电磁波与天线仿真与实践-单极天线

单极天线对比半波对称振子和折合天线

折合天线

折合天线的阻抗特性图

折合振子与短路双线传输线(a)短路双线传输线；(b)折合振子；(c)电流加倍的半波振子可对折合振子简单分析如下：（1）折合振子的输入阻抗高。设折合振子的输入阻抗为Zin，半波振子的输入阻抗为Zin1，它们有相同的输入功率Pin，则所以

(3-2-1)因为半波振子的输入阻抗为纯电阻，且输入阻抗等于辐射阻抗，即Rin1=RΣ1=73Ω，所以折合振子的输入阻抗为因此，折合振子的输入阻抗是半波振子的四倍。折合振子因为其电流分布和单线振子相同，故其方向特性和单线半波振子完全相同。同时，因为半波折合振子的输入电流与波腹电流正好相同，所以其输入电阻与辐射电阻相同。因此，折合振子的辐射阻抗等于半波振子辐射阻抗的四倍，即ZΣ=4Z11

(3-2-4)（3）折合振子也可以看成是加粗的振子，它的等效半径ae比较大，即(3-2-5）式中,a是导线的半径，d是两线间的距离。折合振子的两根导线的线径也可以不相等，如图3-10所示。调整它们的比例可以改变折合振子相对于普通半波振子的输入阻抗的变换比例。不等直径折合振子与半波振子输入阻抗之间的关系是(3-2-6）式中,C取决于线的间距d和线径a1、a2，在线径a1、a2远小于间距d的一般情况下：由上式可见，不连接馈线那根导线的半径a2大于连接馈线那根导线的半径a1时，即a2>a1

时，C>1，Zin>4Zin1；反之，若a2<a1，则Zin<4Zin1。这说明，折合天线的输入阻抗还可以通过选择两根不同直径的导线来进行调整，便于天线与馈线进行良好的匹配，这也是折合天线获得广泛使用的原因之一。折合振子除了可以用两根导线做成以外，还可以使用两根以上相同线径的半波长导线做成，这时:(3-2-8)式中，N是导线的根数。单极天线所谓单极天线，就是从输入端看去只有一个臂的天线，如鞭状天线、垂直接地天线等如图为鞭状天线结构：由一节或数节金属棒（或金属管）构成。特点：使用简易，携带方便。应用：便携式电台以及车辆、飞机、舰船等无线电台频段：短波、超短波

