第2章简单线天线

1、第第2 2章章 简单线天线简单线天线 第第2 2章章 简单线天线简单线天线 2.1 2.1 水平对称天线水平对称天线 2.2 2.2 直立天线直立天线 2.3 2.3 环形天线环形天线 2.4 2.4 引向天线与背射天线引向天线与背射天线 第第2 2章章 简单线天线简单线天线 第一节第一节 水平对称天线水平对称天线 水平天线的优点水平天线的优点: :（1 1）架设和馈电方便；）架设和馈电方便；（2 2）地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天线的小；）地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天线的小；（3 3）可减小干扰对接收的影响。）可减小干扰对接收的影响。主要应用于短波通信。主要应用于短波通

2、信。一、双极天线一、双极天线二、笼形天线二、笼形天线三、电视发射天线三、电视发射天线第第2 2章章 简单线天线简单线天线 一、一、 双极天线双极天线（水平对称振子）（水平对称振子）23 m双馈线馈线绝缘子绝缘子llH单根硬拉黄铜线或铜包钢单根硬拉黄铜线或铜包钢线做成，也可用多股软铜线做成，也可用多股软铜线，导线的直径根据所需线，导线的直径根据所需的机械强度和功率容量决的机械强度和功率容量决定，一般为定，一般为3 36mm6mm为了降低绝缘子介质为了降低绝缘子介质损耗，绝缘子宜采用损耗，绝缘子宜采用高频瓷材料高频瓷材料第第2 2章章 简单线天线简单线天线 1 1、双极天线的方向性、双极天线的方向

3、性（天波传播方式）（天波传播方式）sincoscosPOOAOPPOOPOAyAxOHPPz22sin1cossin由自由空间对称振子方向函数和负镜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：像阵因子按方向图乘积定理得：22cos(cossin )cos( , )2sin(sin)1cossinklklfkH立立体体L 变变H 变变第第2 2章章 简单线天线简单线天线 1 1）垂直平面方向图（）垂直平面方向图（xozxoz平面）平面）yAxOHPPz=0 fxOz(,=0)=|1-coskl| |2sin(kHsin)|(1)(1)垂直平面方向图只与垂直平面方向图只与H H/

4、/有关，而有关，而与与l/l/无关。无关。(2)(2)无论无论H H/ /为何值，沿地面方向（即为何值，沿地面方向（即=0=0方向）均无辐射。方向）均无辐射。 (3) (3) 第一波瓣的最大辐射仰角第一波瓣的最大辐射仰角m1m1。 sin(sin(kHkHsinsinm1m1)=1)=11arcsin4mH04sinH当双极天线用作天波通信时，工作距离当双极天线用作天波通信时，工作距离 愈远愈远，通信仰角，通信仰角0 0 愈低，则要求天线愈低，则要求天线 架设高度越高架设高度越高。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 2 2）水平平面方向图（）水平平面方向图（辐射仰角辐射仰角一定）一定） 12

5、2( )2 sin(sin)cos(cossin )cos( , )1cossinfkHklklf Oyx(a)Oyx(b)yxO(c)xyOxyOxOy(a)(b)(c)l/=0.25l/=0. 5通信角度分别为通信角度分别为20度、度、40度、度、60度不同长度天线的水平方向图度不同长度天线的水平方向图双极天线水平平面方向双极天线水平平面方向图与架高图与架高H/无关。无关。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 2 2、双极天线的输入阻抗、双极天线的输入阻抗345678910XinRin2000100001000200030004000f / MHzRin, Xin / 分析：用镜像法，根据

6、天线阵的阻抗分析方法分析：用镜像法，根据天线阵的阻抗分析方法阻抗变化剧烈，带宽较窄。阻抗变化剧烈，带宽较窄。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 3 3、方向系数、方向系数 双极天线的双极天线的 Dl/ 关系曲线关系曲线024681012D0.100.20.30.40.50.60.70.80.9l / 第第2 2章章 简单线天线简单线天线 4 4、双极天线的尺寸选择、双极天线的尺寸选择 1）臂长臂长 l 的选择原则的选择原则 （1）从水平平面方向性考虑从水平平面方向性考虑。l0.7min，最大辐射方向始终在与振子垂直最大辐射方向始终在与振子垂直（即即=0）的平的平面上。面上。 （2） 从天线及

