Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd Edition

Front-cover......Page 1
Front-matter......Page 2
Preface......Page 4
Contents......Page 9
1.1 Introduction......Page 15
1.2.3 Microstrip Antennas......Page 18
1.2.4 Array Antennas......Page 19
1.2.5 Reflector Antennas......Page 20
1.3 Radiation Mechanism......Page 21
1.3.1 Single Wire......Page 23
1.3.2 Two-Wires......Page 25
1.3.3 Dipole......Page 28
1.3.4 Computer Animation-Visualization of Radiation Problems......Page 29
1.4 Current Distribution on a Thin Wire Antenna......Page 31
1.5 Historical Advancement......Page 34
1.5.1 Antenna Elements......Page 35
1.5.2 Methods of Analysis......Page 36
1.5.3 Some Future Challenges......Page 37
References......Page 38
2.2 Radiation Pattern......Page 41
2.2.1 Radiation Pattern Lobes......Page 44
2.2.2 Isotropic, Directional, and Omnidirectional Patterns......Page 46
2.2.3 Principal Patterns......Page 47
2.2.4 Field Regions......Page 48
2.2.5 Radian and Steradian......Page 50
2.3 Radiation Power Density......Page 52
2.4 Radiation Intensity......Page 54
2.5 Beamwidth......Page 56
2.6 Directivity......Page 58
2.6.1 Directional Patterns......Page 64
2.6.2 Omnidirectional Patterns......Page 69
2.7 Numerical Techniques......Page 72
2.8 Antenna Efficiency......Page 78
2.9 Gain......Page 79
2.10 Beam Efficiency......Page 83
2.12 Polarization......Page 84
2.12.1 Linear, Circular, and Elliptical Polarizations......Page 87
2.12.2 Polarization Loss Factor and Efficiency......Page 90
2.13 Input Impedance......Page 94
2.14 Antenna Radiation Efficiency......Page 99
2.15.1 Vector Effective Length......Page 101
2.15.2 Antenna Equivalent Areas......Page 103
2.16 Maximum Directivity and Maximum Effective Area......Page 106
2.17.1 Friis Transmission Equation......Page 108
2.17.2 Radar Range Equation......Page 110
2.17.3 Antenna Radar Cross Section......Page 112
2.18 Antenna Temperature......Page 118
2.19 Multimedia......Page 122
References......Page 126
Problems......Page 128
3.1 Introduction......Page 147
3.2 The Vector Potential A for an Electric Current Source J......Page 149
3.3 The Vector Potential F for a Magnetic Current Source M......Page 151
3.4 Electric and Magnetic Fields for Electric (J) and Magnetic (M) Current Sources......Page 152
3.5 Solution of the Inhomogeneous Vector Potential Wave Equation......Page 153
3.6 Far-Field Radiation......Page 156
3.8 Reciprocity and Reaction Theorems......Page 158
3.8.1 Reciprocity for Two Antennas......Page 161
3.8.2 Reciprocity for Antenna Radiation Patterns......Page 162
Problems......Page 164
4.2.1 Radiated Fields......Page 165
4.2.2 Power Density and Radiation Resistance......Page 168
4.2.3 Radian Distance and Radian Sphere......Page 170
4.2.5 Intermediate-Field (kr > 1) Region......Page 172
4.2.6 Far-Field (kr >> 1) Region......Page 173
4.2.7 Directivity......Page 174
4.3 Small Dipole......Page 176
4.4 Region Separation......Page 179
4.4.1 Far-Field (Fraunhofer) Region......Page 181
4.4.2 Radiating Near-Field (Fresnel) Region......Page 182
4.5.1 Current Distribution......Page 184
4.5.2 Radiated Fields: Element Factor, Space Factor, and Pattern Multiplication......Page 185
4.5.3 Power Density, Radiation Intensity, and Radiation Resistance......Page 187
4.5.4 Directivity......Page 192
4.5.5 Input Resistance......Page 193
4.5.6 Finite Feed Gap......Page 195
4.6 Half-Wavelength Dipole......Page 196
4.7.1 Image Theory......Page 198
4.7.2 Vertical Electric Dipole......Page 200
4.7.3 Approximate Formulas for Rapid Calculations and Design......Page 207
4.7.4 Antennas for Mobile Communication Systems......Page 209
