螺旋天線設計

1、 天 線 螺旋天線物理尺寸對天線效率的影響 一、天線概覽 絕大多數(shù)大線具有可逆性：即大線用作接收天線時的特性與其處于發(fā)射狀態(tài)時的特性時相同的。 輻射方向圖：表示給定距離下天線的輻射隨角度的變化，輻射的強弱由離天線給定距離 r r 處的功率 密度 S S 來評價。接收模式下，天線對于某方向來波的響應正比于輻射方向圖上該方向的值。 方向系數(shù)：表示最大輻射強度于全空間均勻輻射時的平均輻射強度之比。 極化：描述了大線輻射時電場矢量的特征，瞬時電場矢量隨時間的軌跡圖決定波動的極化特性。 天線的輸入阻抗：是天線終端電壓與電流之比，通常的目的是使大線的輸入阻抗與傳輸線的特征阻 抗相匹配。 天線分類 依據(jù)頻率

2、特性的不同，可以把大線分成四種根本類型。 電小天線：天線的尺寸比一個波長 1小很多。特征：很弱的方向性，低輸入電阻，高輸入電抗， 低輻射效率。適合于 VHFVHF 或更低的波段。如短振子，小環(huán)。 諧振天線：在諧振頻率點或某個窄頻帶內工作令人滿意。特征 ：低或中等增益，實輸入阻抗，帶 寬狹窄。主要用于 HFHF 到低于 1GHz1GHz 的頻段。如半波振子，微帶貼片，八木天線。 寬帶天線：在一個很寬的頻率范圍內，方向圖、增益和阻抗幾乎是常數(shù)，并且能夠用有效輻射 區(qū)的概念表述其特征，該區(qū)域在天線上的位置隨頻率的變化而變化。特征：低到中等增益，增 益恒定，實輸入阻抗，工作頻帶寬。主要用于 VHFVH

3、F 直至數(shù)個 GHzGHz 的頻段。如螺線天線，對數(shù)周 期天線。 口徑天線：由一個供電磁波通過的開放的物理口徑。特征：高增益，增益隨頻率增 大，帶寬中等。用丁 UHFUHF 和更高的頻段。如喇叭天線，反射面天線。 天線的電氣特性 (1)(1) 方向特性一一方向圖(BW0& FSLDBW0& FSLD、方向系數(shù) 口增益 G G (2)(2) 阻抗特性一一輸入阻抗 ZinZin、效率Rr ? 640 f hA ,(輻射阻抗ZS) (3)(3) 帶寬特性一一帶寬、上限頻率 f1 ,f1 ,下限頻率 f2f2。 (4)(4) 極化特性一一極化、極化隔離度。 天線增益G: 等丁輻射功率與

4、輸入功率之比。G = hA gD 阻抗特性： 電小天線和諧振天線之所以是窄頻帶天線， 很大程度上受制丁惡劣的阻抗特性。 輸入阻 抗與復數(shù)功率間的關系：Zm = Rin + jX in = !二羅U (I 為單峰值). 天線效率：hA=墾一 * 100%。如果天線效率是 100%,100%,輸入阻抗與輻射阻抗應該相等。 RS+ Rd 然而事實上不是。輻射電阻丁方向系數(shù)的聯(lián)系： RS gD = 120 fm2ax(W)，其中fmax為未歸一化 方向函數(shù)模的最大值。 工作頻率帶寬： 當工作頻率變化時，系統(tǒng)關注的幾個主要電參數(shù)同時滿足上述容許值的頻率范圍， 稱為 f - f 天線的工作頻率帶克。相對帶

5、克那么是中心頻率的白分比： BP = -一L fc 最正確接收條件： (1)(1) 接收天線的最大接收方向對準來波方向。 (2)(2) 接受天線的極化丁來波的極化匹配。 (3)(3) 接收天線的負載丁自身的阻抗匹配。 前兩個條件為了感應電動勢最大化，最后一個條件為了獲取最大接收功率。 二、螺旋天線 螺旋形天線的設計 電磁輻射體的另一種根本配置是把導線繞成螺旋形。螺旋天線(圖 10)10)有簡單和實用的結 構，在多數(shù)情況下它也使用接地平板。圈數(shù)( N)N)、直徑(D)D)和圈距(S)S)決定了大線的增益和方 向性。 天線的總長為 L LN=NL=NLo=Nsqrt(S =Nsqrt(S 2+C+

