《天線原理》第2章

1、第2章 簡單線天線 在LF UHF頻段廣泛采用線天線，在UHF高端及微波頻段主要采用面天線。2.1.1雙極天線雙極天線雙極天線即水平對稱振子，如圖2-1-1所示，又稱型天線。天線的兩臂可用單根硬拉黃銅線或銅包鋼線做成，也可用多股軟銅線，導(dǎo)線的直徑根據(jù)所需的機(jī)械強(qiáng)度和功率容量決定，一般為36 mm。天線臂與地面平行，兩臂之間有絕緣子。2.1水平對稱天線水平對稱天線 水平天線的優(yōu)點(diǎn): (1)架設(shè)和饋電方便；（2）地面電導(dǎo)率的影響較?。唬?）外部干擾較小。2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)）1. 雙極天線的方向性雙極天線的方向性為了便于描繪場強(qiáng)隨射線仰角和方位角的變化關(guān)系，一般直接用、作自變量表示

2、天線的方向性，而不使用射線與振子軸之間的夾角作方向函數(shù)的自變量。按圖2-1-2中的幾何關(guān)系，可得 (2-1-1) 圖2-1-1雙極天線結(jié)構(gòu)示意圖 sincoscosPOOAOPPOOPOA2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)）圖 2-1-2雙極天線的坐標(biāo)系統(tǒng) 利用該式可得(2-1-2) 由自由空間對稱振子方向函數(shù)和負(fù)鏡像陣因子按方向圖乘積定理得 (2-1-3) 2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)）22sincos1sin)sinsin(2sincos1cos)sincoscos(),(22kHklklf2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)）圖 2-1-3雙極天線方向圖隨臂長l的變化(H=0.

3、25)(a) l=0.25; (b) l=0.5; (c) l=0.65; (d) l=0.75; (e) l=1.0; (f) l=1.22.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)）圖 2-1-4雙極天線方向圖隨架高H的變化(l=/4)(a) H=0.25; (b) H=0.5; (c) H=0.75; (d) H=1.0; (e) H=1.25; (f) H=1.752.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)） 在討論自由空間天線方向性時，一般取互相正交的E面和H面；在研究地面上的天線方向性時，一般取鉛垂平面和水平平面。所謂的鉛垂平面是指與地面垂直且通過天線最大輻射方向的垂直平面。水平平面是指對應(yīng)一定

4、的仰角，固定r，觀察點(diǎn)P饒z軸旋轉(zhuǎn)一周的所在平面，在該平面上P點(diǎn)場強(qiáng)隨變化的相對大小即為雙極天線的水平平面方向圖。1) 垂直平面方向圖垂直平面方向圖圖2-1-2中，=0的xOz面即為雙極天線的垂直平面。將=0代入式(2-1-3), 可得 fxOz(,=0)=|1-coskl|2 sin(kHsin)| (2-1-4) 垂直平面方向圖的特點(diǎn)： （1）只與H/有關(guān)，而與l/無關(guān)。 （2）沿地面均無輻射，不能用作地面波通信。（3）當(dāng)H/ 0.25或H/ 0.3時，最大輻射方向在 = 900，在 =60 900范圍內(nèi)場強(qiáng)變化不大，即在此條件下天線具有高仰角輻射性能，我們稱其為高射天線，常用于天波通信。

5、2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)） （4） H/ 0.3時，最強(qiáng)輻射方向不止一個， H/ 越大，波瓣數(shù)越多，靠近地面的第一波瓣m1越低。第一波瓣的最大輻射仰角m1可根據(jù)式(2-1-4)求出，令 sin (kHsinm1)=1得 m1=arcsin( /4H) (2-1-5)在架設(shè)天線時，應(yīng)使天線的最大輻射仰角m1等于通信仰角0。根據(jù)通信仰角0就可求出天線架設(shè)高度H，即 H= /(4sin 0) (2-1-6) 因此，通信仰角越低，通信越遠(yuǎn)，要求架設(shè)高度越高。 （5）當(dāng)?shù)孛娌皇抢硐雽?dǎo)電地時，方向圖的變化規(guī)律與理想導(dǎo)電地基本相同。不同地質(zhì)對方向性的影響不大。2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)

6、）2) 水平平面方向圖水平平面方向圖 水平平面的場強(qiáng)既不是單純的垂直極化波，也不是單純的水平極化波。方向函數(shù)如式(2-1-3)所示(式中固定)，即方向函數(shù)是下列陣因子與元因子的乘積: f陣()=2|sin (kHsin)| (2-1-7) (2-1-8)因為陣因子與方位角無關(guān)，所以水平平面內(nèi)的方向圖形狀僅由元因子f1(，)決定。221sincos1cos)sincoscos(),(klklf2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)） 由圖可以看出： （1）水平平面方向圖與架高無關(guān)。（2）水平平面方向圖的形狀取決于l/，方向圖的變化規(guī)律與自由空間對稱振子的相同。當(dāng) l/ 0.7時，在 = 00方向輻

