chap4双极及单极天线

1、第四章 双极与单极天线双极天线就是前面提到的对称振子天线，这种天线从馈电输入端看去有两个臂。所谓单极天线，就是从输入端看去只有一个臂的天线，如导电平板上的鞭天线，垂直接地天线等。 4.1半波天线1.近地水平半波天线近地水平半波振子天线广泛应用于短波通信中(=10100米)，其振子臂可由黄铜线、钢包线和多股软铜线水平拉直构成，中间由高频绝缘子连接两臂，可由双线传输线馈电，如图所示设在地面上方的水平天线 近地水平天线的分析方法前面已经介绍，可采用镜像法和考虑地参数的反射系数法，这里采用镜像法。求上图问题yz(E)平面和xz(H)平面内的方向图函数。用镜像法求解时，可看作是等幅反相的二元阵。天线轴在

2、y方向，阵轴在z方向。 sin2sin2sincos2cos600HrIEmsin2sin2600HrIEm书上书上由以上两个公式可画出随架高H变化的方向图，如书上P62-63图(4-1)(a)和(b)所示。讨论： (1) 水平振子天线沿地面方向辐射场为0。这是由于水平天线与其镜像天线的电流反相，在地面方向波程差为0，辐射场相互抵消，合成场为0。 (2) 当H/4时，xz平面(H面)内的方向图在=60-90范围内变化不大，最大值在=90方向上，这种架设不高的水平半波天线，可用在天波通讯中。(3) 在xz平面(H面)内方向图仅与架高H有关，与天线长度无关。当H0.3 时，最大辐射方向不止一个(波

3、瓣分裂)，H/ 愈大，波瓣越多，靠近地面的第一波瓣的仰角愈小。2 2、近地垂直半波天线 近地垂直半波振子如图4-2所示。用镜像法求解辐射场时，可看作是等幅同相的二元阵。天线轴与阵轴重合。 近地垂直半波天线sin2cos2sincos2cos600HrIEm书上显然，近地垂直振子在xy平面内(H面)的方向图为一圆。在yz平面内(E面)的方向图由上式计算，在此平面内的方向图随架高H的变化由书上P65图4-3给出。由图可见 (1) 近地垂直半波振子的最大辐射方向始终为沿地面方向。因它可看作是侧射式二元阵，天线和其镜像的电流等幅同相，在地面方向波程差为0，辐射场相互叠加，合成场最大。 (2) 方向图关

4、于z轴旋转对称，在地面上方向图为一个圆。 (3) 随着架高H的增加，相当于共轴二元阵间距增大，E面方向图将出现副瓣，H愈大，副瓣个数增加且增大。 11111ZZZ书上P65图4-4给出了水平和垂直半波天线在不同高度时的输入电阻。实际上，近地水平和垂直半波振子可看作是平行和共轴排列的二元阵，这两种排列的半波振子二元阵的互阻抗随间距的变化前面已经计算并绘出了曲线，图中的1121ZZ,因此,自由空间半波振子的辐射阻抗叠加上互阻抗就是近地半波振子的输入阻抗4.近地半波天线的方向性系数与增益半波天线在自由空间的方向性系数为1.64,在地面上的方向性系数,仍可用(2.4)式进行计算,对于图4-1(b)的情

5、况)sin2sin(2),(Hf由此可得)sin2(sin480),(12022HRRfDrr在最大辐射方向的方向性系数为rRD480可由阻抗值取实部求得天线的增益是DGa4.2对称天线的频带宽度天线的电气参量大多数都是频率的函数。当工作频率偏离中心频率(设计频率)时，可能使方向图发生畸变，增益下降，馈电传输线上驻波系数增大等。因此，工程上往往要规定一个频率范围。在此频率范围内，天线电特性变化不影响工作，这个频率范围就是工作频带宽度。频带宽度。 当馈源的频率偏离设计的中心频率时,天线的输入阻抗将随之改变,如果在中心频率天线的长度已调整到谐振长度（考虑了缩短效应）,即输入阻抗的电抗部分为零,则当

