行波天线实用

第一节行波单导线及菱形天线一、行波单导线行波单导线：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，其馈电点置于坐标原点。输入端电流为

I0，忽略沿线电流的衰减，则线上电流分布为：第1页/共28页第一页，共29页。分析方法：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:方向函数为:第2页/共28页第二页，共29页。行波单导线的方向性特点：

（1）沿导线轴线方向没有辐射。（2）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。（3）当

l/λ

很大时，主瓣方向随

l/λ

变化趋缓，即天线的方向性具有宽频带特性。(a)l=λ;(b)l=1.5λ;(c)l=3λ第3页/共28页第三页，共29页。对称振子行波单导线天线辐射阻抗第4页/共28页第四页，共29页。变化快

行波单导线的方向系数的近似计算公式：最大辐射角第5页/共28页第五页，共29页。二、菱形天线1、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：排阵

——

用4根行波单导线构成菱形天线。两线之间的距离变化，故菱形线上各点的特性阻抗不等，从锐角端的600～700Ω变化到钝角处的1000Ω。引起天线上局部的反射，从而破坏行波状态。为了使特性阻抗变化较小，菱形的各边通常用2～3根导线并在钝角处分开一定距离，使天线导线的等效直径增加，第6页/共28页第六页，共29页。菱形天线的辐射场：四根导线在空间的合成场。通过适当选择菱形锐角2θ0、边长

l

来获得最强的方向性，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。第7页/共28页第七页，共29页。在长对角线方向，1、2两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：菱形天线的工作原理

射线行程差引起的相位差电流相位不同引起的相位差电场的极化方向所引起的相位差即长对角线方向上导线1、2的合成场同相叠加。第8页/共28页第八页，共29页。导线1和4：在长对角线方向上射线行程差引起的相位差ΔΨr=0，电流相位差ΔΨi=π，电场极化相位差ΔΨE=π，总相位差ΔΨ=2π。四条边上的天线在长对角线上相位都是同相的。第9页/共28页第九页，共29页。2、菱形天线方向函数过长轴的垂直平面的方向函数为:Φ0为菱形的半钝角；Δ为仰角；H为天线的架设高度。当Δ=Δ0时（Δ0为最大辐射方向仰角）。水平平面的方向函数为：第10页/共28页第十页，共29页。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(a)水平平面方向图；(b)过长轴的垂直平面方向图第11页/共28页第十一页，共29页。3、菱形天线的尺寸选择及其变形天线

当通信仰角Δ0确定以后，选择主瓣仰角等于通信仰角。使

f(Δ0)最大，分别取各个因子分别最大：使第三个因子最大，则sin(kHsinΔ0)=1，即选择天线架高：第12页/共28页第十二页，共29页。

使第二个因子为最大，则:sin［kl(1-sinΦ0cosΔ0)/2］=1，即天线每边长度：

使第一个因子为最大，则：

由此得到半钝角Φ0和仰角Δ0应满足如下关系：

在通信方向的仰角

Δ0

和工作波长λ确定以后，便可直接算出H、l和

Φ0。第13页/共28页第十三页，共29页。菱形天线的主要优点是：（1）结构简单，造价低，维护方便；（2）方向性强，增益系数可达100左右；（3）频带宽，工作带宽可达（2～3）∶1；（4）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。

菱形天线的主要缺点是：（1）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；（2）副瓣多，副瓣电平较高；（3）效率低，由于终端有负载电阻吸收能量。第14页/共28页第十四页，共29页。

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

d≈0.8λ，其方向函数表达式为:双菱天线单菱形天线的方向函数双菱天线的旁瓣电平比单菱形天线低，增益系数约为单菱形天线的1.5～2倍。第15页/共28页第十五页，共29页。

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入端，再激励天线“2”。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，从而提高了天线的效率。回授式菱形天线第16页/共28页第十六页，共29页。三、行波V形天线（TravelingWaveVeeAntenna）V形斜天线，仅有一根支杆和两根载有行波电流的导线组成，架设很简单，适用于移动的台站中。第17页/共28页第十七页，共29页。

提高天线的有效高度之一——分布式加载，其典型天线之一即为螺旋鞭天线（HelicalWhipAntenna）。螺旋鞭天线

第二节螺旋天线

第18页/共28页第十八页，共29页。

螺旋天线的辐射特性取决于螺旋线直径D与波长的比值D/λ，此类天线具有三种辐射状态。螺旋天线的三种辐射状态(a)边射型(b)端射型(c)圆锥型第19页/共28页第十九页，共29页。螺旋柱直径D=(0.25~0.46)λ

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，主要特点：（1）沿轴线方向有最大辐射；（2）辐射场是圆极化波；（3）天线导线上的电流按行波分布；（4）输入阻抗近似为纯电阻；

(5）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(CircularPolarizedAntenna)。第20页/共28页第二十页，共29页。一、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。1、通信的一方或双方处于方向、位置不定的状态，为了提高通信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天线。2、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发射或接收天线。3、为了干扰和侦察对方的通信或雷达目标，需要应用圆极化天线。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。第21页/共28页第二十一页，共29页。圆极化波的重要性质：（1）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90°的线极化波；（2）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；（3）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。第22页/共28页第二十二页，共29页。二、螺旋天线的工作原理D——螺旋的直径；a——螺旋线导线的半径；s——螺距，即每圈之间的距离；α——螺距角，

l0——一圈的长度，

N——圈数；

h——轴向长度，h=Ns

一圈展开图形第23页/共28页第二十三页，共29页。将圆环展成直线时线上的电流分布t1时刻t1

+T/4时刻经过一个周期T的时间间隔，电场矢量将旋转360°。由于线上电流振幅值是不变的，故轴向辐射的场值也不会变。所以，周长为一个波长的载行波圆环沿轴线方向辐射的是圆极化波。驻波螺旋天线工作在圆极化状态的原因：行波t1

时刻轴向辐射场只有Ey分量。T1

＋T/4时刻轴向辐射场只有Ex分量。第24页/共28页第二十四页，共29页。总结：螺旋天线上的电流是行波电流，是圆极化波。按右手螺旋方式绕制的螺旋天线，在轴向只能辐射或接收右旋圆极化波；按左手螺旋方式绕制的螺旋天线，在轴向只能辐射或接收左旋圆极化波。若用螺旋天线作抛物面天线的初级馈源，如果抛物面天线接收右旋圆极化波，则反射后右旋变成左旋，因此螺旋天线必须是左旋的。第25页/共28页第二十五页，共29页。三、螺旋天线的电参数估算工程上常用的估算公式，这些公式适用于螺距角α=12°~16°，圈数N>3，每圈长度l0=(3/4~4/3)λ。

（1）天线的方向系数或增益（2）方向图的半功率角为（3）方向图零功率张角为（4）输入阻抗为（5）极化椭圆的轴比为为了提高增益，可采用螺旋天线阵。椭圆圆第26页/共28页第二十六页，共29页。四臂螺旋天线第27页/共28页第二