7、射很小或沒有輻射。因此，一般要求選擇天線長度l/ 0.7。圖 2-1-5l/=0.25時雙極天線水平平面方向圖(a) =20; (b) =40; (c) =60 2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)）（3）仰角越大，水平平面方向性越不顯著。 對于雙極天線的水平平面和垂直平面方向圖，可得如下結(jié)論：（1）天線長度只影響水平平面方向圖，而對垂直平面方向圖無影響；（2）天線架設(shè)不高(H/ 0.3)時，在高仰角方向輻射最強(qiáng)，但方向性不強(qiáng)，對架設(shè)方位要求不嚴(yán)格；（3）當(dāng)遠(yuǎn)距離通信時，應(yīng)該根據(jù)通信仰角確定架設(shè)高度；（4）為了保證最大輻射方向在 = 00方向，應(yīng)該使 l/ 0.7。2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極

8、天線（續(xù)）2. 雙極天線的輸入阻抗雙極天線的輸入阻抗地面對天線輸入阻抗的影響，可用天線的鏡像來代替，然后用耦合振子理論來計算。應(yīng)當(dāng)說明的是,由于實際地面的電導(dǎo)率為有限值，因此用鏡像法和耦合振子理論所得的結(jié)果誤差較大，一般往往通過實際測量來得出天線的輸入阻抗隨頻率的變化曲線。圖2-1-7即是一副雙極天線的輸入阻抗隨頻率的變化曲線。圖 2-1-7l=20 m、H=6 m的雙極天線輸入阻抗2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)）3. 方向系數(shù)方向系數(shù)天線的方向系數(shù)可由下式求得： (2-1-9)式中, f(m1,)為天線在最大輻射方向的方向函數(shù)，Rr為天線的輻射阻抗。f(m1,)和Rr二者應(yīng)歸算于同一電

9、流。對雙極天線而言，Rr=R11-R12，R11是振子的自輻射電阻，R12是振子與其鏡像之間(相距2H)的互輻射阻抗。rmRfD),(120122.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)）圖 2-1-8雙極天線的Dl/關(guān)系曲線2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)）4. 雙極天線的尺寸選擇雙極天線的尺寸選擇1) 臂長的選擇原則臂長的選擇原則(1) 從水平平面方向性考慮。為保證在工作頻率范圍內(nèi)，天線的最大輻射方向不發(fā)生變動，應(yīng)選擇振子的臂長l0.7min，其中min為最短工作波長，滿足此條件時，最大輻射方向始終在與振子垂直(即 =0)的平面上。 (2) 從天線及饋電的效率考慮。 若要求饋線上的行波系數(shù)不

10、小于0.1，由圖2-1-9可見，通常要求l0.2考慮電臺在波段工作，則應(yīng)滿足 l0.2max (2-1-10)綜合以上考慮，天線長度應(yīng)為 0.2maxl0.7min (2-1-11)2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)）圖 2-1-9饋線上行波系數(shù)Kl/關(guān)系曲線(饋線特性阻抗為600 )2.1.1雙極天線（續(xù)）雙極天線（續(xù)）2) 天線架高天線架高H的選擇的選擇如果通信距離較遠(yuǎn)，則應(yīng)當(dāng)使天線的最大輻射方向m1與所需的射線仰角0一致，根據(jù)式(2-1-6)計算天線架設(shè)高度H，即 (2-1-12)2.1.2籠形天線籠形天線對于雙極天線，可以加粗其導(dǎo)線直徑來降低特性阻抗，展寬工作頻帶。實際工作中常用幾根

11、導(dǎo)線排成圓柱形組成振子的兩臂，這樣既能有效地增加天線的等效直徑，又能減輕天線重量，減少風(fēng)的阻力，節(jié)約材料，這就是籠形天線，其結(jié)構(gòu)如圖2-1-10所示。天線臂通常由68根細(xì)導(dǎo)線構(gòu)成，每根導(dǎo)線直徑為35 mm，籠形直徑約為13 m，其特性阻抗為250400 。因特性阻抗較低，天線輸入阻抗在波段內(nèi)變化較平緩，故可以展寬使用的波段。0sin4H2.1.2籠形天線（續(xù)）籠形天線（續(xù)）圖 2-1-10籠形天線結(jié)構(gòu)示意圖 2.1.2籠形天線（續(xù)）籠形天線（續(xù)）籠形天線的等效半徑ae可按下式計算: (2-1-14)其中，a為單根導(dǎo)線半徑； b為籠形半徑； n為構(gòu)成籠的導(dǎo)線根數(shù)。若取a2 mm，b1.5 m，n

12、8，則ae0.85 m，上述64 m雙極天線的特性阻抗為353.6 。 為了進(jìn)一步展寬籠形天線的工作頻帶，可將籠形天線改進(jìn)為分支籠形天線，如圖2-1-11(a)所示，其等效電路如圖2-1-11(b)所示，開路線3-5、 4-6與短路線3-7-4(分支)有著符號相反的輸入阻抗，調(diào)節(jié)短路線的長度，即改變3和4(參見圖2-1-11(a)在籠形上的位置，可以改善天線的阻抗特性，展寬頻帶寬度。nenaabb2.1.2籠形天線（續(xù)）籠形天線（續(xù)） 除了采用加粗振子臂直徑的方法來展寬阻抗帶寬外，還可以將雙極天線的臂改成其它形式，如圖2-1-12所示的籠形構(gòu)造的雙錐天線、 圖2-1-13所示的扇形天線等。在米

