Finite Element Analysis of Antennas and Arrays pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Wiley-IEEE Press

作者:Jianming Jin

出品人:

页数:452

译者:

出版时间:2008-12-22

价格:USD 127.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780470401286

丛书系列:

图书标签:

• Finite Element Analysis
• Antennas
• Arrays
• Electromagnetics
• Computational Electromagnetics
• Microwave Engineering
• Numerical Methods
• HFSS
• CST
• Engineering

射频与微波工程：从基础理论到先进应用 本书深入探讨了射频与微波工程领域的核心概念、设计方法和实际应用。内容涵盖了从基础电磁场理论到复杂系统实现的广泛知识体系，旨在为读者提供一个全面、深入的学习框架，以应对现代通信、雷达和电子战系统中的技术挑战。 第一部分：电磁场与传输线基础 本部分首先回顾了麦克斯韦方程组在射频和微波频段下的适用性与特殊表现。重点分析了均匀平面波的传播特性，包括反射、折射、吸收和穿透现象，特别是在不同介质界面上的边界条件处理。随后，详细阐述了传输线理论，包括集总元件模型向分布元件模型的过渡。引入了史密斯圆图（Smith Chart）作为核心工具，用于阻抗匹配、电压驻波比（VSWR）分析以及在复平面上对传输线特性的直观理解。 讨论了多种标准传输线结构，如集总元件电感和电容的微波实现、微带线（Microstrip）、带状线（Stripline）以及共面波导（Coplanar Waveguide, CPW）的特性阻抗计算、损耗分析（介质损耗和导体损耗）以及色散效应。对于实际电路中的不连续性，如阶梯阻抗变换器和开路/短路终端，进行了详尽的S参数建模和分析。 第二部分：有源与无源微波电路设计 本部分聚焦于实际射频/微波电路元件的设计与实现。 无源元件设计 详细介绍了滤波器理论。从Butterworth、Chebyshev到Elliptic（Cauer）响应的理论推导和设计步骤进行了深入讲解。内容涵盖了低通、高通、带通和带阻滤波器的综合设计，包括传统的LC原型滤波器到利用传输线效应实现的分布式元件滤波器（如腔体滤波器和加载线滤波器）。对耦合系数、Q值、插损和带外抑制等关键性能指标的优化策略进行了详细阐述。 此外，对各种形式的匹配网络设计进行了系统性分析，包括L型网络、T型和$pi$型网络，以及如何利用史密斯圆图的几何特性高效地实现宽带或窄带匹配。耦合线结构（如分支线耦合器和四分之一波耦合线）的设计也作为多端口无源器件的经典案例进行了分析。 有源器件建模与放大器设计 本部分深入探讨了晶体管（如MESFET, HEMT, HBT和MOSFET）在高频条件下的等效电路模型建立，重点关注寄生效应和高频噪声特性。引入了噪声系数（Noise Figure, NF）的概念，并讨论了如何通过噪声阻抗匹配实现最优噪声性能。 放大器设计是本部分的重点。详细讲解了两种主要的放大器设计范式： 1. 最大增益设计（Maximum Gain Design）：通过K因子和B1因子分析晶体管的稳定性和增益潜力，设计单级和多级共射极、共源极放大器。 2. 噪声匹配设计（Noise Figure Matching）：针对低噪声放大器（LNA），利用噪声圆图进行最优噪声匹配，并探讨了反馈技术对稳定性和线性度的影响。 针对功率放大器（PA），讨论了效率、线性度与输出功率之间的权衡，介绍了A类、AB类和C类放大器的基本偏置和工作原理，以及如何使用包络跟踪（Envelope Tracking）和Doherty架构来提高效率。 第三部分：电磁兼容性、测量与系统集成 电磁兼容性与屏蔽 本部分强调了在系统级设计中必须考虑的电磁兼容性（EMC）问题。详细分析了辐射发射和敏感性问题，重点讲解了接地技术（单点接地、多点接地）在抑制噪声耦合中的作用。对屏蔽理论进行了系统阐述，包括反射和吸收损耗的计算，以及如何选择合适的屏蔽材料和结构（如导电衬垫和通风孔）来满足特定频段的衰减要求。 微波测量技术 详细介绍了矢量网络分析仪（VNA）的工作原理和校准过程（SOLT, TRL等）。阐述了如何使用VNA准确测量器件的S参数、回波损耗、插入损耗和相位延迟。同时，讨论了噪声系数测试仪（NF Tester）的使用，以及功率和频谱分析仪在系统性能验证中的作用。对天线测试中的远场和近场测量规范进行了概述。 射频电路的布局与封装 讨论了射频电路版图设计中必须严格遵守的规则，包括线宽对特征阻抗的影响、过孔的寄生电感建模、地平面分割的策略，以及如何减小元件间的耦合。对表面贴装器件（SMD）在高频应用中的封装效应建模进行了分析，强调了封装材料的介电常数和损耗角正切对整体电路性能的制约。 本书的最终目标是培养读者从器件物理层到系统级性能指标的完整设计能力，确保所设计的射频与微波系统在实际应用中能够达到预期的指标要求。

