第2章 简单线天线.ppt

BEAConfidential 1 第2章简单线天线 制作 唐慧主讲 唐慧 电波与天线 本章内容 2 1水平对称天线2 2直立天线2 3环形天线2 4引向天线与背射天线 2 1水平对称天线 水平架设天线的理由 架设和馈电方便 地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天线的小 可减小干扰对接收的影响 因为水平对称天线辐射水平极化波 而工业干扰大多为垂直极化波 故可以减少干扰对接收的影响 这对短波通信是有实际意义的 双极天线即水平对称振子 HorizontalSymmetricalDipole 又称 型天线 2 1 1双极天线 结构 双极天线结构简单 架设撤收方便 维护简易 因而是应用广泛的短波天线 适用于天波传播 当天线一臂的长度l 12m或22m时 天线特性阻抗通常为1000 左右 馈线使用H 10m长的双导线 馈线特性阻抗为600 这就是移动通信常用的44m 即2H 2l长度 或64m双极天线 当其架设高度小于0 3 向高空方向 仰角90 辐射最强 宜作300km范围内通信用天线 当天线距离较远时 这种天线增益较低 方向性不强 且工作频段较窄 在分析天线的方向性时 可以把地面看作是理想导电地 因为在大多数情况下水平极化波地面反射系数都接近 1 可用地面下的负镜像天线来代替地面对辐射的影响 1 双极天线的方向性 根据电磁场的镜像原理 讨论一个电流元在无限大理想导电平面上的辐射场时 应满足在该理想导电平面上的切向电场处处为零的边界条件 为此 可在导电平面的另一侧设置一镜像电流元 该镜像电流元的作用就是代替导电平面上的感应电流 使得真实电流元和镜像电流元的合成场在理想导电平面上的切向值处处为零 天线的镜像 水平电流元 负镜像 垂直电流元 正镜像 倾斜电流元 负镜像 电流元的镜像 电流分布不均匀的实际天线 分解成许多电流元 所有电流元的镜像集合起来即为整个天线的镜像 水平线天线的镜像一定为负镜像 垂直对称线天线的镜像为正镜像 对称振子的镜像 天线的镜像 以等幅同向和等幅反向二元阵来处理 以实际天线的电流I为参考电流 当天线的架高为H时 镜像天线相对于实际天线之间的波程差 2kHsin 由实际天线与镜像天线构成的二元阵的阵因子为Fa sin kHsin 天线的镜像 双极天线的坐标系统 XOY平面为地面 由自由空间对称振子方向函数和负镜像阵因子按方向图乘积定理得 双极天线在不同臂长情况下的方向图 在不同架高时的方向图 铅垂平面与地面垂直且通过天线最大辐射方向的垂直平面 鉴于实际天线的臂长l 0 7 单元天线最大辐射方向垂直于对称振子 故取振子的H面为垂直平面 水平平面对应一定的仰角 固定r OP 观察点P绕z轴旋转一周所在的平面 在该平面上P点场强随 变化的相对大小即为双极天线的水平平面方向图 1 垂直平面方向图 0 的xOz面即为双极天线的垂直平面 fxOz 0 1 coskl 2sin kHsin 1 垂直平面方向图只与架设高度H 有关 而与l 无关 这是因为 不管单元振子有多长 元因子在垂直于振子轴的平面内方向图恒为一个圆 故可用改变天线架设高度H 来控制垂直平面内的方向图 2 无论H 为何值 沿地面方向 即 0 方向 均无辐射 这是由于天线与其镜像在该方向的射线行程差为零 且两者电流反相 因而辐射场互相抵消 双极天线不能用作地波通信 垂直平面方向图的特点 3 当H 0 25 0 3时 最大辐射方向在 90 在 60 90 范围内场强变化不大 即此时天线具有高仰角辐射性能 称之为高射天线 通常应用在0 300km内的天波通信中 4 当地面不是理想导电地时 不同架设高度的天线在垂直平面内的方向图的变化规律与理想导电地基本相同 只是场强最大值变小 最小值不为零 最大辐射方向稍有偏移 不同地质对水平振子方向性影响不大 垂直平面方向图的特点 在架设天线时 