第3章行波天线

1、第第3 3章章 行波天线行波天线 第第3 3章章 行波天线行波天线 3.1 3.1 行波单导线及菱形天线行波单导线及菱形天线 3.2 3.2 螺旋天线螺旋天线行波天线与驻波天线的差别及优缺点：行波天线与驻波天线的差别及优缺点：驻波天线工作在驻波状态，工作频带较窄，效率高于行波天线；驻波天线工作在驻波状态，工作频带较窄，效率高于行波天线；行波天线工作在行波状态，工作频带较宽，但效率低于驻波天线。行波天线工作在行波状态，工作频带较宽，但效率低于驻波天线。第第3 3章章 行波天线行波天线 第一节第一节 行波单导线及菱形天线行波单导线及菱形天线 一、一、 行波单导线行波单导线行波单导线：天线上电流按行

2、波分布的单导线天线。行波单导线：天线上电流按行波分布的单导线天线。天线沿线各点电流振幅相等，相位连续滞后，其馈电点天线沿线各点电流振幅相等，相位连续滞后，其馈电点置于坐标原点。置于坐标原点。 zoRrkz cosldz输入端电流为输入端电流为 I0，忽略沿线电流的衰减，则线上电流分布为：忽略沿线电流的衰减，则线上电流分布为：0( )jkzI zI e 第第3 3章章 行波天线行波天线 分析方法分析方法：把天线分割成许多个电基本振子，取所有电基：把天线分割成许多个电基本振子，取所有电基本振子辐射场的总和，故本振子辐射场的总和，故: :(cos )00(1 cos )0260sin60sinsin

3、1cos 1cos2ljkzjk r zkljjkrIEjeedzrIkljeer方向函数为方向函数为: :sin(1cos )2( )sin(1cos )2klFkl第第3 3章章 行波天线行波天线 (a)(b)(c)m0z52.5z040.5z029mm行波单导线的方向性特点：行波单导线的方向性特点： （1 1）沿导线轴线方向没有辐射。）沿导线轴线方向没有辐射。（2 2）导线长度愈长，最大辐射方向愈靠近轴线方向，同时主）导线长度愈长，最大辐射方向愈靠近轴线方向，同时主瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣数增多。瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣数增多。（3 3）当）当 l/ 很大时，主瓣方向随很大时，主瓣方向随 l

4、/ 变化趋缓，即天线的方向变化趋缓，即天线的方向性具有宽频带特性。性具有宽频带特性。 (a)l=; (b)l=1.5; (c)l=3第第3 3章章 行波天线行波天线 012345624002001601208040Rr /l /0240.05011.50200400l / 辐射电阻Rr方向系数D对称振子对称振子行波单导线天线行波单导线天线辐射阻抗辐射阻抗第第3 3章章 行波天线行波天线 sin(1cos )12mkl sin( )sin(1cos )2(1cos )2klFkl lm21arccos 变化快变化快 行波单导线的方向系数的近似计算公式：行波单导线的方向系数的近似计算公式：10lg

5、5.9710lg(lg0.915)llDdB 最大辐射角最大辐射角第第3 3章章 行波天线行波天线 二、二、 菱形天线菱形天线1 1、 菱形天线的结构和工作原理菱形天线的结构和工作原理增加行波单导线天线的增益的方法：增加行波单导线天线的增益的方法：排阵排阵 用用4 4根行波单导线构成菱形天线。根行波单导线构成菱形天线。接特性阻抗接馈线20lH两线之间的距离变两线之间的距离变化，故菱形线上各化，故菱形线上各点的特性阻抗不等，点的特性阻抗不等，从锐角端的从锐角端的600700变化到钝角变化到钝角处的处的1000。引起。引起天线上局部的反射，天线上局部的反射，从而破坏行波状态。从而破坏行波状态。为了