13、波波段可應(yīng)用平面片形臂，如圖2-1-14所示。圖 2-1-11 分支籠形天線(a) 結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 等效電路2.1.2籠形天線（續(xù)）籠形天線（續(xù)）圖 2-1-12 籠形構(gòu)造的雙錐天線圖 2-1-13 扇形天線圖 2-1-14 平面片形對稱振子2.1.3 V形對稱振子形對稱振子 如果對稱振子的兩臂不排列在一條直線上，而是張開20， 構(gòu)成如圖2-1-15所示的V形對稱振子(Vee Dipole)，則可提高方向系數(shù)。V形天線的設(shè)計任務(wù)是選擇適當(dāng)?shù)膹埥?0，使得兩根直線段所產(chǎn)生的波瓣指向同一方向。圖2-1-15 V形對稱振子2.1.3 V形對稱振子（續(xù)）形對稱振子（續(xù)） 設(shè)線上電流按正弦分布，仿

14、照1.4節(jié)由電基本振子的場通過積分求對稱振子場的方法，可求得這一駐波單導(dǎo)線的遠(yuǎn)區(qū)場為 (2-1-15) V形振子的另一個臂的輻射場也可用上述方法求出。在V形振子張角平分線方向上，即上式中, =0，兩臂的輻射場振幅相等、 相位相同，疊加可得V形振子角平分線上的輻射場為 (2-1-16)jjcos10jj60( , , )jsinsin()decoscosjcos sin30=jesinlkrkzmklkrmIeErklkz ezrklklIr 0jcos0jecosjcossin60( , , )jesinklkrmklklIErr 2.1.3 V形對稱振子（續(xù)）形對稱振子（續(xù)）可求出V形振子角

15、平分線方向上的方向系數(shù)，如圖2-1-16所示。對應(yīng)于最大方向系數(shù)的張角稱為最佳張角2opt，一般來說，l/值愈大，2opt值也就愈小。對于0.5l/3.0 的V形天線, 有如下的經(jīng)驗公式：0 . 35 . 1 1625 .705 .1125 . 15 . 0 32438815222opt2optllllll2.1.3 V形對稱振子（續(xù)）形對稱振子（續(xù)）圖 2-1-16 V形振子的方向系數(shù)2.1.3 V形對稱振子（續(xù)）形對稱振子（續(xù)） 2opt的單位以度表示，對應(yīng)的角平分線上的最大方向系數(shù)為 (2-1-18)2.1.4 電視發(fā)射天線電視發(fā)射天線1. 電視發(fā)射天線的特點(diǎn)和要求電視所用的112頻道是

16、甚高頻(VHF)，其頻率范圍為48.5223 MHz； 1368頻道是特高頻(UHF)，其頻率范圍為470958 MHz。由于電視信號主要以空間波傳播，因而電視臺的服務(wù)范圍直接受到天線架設(shè)高度的限制。為了擴(kuò)大電視臺的服務(wù)區(qū)域，一般要架設(shè)在高大建筑物的頂端或?qū)Ｓ玫碾娨曀?，要求防雷、穩(wěn)固、防冰凌等。 如果電視演播中及其發(fā)射中心在城市中心，要求在水平平面內(nèi)具有全向性；如果在城市邊緣，要求水平平面內(nèi)具有一定方向性。35 . 0 15. 194. 2llD2.1.4 電視發(fā)射天線（續(xù)）電視發(fā)射天線（續(xù)）要求采用水平極化，以減小干擾。 天線帶寬要足夠?qū)?，天線與饋線要阻抗匹配。2. 旋轉(zhuǎn)場天線旋轉(zhuǎn)場天線對

17、于電視及調(diào)頻廣播發(fā)射天線，要求它為水平平面全向天線，即水平平面的方向圖近似一個圓，從而保證各個方向都接收良好。為得到近似于圓的水平方向圖，可以采用旋轉(zhuǎn)場天線。 設(shè)有兩個電基本振子在空間相互垂直放置，如圖2-1-17所示，饋給兩個振子的電流大小相等，相位相差90，則在振子組成的平面內(nèi)的任意點(diǎn)上，兩個振子產(chǎn)生的場強(qiáng)分別為 (2-1-19)sin(cos)cos(sin21krtAEkrtAE2.1.4 電視發(fā)射天線（續(xù)）電視發(fā)射天線（續(xù)） 在兩振子所處的平面內(nèi)，兩振子輻射電場方向相同，所以總場強(qiáng)就是兩者的代數(shù)和，即 E=E1+E2=Asin (t+-kr) (2-1-20)圖 2-1-17 相互垂