单极天线3.3.1单极天线的方向特性与阻抗特性

1．单极天线的方向特性当设地面为无限大的理想导电平面时，可用镜像法来分析垂直接地的单极天线。天线臂与其镜像构成一对称振子，如图3-11（b）所示。垂直天线与镜像天线的电流等幅同相。由于垂直接地单极天线只在地面的上半空间辐射，因此，其方向图在地面的上半空间与相应对称天线的方向图相同。分析如下：在理想导电平面上的单极天线的辐射场，可直接利用自由空间对称振子的公式进行计算，即(3-3-1)式中，β=2π/λ；Im为波腹点电流，工程上常采用输入电流表示。波腹点电流与输入点电流I0的关系为(3-3-2)架设在地面上的线天线的两个主平面方向图一般用水平平面和垂直平面来表示。设Δ为射线与地面间的夹角，当仰角Δ及距离r为常数时,电场强度随方位角φ的变化曲线即为水平面方向图；当方位角φ及距离r为常数时,电场强度随仰角Δ的变化曲线即为垂直面方向图。参看图3-11（b）,将θ=90°-Δ及式(3-3-2）都代入式(3-3-1）中，得架设在理想导电平面上的单极天线的方向性函数为由上式可见，单极天线水平面方向图仍然为圆。图3-12给出了四种不同的l/λ的垂直平面方向图。它与自由空间对称振子方向图的差别只是在下半空间无辐射。(3-3-3）图3-11单极天线与其镜像地面对天线性能的影响无限大的理想导电平面对天线性能的影响图4-31地面对天线性能的影响地面对天线性能的影响一个实用的天线是架设在地球的有限高度之上的，若电磁波在地表面的反射系数为1，则在理论上，地面可当作理想导体面处理。镜像原理根据理想导体面的边界条件，天线辐射出来的电磁波在导体面将被全反射。入射波和反射波在导体表面应满足边界条件：切向电场和法向磁场应等于零。据此，不妨把反射波看成是由原天线的镜象天线所辐射，可以证明，这种设想是有效而简便的。用镜像天线替代理想导体面的反射影响，就称之为镜像原理。镜象天线镜象天线位于界面的另一侧对称处，垂直天线的镜象是一个与原天线有完全相同的几何结构和形状，且电流大小和流向一致的假想天线，习惯上称作为正象。对于平行于理想导体面的水平振子，其辐射电场与导体面平行，为满足边界条件，镜象天线的结构和形状同样要与原天线同，但其电流振幅相等，流向应相反，这种镜象天线习惯上称之成负象。如果天线与地面倾斜，可分解成与地面平行的水平振子以及与地面垂直的垂直振子。 为了使天线的辐射图形更接近理想导电地平面的结果，在实际工程中，往往用有限大小的金属板或金属网来代替理想地面的作用。例如，在长、中波接地天线中，就是在天线底部用许多径向金属导线构成地网，代替理想地面，地网的半径一般为0.3λ左右。在超短波移动电台中用的基站或鞭天线，也采用有限的金属导体或金属底板作地面。当金属导体或地板的半径不够大时，主波瓣将向上翘起。图3-12单极天线垂直平面方向图(a)l/λ=1/4;(b)l/λ=1/2;(c)l/λ=2/3;(d)l/λ=3/4对比“

对称振子天线的方向图”由图3-12可见，当l/λ逐渐增大时，波瓣变尖。当l/λ>0.5时，出现旁瓣。当l/λ继续增大时，由于天线上反相电流的作用，沿Δ=0°方向上的辐射减弱。因此实际中一般取l/λ为0.53左右。当然，实际上大地为非理想导电体。也就是说，实际架设在地面上的单极天线方向图与上述方向图有些差别，主要是因为架设在地面上单极天线辐射的电磁场以地面波方式传播。因此准确计算单极天线的远区场时应考虑地面的影响，也就是应按地波传播的方法计算辐射场。

2．单极天线的阻抗特性在无限大理想导电地面上的单极天线的辐射电阻的求法与自由空间对称振子的辐射电阻求法完全相同。但单极天线的镜像部分并不辐射功率，当单极天线的激励电压是等效的双极（对称）天线的一半时，单极天线的辐射功率只有相应对称振子天线的一半。因此，其辐射电阻为同样长度的自由空间对称振子辐射电阻的一半，其输入阻抗也只有同样长度的自由空间对称振子输入阻抗的一半。3.3.2单极天线的极化特性与频带特性当单极天线的激励电压是等效的双极（对称）天线的一半时，单极天线存在于上半空间的辐射场与对称天线的相等。单极天线的方向性函数和方向图与对称天线的上半空间的方向性函数和方向图也相同，所以其主瓣宽度极化特性与频带宽度等参数也均与对称天线的相同。3.3.3提高单极天线效率的方法由于单极天线的高度受到限制，所以当天线高度l<<λ时，其天线的辐射电阻很低，但损耗电阻RL却较大。根据天线效率的定义有：可见，单极天线的效率很低。大约只是百分之几，甚至千分之几。因此提高单极天线的效率是十分必要的。提高单极天线效率的方法有两种：一种是提高辐射电阻；另一种是降低损耗电阻。1.提高辐射电阻图3-13加载天线图3-14长、中波波段的顶端电容加载的单极天线

2.降低损耗电阻单极天线的主要损耗来自于接地系统。因为大地是天线电流回路中的一部分，电流流经大地