《微波技术与天线》第8章线天线

1、8.1 对称振子天线,则细振子天线的辐射场为,（8-1-4）,（8-1-5）,|F()|是对称振子的E面方向函数,式中,当电长度趋近于3/2时, 天线的最大辐射方向将偏离90, 而当电长度趋近于2时,在=90平面内就没有辐射了。,化简后得,根据式（6 -3 -7）, 对称振子的辐射功率为,（8-1-6）,（8-1-7）,（8-1-8）,（8-1-7）,（8-1-8）,（8-1-7）,对称振子的辐射电阻为,对称振子的辐射电阻与h/的关系曲线,h=2h/=/2即得半波振子的E面方向图函数为,R=73.1 (),（8-1-9）,（8-1-10）,2. 半波振子的辐射电阻及方向性,D=1.64,主瓣宽

2、度为78,1) 特性阻抗 由传输线理论知, 均匀双导线传输线的特性阻抗沿线不变, 取 r=1，则 D为两导线间距；a为导线半径。 而对称振子两臂上对应元之间的距离是可调的, 设对应元之间的距离为2z, 则对称振子在z处的特性阻抗为,(8 -1 -12),(8 -1 -13),式中, a为对称振子的半径。,2. 振子天线的输入阻抗,将Z0(z)沿z轴取平均值即得对称振子的平均特性阻抗 :,式中, 2为对称振子馈电端的间隙。 可见, 随h/a变化而变化, 在h一定时, a越大, 则 越小。,(8 -1 -14),双线传输线几乎没有辐射, 而对称振子是一种辐射器, 它相当于具有损耗的传输线。 根据传

3、输线理论, 长度为h的有耗线的输入阻抗为,式中, Z0为有耗线的特性阻抗; 和分别为对称振子上等效衰减常数和相移常数。,(8 -1 -15),2) 对称振子上的输入阻抗,对于对称振子而言, 损耗是由辐射造成的, 所以对称振子的单位长度电阻即是其单位长度的辐射电阻, 记为R1, 根据沿线的电流分布I(z), 可求出整个对称振子的等效损耗功率为,(1) 对称振子上的等效衰减常数,对称振子的辐射功率为,R1为传输线的单位长度电阻,(8 -1 -16),有耗传输线的衰减常数为:,(8 -1 -17),PL=P,由传输线理论可知, 有耗传输线的相移常数为,导线半径a越大, L1越小, 相移常数和自由空间

4、的波数k=2/相差就越大, 令n1=/k, 由于一般情况下L1的计算非常复杂, 因此n1通常由实验确定。,(8 -1 -22),(2） 对称振子的相移常数,R1和L1分别是对称振子单位长度的电阻和电感,n1=/k与h/的关系曲线,对称振子上的相移常数大于自由空间的波数k, 亦即对称振子上的波长短于自由空间波长, 这是一种波长缩短现象, 故称n1为波长缩短系数。 式中, 和a分别为自由空间和对称振子上的波长,(8 -1 -23),造成上述波长缩短现象的主要原因有: 对称振子辐射引起振子电流衰减, 使振子电流相速减小, 相移常数大于自由空间的波数k, 致使波长缩短; 由于振子导体有一定半径, 末端

5、分布电容增大（称为末端效应）, 末端电流实际不为零, 这等效于振子长度增加, 因而造成波长缩短。振子导体越粗, 末端效应越显著, 波长缩短越严重。,对称振子的输入阻抗与h/的关系曲线,对称振子的输入阻抗很繁琐, 对于半波振子, 在工程上可 按下式作近似计算:,例设对称振子的长度为2h=1.2 (m), 半径a=10 (mm), 工作 频率为f=120 (MHz), 试近似计算其输入阻抗。,所以,查图 8 - 4 得,R=65 ,解: 对称振子的工作波长为,对称振子的平均特性阻抗为,由h/a=60查图 8 - 6 得 n1=1.04 相移常数为,将以上R、 及一并代入输入阻抗公式， 即,8.2

