天线原理与设计3.2.1-鞭状天线

3.2.1鞭状天线

鞭状天线(WhipAntenna)是一种应用相当广泛的水平平面全向天线，最常见的鞭状天线就是一根金属棒，在棒的底部与地之间进行馈电，如图3-2-1所示。

为了携带方便，可将棒分成数节，节间可采取螺接、拉伸等连接方法，如图3-2-2所示。图3-2-2鞭状天线的几种连接方法(a)螺接式；(b)拉伸式

1.鞭状天线电性能

1)极化:垂直极化

2)方向图及方向系数：正镜像

3)有效高度

有效高度是直立天线的一个重要指标，可以定义如下：假想有一个等效的直立天线，其均匀分布的电流是鞭状天线输入端电流，它在最大辐射方向(沿地表方向)的场强与鞭状天线的相等，则该等效天线的长度就称为鞭状天线的有效高度he。图3-2-3鞭状天线的有效高度

如图3-2-3所示，假设鞭状天线上的电流分布为

(3-2-1)其中,I0是天线输入端电流;h为鞭状天线的高度。依据有效高度定义，得若h/λ<0.14)输入阻抗

除天线导线、附近导体及介质等引起的损耗外，还有相当大的功率损耗在电流流经大地的回路中，参见图3-2-4，传导电流和位移电流构成广义的电流回路概念。因此输入电阻包括两部分，即

Rin=Rr0+Rl0(3-2-4)图3-2-4鞭状天线的电流回路其中Rr0和Rl0分别为归算于输入端电流的辐射电阻和损耗电阻，其计算公式如下:

(3-2-5)

(3-2-6)

2.加顶负载

如图3-2-5所示，在鞭状天线的顶端加小球、圆盘或辐射叶，这些均称为顶负载(TopLoading)。天线加顶负载后，使天线顶端的电流不为零，如图2-2-6所示，这是由于加顶负载加大了垂直部分顶端对地的分布电容，使顶端不是开路点，顶端电流不再为零，电流的增大使远区辐射场也增大了。只要顶线不是太长，天线距地面的高度不是太大，则水平部分的辐射可忽略不计。图3-2-5加顶负载的鞭状天线计算顶负载的作用时，可将顶端的电容等效为一段延长线h′，如图3-2-6(a)所示；同时，天线电流分布就比较均匀，如图3-2-6(b)所示。设顶端电容为Ca，垂直线段的

特性阻抗为Z0A，则此等效长度h′可计算如下:

(3-2-7)

式中单根垂直导线的特性阻抗为

(3-2-8)图3-2-6加顶负载改善了天线上的电流分布(a)顶负载电容等效为一延长线段；(b)天线电流分布的改善下面计算加顶负载鞭状天线的有效高度he。设天线上的电流分布为

(3-2-9)

式中,z是天线上一点到输入端的距离；I0是输入端电流。于是有效高度为

(3-2-10)

当(h+h′)/λ很小时，上式可简化为

(3-2-11)加顶负载鞭状天线的方向图在水平平面仍是一个圆，在垂直平面内，由于垂直部分的顶端电流不为零，故方向函数为

(3-2-12)

3.加电感线圈(InductionCoil)

在短单极天线中部某点加入一定数值的感抗，就可以部分抵消该点以上线段在该点所呈现的容抗，从而使该点以下线段的电流分布趋于均匀，如图3-2-7所示，它对加感点以上线段的电流分布并无改善作用。图3-2-7加电感线圈改善天线电流分布

4.降低损耗电阻

鞭状天线的损耗包括天线导体的铜耗、支架的介质损耗、邻近物体的吸收、加载线圈的损耗及地面的损耗，其中地面损耗最大。

减少地面损耗的办法是改善地面的电性质。对大型电台常采用埋地线的办法，一般是在地面以下采用向外辐射线构成的地网，如图3-2-8所示，地网不应埋得太深，因为地电流集中在地面附近，地网埋设的深度一般在0.2～0.5m之间，导线的根数可以从15根到150根，导线直径约为3mm，导线长度有半波长就够了。若加顶负载，由于加顶部分与地面的耦合作用，则地网导线必须伸出水平横线在地面上的投影。

但是埋设地线对于移