6、使特性阻抗变为了使特性阻抗变化较小，菱形的各化较小，菱形的各边通常用边通常用23根导根导线并在钝角处分开线并在钝角处分开一定距离，使天线一定距离，使天线导线的等效直径增导线的等效直径增加，加，第第3 3章章 行波天线行波天线 菱形天线的辐射场：四根导线在空间的菱形天线的辐射场：四根导线在空间的合成场合成场。通过适当选择通过适当选择 菱形锐角菱形锐角20、边长边长 l 来获得最强的方向性，来获得最强的方向性，并使最大辐射方向指向负载方向。并使最大辐射方向指向负载方向。 即菱形四根导线各有一最大辐射方向指向长对角线方向。即菱形四根导线各有一最大辐射方向指向长对角线方向。 lm21arccos0 1

7、234负载20m第第3 3章章 行波天线行波天线 在长对角线方向，在长对角线方向，1 1、2 2两根行波导线合成电场矢量的总相位差应两根行波导线合成电场矢量的总相位差应该由下列三部分组成：该由下列三部分组成：riE 菱形天线的工作原理菱形天线的工作原理 I1I2E2E10I1I4 I1E4E1(a)(b)射线行程差引射线行程差引起的相位差起的相位差电流相位不同电流相位不同引起的相位差引起的相位差电场的极化方向所电场的极化方向所引起的相位差引起的相位差00cos(1)02mklklklkll即长对角线方向上导线即长对角线方向上导线1 1、2 2的合成场同相叠加。的合成场同相叠加。 1234负载2

8、0m0( )jkzI zI e 第第3 3章章 行波天线行波天线 导线导线1 1和和4 4：在长对角线方向上射线行程差引起的相位差在长对角线方向上射线行程差引起的相位差r=0，电流相位差电流相位差 i=，电场极化相位差电场极化相位差 E=，总相位差总相位差 =2。I1I2E2E10I1I4 I1E4E1(a )(b )1234负载20m四条边上的天线在长对角四条边上的天线在长对角线上相位都是同相的。线上相位都是同相的。第第3 3章章 行波天线行波天线 2 2、 菱形天线方向函数菱形天线方向函数过长轴的垂直平面的方向函数为过长轴的垂直平面的方向函数为: :20008cos( )sin (1sin

9、cos )sin(sin)1sincos2klfkH 0 为菱形的半钝角；为菱形的半钝角；为仰角为仰角；H为天线的架设高度。为天线的架设高度。当当=0时（时（0为最大辐射方向仰角）。为最大辐射方向仰角）。水平平面的方向函数为：水平平面的方向函数为：0000000000cos()cos()1sin()cos1sin()cos( )sin1sin()cossin1sin()cos22fklkl 第第3 3章章 行波天线行波天线 菱形天线每边的电长度愈长，波瓣愈窄，仰角变小，副瓣增多。菱形天线每边的电长度愈长，波瓣愈窄，仰角变小，副瓣增多。菱形天线的方向图菱形天线的方向图(a)(a)水平平面方向图；

10、水平平面方向图；(b)(b)过长轴的垂直平面方向图过长轴的垂直平面方向图(a)(b)第第3 3章章 行波天线行波天线 3 3、 菱形天线的尺寸选择及其变形天线菱形天线的尺寸选择及其变形天线 当通信仰角当通信仰角0 确定以后，选择主瓣仰角等于通信仰角。确定以后，选择主瓣仰角等于通信仰角。使使 f(0) 最大，分别取各个因子分别最大：最大，分别取各个因子分别最大：04sinH20008cos( )sin (1sincos )sin(sin)1sincos2klfkH 使第三个因子最大，则使第三个因子最大，则 sin(kHsin0)=1，即选择天线架高：，即选择天线架高：第第3 3章章 行波天线行波

11、天线 使第二个因子为最大，则使第二个因子为最大，则: : sinkl(1-sin0cos0)/2=1，即天线每边长度：即天线每边长度： 002(1sincos)l 使第一个因子为最大，则使第一个因子为最大，则：00008cos()01sincosdd 由此得到半钝角由此得到半钝角 0 和仰角和仰角 0 应满足如下关系：应满足如下关系： 0090 在通信方向的仰角在通信方向的仰角 0 和工作波长和工作波长确定以后，确定以后，便可直接算出便可直接算出 H、l 和和 0。第第3 3章章 行波天线行波天线 菱形天线的主要优点是：菱形天线的主要优点是：（1 1）结构简单，造价低，维护方便；）结构简单，造