7、馈电的效率考虑从天线及馈电的效率考虑。 l0.2max0.2maxl0.7min第第2 2章章 简单线天线简单线天线 2） 天线架高天线架高H的选择的选择保证在工作波段内通信仰角方向上辐射较强。保证在工作波段内通信仰角方向上辐射较强。如果通信距离较远时天线的最大辐射方向如果通信距离较远时天线的最大辐射方向m1与所需的射与所需的射线仰角线仰角0一致：一致：04sinH1arcsin4mH第第2 2章章 简单线天线简单线天线 二、笼形天线二、笼形天线双极天线加粗振子直径的办法来降低天线的特性阻抗双极天线加粗振子直径的办法来降低天线的特性阻抗2120(ln1)clZa导线直径为导线直径为1.75m1

8、.75m绝缘子金属环截面 A-A2bAA3 mll1ll22b馈线l134 ml21 m2a有效地增加天线的等效有效地增加天线的等效直径，又能减轻天线重直径，又能减轻天线重量，减少风的阻力。可量，减少风的阻力。可以展宽使用的波段。以展宽使用的波段。减小在馈电点附近的端减小在馈电点附近的端电容，保证良好匹配电容，保证良好匹配减小天线的末端效减小天线的末端效应，便于架设应，便于架设第第2 2章章 简单线天线简单线天线 53127466571234(b)(a)电 台绝 缘 子馈 线ll分支笼形天线分支笼形天线双锥天线双锥天线扇形天线扇形天线平面片形对平面片形对称振子称振子第第2 2章章 简单线天线简

9、单线天线 三、电视发射天线三、电视发射天线1.1.电视发射天线的特点和要求电视发射天线的特点和要求1 1）电视所用的频率：甚高频（）电视所用的频率：甚高频（VHFVHF，48.548.5223MHz223MHz）；）； 特高频（特高频（UHFUHF，470470958MHz958MHz）。）。 在在结构结构、防雷防雷、防冰凌防冰凌等方面满足一定的要求。等方面满足一定的要求。2 2）要求天线）要求天线在水平平面内应具有全向性在水平平面内应具有全向性。在垂直平面内要在垂直平面内要有较强的方向性有较强的方向性，以便能量集中于水平方向而不向上空辐，以便能量集中于水平方向而不向上空辐射。射。3 3） 为

10、减小天线受垂直放置的支持物和馈线的影响，减小为减小天线受垂直放置的支持物和馈线的影响，减小工业干扰，应采用工业干扰，应采用水平极化波水平极化波。4 4）要求天线要）要求天线要有足够带宽有足够带宽，并要满足对驻波比的要求，以，并要满足对驻波比的要求，以保证天线与馈线处于良好的匹配状态。保证天线与馈线处于良好的匹配状态。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 2.2.旋转场天线旋转场天线基本振子1基本振子2馈给两个振子的电流大小相等，相位馈给两个振子的电流大小相等，相位相差相差9090，在振子组成的平面内的任，在振子组成的平面内的任意点上，两个振子产生的场强分别为意点上，两个振子产生的场强分别为 E

11、1=Asincost E2=Acossint E=E1+E2=Asin(t+)在某一瞬间，在振子所在平面内的方向图为一在某一瞬间，在振子所在平面内的方向图为一个个“8”字形字形，而在任一点处，而在任一点处，E E又是随时间而变又是随时间而变化的，变化周期为化的，变化周期为。在任何瞬间，天线在该平面内的方向图为在任何瞬间，天线在该平面内的方向图为“8”字字形，但这个形，但这个“8”字形的方向图随着时间的增加，字形的方向图随着时间的增加，围绕与两振子相垂直的中心轴以角频率围绕与两振子相垂直的中心轴以角频率旋旋转转旋转场天线旋转场天线。(a)(b)第第2 2章章 简单线天线简单线天线 3 3. .蝙

12、蝠翼天线（蝙蝠翼天线（Batty Wing Antenna） (a)(b)(c)(d)EEEE满足宽频带满足宽频带的要求的要求减轻天减轻天线重量线重量减少风阻减少风阻防雷击防雷击加入接地钢管加入接地钢管第第2 2章章 简单线天线简单线天线 EDCBABCDEEDCBABCDE中间的振子较短，两端的振中间的振子较短，两端的振子较长，子较长，改善其阻抗特性改善其阻抗特性多层旋转场蝙蝠翼天线多层旋转场蝙蝠翼天线90在水平平面内在水平平面内近似全向天线近似全向天线蝙蝠翼天线的优点：蝙蝠翼天线的优点：1 1、频带很宽；、频带很宽；2 2、不用绝缘子，可很牢固地固定、不用绝缘子，可很牢固地固定在支柱上；在