6、阵列天线,设天线阵是由间距为d并沿x轴排列的两个相同的天线元所组成, 假设天线元由振幅相等的电流所激励, 天线元2的电流相位超前天线元1的角度为, 它们的远区电场是沿方向的, 于是有,1. 二元天线阵,F(, )是各天线元本身的方向图函数；Em是电场强度振幅。将上面两式相加得二元阵的辐射场为,r2=r1-dsincos,(8-2-3),基于,得,二元阵辐射场的电场强度模值为,（1）元因子表示组成天线阵的单个辐射元的方向图函数, 其值 仅取决于天线元本身的类型和尺寸。它体现了天线元的 方向性对天线阵方向性的影响。,结论：,（3）在各天线元为相似元的条件下, 天线阵的方向图函数是单 元因子与阵因子

7、之积。 这个特性称为方向图乘积定理。,（2）阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性, 其值取 决于天线阵的排列方式及其天线元上激励电流的相对振 幅和相位, 与天线元本身的类型和尺寸无关。,天线阵由两个沿x轴排列且平行于z轴放置的半波振子所组成, 二元阵的电场强度模值:,令=0, 即得二元阵的E面方向图函数:,令=/2，得到二元阵的H面方向图函数:,二元阵的E面和H面的方向图函数与单个半波振子是不同的, 特别在H面, 由于单个半波振子无方向性, 天线阵H面方向函数完全取决于阵因子。,例 画出两个沿x方向排列间距为/2且平行于z轴放 置的振子天线在等幅同相激励时的H面方向图。 解: 由题意知,

8、 d=/2, =0, 将其代入式（8 -2 -11）,H面 方向图得到二元阵的H面方向图函数为,最大辐射方向在垂直于天线阵轴（即=/2）方向。最大辐射方向在垂直于阵轴方向的天线阵称为边射式直线阵。这是由于在垂直于天线阵轴（即=/2）方向, 两个振子的电场正好同相相加, 而在=0和=方向上, 由天线元的间距所引入的波程差为/2,相应的相位差为180, 致使两个振子的电场相互抵消, 因而在=0和=方向上辐射场为零。,结论：,解: 由题意知, d=/2, =, 将其代入式（8 - 2 - 11）, 得到 二元阵的H面方向图函数为,例画出两个沿x方向排列间距为/2 且平行于z轴放置的 振子天线在等幅反

9、相激励时的H面方向图。,等幅反相二元阵(端射阵),例画出两个平行于z轴放置且沿x方向排列的半波振子, 在d=/4、=-/2时的H面和E面方向图。 解: 将d=/4、=-/2 代入式（8-2-11），得到H面方向图函数为,将d=/4、=/2代入式（8-2-10） ，得到E面方向图函数为,天线阵的H面方向图,天线阵的E面方向图,单个振子的零值方向在=0和=180处, 阵因子的零值在=270处, 所以阵方向图共有三个零值方向, 即=0、=180、=270, 阵方向图包含了一个主瓣和两个旁瓣。,结论：,例 由三个间距为/2的各向同性元组成的三元阵, 各元激励的相位相同, 振幅为121, 试讨论这个三元

10、阵的方向图。,（8-2-16）,解: 这个三元阵可等效为由两个间距为/2的二元阵组成的二元阵, 元因子和阵因子均是一个二元阵, 元因子、阵因子均由式（8 - 2 - 12）给出。 根据方向图乘积定理，可得三元阵的H面方向图函数为,三元二项式阵的H面方向图,（1）将其与二元阵的方向图比较, 显然三元边射阵的方向图较尖锐, 即方向性强些, 但两者的方向图均无旁瓣。 （2）上述三元阵是天线阵的一种特殊情况, 即这种天线阵没有旁瓣, 称为二项式阵。 在N元二项式阵中, 天线元上电流振幅是按二项式展开的系数 分布的, 其中n=0, 1, , N-1。,结论：,2. 均匀直线阵,均匀直线阵,类似二元阵的分