12、价低，维护方便；（2 2）方向性强，增益系数可达）方向性强，增益系数可达100100左右；左右；（3 3）频带宽，工作带宽可达（）频带宽，工作带宽可达（2 23 3）11；（4 4）可应用于较大的功率，因为天线上驻波成分很小，因此）可应用于较大的功率，因为天线上驻波成分很小，因此不会发生电压或电流过大的问题。不会发生电压或电流过大的问题。 菱形天线的主要缺点是：菱形天线的主要缺点是：（1 1）结构庞大，场地大，只适用于大型固定电台作远距离通）结构庞大，场地大，只适用于大型固定电台作远距离通信使用；信使用；（2 2）副瓣多，副瓣电平较高；）副瓣多，副瓣电平较高；（3 3）效率低，由于终端有负载电

13、阻吸收能量。）效率低，由于终端有负载电阻吸收能量。第第3 3章章 行波天线行波天线 为了改善菱形天线的特性参数，常采用双菱天线为了改善菱形天线的特性参数，常采用双菱天线菱形对角线之间的距离菱形对角线之间的距离 d0.8，其方向函数表达式为其方向函数表达式为:21( , )( , ) cos(cossin)2kdff双菱天线双菱天线 d接 终 端 负 载单菱形天线的单菱形天线的方向函数方向函数双菱天线的旁瓣电平比双菱天线的旁瓣电平比单菱形天线低，增益系单菱形天线低，增益系数约为单菱形天线的数约为单菱形天线的1.51.52 2倍。倍。第第3 3章章 行波天线行波天线 为了提高菱形天线的效率，可采用

14、回授式菱形天线结构。为了提高菱形天线的效率，可采用回授式菱形天线结构。回授式菱形天线没有终端吸收电阻，它是将终端剩余能量送回输回授式菱形天线没有终端吸收电阻，它是将终端剩余能量送回输入端，再激励天线入端，再激励天线“2”2”。如果回授至输入端的电流相位与输。如果回授至输入端的电流相位与输入端的馈源电流相位相同，那么剩余的能量也就能辐射出去，入端的馈源电流相位相同，那么剩余的能量也就能辐射出去，从而提高了天线的效率。从而提高了天线的效率。回授式菱形天线回授式菱形天线主菱形回授菱形回授线终端吸收铁线回授线长度调节器12第第3 3章章 行波天线行波天线 三、三、行波行波V V形天线形天线（Trave

15、lingWave Vee Antenna） V 形斜天线形斜天线，仅有一根支杆和两根载有行波电流的导线组成，架仅有一根支杆和两根载有行波电流的导线组成，架设很简单，适用于移动的台站中。设很简单，适用于移动的台站中。馈线RlRl第第3 3章章 行波天线行波天线 提高天线的有效高度之一提高天线的有效高度之一分布分布式加载，其典型天线之一即为螺旋鞭天式加载，其典型天线之一即为螺旋鞭天线线 （Helical Whip Antenna）。）。螺旋鞭天线螺旋鞭天线 D第二节第二节 螺旋天线螺旋天线 第第3 3章章 行波天线行波天线 螺旋天线的辐射特性取决于螺旋线直径螺旋天线的辐射特性取决于螺旋线直径D与波

16、长的比值与波长的比值 D/，此类天线具有三种辐射状态。此类天线具有三种辐射状态。螺旋天线的三种辐射状态螺旋天线的三种辐射状态(a) 边射型边射型 (b) 端射型端射型 (c)圆锥型圆锥型 (a)(b)(c)第第3 3章章 行波天线行波天线 螺旋柱直径螺旋柱直径 D=(0.250.46) 的端射型螺旋天线，的端射型螺旋天线，又称为轴向模螺旋天线，简称为螺旋天线，又称为轴向模螺旋天线，简称为螺旋天线，主要特点：主要特点：（1）沿轴线方向有最大辐射；）沿轴线方向有最大辐射；（2）辐射场是圆极化波；）辐射场是圆极化波；（3）天线导线上的电流按行波分布；）天线导线上的电流按行波分布；（4）输入阻抗近似为