6、C2) ) 這里 D D 是直徑，C=?DC=?D 是螺旋的圓周，S S 是圈距，L Lo=sqrt(S2+C2)=sqrt(S2+C2)是一圈導線的長度。 另一項重要參數(shù)是螺旋角 a,a,它是螺旋線切線和螺旋軸垂直平面的夾角。螺旋角的定義為 -1 :=tan :=tan S/CS/C 當 a a = 0= 0 時，繞組被壓平，螺旋變成 N N 圈的環(huán)形大線。 另一方面當 a a = 90= 90 時，螺旋就變成一條直線。 螺旋天線有 2 2 種工作模式： 1 1 常態(tài)模式 在常態(tài)工作模式，天線輻射場在相對于螺旋軸的法線平面有極大值，如圖 10.210.2 所示。對于該 模式：NLNLo M

7、M 2 2 軸向端射模式 這種工作模式只有一個主瓣，它的最大輻射強度沿著螺旋軸，如圖 10.310.3 所示。副瓣與軸間有 一個傾斜角度。為鼓勵這種模式，其直徑 D D 和空間 S S 必須是波長的一個大分數(shù)。 Figure IO0 Nanui 伏EMM*】 miMk lorbclKil ntuuu uid亦*司4血MIL F忡re F*3 m皿 MtiihR 法向模螺旋天線 當螺旋直徑 D D 很小時p pix D = L0.5ix D = L0.5 波長，螺旋天線眾的導波波長ig與只有空間波長1及螺旋直 徑 D D 之間有如下關系：|L| = 20 pD2.5D0.5 朝g尋 1 在短波、

8、米涉及分米波波段可用法向模螺旋天線來代替鞭狀天線，這樣做可使大線高度縮短約三 分之一，甚至更多。其計算公式是： 天線高度：h = 4 大線的總圈數(shù)：N = fMH300Zcmg?0.2 繞制螺旋所用導線總長為： N * L換pD * N 略 實踐證明，大線高度降低后，盡管輻射電阻也降低了，但仍可維持所需的大線效率。法向模螺旋 大線駐波比小于 1.51.5 的帶寬約為 5%5%。此外，除了圓柱形螺旋天線外，還有圓錐形螺旋天線，它的 波段特性比圓柱形天線好，波段覆蓋系數(shù)為 2 23 3。以上來自天線?北京郵電學院出版社 在法向模式情況狹，輻射場的最大方向垂直于螺旋天線軸。一圈螺旋可近似看作是小圓環(huán)

9、天線加 2 S 一電根本振子。通常，法向模螺旋天線是垂直放置的，并且使 旦=2=2 = 2 1 2 極化橢圓 |E f p D C / 1 的軸比的比值大于 1,1,這樣使得垂直方向的輻射占主導地位。這種情況對于小型無線電接收機是 非常實用的，比方個人收音機。在這些情況下，線長 LwLw 大約等于四分之一波長，并且大線按單極 子方式饋電。這種大線常被稱作法向模螺旋天線 NMHA NMHA ,或諧振式短截螺旋，其方向圖幾乎是 全向的。這種大線與常規(guī)等長度的直導線單極子相比的優(yōu)點是：螺旋本身相當于一電感器，有助于 抵消電小天線本身固有的容抗。沿著螺旋線的電流近似是正弦分布的。 理想導電地上架高不超

10、過l /8/8 的諧振式短截螺旋的輻射電阻 Rr : Rr ? 640 ?h jo 附: 天線根本知識 天線選擇 在選擇天線時必須首先注重其性能。 具體說有兩個方面， 第一選擇天線類型； 第二選擇 天線的電氣性能。選擇天線類型的意義是： 所選天線的方向圖是否符合系統(tǒng)設計中電波覆蓋 的要求；選擇天線電氣性能的要求是： 選擇天線的頻率帶寬、 增益、額定功率等電氣指標是 否符合系統(tǒng)設計要求。 天線的輻射效率 指天線輻射到空間的功率與輸入功率之比， 對于全向天線而言，效率是最重要的參數(shù).如果兩 個天線效率相同的全向天線，增益大的反而不好，因為這只說明其方向性強. 什么是天線的增益？ 答：增益是天線的主