应使天线的最大辐射仰角 m1等于通信仰角 0 根据通信仰角 0就可求出天线架设高度H 即 当双极天线用作天波通信时 工作距离愈远 通信仰角 0愈低 则要求天线架设高度越高 5 当H 0 3时 最强辐射方向不止一个 H 越高 波瓣数越多 靠近地面的第一波瓣 m1越低 第一波瓣的最大辐射仰角 m1 垂直平面方向图的特点 2 水平平面方向图 水平平面方向图就是在辐射仰角 一定的平面上 天线辐射场强随方位角 的变化关系图 方向函数是地因子与元因子的乘积 1 双极天线水平平面方向图与架高H 无关 因为当仰角一定而 变化时 直射波与反射波的波程差不变 镜像的存在只影响合成场的大小 2 水平平面方向的形状取决于l 方向图的变化规律与自由空间对称振子的相同 一般应选择天线长度l 0 7 3 仰角越大时 水平平面方向性越不显著 因为方向性决定于cos sin 当仰角越大时 的变化引起的场强变化越小 当用双极天线作高仰角辐射时 振子架设的方位对工作影响不大 甚至顺着天线轴线方位仍能得到足够强的信号 水平平面方向图的特点 双极天线方向图随架高的变化 l 4 双极天线方向图随臂长的变化 H 4 双极天线方向图随视角的变化 l 0 75 H 0 65 双极天线的动态方向图 1 天线的长度只影响水平平面方向图 而对垂直平面方向图没有影响 架设高度只影响垂直平面方向图 而对水平平面方向图没有影响 因此控制天线的长度 可控制水平平面的方向图 控制天线架设高度 可控制垂直平面的方向图 2 天线架设不高 H 0 3 时 在高仰角方向辐射最强 因此这种天线可作0 300km距离内的侦听 干扰或通信 又由于高仰角的水平平面方向性不明显 因此对天线架设方位要求不严格 双极天线的辐射特点 3 当远距离通信时 应该根据通信距离选择通信仰角 再根据通信仰角确定天线架设高度 以保证天线最大辐射方向与通信方向一致 4 为保证天线在 0 方向辐射最强 应使天线一臂的电长度l 0 7 一般往往通过实际测量来得出天线的输入阻抗随频率的变化曲线 输入阻抗 l 20m H 6m的双极天线输入阻抗 双极天线的输入阻抗在波段内的变化比较激烈 欲在宽频带内使用双极天线时应当注意 3 方向系数 天线的方向系数可由下式求得 f m1 和Rr二者应归算于同一电流 对双极天线而言 Rr R11 R12 R11是振子的自辐射电阻 R12是振子与其镜像之间 相距2H 的互辐射阻抗 4 尺寸设计 1 臂长l的选择原则 1 从水平平面方向性考虑 为保证在工作频率范围内 天线的最大辐射方向不发生变动 应选择振子的臂长l 0 7 min 其中 min为最短工作波长 满足此条件时 最大辐射方向始终在与振子垂直 即 0 的平面上 2 从天线及馈电的效率考虑 为保证馈电效率 通常要求 l 0 2 考虑电台在波段工作 则应满足l 0 2 max0 2 max l 0 7 min 2 天线架高H的选择选择原则 保证在工作波段内通信仰角方向上辐射较强 如果通信距离在300km以内 可采用高射天线 通常取架设高度H 0 1 0 3 对中小功率电台 双极天线的架设高度在8 15m范围内 此时对天线的架设方位要求不严 如果通信距离较远 则应当使天线的最大辐射方向 m1与所需的射线仰角 0一致 天线架设高度H 即 综上所述 双极天线是一种结构简单 架设维护方便的弱方向性天线 特别适用于半固定式短波电台 主要缺点是工作频带窄 馈线上行波系数很低 特别是在低频端尤为严重 因此 不宜在大功率电台或馈线很长的情况下使用 必要时为了改善馈线上的行波系数 应在馈线上加阻抗匹配装置 笼形天线 为了克服双极天特性阻抗较高 输入阻抗在工作频段内变化较大 馈线上的行波系数很低的缺点 可采用加粗振子直径的办法来降低天线的特性阻抗 改善输入阻抗特性 展宽工作频带 5 性能改善 笼形构造的双锥天线 平面片形对称振子 扇形天线 蝙蝠翼天线的演变过程及其结构示意图 