17、纯电阻；）输入阻抗近似为纯电阻； (5）具有宽频带特性。）具有宽频带特性。螺旋天线是一种最常用的典型的圆极化天线螺旋天线是一种最常用的典型的圆极化天线(Circular Polarized Antenna)。第第3 3章章 行波天线行波天线 一、一、 圆极化波的应用圆极化波的应用 使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。1 1、通信的一方或双方处于方向、位置不定的状态，为了提高通、通信的一方或双方处于方向、位置不定的状态，为了提高通信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天线。信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天线。2 2、在人造卫星和弹道导弹

18、的空间遥测系统中，信号穿过电离层、在人造卫星和弹道导弹的空间遥测系统中，信号穿过电离层传播后，产生极化畸变，这也要求地面上安装圆极化天线作传播后，产生极化畸变，这也要求地面上安装圆极化天线作发射或接收天线。发射或接收天线。3 3、为了干扰和侦察对方的通信或雷达目标，需要应用圆极化天、为了干扰和侦察对方的通信或雷达目标，需要应用圆极化天线。线。4 4、在电视中为了克服杂乱反射所产生的重影，也可采用圆极化、在电视中为了克服杂乱反射所产生的重影，也可采用圆极化天线，因为它只能接收旋向相同的直射波，抑制了反射波传天线，因为它只能接收旋向相同的直射波，抑制了反射波传来的重影信号。来的重影信号。第第3 3

19、章章 行波天线行波天线 圆极化波的重要性质圆极化波的重要性质：（1 1）圆极化波是一等幅旋转场，它可分解为两正交等幅、）圆极化波是一等幅旋转场，它可分解为两正交等幅、相位相差相位相差9090的线极化波；的线极化波；（2 2）辐射左旋圆极化波的天线，只能接收左旋圆极化波，）辐射左旋圆极化波的天线，只能接收左旋圆极化波，对右旋圆极化波也有相对应的结论；对右旋圆极化波也有相对应的结论；（3 3）当圆极化波入射到一个平面上或球面上时，其反射波）当圆极化波入射到一个平面上或球面上时，其反射波旋向相反，即右旋波变为左旋波，左旋波变为右旋波。旋向相反，即右旋波变为左旋波，左旋波变为右旋波。第第3 3章章 行

20、波天线行波天线 二、二、 螺旋天线的工作原理螺旋天线的工作原理2 a同 轴 线 输 入金 属 接 地 板hl0sDs Dl0(a)(b)2a同 轴 线 输 入金 属 接 地 板hl0sDsDl0(a)(b)D螺旋的直径；螺旋的直径；a螺旋线导线的半径；螺旋线导线的半径；s螺距，即每圈之间的距离；螺距，即每圈之间的距离；螺距角，螺距角， l0一圈的长度，一圈的长度， N圈数；圈数； h轴向长度，轴向长度，h=Ns arctansD220()/sinlDss一圈展开图形一圈展开图形第第3 3章章 行波天线行波天线 xAxBxCxDIIII l0BACDBACDxl0BACDBACDxyy(a )(

21、b )将圆环展成将圆环展成直线时线上直线时线上的电流分布的电流分布t1时刻时刻l0BACDBACDxl0BACDBACDxyy(a )(b )yAyByCyDIIII t1 +T/4 时刻时刻经过一个周期经过一个周期T T的时间间的时间间隔，电场矢量将旋转隔，电场矢量将旋转360360。由于线上电流振幅值是由于线上电流振幅值是不变的，故轴向辐射的不变的，故轴向辐射的场值也不会变。场值也不会变。所以，周长为一个波长所以，周长为一个波长的载行波圆环沿轴线方的载行波圆环沿轴线方向辐射的是圆极化波。向辐射的是圆极化波。驻波驻波螺旋天线工作在圆螺旋天线工作在圆极化状态的原因：极化状态的原因：行波行波t t1 1 时刻轴向辐射场时刻轴向辐射场只有只有