4.7.5 Horizontal Electric Dipole......Page 211
4.8.1 Vertical Electric Dipole......Page 219
4.8.2 Horizontal Electric Dipole......Page 220
4.8.3 Earth Curvature......Page 222
4.9 Computer Codes......Page 228
4.10 Multimedia......Page 231
References......Page 232
Problems......Page 233
5.1 Introduction......Page 245
5.2 Small Circular Loop......Page 246
5.2.1 Radiated Fields......Page 247
5.2.3 Power Density and Radiation Resistance......Page 251
5.2.4 Near-Field (kr << 1) Region......Page 255
5.2.6 Radiation Intensity and Directivity......Page 256
5.2.7 Equivalent Circuit......Page 257
5.3.1 Radiated Fields......Page 260
5.3.2 Power Density, Radiation Intensity, Radiation Resistance, and Directivity......Page 263
5.4 Circular Loop with Nonuniform Current......Page 269
5.4.1 Arrays......Page 272
5.4.2 Design Procedure......Page 274
5.5 Ground and Earth Curvature Effects for Circular Loops......Page 275
5.6 Polygonal Loop Antennas......Page 277
5.6.1 Square Loop......Page 278
5.6.2 Triangular, Rectangular, and Rhombic Loops......Page 279
5.7.1 Radiation Resistance......Page 280
5.7.2 Ferrite-Loaded Receiving Loop......Page 281
5.8 Mobile Communication Systems Applications......Page 282
5.9 Multimedia......Page 283
References......Page 287
Problems......Page 289
6.1 Introduction......Page 296
6.2 Two-Element Array......Page 297
6.3 N-Element Linear Array: Uniform Amplitude and Spacing......Page 303
6.3.1 Broadside Array......Page 309
6.3.2 Ordinary End-Fire Array......Page 310
6.3.3 Phased (Scanning) Array......Page 313
6.3.4 Hansen-Woodyard End-Fire Array......Page 317
6.4 N-Element Linear Array: Directivity......Page 326
6.4.1 Broadside Array......Page 327
6.4.2 Ordinary End-Fire Array......Page 328
6.4.3 Hansen-Woodyard End-Fire Array......Page 330
6.5 Design Procedure......Page 331
6.6.1 N-Elements along Z-Axis......Page 333
6.6.2 N-Elements along X- or Y-Axis......Page 334
6.7 Rectangular-to-Polar Graphical Solution......Page 335
6.8 N-Element Linear Array: Uniform Spacing, Nonuniform Amplitude......Page 337
6.8.1 Array Factor......Page 339
6.8.2 Binomial Array......Page 341
6.8.3 Dolph-Tschebyscheff Array......Page 344
IX.5 Radar IEEE Band Designations......Page 0
7.1 Introduction......Page 347
7.2.1 Line-Source......Page 348
7.2.2 Discretization of Continuous Sources......Page 349
7.3 Schelkunoff Polynomial Method......Page 350
7.4.1 Line-Source......Page 355
7.4.2 Linear Array......Page 358
7.5 Woodward-Lawson Method......Page 361
7.5.1 Line-Source......Page 362
7.5.2 Linear Array......Page 366
7.6 Taylor Line-Source (Tschebyscheff-Error)......Page 368
7.6.1 Design Procedure......Page 370
7.7 Taylor Line-Source (One-Parameter)......Page 372
7.8 Triangular, Cosine, and Cosine-Squared Amplitude Distributions......Page 379
7.9 Line-Source Phase Distributions......Page 380
7.10 Continuous Aperture Sources......Page 381
7.10.1 Rectangular Aperture......Page 382
7.10.2 Circular Aperture......Page 383
References......Page 385
Problems......Page 386
8.1 Introduction......Page 394
8.2 Integral Equation Method......Page 395
8.2.1 Electrostatic Charge Distribution......Page 396
8.2.2 Integral Equation......Page 402
8.3 Finite Diameter Wires......Page 403
8.3.1 Pocklington\'s Integral Equation......Page 404
8.3.2 Hallén\'s Integral Equation......Page 407
8.3.3 Source Modeling......Page 408
8.4 Moment Method Solution......Page 411
8.4.1 Basis Functions......Page 412
8.4.2 Weighting (Testing) Functions......Page 416
8.5 Self-Impedance......Page 419
8.5.1 Integral Equation-Moment Method......Page 420
8.5.2 Induced EMF Method......Page 422
8.6 Mutual Impedance between Linear Elements......Page 429