18、直的電基本振子2.1.4 電視發(fā)射天線（續(xù)）電視發(fā)射天線（續(xù)） 由式(2-1-20)可見，在某一瞬間(如t=0)，在振子所在平面內(nèi)的方向圖為一個“8”字形，而在任一點(diǎn)處，E又是隨時間而變化的，變化角頻率為。也就是說，在任何瞬間，天線在該平面內(nèi)的方向圖為“8”字形，但這個“8”字形的方向圖隨著時間的增加，圍繞與兩振子相垂直的中心軸以角頻率旋轉(zhuǎn)，故這種天線稱為旋轉(zhuǎn)場天線。天線的穩(wěn)態(tài)方向圖為一個圓，如圖2-1-18(a)所示。圖 2-1-18 由電基本振子和半波振子組成的旋轉(zhuǎn)場天線的方向圖(a) 電基本振子組成旋轉(zhuǎn)場天線； (b) 半波振子組成旋轉(zhuǎn)場天線2.1.4 電視發(fā)射天線（續(xù)）電視發(fā)射天線（續(xù)

19、） 在與兩個振子相垂直的中心軸上，場強(qiáng)是一個常數(shù)，因為此時電場而且在該中心軸上電場是圓極化場。 如果把基本振子用兩個半波振子來代替，就是實際工作中常用的一種旋轉(zhuǎn)場天線，其方向圖與前者相比略有不同，與一個圓相比約有5%的起伏變化，如圖2-1-18(b)所示。在半波振子組成的平面內(nèi)，合成場為 (2-1-21)AkrtkrtAE)(sin)(cos22coscoscossin22cossinsincosEAtt2.1.4 電視發(fā)射天線（續(xù)）電視發(fā)射天線（續(xù)）3. 蝙蝠翼天線蝙蝠翼天線電視發(fā)射天線的種類很多，目前在VHF頻段廣泛采用的一種是蝙蝠翼天線。它是由半波振子逐步演變而來的，如圖2-1-19所示

20、，為了滿足寬頻帶的要求，采用粗振子天線； 為了減輕天線重量，用平板代替圓柱體； 為了減少風(fēng)阻，以用鋼管或鋁管做成的柵板來代替金屬板； 為了防雷擊，還加入接地鋼管，在E-E處短路，并在中央鋼管中間饋電。圖2-1-20為蝙蝠翼天線的結(jié)構(gòu)示意圖。2.1.4 電視發(fā)射天線（續(xù)）電視發(fā)射天線（續(xù)）圖 2-1-19 蝙蝠翼天線的演變過程 2.1.4 電視發(fā)射天線（續(xù)）電視發(fā)射天線（續(xù)）圖 2-1-20 蝙蝠翼天線結(jié)構(gòu)示意圖2.1.4 電視發(fā)射天線（續(xù)）電視發(fā)射天線（續(xù)） 實際應(yīng)用時，為了在水平平面內(nèi)獲得近似全向性，可將兩副蝙蝠翼面在空間呈正交。為了增加天線的增益，可增加蝙蝠翼的層數(shù)，兩層間距為一個波長，如

21、圖2-1-21所示。圖2-1-21 多層旋轉(zhuǎn)場蝙蝠翼天線 2.2 直直 立立 天天 線線 由于地面波傳播時，水平極化波的衰減遠(yuǎn)大于垂直極化波，因此在長波和中波波段主要使用垂直接地的直立天線，如圖2-2-1所示，也稱單極天線。在短波和超短波波段，由于天線并不長，外形像鞭，故又稱為鞭狀天線。 圖 2-2-1 直立天線示意圖2.2.1 鞭狀天線鞭狀天線 鞭狀天線是一種應(yīng)用相當(dāng)廣泛的水平平面全向天線，最常見的鞭狀天線就是一根金屬棒，在棒的底部與地之間進(jìn)行饋電，如圖2-2-1所示。為了攜帶方便，可將棒分成數(shù)節(jié)，節(jié)間可采取螺接、 拉伸等連接方法，如圖2-2-2所示。 圖2-2-2 鞭狀天線的幾種連接方法(

22、a) 螺接式； (b) 拉伸式 2.2.1 鞭狀天線鞭狀天線(續(xù)續(xù))1. 鞭狀天線電性能1) 極化 鞭狀天線是一種垂直極化天線。2) 方向圖及方向系數(shù) 與自由空間對稱振子的一樣，只是只取上半空間。3) 有效高度有效高度是直立天線的一個重要指標(biāo)，可以定義如下： 假想有一個等效的直立天線，其均勻分布的電流是鞭狀天線輸入端電流，它在最大輻射方向(沿地表方向)的場強(qiáng)與鞭狀天線的相等，則該等效天線的長度就稱為鞭狀天線的有效高度he。圖 2-2-3 鞭狀天線的有效高度 2.2.1 鞭狀天線鞭狀天線(續(xù)續(xù)) 如圖2-2-3所示，假設(shè)鞭狀天線上的電流分布為 I(z)=I0sink(h-z)/sin(kh) (