6、馈源的频率偏离中心频率时,天线的输入阻抗将出现电抗分量.输入阻抗改变,天线的匹配受到破坏,天线输入电流也随之减小.频带宽度可以用馈线驻波比不超过某一定限额,也可用天线电流减小到谐振时电流的0.707倍范围作为频带宽度的界限.已知谐振电流是AAARUfI)(0加在天线输入端的电压谐振时天线的输入电阻在频带宽度的上,下边频,电流应为2201)(707. 0)(AAAAAXRUfIfI将谐振电流值代入上式,并假定 01fRfRAA可得AAXR 在频带宽度的边频上天线的输入电阻等于输入电抗lctgZXA1002sinrinRZjZ ctg ll4 . 0,sin/220llZRr一般对于11122fc

7、式中由此可以解出AARZtglcZRctglcf0101122由于在谐振时,000lctgZ2200lfcllcf40于是频带宽度为)21 (222010100ARZtgfffff由此式可见，对称振子的频带宽度与它的平均特性阻抗Z0有关，如果RA不变，那么Z0愈小，带宽就愈宽。对于半波天线 300,1000,1 .730ZRA当时的频带宽度分别为%920ff%3020ff由Z0的表示式可见，要减小Z0的有效途径是增大振子的截面半径。在中、短波波段，广泛采用架设在地面上一定高度的水平对称振子天线，增大半径，则重量增加，成本也增加。于是出现了一种笼形结构的对称振子，又称笼形天线，见书上P67图4-

8、5。此时其等效半径为 12ln120e0lZnrne4.3折合振子折合振子是两个平行的靠得较近的半波振子在末端连接起来所构成，如下图所示。它可看作是由一个长为/2的短路双线传输线在a、b两点处左右拉开形成。因此，在折合振子的两端a、b两点处为电流波节点，中间为波腹点，并且折合振子两线上的电流等幅同相。 图4-4 折合振子示意图 另一方面，因s很小，折合振子的两根线可等效为一根线，其上电流振幅是2I，有辐射功率 WIIRIPrr2223001 .734(2半波天线） 300(2IPRrr折合阵子）同样可得： 若是三折合振子，见书上P68图4-7，同理可得：119RRr2 2、等效电路法 折合振子

9、的基本工作特点如同一个不平衡传输线，可把线上电流分解成两种模式：一是传输线模式；一是天线模式。如下图所示。 导线上的电流输入端电流折合振子的等效电路 2/tan0ljZZTTTTZUZUI22DDAZUZUI22同样长度普通单根对称振子的输入阻抗代入/2ATII 2ATinIIUZ总的输入阻抗为DTDTinZZZZZ24对于半波折合振子,L=/2,得ZTDinZZ4采用折合振子，可实现与特性阻抗为300欧的双线传输线的良好匹配，而且还可获得较宽的频带特性，因为折合振子相当于截面半径加粗了的振子。 4.4双锥天线双锥天线是一种宽频带天线。它是由导体圆锥对顶构成的双极天线，如图所示。圆锥体长度为l

10、，上下锥对称，锥顶半角为0。 双锥天线示意图sin1H双锥天线引导球面波,sin140reHHrjsin141sin41100rjrjerHerHrjEHreHrjsin140电场和磁场的表达式表示向r方向传播的行波，由于关于r方向为TEM波，则可将双锥天线看成TEM传输线，其特性阻抗为)(004.5不对称激励天线由于单极天线的输入阻抗为双极天线的输入阻抗的一半,因此不对称激励的双极天线,它的输入阻抗可用它的两臂各构成对称振子所求得的输入阻抗取平均值得到.因此合理选择l1和l2,使Z(l1)和Z(l2)随频率向相反方向变化,就可得到很宽的阻抗频带特性.不对称激励振子天线改变H的输入阻抗 不对称

11、激励振子天线改变H的方向图和电流分布 4.6单极天线 当双极天线的一个臂变成一个导电平面时，就形成单极天线，对于无限大导电平面，可采用镜像法来分析。 单极天线有许多形式，如普通单极天线、折合单极天线、锥形单极天线和袖式单极天线等，见P76图4-18。这里主要介绍普通单极天线。 1 1、垂直接地天线 对于中长波天线，由于波长太长，天线又不能架设太高，若水平悬挂，则因离地面太近，与地面负像的作用犹如双线传输线，使辐射困难。因此中长波天线大都采用垂直接地这种形式。垂直接地天线的电流分布,方向图,输入阻抗等特性在前面已经讨论过. 垂直接地天线如图所示。长为l的垂直接地天线与其镜像构成一个长为2l的对称