13、支柱上；3 3、功率容量大。、功率容量大。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 第二节第二节 直立天线直立天线 在长波和中波波段，受地的负在长波和中波波段，受地的负镜像作用，天线的辐射能力很弱镜像作用，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，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因此在长波和中波波段主要使用垂直接地的直立天线。垂直接地的直立天线。h第第2 2章章 简单线天线简单线天线 一一 鞭状天线鞭状天线水平平面的全向天线、适合移动中的无线电台使用水平

14、平面的全向天线、适合移动中的无线电台使用 (a )(b )1 1、鞭状天线电性能、鞭状天线电性能1 1）垂直极化天线，在理想导电地面上，）垂直极化天线，在理想导电地面上，其辐射场垂直于地面，在实际地面其辐射场垂直于地面，在实际地面上有波前倾斜。上有波前倾斜。2 2）方向图及方向系数：镜像分析）方向图及方向系数：镜像分析当天线很短当天线很短H H/ /0.10.1时，方向系数近时，方向系数近似等于似等于3 3。3 3）有效高度：）有效高度：hehzO当当H H/ /0.10.1时，时， 2ehh 第第2 2章章 简单线天线简单线天线 4 4）、输入阻抗）、输入阻抗 Rin=Rr0+Rl0与与地面

15、导电性有关。地面导电性有关。 5 5）、效率）、效率由于损耗电阻大，效率很低。由于损耗电阻大，效率很低。提高鞭状天线效率的方法：提高鞭状天线效率的方法：一是提高辐射电阻，另一是减小损耗电阻。一是提高辐射电阻，另一是减小损耗电阻。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 2 2、加顶负载、加顶负载 小球圆盘辐射叶hhhhCa(a)(b)加顶负载等效加顶负载等效为一段长线段为一段长线段天线电流分天线电流分布得到改善布得到改善第第2 2章章 简单线天线简单线天线 二、二、 螺旋鞭天线螺旋鞭天线 D(a)(b)(c)辐射特性辐射特性取决于螺取决于螺旋线直径旋线直径D与波长与波长的比值的比值D/边射型边射型

16、 端射型端射型 圆锥型圆锥型第第2 2章章 简单线天线简单线天线 小环的辐射场只有小环的辐射场只有E分量分量：22230sinIDEr60sinIlEjrxOylz电基本振子电基本振子的辐射场只有电基本振子的辐射场只有E分量：分量：两个相互垂直的分量均具有两个相互垂直的分量均具有 sinsin 的方向图，并且相位差的方向图，并且相位差为为9090，合成电场是椭圆极化波。，合成电场是椭圆极化波。椭圆极化波的长轴与短轴之比称为轴比，用椭圆极化波的长轴与短轴之比称为轴比，用AR AR 表示：表示：22()ElARDE第第2 2章章 简单线天线简单线天线 第三节第三节 环形天线环形天线 环形天线按尺寸

17、大小可分为环形天线按尺寸大小可分为小环天线小环天线与与大环天线大环天线。若圆环的半径若圆环的半径b b 很小，其周长很小，其周长C C=2=2bb0.20.2，则称为小环天线。，则称为小环天线。小环天线上沿线电流的振幅和相位变化不大，近似均匀分布。小环天线上沿线电流的振幅和相位变化不大，近似均匀分布。当环的周长可以和波长相比拟时，称为大环天线。必须考虑导当环的周长可以和波长相比拟时，称为大环天线。必须考虑导线上电流的振幅和相位的变化，可近似地将电流看成驻波分线上电流的振幅和相位的变化，可近似地将电流看成驻波分布，这种天线的电特性和对称振子的电特性有明显的相似之布，这种天线的电特性和对称振子的电

18、特性有明显的相似之处，均属谐振型天线。处，均属谐振型天线。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 一、一、 小环天线小环天线zyx2a2bOPrR2224420()320rSRk SlrrARRRlSbRRa0/(2 )SRD=1.5第第2 2章章 简单线天线简单线天线 为提高天线辐射电阻，采用多匝小环天线。为提高天线辐射电阻，采用多匝小环天线。在背负或车载电台、船舶中的高频电台、地震遥测系统在背负或车载电台、船舶中的高频电台、地震遥测系统中都有使用，适用的频率范围为中都有使用，适用的频率范围为2 2300M300MH Hz z。N N匝小环天线的辐射电阻为单匝值的匝小环天线的辐射电阻为单匝值的