23、2-2-1)其中, I0是天線輸入端電流I(0); h為鞭狀天線的高度。依據(jù)有效高度定義，得 (2-2-2)當(dāng)h/0.46 的圓錐型螺旋天線。圖 2-2-20 螺旋鞭天線圖 2-2-21 螺旋天線的三種輻射狀態(tài) (a) 邊射型(D/0.46)2.2.3 螺旋鞭天線螺旋鞭天線(續(xù)續(xù)) 可以將螺旋鞭天線看成由N個單元組成，每個單元又由一個小環(huán)和一電基本振子構(gòu)成，如圖2-2-22所示，由于環(huán)的直徑很小，合成單元上的電流可以認(rèn)為是等幅同相的。小環(huán)的輻射場只有E分量，即 (2-2-14)krIrIEj222esinD30圖 2-2-22 螺旋鞭天線一圈的等效示意圖2.2.3 螺旋鞭天線螺旋鞭天線(續(xù)續(xù))

24、式中D為小環(huán)的直徑。電基本振子的輻射場只有E分量，即 (2-2-15)式中l(wèi)為螺距。 一圈的總輻射場為上兩式的矢量和。兩個相互垂直的分量均具有sin的方向圖，并且相位差為90，合成電場是橢圓極化波。橢圓極化波的長軸與短軸之比稱為軸比，用AR表示，即 (2-2-16) krlrIEje sin60j2)(2|AR|DlEE2.2.4 中饋鞭狀天線中饋鞭狀天線常用的鞭狀天線是在底部饋電的直立單極天線，又稱底饋天線。當(dāng)鞭狀天線安裝在車輛上時，天線與車體之間存在較強(qiáng)的電磁耦合，隨著車型或在車上的安裝位置的改變，天線的輸入阻抗也會隨之變化，原來設(shè)計好的匹配裝置將失去原有效能。中饋鞭狀天線可以克服這一缺點(diǎn)

25、。圖2-2-23為中饋鞭狀天線示意圖。天線由兩部分組成，一部分為輻射體，另一部分為基座。圖 2-2-23 中饋鞭狀天線示意圖(a) 結(jié)構(gòu)圖； (b) 原理圖； (c) 等效偶極天線2.2.4 中饋鞭狀天線中饋鞭狀天線圖 2-2-23 中饋鞭狀天線示意圖(a) 結(jié)構(gòu)圖； (b) 原理圖； (c) 等效偶極天線2.2.5 寬頻帶直立天線寬頻帶直立天線 在許多應(yīng)用中，都要求天線能在較寬的頻率范圍內(nèi)有效地工作。通常，當(dāng)天線的相對帶寬達(dá)百分之幾十以上時，則稱之為寬頻帶天線，如雙錐天線，盤錐天線和套筒天線等。圖 2-2-24 雙錐天線2.2.5 寬頻帶直立天線（續(xù)）寬頻帶直立天線（續(xù)）1. 盤錐天線盤錐天

26、線盤錐天線出現(xiàn)于1945年，結(jié)構(gòu)如圖2-2-25所示，它由一個圓盤和圓錐構(gòu)成，二者之間有一間隙。盤錐天線通常用于VHF和UHF頻段，作為水平面全向的垂直極化天線，可以在5 1的頻率范圍內(nèi)保持與50同軸饋線上的駐波比不大于1.5。圖2-2-25 盤錐天線2.2.5 寬頻帶直立天線（續(xù)）寬頻帶直立天線（續(xù)） 圓盤直徑D的大小對天線方向圖影響很大。若直徑過大，相當(dāng)于在錐頂上加了一塊相當(dāng)大的金屬板，會減小高于水平方向處的場強(qiáng)； 若直徑太小，又會破壞天線的阻抗寬帶特性，而且使天線方向圖主瓣明顯偏離水平方向。盤錐天線存在最佳設(shè)計尺寸，實驗中得出的一組最佳尺寸為S=0.3Cmin，D0.7Cmax，取錐角h

27、=30，Cmin=L/22，其中L為錐的斜高。該天線的H面方向圖為圓，即水平平面是全向的。E面即垂直平面方向圖如圖2-2-26 所示，由圖可見，在頻率較低時，此結(jié)構(gòu)小于一個波長，方向圖與短振子類似； 如果頻率增高，由于盤的電尺寸增大，輻射波瓣被限制在下半空間。 2.2.5 寬頻帶直立天線（續(xù)）寬頻帶直立天線（續(xù)）圖 2-2-26 盤錐天線垂直平面方向圖(f0=1000 MHz, L=21.3cm=0.71, Cmax=19.3 cm=0.64, h=27)(a) 500 MHz; (b) 1000 MHz; (c) 1500 MHz 2.2.5 寬頻帶直立天線（續(xù)）寬頻帶直立天線（續(xù)） 為了降

28、低重量并減小風(fēng)的阻力，盤錐天線可設(shè)計成線狀結(jié)構(gòu)，即用輻射狀的金屬棒取代金屬片，如圖2-2-27所示。為攜帶方便，有時也采用傘狀結(jié)構(gòu)，不用時可收成一束。 圖 2-2-27 線狀結(jié)構(gòu)示意圖2.2.5 寬頻帶直立天線（續(xù)）寬頻帶直立天線（續(xù)） 2. 套筒天線套筒天線圖2-2-28示出了兩種套筒天線，套筒的外表面起輻射元的作用，圖2-2-28(a)中的箭頭表示當(dāng)L+L/2時電流的極性，套筒外表面上的電流與單極天線的上部分的電流幾乎是同相的，電流的最大值出現(xiàn)在套筒天線的底部。 圖 2-2-28 套筒天線結(jié)構(gòu)2.2.5 寬頻帶直立天線（續(xù)）寬頻帶直立天線（續(xù)） 為了使問題簡化，假設(shè)沿高度h天線具有均勻截面