8.6.1 Integral Equation-Moment Method......Page 431
8.6.2 Induced EMF Method......Page 432
8.7 Mutual Coupling in Arrays......Page 439
8.7.1 Coupling in the Transmitting Mode......Page 440
8.7.3 Mutual Coupling on Array Performance......Page 442
8.7.4 Coupling in an Infinite Regular Array......Page 443
8.7.5 Grating Lobes Considerations......Page 447
References......Page 452
Problems......Page 455
9.1 Introduction......Page 457
9.2 Biconical Antenna......Page 460
9.2.1 Radiated Fields......Page 461
9.2.2 Input Impedance......Page 463
9.3 Triangular Sheet, Bow-Tie, and Wire Simulation......Page 466
9.4.1 Bandwidth......Page 468
9.4.2 Input Impedance......Page 469
9.4.3 Resonance and Ground Plane Simulation......Page 470
9.4.4 Radiation Patterns......Page 471
9.4.6 Dielectric Coating......Page 473
9.5 Folded Dipole......Page 475
9.6 Discone and Conical Skirt Monopole......Page 481
9.7.2 Quarter-Wavelength Transformer......Page 483
9.7.3 T-Match......Page 491
9.7.4 Gamma Match......Page 493
9.7.6 Baluns and Transformers......Page 498
9.8 Multimedia......Page 501
References......Page 502
Problems......Page 503
10.2 Traveling Wave Antennas......Page 509
10.2.1 Long Wire......Page 511
10.2.2 V Antenna......Page 520
10.2.3 Rhombic Antenna......Page 525
10.3.1 Helical Antenna......Page 526
10.3.2 Electric-Magnetic Dipole......Page 536
10.3.3 Yagi-Uda Array of Linear Elements......Page 537
10.3.4 Yagi-Uda Array of Loops......Page 557
References......Page 560
Problems......Page 562
11.1 Introduction......Page 570
11.2 Theory......Page 571
11.3.1 Planar Spiral......Page 573
11.4.1 Planar and Wire Surfaces......Page 578
11.4.2 Dipole Array......Page 582
11.4.3 Design of Dipole Array......Page 588
11.5 Fundamental Limits of Electrically Small Antennas......Page 596
11.6 Fractal Antennas......Page 600
References......Page 607
Problems......Page 609
12.2 Field Equivalence Principle: Huygens\' Principle......Page 612
12.3 Radiation Equations......Page 619
12.4 Directivity......Page 621
12.5 Rectangular Apertures......Page 622
12.5.1 Uniform Distribution on an Infinite Ground Plane......Page 624
12.5.2 Uniform Distribution in Space......Page 635
12.5.3 TE_10 -Mode Distribution on an Infinite Ground Plane......Page 638
12.5.4 Beam Efficiency......Page 641
12.6 Circular Apertures......Page 642
12.6.1 Uniform Distribution on an Infinite Ground Plane......Page 644
12.6.2 TE_11 -Mode Distribution on an Infinite Ground Plane......Page 649
12.6.3 Beam Efficiency......Page 650
12.7 Design Considerations......Page 651
12.7.1 Rectangular Aperture......Page 652
12.7.2 Circular Aperture......Page 654
complem.structure......Page 656
12.9 Fourier Transforms in Aperture Antenna Theory......Page 660
12.9.1 Fourier Transforms-Spectral Domain......Page 661
12.9.2 Radiated Fields......Page 662
12.9.3 Asymptotic Evaluation of Radiated Field......Page 666
12.9.4 Dielectric-Covered Apertures......Page 671
12.9.5 Aperture Admittance......Page 672
12.10 Ground Plane Edge Effects: The Geometrical Theory of Diffraction......Page 680
References......Page 685
Problems......Page 687
13.2 E-Plane Sectoral Horn......Page 698
13.2.1 Aperture Fields......Page 699
13.2.2 Radiated Fields......Page 702
13.2.3 Directivity......Page 710
13.3 H-Plane Sectoral Horn......Page 714
13.3.1 Aperture Fields......Page 715
13.3.2 Radiated Fields......Page 716
13.3.3 Directivity......Page 722
13.4.1 Aperture Fields, Equivalent, and Radiated Fields......Page 728
13.4.2 Directivity......Page 735
13.4.3 Design Procedure......Page 739
13.5 Conical Horn......Page 742
13.6 Corrugated Horn......Page 744
13.7 Aperture-Matched Horns......Page 751