19、 N 2 倍，即：倍，即：222242420()320rNSRNk SN %3 .81%8 .428AA单匝环的辐单匝环的辐射效率射效率8匝环的辐射匝环的辐射效率效率第第2 2章章 简单线天线简单线天线 二、二、 电流非均匀分布的大环天线电流非均匀分布的大环天线 1.大圆环天线大圆环天线 环天线几何特征参量：环天线几何特征参量：=2ln(2b/a) 其中其中a为导线半径，为导线半径，b为环的半径。为环的半径。8642003060901201501800.40.30.2kb0.1电流振幅 / mA / ()0306090120150180 / ()0.20.10.31.581.561.541.5

20、2kb0.4电流相位 / rad0306090120150180 / ()0306090120150180 / ()(a)(b )0102030405060700.52.02.52.02.50.51.52.01.0kb1.0电流振幅 / mAkb1.02.52.01.51.00.51.52.50.52.0202468电流相位 / rad环参数远大于环参数远大于kb=0.2（半径远大于（半径远大于0.030.04）时就不能认为是小环了时就不能认为是小环了第第2 2章章 简单线天线简单线天线 方向函数为：方向函数为： yOz平面平面: f()=cosJ0(sin)+J2(sin) xOz平面平面:

21、 f()=J0(sin)-J2(sin)一个波长的圆环天线方向图一个波长的圆环天线方向图(a)yOz平面；平面；(b)xOz平面平面0.80.40yzzx2702402101801501209060300300330(a)2702402101801501209060300300330(b)与两平行排列、与两平行排列、间距为间距为0.27的的半波振子阵相半波振子阵相似。似。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 2. 双环天线双环天线 双环天线结构双环天线结构馈电点 / (0.30.5) / 双环天线阵双环天线阵(a)2L形；形；(b)4L形；形；(c)6L形形(a)(b)(c)第第2 2章章 简

22、单线天线简单线天线 优点：优点：（1）馈电简单，馈电点少。多环天线可以只有两个馈电）馈电简单，馈电点少。多环天线可以只有两个馈电点，因而馈线系统简单。点，因而馈线系统简单。（2）阻抗具有宽频带特性。）阻抗具有宽频带特性。（3）增益高，可通过反射板来增加增益。）增益高，可通过反射板来增加增益。（4）可利用多面组合得到任意的水平平面方向图。）可利用多面组合得到任意的水平平面方向图。双环天线在电视发射台中获得广泛的应用。双环天线在电视发射台中获得广泛的应用。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 三、加载圆环天线三、加载圆环天线在小环天线的中点串入适当数值的电阻，在小环天线的中点串入适当数值的电阻，则

23、可以使得沿线电流近似行波分布，则可以使得沿线电流近似行波分布，这种天线称为这种天线称为加载圆环天线加载圆环天线。优点：优点：具有良好的宽频带特性，且为单向辐射。具有良好的宽频带特性，且为单向辐射。结构简单，造价低，特别适用作结构简单，造价低，特别适用作VHF全全频道室内电视接收天线。频道室内电视接收天线。缺点缺点：效率较低效率较低，只适宜在强信号区使，只适宜在强信号区使用。用。zbyxORL方向性2a第第2 2章章 简单线天线简单线天线 一、引向天线一、引向天线二、背射天线二、背射天线第四节第四节 引向天线与背射天线引向天线与背射天线 第第2 2章章 简单线天线简单线天线 一、引向天线一、引向

24、天线 “八木八木宇田宇田”天线，是一个紧耦合的端射阵。天线，是一个紧耦合的端射阵。由一个（或两个）有源振子及若干个无源振子构成。有源振子由一个（或两个）有源振子及若干个无源振子构成。有源振子近主要作用是提供辐射能量。近主要作用是提供辐射能量。无源振子起引向或反射作用的大小与它们的尺寸及离开有源振无源振子起引向或反射作用的大小与它们的尺寸及离开有源振子的距离有关。子的距离有关。 金属杆引向器反射器有源振子有几个振子就有几个振子就称为几单元或称为几单元或几元引向天几元引向天线线八元引八元引向天线。向天线。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 特点：特点：1、每个无源振子都近似等于半波长，中点为电压