29、和等值半徑ae(aiaeao，其中ao為套筒半徑，ai為輻射器半徑)，并假設(shè)地面是無限大理想導(dǎo)電平面，由鏡像原理可得圖2-2-29所示的等效天線，這一天線可看成是兩個不對稱激勵的天線的疊加。不對稱激勵天線可以看做是兩個單極接地天線組成的，如圖2-2-30所示。由于單極天線的輸入阻抗等于同等臂長對稱振子輸入阻抗的一半，因此不對稱天線的輸入阻抗等于兩臂各自構(gòu)成的對稱振子的輸入阻抗的平均值，即 (2-2-17)式中, Zin1為臂長等于L的對稱振子的輸入阻抗； Zin2為臂長等于L+2L的對稱振子的輸入阻抗。2in2in1inZZZ2.2.5 寬頻帶直立天線（續(xù)）寬頻帶直立天線（續(xù)）圖2-2-29

30、套筒天線的分析2.2.5 寬頻帶直立天線（續(xù)）寬頻帶直立天線（續(xù)）圖 2-2-30 不對稱天線的分析2.2.5 寬頻帶直立天線（續(xù)）寬頻帶直立天線（續(xù)） 實驗結(jié)果表明，當(dāng)L/L=2.25時，在4 1的帶寬內(nèi)天線有最佳方向圖，即對頻率來說,方向性幾乎是不變的，表2-2-1列出了最佳方向圖設(shè)計的套筒天線的技術(shù)規(guī)格。表表2-2-1 最佳方向圖設(shè)計的套筒天線的技術(shù)規(guī)格最佳方向圖設(shè)計的套筒天線的技術(shù)規(guī)格2.2.5 寬頻帶直立天線（續(xù)）寬頻帶直立天線（續(xù)） 用靠近內(nèi)導(dǎo)體兩側(cè)的兩根導(dǎo)線(寄生元)來代替套筒就構(gòu)成了開式套筒天線，其帶寬可達(dá)一倍頻程。圖 2-2-31 開式套筒天線2.3 環(huán)形天線環(huán)形天線 環(huán)形天

31、線包括小環(huán)形天線和大環(huán)形天線。如果環(huán)形天線的周長不大于0.2，則稱為小環(huán)形天線，其沿線的電流振幅和相位變化不大，近似為均應(yīng)分布。當(dāng)環(huán)的周長與波長可以相比擬，稱為大環(huán)形天線，屬于諧振天線。小環(huán)形天線主要用于側(cè)向和廣播接收，大環(huán)形天線主要用于廣播和通信。2.3.1 小環(huán)天線小環(huán)天線如圖2-3-1所示的小環(huán)天線的輻射場為(2-3-1) (2-3-2)其中，I為環(huán)線上的電流， S為環(huán)的面積。krSrIEj22e sin120120EH2.3.1 小環(huán)天線（續(xù)）小環(huán)天線（續(xù)）小環(huán)天線的輻射電阻為 (2-3-3) 42422320)(20SSkRr圖 2-3-1 環(huán)形天線坐標(biāo)2.3.1 小環(huán)天線（續(xù)）小環(huán)

32、天線（續(xù)） 當(dāng)電尺寸很小時，小環(huán)天線實際上相當(dāng)于一個帶有少量輻射的電感器，它的輻射電阻很小，其值通常小于導(dǎo)線的損耗電阻Rl，因而天線輻射效率很低，其效率由下式計算: (2-3-4) 通常假設(shè)小環(huán)的損耗電阻與長度為環(huán)周長的直導(dǎo)線的損耗電阻相同。設(shè)環(huán)線的電導(dǎo)率為，導(dǎo)線半徑為a，環(huán)半徑為b，則歐姆損耗電阻為 (2-3-5) rArlRRRSlRabR 2.3.1 小環(huán)天線（續(xù)）小環(huán)天線（續(xù)） 小環(huán)天線輻射電阻小，效率低，因而在無線電通信中很少用它作發(fā)射天線，在一些通信應(yīng)用中，常用它作接收天線，因為在接收情況下，天線效率沒有信噪比那樣重要。小環(huán)天線的方向系數(shù)D=1.5，其有效接收面積為 (2-3-6)

33、【例例2-3-1】 設(shè)均勻電流的小環(huán)半徑為/25，求環(huán)的幾何面積，并把該面積與有效接收面積比較。解解 幾何面積為 有效接收面積為AAeDA2283423221003. 525 bSAAeSA66.231003. 5119. 02322230.1198AeAA 2.3.1 小環(huán)天線（續(xù)）小環(huán)天線（續(xù)） 為提高天線輻射電阻，多匝小環(huán)是一種非常可取而且很實用的結(jié)構(gòu)，小電偶極振子卻沒有這個優(yōu)點(diǎn)。由于多匝小環(huán)天線(簡稱多環(huán)天線)具有電尺寸小(其繞制導(dǎo)線總長度小于/2，通常為/4左右)、 較隱蔽、 相對尺寸而言增益較高、 結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而在背負(fù)或車載電臺、 船舶中的高頻電臺、 地震遙測系統(tǒng)中都有使用，