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这本书的封面设计充满了浓厚的工程学气息，那种冷静而严谨的风格让人一眼就能感受到它深邃的专业内涵。初翻目录，内容编排的逻辑性令人赞叹，从最基础的电磁场理论推导开始，逐步深入到具体的单元构建和网格划分策略，层层递进，仿佛一位经验丰富的导师在循循善诱。我特别欣赏作者在讲解复杂数学模型时所采用的直观性解释，即便对于初次接触有限元方法的工程师来说，那些抽象的偏微分方程也似乎被赋予了具体的物理意义。书中对边界条件处理的详尽论述，更是体现了作者对实际工程挑战的深刻理解，那些在教科书上常常被一笔带过的细节，在这里却得到了细致入微的剖析。特别是对于非均匀介质和复杂几何结构的处理，作者展示了一套行之有效的数值技巧，这无疑为我们解决现实世界中的天线设计难题提供了坚实的理论武器和实用的操作指南。这本书的阅读体验，更像是一场深入的学术探险，每读完一个章节，都感觉自己对电磁波的模拟和计算能力又上了一个新的台阶。

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这本书的深度远超出了我对一本计算电磁学专著的预期，它不只是停留在理论公式的罗列，而是真正将有限元法的精髓融入到了天线工程的实践场景之中。我花费了大量时间去钻研其中关于“吸波材料”和“宽带结构”的有限元建模部分，发现作者对误差控制和收敛性的讨论极为透彻。他没有回避有限元方法固有的局限性，反而诚恳地指出了在处理高频、大尺度问题时可能出现的数值不稳定现象，并给出了诸如P-增强或H-增强等高级技术来优化求解器性能。这使得这本书不仅仅是一本“怎么做”的指南，更是一本“为什么这样做”的哲学思考录。尤其值得称道的是，书中穿插的案例分析，往往能从一个非常实际的天线性能指标（比如远场辐射图的畸变、特定频段的S参数波动）出发，反溯到网格划分的缺陷或单元选择的偏差，这种“从结果到原因”的反向工程式教学法，极大地提高了读者的诊断和调试能力。

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坦白说，这本书的阅读门槛不算低，对于只熟悉矩量法（MoM）或时域有限差分法（FDTD）的同行来说，初期需要投入大量精力来适应有限元法的思维框架。然而，一旦跨过这道坎，你会发现其在处理复杂散射体和非均匀结构时的强大威力。作者在引入刚度矩阵构建时，所采用的形函数选择逻辑，尤其是对高阶形函数的应用，清晰地展示了如何在保持计算效率的同时，精确捕捉电磁场的局部变化。我个人认为，书中关于“超收敛性”和“自适应网格细化（AMR）”的应用章节，是全书的点睛之笔，它们极大地拓宽了有限元技术在超宽带和微带阵列设计中的应用边界。不同于一些侧重于软件操作手册的书籍，这本书更偏向于构建一个稳固的、可移植的分析框架，鼓励读者去理解数值算法的内在机制，而非仅仅依赖商业软件的预设功能。

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这本书在结构设计上的巧妙之处，在于它平衡了理论的严谨性与工程应用的即时性。它并未将“天线设计”和“数值方法”割裂开来，而是通过贯穿始终的实例，将两者紧密地编织在一起。例如，在讨论剖分技术时，作者会立刻关联到如何用三角形或四面体网格来精确拟合一个复杂曲面天线的边缘，以及这对远场旁瓣的影响。这种即时反馈的学习路径，极大地提升了阅读的代入感和解决问题的针对性。我特别欣赏它在特定章节中对“人工边界条件”的论述，包括PML（完美匹配层）和ABC（吸收边界条件）的有限元实现细节，这些内容往往是其他教材中处理得较为粗略的部分。通过这本书，我得以深入理解如何设计出既能有效吸收边界辐射，又不会在靠近天线区域引入过多数值反射的仿真环境，这对确保仿真结果的真实性至关重要。

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这本书的文字风格是那种典型的、经过深思熟虑的学术论述，它摒弃了花哨的修辞，力求用最精确的数学语言描述物理现象。然而，这种精准性带来的好处是巨大的：它使得书中的每一个公式、每一个图表都具有高度的可验证性和可重复性。我发现在与同事讨论一个关于阵列耦合的难题时，书中关于“区域分解”和“子结构方法”的阐述，提供了一个全新的、基于有限元框架的解耦思路，这比我们传统上依赖的等效源法更为灵活。书中对不同类型阵元（如偶极子、微带贴片、槽线）在周期性边界条件下的有限元建模差异，也有详尽的对比分析，这对于需要设计大型、复杂阵列系统的工程师来说，是无可替代的参考资料。总而言之，这是一部需要反复研读的工具书，其价值在于它提供了一个坚不可摧的、基于能量守恒原理的电磁仿真基石。

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