11、要指標之一， 它是方向系數(shù)與效率的乘積， 是天線輻射或接收電波大小 的表現(xiàn)。增益大小的選擇取決于系統(tǒng)設計對電波覆蓋區(qū)域的要求， 簡單地說，在同等條件下， 增益越高，電波傳播的距離越遠，一般基地臺天線采用高增益天線， 移動臺天線采用低增益 天線。 什么是電壓駐波比？ 答：天線輸入阻抗和饋線的特性阻抗不一致時， 產(chǎn)生的反射波和入射波在饋線上疊加形成的 磁波，其相鄰電壓的最大值和最小值之比是電壓駐波比， 它是檢驗饋線傳輸效率的依據(jù)， 電 壓駐波比小于 1.5,1.5,在工作頻點的電壓駐波比小于 1.2,1.2,電壓駐波比過大，將縮短通信距離， 而且反射功率將返回發(fā)射機功放局部，容易燒壞功放管，影響通

12、信系統(tǒng)正常工作。 什么是天線的方向性？ 答：天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力， 這就是天線的方向性。 衡量天線方向 性通常使用方向圖，在水平面上，輻射與接收無最大方向的天線稱為全向天線， 有一個或多 個最大方向的天線稱為定向天線。 全向天線由于其無方向性， 所以多用在點對多點通信的中 心臺。定向天線由于具有最大輻射或接收方向， 因此能量集中，增益相對全向天線要高， 適 合于遠距離點對點通信，同時由于具有方向性，抗干擾能力比擬強。 如何理解天線的工作頻帶寬度？ 答：天線的電參數(shù)一般都于工作頻率有關， 保證電參數(shù)指標容許的頻率變化范圍， 即是天線 的工作頻帶寬度。一般全向天線的工作帶寬能

13、到達工作頻率范圍的 3 3- -5%,5%,定向天線的工作 帶寬能到達工作頻率的 5 5- -10%10%。 VSWR VSWR 天線系統(tǒng)和輸出阻抗為 5050 歐的發(fā)信機的匹配條件是天線系統(tǒng)阻抗為 5050 歐純電阻。要滿足 這個條件，需要做到兩點：第一，天線電路與工作頻率諧振 否那么天線阻抗就不是純電阻 ； 第二，選擇適當?shù)酿侂婞c。其中諧振是最關鍵的因素。 所有功率源都存在內部阻抗。匹配時，才能向外部設備傳輸最大功率。 :波長米=速度瀕率=300=300/頻率MHzMHz。 傳輸線和天線的以下特點：1 1長度短于四分之一波長的短路線呈電感性； 2 2長度 短于四分之一波長的開路線呈電容性；

14、 3 3如果一條任意長度的導線的終端電阻等于它的特性阻 抗，那么它就是一個純電阻性的負載，因而不會把能量反應回信號源； 4 4長度略短于四分之一 波長倍數(shù)的天線呈電容性；5 5長度略長于四分之一波長倍數(shù)的天線呈電感性； 6 6電感性負載 可用參加電容的方法來匹配，電容性負載可用參加電感的方法來匹配。 八木天線 八木天線是最簡單的多振子定向天線，它是根據(jù)用數(shù)字方法解釋了其工作原理的人而命名的。 其結構、制作尺寸及連接方式如圖 1313 所示。它由反射器、鼓勵振子、引向器等組成。其主要 目的是將信號引向到鼓勵振子 ，并通過反射器將信號聚焦到鼓勵振子。 實際上它就是一付定向天 線。 注：第一引向器比

15、鼓勵振子短 4%,4%,第二引向器比第一引向器短 2 24%,4%,第三引向器比第二 引向器短 3%,3%,第四引向器比第三引向器短 2%2%。 另外，八木天線只有鼓勵振子是直接與設備相連接的，其振子間隔均為 0 0 0 0 波長。 天線增益的計算：G=r 4G=r 4 兀 S/S/入 2=2=邛/ /Z2D2Z2D2 式中，S S- -天線口徑面積平方米；入工作波長米； D D- -拋物面口徑即面口直徑 米；r r- -天線效率。 效率n 輸入到天線的射頻功率，由于天線系統(tǒng)中的熱損耗、介質損耗、感應損耗懸掛天線的設備及 大地的感應損耗而消耗一局部，因此不能全部變?yōu)殡姶挪ㄝ椛涑鋈?。天線效率表示天線是否有效 的轉換能量，是天線重要參數(shù)之一，發(fā)射天線的