12、振子。垂直接地天线假设天线与像构成的对称天线的实效高度为eh2它产生在最大辐射方向(在这里是沿地面方向)的电场强度与原来接地天线产生的电场强度相等,此电场强度为rhIrhIEee00120260天线输入端电流它的辐射功率为2202280erhIP202320ehI地面以上的辐射功率为2021602erhIPP1030PrE 300KWPrkm上式是在假想元天线情况下得到的结果,对于点源天线,由于元天线的方向性系数为1.5,所以点源天线所产生的电场强度为KWkmPrEE2455 . 10mV/mmV/m对于其它天线,假设它以点源天线为参考标准的方向性系数为D,DPrDEEKWkm2450mV/m

13、这是用天线辐射功率与方向性系数计算电场强度的公式.书中的数学分析不做要求l4.7线天线的馈电装置 线天线的馈线一般采用平行双线或同轴线。 1 1、双线传输线馈电 双线传输线向对称振子馈电的结构简单，在要求不高的情况下，双线传输线可直接连接在对称振子天线的两个臂上，连接方法见书上图4-36(c)(d)。但应注意四点.(1)应使双线对地平衡,双线之间的距离应保持不变;(2)双线接到天线时应尽可能相互构成直角,以避免双线不平衡和尽量减小天线与馈线之间的耦合;(3)双线的间距不能太大,否则将会引起辐射,但也不能太小,以避免高压击穿;(4)馈线与天线应匹配.在要求较高的天线馈电中，双线传输线与对称振子连

14、接要加匹配装置，如图4-36(c)的/4波长阻抗变换器，图4-36(d)的短路枝节匹配器。采用匹配手段的原因有两个: (1) 天线输入阻抗的计算值与实际值有一定差距，如馈电点缝隙的不同； (2) 双线传输线馈电的末端效应，见书上图4-39。2 2、同轴传输线馈电 当频率较高时，如在短波与超短波波段，由于辐射损耗等原因，就不适宜采用双线传输线作馈线，而应采用同轴线馈电。 对于对称振子来说，用双线传输线馈电，使得对称振子两个臂上的电流是对称分布的，即是平衡的，可直接接上，最多考虑一下匹配问题。但是，用同轴电缆直接给对称振子馈电(同轴线内外导体分别接上对称振子的两个臂)，则将使振子两个臂的电流分布不

15、对称，即为不平衡，如下图所示。 电流分布不平衡的结果将使天线的方向图发生畸变，并影响其输入阻抗。这种情况是我们不希望的，应当设法避免。方法是采用同轴线向对称振子馈电时，应采取平衡转换措施。 首先讨论一下同轴线直接向对称振子馈电将使天线上电流分布不对称的问题。见上图，假如馈电能达到平衡，则同轴线内外导体上电流应等幅反相I2=-I1.，然而，当接上对称振子后，有部分电流I3将从外导体外侧流回，致使天线两臂上对称点的电流不等。回流的电流I3的大小主要由外导体与地之间的等效阻抗Zg决定，见图4-10(b)等效电路。如果采用一种装置能使Zg很大，则可大大减少I3，从而使馈电达到平衡。这种用来阻塞和抑制同轴线外导体外表面电流的装置叫平衡变换器，或称作对称变换器。为了使对称振子两个臂上的电流分布对称(即平衡)，用同轴线与对称振子连接时应采用平衡变换器。这里介绍几种常用的平衡变换器。 (1)套筒式平衡变换器 是在硬同轴线外做一个长为/4的金属套筒，如图所示。套筒的一端短路，形成/4短路传输线，见等效电路。由2-3端口看去的输入阻抗为Zg=，于是I30，阻止了同轴线外导体内壁的电流外溢，起到了平衡馈电的作用。 (2)(2)短路式平衡变换器 取一段与馈电同轴线外导体直径相同，长度为/4的金属棒，一端接在馈电同轴线外导体上形成短路，一端与馈电同轴线内导体连接并与振子