍利用电磁仿真软件FEKO设计天线的具体方法。
　　本书配有与内容相关的拓展知识，达到激发学习兴趣、扩大视野的目的。为帮助理解教材内容，每章均配有习题，供读者练习。读者可扫描书中的二维码来阅读这些拓展知识和获取习题答案。
　　通过对本书的学习，读者既能够掌握电磁场及天线技术的理论知识，理解常用天线及馈电系统的工作原理，同时还能够掌握天线设计及工程应用的实际方法。
　　本书由尹亚兰、王琪主编，吴启琴为副主编。尹亚兰、王琪共同负责总体规划和统稿，并承担主要编写工作；吴启琴承担部分章节的编写工作。
       本书由西安电子科技大学张小苗教授担任主审，他对本书提出了许多建设性意见，在此表示诚挚感谢。
　　在本书编写过程中，得到了很多领导、专家的指导和帮助，他们提出了许多中肯的建议；本书的编写得到“江苏省卓越工程师教育培养计划2.0专业建设项目（No. 46）”和“江苏高校品牌建设工程二期（三批）项目（No. 452）”的资助。在此一并表示衷心的感谢。
　　由于编者水平有限，书中定有一些需要研究的问题和谬误之处，恳请读者批评指正。
　　
　　编  者       
　　2023年12月

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