《电磁波与天线仿真与实践》课件-电波与天线知识点16 引向天线

谭立容电话858422751号实训楼B511电子信息学院南京信息职业技术学院引向天线引向天线和高增益引向天线——电视接收天线引向天线的组成结构图5-1引向天线的结构引向天线的最大辐射方向在垂直于各振子方向上，且由有源振子指向引向器，所以，它是一种端射式天线阵。引向天线的优点是：结构简单、牢固，馈电方便，易于操作，成本低，风载小，方向性较强，体积小。引向天线的主要缺点是：工作频带窄。引向天线的工作原理

1．工作原理

由天线阵理论可知，排阵可以增强天线的方向性，而改变各单元天线的电流振幅比可以改变方向图的形状，以获得所要的方向性。引向天线实际上也是一个天线阵，与前面介绍的天线阵相比，不同的是：只对其中的一个振子馈电，其余振子则是靠与馈电振子之间的近场耦合所产生的感应电流获得激励，而感应电流的大小取决于各振子的长度及其间距。因此，调整各振子的长度及间距可以改变各振子之间的电流振幅比，从而达到控制天线方向性的目的。图5-2二元阵图5-3表示由两个平行的半波振子构成的二元阵，其中,振子1为有源振子，振子2为无源振子。虽然振子2没有直接的激励，但邻近振子1的辐射将使它产生感应电流，同样也产生辐射作用。此时，二元阵的辐射场为有源振子上激励电流I1及无源振子上感应电流I2辐射作用的叠加。其中，I2=mI1ejψ,则无源振子2的感应电流的振幅与相位取决于有源振子与无源振子间的距离d和无源振子的长度2l2。那么如何使振子2起到引向器或者反射器的作用呢？图5-3二元等效四端网络(a)二元阵；(b)四端网络；(c)等效四端网络无源的2号天线相当于输入电压U2=0，即四端网络终端短路的情况。根据四端网络的概念，可写出下列方程：(5-1-1)(5-1-2)由式（5-1-2）得出两振子电流比：（5-1-3）式中，振幅比m以及相位差ψ分别为（5-1-4）（5-1-5）其中,相位差ψ由三部分组成：分子中的相角、分母中的相角和ejπ。对称振子的自阻抗Z22取决于它本身的长度，而互阻抗Z12则主要取决于两振子的间距。故调节无源振子2的长度2l2或它与有源振子的间距d，均可改变电流比m以及相位差ψ,进而改变二元阵的合成场和方向性，使二元阵在其赤道面内呈现不同的方向图。调节无源振子的电流，即m和ψ，使方向图主瓣指向有源振子一方，就称此无源振子为无源反射器；若方向图主瓣指向无源振子一方就称此无源振子为引向器。

2．改变无源振子的长度及其与有源振子的间距所产生的影响

由上面分析可知，改变无源振子的长度及其与有源振子的间距，就可以获得我们所需要的方向性。一般情况下，有源振子的长度为半个波长，称半波振子。图5-4中，考虑波长缩短效应，有源振子的长度为2l1/λ=0.475，并给出了无源振子在2l2为不同长度下且距有源振子为不同距离d时的H面方向图。图5-4二元引向天线的H平面方向图由图5-4可见，当无源振子与有源振子的间距d<0.25λ时，无源振子的长度略短于有源振子的长度，由于无源振子电流I2相位滞后于有源振子I1，故二元引向天线的最大辐射方向偏向无源振子的所在方向。此时，无源振子具有引导有源振子辐射场的作用，故称为引向器。反之，当无源振子的长度长于有源振子的长度时，无源振子的电流相位超前于有源振子，故二元引向天线的最大辐射方向偏向有源振子所在的方向。在这种情况下，无源振子具有反射有源振子辐射场的作用，故称为反射器。因此，通过改变无源振子的长度2l2以及它与有源振子的间距d来调整它们的电流振幅比m

和相位差ψ，就可以达到改变引向天线的方向图的目的。一般情况下，当只改变无源振子的长度2l2时，无源振子与有源振子的间距取d=(0.15～0.23)λ；当无源振子作为引向器时，其振子长度取为2l2＝（0.42～0.46）λ。当无源振子作为反射器时，其振子长度取为2l２＝（0.50～0.55）λ。还可以只调节无源振子与有源振子的间距d，即当无源振子作为引向器时，取间距d=(0.23~0.3)λ；当无源振子作为反射器时，取间距d=(0.15~0.23)λ。引向天线的设计方法与设计举例

1．引向天线的设计原则

1）确定单元数N及总长度L

引向天线的单元数N应根据要求的增益系数值或者主瓣宽度来确定。引向天线主瓣的半功率宽度的近似计算公式为(5-1-6)式中,L是引向天线的总长度，也就是从反射器到最后一根引向器的距离。图5-62θ0.5与L/λ的关系曲线图5-7L/λ—N曲线图5-8G—N曲线例如，设计一副增益为12dB的引向天线的步骤为：

(1)由图5-8查得当G=12dB时，N=8,即需8个单元(包括1个有源振子，1个反射器和6个引向器)。

(2)从图5-7查得当N=8时，可以初步确定天线的L/λ＝1.8。在给定天线增益时可根据图5-8确定振子数N，再按图5-7由N查得L。也可以参考表5-1来选定振子数N。或当给定主瓣宽度2θ0.5时，可先由图5-6查得天线的L/λ，再由图5-7得出振子数N。表5-1引向天线的增益