34、適用的頻率范圍為2300MHz。N匝小環(huán)天線的輻射電阻為單匝值的N2倍，即 (2-3-7) 對于多匝環(huán)的損耗電阻，緊挨著的環(huán)的鄰近效應(yīng)引起的附加損耗電阻可能大于趨膚效應(yīng)引起的損耗電阻，N匝環(huán)總的損耗電阻為4222222320)(20SNSkNRrN10RRRaNbRpSlN2.3.1 小環(huán)天線（續(xù)）小環(huán)天線（續(xù)）【例例2-3-2】 設(shè)小環(huán)天線的半徑為/25，導(dǎo)線半徑為10-4，匝間距為410-4，天線導(dǎo)線是銅制的，電導(dǎo)率為5.7107(S/m)。試求工作在f=100 MHz的單匝和8匝小圓環(huán)天線的輻射效率(已知Rp/R0=0.38)。解解 單匝環(huán)的輻射電阻為8匝環(huán)的輻射電阻為Rr8=0.788

35、82=50.43 ()單匝環(huán)的損耗電阻為8匝環(huán)的損耗電阻為 244423203200.788 25rSR 8-70471 104 101.053 225 105.7 10lbRa 80818 1.053 (0.38 1)11.62 pllRRRR 2.3.1 小環(huán)天線（續(xù)）小環(huán)天線（續(xù)） 單匝環(huán)的輻射效率為8匝環(huán)的輻射效率為 提高小環(huán)天線效率的另一種方法是在環(huán)線內(nèi)插入高磁導(dǎo)率鐵氧體磁芯，以增加磁場強(qiáng)度，從而提高輻射電阻，這種形式的天線稱為磁棒天線，如圖2-3-2所示。磁棒天線的輻射電阻Rr由下式給出： (2-3-9)其中，Rr是空心環(huán)天線的輻射電阻，e是鐵氧體磁芯的有效磁導(dǎo)率。%8 .4205

36、3. 1788. 0788. 0A%3 .8162.1143.5043.508A20errRR2.3.1 小環(huán)天線（續(xù)）小環(huán)天線（續(xù)）2.3.2 電流非均勻分布的大環(huán)天線電流非均勻分布的大環(huán)天線1. 大圓環(huán)天線大圓環(huán)天線環(huán)的半徑加大以后，必須考慮沿環(huán)電流的振幅和相位分布。J.E.Storer分析獲得了單匝圓環(huán)上的電流振幅及相位分布, 如圖2-3-3所示。其中角如圖2-3-1所示，環(huán)天線的幾何特征參量用=2ln (2b/a)表示，其中a為導(dǎo)線半徑，b為環(huán)的半徑。圖 2-3-2 磁棒天線2.3.2 電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）圖 2-3-3 圓環(huán)天線的電流分布(=2

37、ln(2b/a)=10)(a) 振幅分布； (b) 相位分布2.3.2 電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）由圖可見，當(dāng)kb=0.1時, 電流近似于均勻分布；當(dāng)kb=0.2時，電流變化稍大；當(dāng)kb再增加時, 電流變化就很大了。根據(jù)這些結(jié)果，當(dāng)環(huán)參數(shù)遠(yuǎn)大于kb=0.2(半徑遠(yuǎn)大于0.030.04)時就不能認(rèn)為是小環(huán)了。 環(huán)形天線坐標(biāo)如圖2-3-1所示，設(shè)環(huán)上電流按下式分布：I=Im cos (2-3-10) 兩個平面的方向函數(shù)為yOz平面: f()=cosJ0(sin)+J2(sin) (2-3-17)xOz平面:f()=J0(sin)-J2(sin) (2-3-18)根

38、據(jù)上述兩式畫出的方向圖如圖2-3-4所示。 2.3.2 電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）圖 2-3-4 一個波長的圓環(huán)天線方向圖(a) yOz平面； (b) xOz平面2.3.2 電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)） 天線輸入阻抗如圖2-3-5所示。圖中畫出了在kb=C/2.5 時輸入阻抗隨周長C(以波長計)的變化關(guān)系。由圖可見，天線具有明顯的諧振特性，當(dāng)電尺寸kb較小時，小環(huán)呈感抗性質(zhì)。當(dāng)環(huán)周長大約是/2時發(fā)生第一個諧振點(diǎn)，其形狀十分尖銳; 當(dāng)環(huán)的線徑增加時，諧振特性很快消失; 若=2ln(2b/a)9，阻抗曲線上就只有一個明顯的并聯(lián)諧振點(diǎn)