13.8 Multimode Horns......Page 753
13.9 Dielectric-Loaded Horns......Page 756
13.10 Phase Center......Page 758
References......Page 761
Problems......Page 764
14.1 Introduction......Page 769
14.1.1 Basic Characteristics......Page 770
14.1.2 Feeding Methods......Page 771
14.1.3 Methods of Analysis......Page 773
14.2.1 Transmission-Line Model......Page 774
14.2.2 Cavity Model......Page 784
14.2.3 Directivity......Page 798
14.3 Circular Patch......Page 801
14.3.1 Electric and Magnetic Fields - TM^z_mnp......Page 802
14.3.2 Resonant Frequencies......Page 803
14.3.3 Design......Page 804
14.3.4 Equivalent Current Densities and Fields Radiated......Page 805
14.3.5 Conductance and Directivity......Page 807
14.3.6 Resonant Input Resistance......Page 809
14.4 Quality Factor, Bandwidth, and Efficiency......Page 810
14.5 Input Impedance......Page 813
14.6 Coupling......Page 814
14.7 Circular Polarization......Page 817
14.8 Arrays and Feed Networks......Page 823
References......Page 830
Problems......Page 834
15.2 Plane Reflector......Page 841
15.3 Corner Reflector......Page 842
15.3.1 90° Corner Reflector......Page 845
15.3.2 Other Corner Reflectors......Page 848
15.4 Parabolic Reflector......Page 851
15.4.1 Front-Fed Parabolic Reflector......Page 854
15.4.2 Cassegrain Reflectors......Page 884
15.5 Spherical Reflector......Page 892
15.6 Multimedia......Page 894
References......Page 895
Problems......Page 897
16.1 Introduction......Page 903
16.2 Smart-Antenna Analogy......Page 904
16.3.1 Omnidirectional Systems......Page 905
16.3.2 Smart-Antenna Systems......Page 907
16.4 Signal Propagation......Page 912
16.5 Smart Antennas\' Benefits......Page 915
16.7 Antenna......Page 916
16.7.2 Linear Array......Page 917
16.7.3 Planar Array......Page 918
16.8.1 Overview of Direction-of-Arrival (DOA) Algorithms......Page 920
16.8.2 Adaptive Beamforming......Page 924
16.8.3 Mutual Coupling......Page 927
16.8.4 Optimal Beamforming Techniques......Page 929
16.9.1 Overview of Mobile Ad hoc NETworks (MANETs)......Page 935
16.9.2 MANETs Employing Smart-Antenna Systems......Page 936
16.10.2 Single Element-Microstrip Patch Design......Page 940
16.10.3 Rectangular Patch......Page 941
16.10.4 Array Design......Page 942
16.10.5 4 × 4 Planar Array versus 8 × 8 Planar Array......Page 944
16.10.6 Adaptive Beamforming......Page 945
16.11 Beamforming, Diversity Combining, Rayleigh-Fading, and Trellis-Coded Modulation......Page 948
16.12 Other Geometries......Page 951
16.13 Multimedia......Page 952
References......Page 953
Problems......Page 957
17.1 Introduction......Page 958
17.2.2 Free-Space Ranges......Page 960
17.2.3 Compact Ranges......Page 963
17.2.4 Near-Field/Far-Field Methods......Page 971
17.3 Radiation Patterns......Page 978
17.3.1 Instrumentation......Page 980
17.3.2 Amplitude Pattern......Page 984
17.4 Gain Measurements......Page 985
17.4.1 Absolute-Gain Measurements......Page 986
17.4.2 Gain-Transfer (Gain-Comparison) Measurements......Page 990
17.5 Directivity Measurements......Page 991
17.7 Impedance Measurements......Page 993
17.9 Polarization Measurements......Page 995
17.10 Scale Model Measurements......Page 1001
References......Page 1002
Appendix I......Page 1005
A......Page 1007
B......Page 1014
C......Page 1016
D......Page 1021
E......Page 1025
F......Page 1029
G......Page 1033
H......Page 1034
I......Page 1036
L......Page 1040
M......Page 1043
N......Page 1047
O......Page 1049
P......Page 1050
Q......Page 1054
R......Page 1055
S......Page 1060
T......Page 1065
U......Page 1069
V......Page 1070
W......Page 1071
Y......Page 1072
Z......Page 1073
self-comple......Page 575