直立天线的应用 在长波和中波波段 由于波长较长 天线架设高度H 受到限制 若采用水平悬挂的天线 受地的负镜像作用 天线的辐射能力很弱 而且在此波段主要采用地面波传播 由于地面波传播时 水平极化波的衰减远大于垂直极化波 因此在长波和中波波段主要使用垂直接地的直立天线 也称单极天线 短波近距离通信和超短波段的极近距离移动通信也要采用表面波的传播方式 因而直立天线还广泛应用于短波和超短波段的移动通信电台中 2 2直立天线 直立天线示意图 结构 直立天线电高度小 从而产生下列问题 辐射电阻小 损耗电阻比较大 天线的效率低 输入电阻小 输入电抗大 类似于短的开路线 Q值很高 工作频带很窄 易产生过压 当输入功率一定时 由于输入电阻小而输入电抗高 使天线输入端电流很大 Pin RinI2in 2 输入电压Uin Iin Rin jXin jIinXin很高 天线顶端的电压更高 易产生过压现象 特点 2 2 1鞭状天线鞭状天线 WhipAntenna 是一种应用相当广泛的水平平面全向天线 a 螺接式 b 拉伸式 鞭状天线是一种垂直极化天线 在理想导电地面上 其辐射场垂直于地面 在实际地面上虽有波前倾斜 但仍属垂直极化波 电性能 1 极化 鞭状天线的镜像分析 鞭状天线的方向图取自由空间对称振子的方向图的上半空间 在理想导电地上 鞭状天线的辐射电阻是相同臂长自由空间对称振子的一半 而方向系数则是相同臂长自由空间对称振子的2倍 2 方向图及方向系数 对称振子方向图 只考虑上半空间 鞭状天线方向图 鞭状天线E面方向图 鞭状天线随天线高度变化的立体方向图 对称振子天线随天线长度变化的立体方向图 鞭状天线立体方向图 假想有一个等效的直立天线 其均匀分布的电流是鞭状天线输入端电流 它在最大辐射方向 沿地表方向 的场强与鞭状天线的相等 则该等效天线的长度就称为鞭状天线的有效高度he 3 有效高度 时 对理想导电地来说 或在有良好的接地系统的情况下 鞭状天线的输入阻抗等于相应对称振子输入阻抗的一半 4 输入阻抗 实际地面上天线的输入电阻包括两部分 即Rin Rr0 Rl0 由于损耗电阻大 同时又由于受到天线高度H的限制 辐射电阻通常很小 故鞭状天线的效率很低 一般情况下仅为百分之几甚至不到1 5 效率 提高鞭状天线的效率 从两方面着手 提高辐射电阻 减小损耗电阻 加顶负载 容性加载 在鞭状天线的顶端加小球 圆盘或辐射叶 这些均称为顶负载 TopLoading 天线加顶负载后 加大了垂直部分顶端对地的分布电容 使天线顶端不是开路点 顶端的电流不为零 电流的增大使远区辐射场也增大了 只要顶线不是太长 天线距地面的高度不是太大 则水平部分的辐射可忽略不计 因此 天线加顶负载后比无顶负载时辐射特性得到了改善 原理 计算顶负载的作用时 可将顶端的电容等效为一段延长线h 设顶端电容为Ca 垂直线段的特性阻抗为Z0 则此等效长度h 可计算如下 容性加载的计算公式 加顶负载天线可以看成是高度为h0 h h 的无顶负载天线 当 h h 很小时 上式可简化为 加顶负载后天线的有效高度 这样在不增加天线实际高度的前提下 增加了天线的有效高度 从而达到提高天线辐射电阻的目的 h 2 加电感线圈 感性加载 加电感线圈改善天线电流分布 在短单极天线中部某点加入一定数值的感抗 就可以部分抵消该点以上线段在该点所呈现的容抗 从而使该点以下线段的电流分布趋于均匀 它对加感点以上线段的电流分布并无改善作用 原理 加感点的位置似乎距顶端愈近愈好 因为线圈仅对加感点以下线段上的电流分布起作用 但靠近顶端容抗很高 要能有效抵消容抗必须加大感抗 即加大线圈的匝数 这不仅增加了重量 也加大了损耗 由于线圈仅对加感点以下线段上的电流分布起作用 加感点的位置也不应选得太低 加感点的位置一般选择在距天线顶端 1 3 1 2 h处 h为天线的实际高度 加感点的选择 降低损耗电阻 鞭状天线的损耗包括天线导体的铜耗 支架的介质损耗