2)确定振子长度和间距（1）确定无源振子长度。反射器与引向器通常均采用单线振子。反射器的长度一般稍长于有源振子，即2l/λ在0.5～0.55之间。引向器的长度略短于有源振子，即2l/λ在0.4～0.44之间。引向器越多，引向器的长度越短。当引向器数量很多时，它们的长度有不同的组合方案：可以是全部等长（但间距不同）；也可以是随着与有源振子距离的加大，长度逐渐减小。（2）单元间距d的选择。单元间距的选择要同时从方向特性和阻抗特性两方面考虑。实验结果表明，引向器与有源振子的间距di较大时，方向图的主瓣较窄、增益较高，输入阻抗较高，天线的阻抗频带较宽，但副瓣较大，易接收干扰信号。但当di>0.4λ时，增益开始下降，故间距不宜太大。如果间距过小，振子间的互耦增大，有源振子的输入阻抗随频率的变化剧烈(说明带宽变窄)且电阻的数值变小，会影响到天线和馈线间的匹配，因此di取值不应小于0.1λ。综上所述，di的取值范围为（0.1～0.4）λ。通常，除第一引向器外，其他引向器按等间距排列。实际应用中也有采用不等间距的，其原则是距主振子越远的引向器与相邻单元之间的距离越大。反射器与有源振子的距离dr对天线方向图的前后比和输入阻抗的影响较大。dr的取值范围为（0.15～0.31）λ。当dr值较小（dr

＝（0.15～0.17）λ）时，后瓣电平低，方向图的前后辐射比较高，但天线的阻抗频带较窄，天线的输入电阻也较低。当dr

＝（0.2～0.31）λ时，后瓣电平高，方向图的前后辐射比较小，但天线的阻抗频带较宽，输入电阻也较高，便于和常用电缆匹配。当反射器不用单根导线，而用由多根导线构成的栅状平面或曲面代替时，可改善天线的前后辐射比。无源振子数量较少时，为取得最佳组合,它们的长度和间距常常各不相同；无源振子数量较多（如6个以上）时，全部引向振子常做成等长等间距，但其中第一个引向振子与有源振子的间距d′取的较小一些，与其他引向振子间的间距d的关系为d′=(0.6～0.7)d。表5-2均匀引向器的个数与长度之间的关系可调整引向器的间距d(一般取(0.15～0.27)λ)。若d取值较大，则增益高，方向性尖锐，但是副瓣也高，易接收干扰信号，且纵向尺寸长，支撑复杂。第一根引向器距有源振子之间的间距d2取得小些（一般取(0.1～0.15)λ）,这样有利于加宽频带。3)确定有源振子及尺寸图5-9折合半波振子天线的外形确定有源振子长度时应考虑天线的缩短效应，取(5-1-7)式中,δ为缩短系数,即（5-1-8）Δl为振子缩短长度：（5-1-9）d为折合振子的等效直径，可由式（3-2-4）求得:（5-1-10）有源振子馈电间隔aa′在VHF波段一般取50～80mm；在UHF波段一般取20mm。有源振子为折合半波振子时，折合振子宽度b取(0.01～0.08)λ。b值增大有利于加宽频带，但若b取得太大，则两条窄边（指折合振子的上下两臂连接处）会产生辐射，使天线增益下降，且方向图受到影响。b值太小，振子的输入阻抗要降低，容易引起阻抗失配。通常在VHF波段取b=0.02λ,UHF波段取b=0.08λ。

2．设计举例设计一个均匀引向天线，接收10～12频道节目，其增益大于9dB。（1）计算高/低端波长和中心波长λ:10频道频率范围是199～207MHz,12频道频率范围是215～223MHz，11频道在10和12频道之间。低端波长：高端波长：中心波长：（2）确定天线振子数目N:

根据给定增益，由图5-8查得G>9时，最少的单元数目为5。（3）确定折合半波振子长度2l、宽度b、接口宽度aa′:

取直径为10mm的金属管（铜管或铝管）作为振子材料,则：b＝0.03，λ＝43mm,aa′取50mm。用公式（5-1-10）计算：用公式（5-1-9）计算：用公式（5-1-8）计算：用公式(5-1-7)求得折合振子的长度L2为（4）确定引向器的长度和距离：由表5-2可查得，当引向器个数为5时，引向器长度Ln＝0.434λ0=618mm。引向器间距dn=0.34λ0=484mm。第一引向器与有源折合振子间距d2=0.15λ0=214mm。（5）确定反射器长度和间距:

反射器长度 反射器与折合振子的间距d1=0.25λ0=356mm。（6）天线总长度：L=d1+d2+d3+d4=356+214+484+484=1538(mm)图5-1010～12频道5单元引向天线（7）估算主瓣宽度（半功率角2θ0.5）:（8）复核增益:因所以取中间值:用分贝表示为G=10lg11.88=10.75dB,因此上述设计符合要求。

3.引向天线的计算机辅助设计技术（1）根据实际工程所提出的天线参数要求，用前面介绍的经验公式或者常用尺寸范围确定初始结构参数（如振子个数N的确定，振子的长度和间距的选取