39、。 圖2-3-6給出了不同尺寸時環(huán)的軸線方向(z軸)上的方向系數(shù)。 2.3.2 電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）圖 2-3-5 圓環(huán)天線的輸入阻抗(a) 電阻； (b) 電抗2.3.2 電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）圖 2-3-6 圓環(huán)天線軸向方向系數(shù)2.3.2 電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）2. 雙環(huán)天線雙環(huán)天線將兩個周長約等于一個波長的大圓環(huán)通過平行雙導(dǎo)線并聯(lián)起來，在平行雙導(dǎo)線的中點(diǎn)饋電就構(gòu)成了雙環(huán)天線，如圖2-3-7所示。平行雙導(dǎo)線的長度通常選為(0.30.5)。在實用中, 為了提高增益，還可以將幾組

40、這樣的環(huán)通過0.5的平行雙導(dǎo)線串聯(lián)起來。根據(jù)環(huán)的數(shù)目，這些環(huán)組分別稱為2L形、 4L形、 6L形雙環(huán)天線，如圖2-3-8所示。圖 2-3-7 雙環(huán)天線結(jié)構(gòu)圖2-3-8 雙環(huán)天線陣(a) 2L形； (b) 4L形； (c) 6L形2.3.2 電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)）電流非均勻分布的大環(huán)天線（續(xù)） 當(dāng)kb1時，大圓環(huán)上的電流基本上按余弦分布，輸入電抗約為零， 輸入電阻約為100。環(huán)上電流如圖2-3-9(a)箭頭所示，環(huán)的上邊和下邊是同方向的，它可以等效為兩個同方向間距0.27的半波振子。因此，一個2L形雙環(huán)天線即可等效為如圖2-3-7(b)所示的四個半波對稱振子的天線陣，因而提高了增益。圖

41、2-3-9 2L形雙環(huán)天線及其等效天線(a) 雙環(huán)天線上的電流分布； (b) 等效半波振子陣2.3.3 加載圓環(huán)天線加載圓環(huán)天線 若在小環(huán)天線的中點(diǎn)串入適當(dāng)數(shù)值的電阻，則可以使得沿線電流近似行波分布，這種天線稱為加載圓環(huán)天線，圖2-3-11 所示，其具有良好的寬頻帶特性，且為單向輻射。圖 2-3-11 加載圓環(huán)天線2.4 引向天線與背射天線引向天線與背射天線 引向天線最早由日本Uda(宇田)用日文(1926年)，Yagi(八木)用英文(1927年)先后作了介紹，故常稱“八木宇田”天線。它是一個緊耦合的寄生振子端射陣，結(jié)構(gòu)如圖2-4-1所示，由一個(有時由兩個)有源振子及若干個無源振子構(gòu)成。其中

42、稍長于有源振子的無源振子起反射能量的作用，稱為反射器； 較有源振子稍短的無源振子起引導(dǎo)能量的作用，稱為引向器。無源振子起引向或反射作用的大小與它們的尺寸及離開有源振子的距離有關(guān)。2.4 引向天線與背射天線引向天線與背射天線(續(xù)續(xù)) 圖 2-4-1 引向天線2.4 引向天線與背射天線引向天線與背射天線(續(xù)續(xù)) 2.4.1 引向天線的工作原理引向天線的工作原理1. 引向器引向器(Director)與反射器與反射器(Reflector)為了分析產(chǎn)生“引向”或“反射”作用時振子上的電流相位關(guān)系，我們先觀察兩個有源振子的情況。設(shè)有平行排列且相距/4的兩個對稱振子，如圖2-4-2所示。圖 2-4-2 引向

43、天線原理(a) 振子“2”為反射器； (b) 振子“2”為引向器2.4.1 引向天線的工作原理引向天線的工作原理(續(xù)續(xù)) 在一對振子中，振子“2”起引向器或反射器作用的關(guān)鍵不在于兩振子的電流幅度關(guān)系，而主要在于兩振子的間距以及電流間的相位關(guān)系。 實際工作中，引向天線振子間的距離一般在0.10.4之間。 設(shè)I2=mI1ej，間距d=0.10.4，則在M點(diǎn)E2對E1的相位差=+kd。根據(jù)d的范圍, 36kd144。如果0180，即I2的初相超前于I1時，在N點(diǎn)E2對E1超前的電流相位差將與落后的波程差有相互抵消的作用，輻射場較強(qiáng)，所以振子“2”起反射器的作用。如果-1802以后，20.5隨L/的增大下降得相當(dāng)緩慢，所以引向天線的半功率角不可能做到很窄，通常都是幾十度。由表2-4-2還可以看出，引向天線的前后輻射比往往不是很高，即引向天線往往具有較大的尾瓣，這也是不夠理想的。為了進(jìn)一步減小引向天線的尾瓣，可以將單根反射器換成反射屏或“王”形反射器等形式。圖2-4-9為帶“王”字形反射器的引向天線。圖 2-4-9 帶“王”字形反射器的引向天線2.4.2 引向天線的電特性引向天線的電特性(續(xù)續(xù)) 3. 方向系數(shù)和增益系數(shù)方向系數(shù)和增益系數(shù)引向天線的方向系數(shù)可由圖2-4-10估算。一般的引向天線長度L/不是很大，它的方向系數(shù)只有10左