25、波节点；、每个无源振子都近似等于半波长，中点为电压波节点；2、各振子与天线轴线垂直，它们可以同时固定在一根金属杆上，、各振子与天线轴线垂直，它们可以同时固定在一根金属杆上，金属杆对天线性能影响较小；金属杆对天线性能影响较小；3、不必采用复杂的馈电网络，因而该类天线具有体积不大、结、不必采用复杂的馈电网络，因而该类天线具有体积不大、结构简单、牢固、便于转动、馈电方便等优点。构简单、牢固、便于转动、馈电方便等优点。4、其增益可以做到十几个分贝，具有较高增益。、其增益可以做到十几个分贝，具有较高增益。5、缺点是调整和匹配较困难，工作带宽较窄。、缺点是调整和匹配较困难，工作带宽较窄。第第2 2章章 简

26、单线天线简单线天线 1 1、引向天线的工作原理、引向天线的工作原理 1）引向器（）引向器（Director）与反射器（）与反射器（Reflector） 引向天线原理引向天线原理( (a) )振子振子“2”2”为反射器；为反射器；( (b) )振子振子“2”2”为引向为引向器器I1“1”“2”E0 / 4E EmaxI2 I1e j90(a)I1“1”“2”E0 / 4E EmaxI2 I1e j90(b)在一对振子中，振子在一对振子中，振子“2”2”起引向器或反射器作用的关起引向器或反射器作用的关键不在于两振子的电流幅度关系，而主要在于两振子的键不在于两振子的电流幅度关系，而主要在于两振子的间

27、距以及电流间的相位关系。间距以及电流间的相位关系。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 若振子若振子“2”2”所在方向的所在方向的M M点辐射场较强，则点辐射场较强，则“2”2”为为引向器引向器；反之，则为反之，则为反射器反射器。d“1”“2”NM在在d d/ /0.40.4的前提下，振子的前提下，振子“2”2”作为引向器或反射器的电流作为引向器或反射器的电流相位条件是：相位条件是：反射器反射器：0180 引向器引向器：-1800 第第2 2章章 简单线天线简单线天线 2 2）二元引向天线）二元引向天线（Two Element Yagi-Uda Antenna）采用采用无源振子无源振子作为引向

28、器或反射器。在引向天线中无源振子的引作为引向器或反射器。在引向天线中无源振子的引向或反射作用都是相对于有源振子而言的。向或反射作用都是相对于有源振子而言的。2l1d2l2Oz“1”“2”在有源振子电磁场的作用下，在有源振子电磁场的作用下，无源振子将被感应出电流无源振子将被感应出电流I2。I2由它自身的尺寸以及与有源振由它自身的尺寸以及与有源振子的相对关系所决定。子的相对关系所决定。振子振子“2”的电流由天线阵的阻抗特性决定：的电流由天线阵的阻抗特性决定：221122jIZmeIZ 只要适当改变间距只要适当改变间距 d（可以改变互阻抗）或适当改变无源振子（可以改变互阻抗）或适当改变无源振子的长度

29、的长度2 2l2 2（可以改变自阻抗），都可以调整（可以改变自阻抗），都可以调整 I2 2 的振幅和相位，的振幅和相位，使无源振子使无源振子“2”2”起引向器或反射器的作用。起引向器或反射器的作用。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 “1” “2”“1” “2”“1” “2”“1” “2”“1” “2”“1” “2”1801809090270270d / 0.25d / 0.1d / 0.5zzd / 0.25d / 0.1d / 0.5(a)(b)二元引向天线方向图特点：二元引向天线方向图特点：1 1）当有源振子）当有源振子2l1/一定时，一定时，只要只要2l2/及及d/选择的合适，无选择

30、的合适，无源振子就可以成为引向器或反源振子就可以成为引向器或反射器。射器。（2 2）当振子长度一定时，）当振子长度一定时，d/值不同，无源振子所起的引向值不同，无源振子所起的引向或反射作用不同。或反射作用不同。（3 3）为了形成较强的方向性，）为了形成较强的方向性，引向天线振子间距引向天线振子间距d/不宜过不宜过大，一般大，一般d/0.4。l1l2第第2 2章章 简单线天线简单线天线 3 3）多元引向天线）多元引向天线“r”“0”“1”“2”“3”“4”2lr2l02l12l22l32l4drd1d2d3d4(a)0.590112015018021024027030033006030(b)z0.5901120150180210240270300330060300.010.00500.0050.010.020.0100.010.020.0100.010.020.030.040.05(c)(d)采用一个反射器，若干个引向器。采用一个反射器，若干个引向器。第第2 2章章 简单线天线简单线天线 典型引向天线的增益与总元数的关系典型引向天线的增益与总元数的关系 123456789 10 1112345678910111213元数 N增益 / dB实际应用的引向天线引向实际应用的引向天线引向器的数目