11、析，可得N元均匀直线的辐射场：,（8-2-17）,令=/2, 得到H平面方向图函数即阵因子方向函数为,式中,（8-2-18）,（8-2-19）,式（8-2-18）右边的多项式是一等比级数, 其和为,（8-2-20）,图 8 16 五元阵的归一化阵因子图,例 8 -6间距为/2的十二元均匀直线阵(图 8 -17):, 求归一化阵方向函数; 求边射阵的主瓣零功率波 瓣宽度和第一旁瓣电平, 并画出方向图; 此天线阵为端射阵时, 求主瓣的零功率波瓣宽 度和第一旁瓣电平, 并画出方向图。,解: 十二元均匀直线阵函数为,其中：,=kd cos+,其第一零点发生在,将阵间距d=/2代入上式得 =cos+,图

12、 8 18 十二元均匀边射阵方向图,对于端射阵, =, 所以, =cos-。 第一零点的位置为 主瓣零功率波瓣宽度为 第一旁瓣电平为 20 lg 0.212=13.5 dB 可见, 十二元均匀直线阵的第一旁瓣电平（13.5dB）比五元均匀直线阵的第一旁瓣电平（12dB）仅降低了1.5dB。,图 8 19 十二元均匀端射阵方向图,8.3 直立振子天线与水平振子天线,1. 直立振子天线 垂直于地面或导电平面架设的天线称为直立振子天线, 它广泛地应用于长、中、短波及超短波波段。,2. 水平振子天线 水平振子天线经常应用于短波通信、 电视或其它无线电系统中, 这主要是因为:, 水平振子天线架设和馈电方

13、便; 地面电导率的变化对水平振子天线的影响较直立天线小; 工业干扰大多是垂直极化波, 因此用水平振子天线可减小 干扰对接收的影响,水平振子天线结构,引向天线又称八木天线, 由一个有源振子及若干个无源振子组成。在无源振子中较长的一个为反射器, 其余均为引向器, 它广泛地应用于米波、分米波波段的通信、雷达、电视及其它无线电系统中。,引向天线,移动通信基站天线 移动通信是指通信双方至少有一方在移动中进行信息传输和交换。 其通信的运行环境十分复杂, 多径效应、衰落现象及传输损耗等都比较严重; 而且移动通信的用户由于受使用条件的限制, 只能使用结构简单、小型轻便的天线。, 为尽可能避免地形、地物的遮挡,

14、天线应架设在很高的地 方,这就要求天线有足够的机械强度和稳定性;, 为使用户在移动状态下使用方便, 天线应采用垂直极化; 根据组网方式的不同, 如果是顶点激励, 采用扇形天线; 如果是中心激励, 采用全向天线; 为了节省发射机功率, 天线增益应尽可能的高; 为了提高天线的效率及带宽, 天线与馈线应良好地匹配。,螺旋天线是用导电性良好的金属做成的螺旋形导线天线,常用同轴线激励,同轴线外导体张开为反射屏。螺旋天线可工作于多种模式,但在超高频波段,最为常用的是轴向辐射的工作模式,讨论螺旋天线为辐射场时,不能只讨论E分量了,这是因为波源分布在立体的螺旋线上,它的辐射场既有E分量还有E分量(Er分量可忽略)。,螺旋天线,菱形天线是现代短波通信中使用最广,最主要的定向天线。它是由一个水平菱形导线悬挂在四根支柱上形成的。在菱形的一个锐角上接入电源,另一个锐角接入与菱形特性阻抗相等的电阻,这便构成了行波天线。其最大辐射方向在通过菱形两锐角顶点的垂直平面内。,引向反射天线又称为波渠天线,它是由一根有源振子和几根无源振子组成的。其中1为支撑杆,2为反射器,3为有源振子,4为馈线,5为三元引向器。它的优点是结构简单,馈电方