天线8.1_端射天线

2013 4 20 主要内容 端射天线 如何实现端射 引向天线 八木天线介绍 寄生单元的作用与工作原理 方向性 八木天线的阻抗 背射天线 结构与原理 端射天线 端射天线 比较端射阵的特点 思考端射天线的电流特点 八木定向天线八木定向天线 其增益可达 10 15 dB 引向天线 引向天线 引向天线 Yagi Uda Antenna 最早由日本Uda 宇田 用日文 1926年 Yagi 八木 用英文 1927年 先后作了介绍 故常称 八木 宇田 天线 图8 1 引向天线 它是一个紧耦合的寄生振子端射阵 结构如图8 1所示 由一个 有时由两个 有源振子及若干个无源振子构成 有源振子近似为半波振子 主要作用是提供辐射能量 无源振子的作用是使辐射能量集中到天线的端向 其中稍长于有源振子的无源振子起反射能量的作用 称为 反射器 较有源振子稍短的无源振子起引导能量的作用 称为引向器 无源振子起引向或反射作用的大小与它们的 尺寸及离开有源振子的距离有关 通常有几个振子就称为几单元或几元引向天线 例 如下图中天线共有五个振子 就称五元引向天线 由于每个无源振子都近似等于半波长 中点为电压 波节点 各振子与天线轴线垂直 它们可以同时固 定在一根金属杆上 金属杆对天线性能影响较小 不必采用复杂的馈电网络 因而该类天线具有体积 不大 结构简单 牢固 便于转动 馈电方便等优 点 其增益可以做到十几个分贝 具有较高增益 缺点是调整和匹配较困难 工作带宽较窄 8 1 引向天线的工作原理 1 引向器 Director 与反射器 Reflector 为了分析产生 引向 或 反射 作用时振子上的电 流相位关系 我们先观察两个有源振子的情况 设有平 行排列且相距 4的两个对称振子 如图8 2所示 若 两振子的电流幅度相等 但振子 2 的电流相位超前 振子 1 90 即I2 I1ej90 如图8 2 a 所示 此时 在 0 方向上 振子 2 的辐射场要比振子 1 的辐射 场少走 4路程 图8 2引向天线原理 a 振子 2 为反射器 b 振子 2 为引向器 I1 1 2 E 0 4 E Emax I2 I1e j90 a I1 1 2 E 0 4 E Emax I2 I1e j90 b 即由路程差引起的相位差 振子 2 超前于振 子 1 90 同时 振子 2 的电流相位又超 前振子 1 的电流相位90 则两振子辐射场 在 0 方向的总相位差为180 因而合成场 为零 反之 在 180 方向上 振子 2 的 辐射场要比振子 1 的辐射场多走 4路程 相 位落后90 但其电流相位却领先90 则两 振子辐射场在该方向是同相相加的 因而合成 场强最大 在其它方向上 两振子辐射场的路 程差所引起的相位差为 2 cos 而电流相位 差恒为 2 因而合成场强介于最大值与最小值 零值 之间 所以当 振子 2 的电流相位领先于振子 1 90 即I2 I1ej90 时 振子 2 的作用好像把振子 1 朝它方向辐射的能 量 反射 回去 故振子 2 称为反射振子 或反射器 如果振子 2 的馈电电流可以调节 使其相位滞后于振 子 1 90 即I2 I1e j90 如图8 2 b 所示 则其结 果与上面相反 此时振子 2 的作用好像把振子 1 向 空间辐射的能量引导过来 则振子 2 称为引向振子 或引向器 I1 1 2 E 0 4 E Emax I2 I1e j90 a I1 1 2 E 0 4 E Emax I2 I1e j90 b 图8 2引向天线原理 a 振子 2 为反射器 b 振子 2 为引向器 现在继续分析这一问题 如果将振子 2 的电 流幅度改变一下 例如减小为振子 1 的1 2 它的基本作用会不会改变呢 此时 E2对E1的 相位关系并没有因为振幅变化而改变 虽然在 0 方向 E 1 5E1 在 180 方向 E 0 5E1 但相对于振子 1 振子 2 仍然起着引向器 的作用 这一结果使我们联想到 在一对振子在一对振子 中 振子中 振子 2 起引向器或反射器作用的关键不起引向器或反射器作用的关键不 在于两振子的电流幅度关系 而主要在于两振在于两振子的电流幅度关系 而主要在于两振 子的间距以及电流间的相位关系子的间距以及电流间的相位关系 实际工作中 引向天线振子间的距离一般在0 1 0 4 之 间 在这种条件下 振子 2 对振子 1 的电流相位差 等于多少才能使振子 2 成为引向器或反射器呢 下 面作一般性分析 为了简化分析过程 我们只比较振子 中心联线两端距天线等距离的两点M和N处辐射场的大 小 图8 3 若振子 2 所在方向的M点辐射场较强 则 2 为引向器 反之 则为反射器 设I2 mI1ej 间 距d 0 1 0 4 则在M点E2对E1的相位差 kd 图 8 3 d 1 2 NM 根据d的范围 36 kd 144 如果0 180 即I2的初相导前于I1时 在N点E2对E1导前的电流相 位差将与落后的波程差有相互抵消的作用 辐射场 较强 所以振子 2 起反射器的作用 如果 180 0 即I2落后于I1时 则在M点E2对E1导 前的波程差与落后的电流相位差相抵消 辐射场较 强 振子 2 起引向器作用 由此可知 在d 0 4的前提下 振子 2 作为 引向器或反射器的电流相位条件是 反射器 0 180 引向器 180 0 8 1 2 二元引向天线 Two ElementYagi Uda Antenna 实用中为了使天线的结构简单 牢固 成本低 在引向天线中广泛采用无源振子作为引向器或反射 器 如图8 4所示 因为一般只有一个有源振子 在引向天线中无源振子的引向或反射作用都是相对 于有源振子而言的 图 8 4 2l1 d 2l2 O z 1 2 为什么无源振子能够起引向或反射器的作用呢为什么无源振子能够起引向或反射器的作用呢 我 们可以从最简单的二元引向天线进行分析 如图 8 4所示 假定有源振子 1 的全长为2l1 无源振 子 2 的全长为2l2 二者平行排列 间距为d 则 从概念上讲 在有源振子电磁场的作用下 无源振子将被感 应出电流I2 有电流就会有辐射 无源振子的辐射场将对二 元引向天线做出贡献 因而就方向性而论 无源振无源振 子实质上也是一个有效天线单元子实质上也是一个有效天线单元 只不过I2不是由振子 2 本身的电源而是由它自身 的尺寸以及与有源振子的相对关系决定而已 考虑到天线阵的阻抗特性 振子 2 的电流由下式 决定 221 122 j IZ me IZ 8 2 191页 式中 22 2121 22 2222 2122 2122 arctanarctan RX m RX XX XX 8 3 L1 50cm L2 65cm Lambda 100cm Space 25cm Zin 96 8111 52 7223i pcaad 结果96 9 53 4i 00 10 20 30 4 0 3 6 9 12 天 线 分 段 分 布 L1 电流分布 mA 00 10 20 30 4 180 90 0 90 180 00 20 40 6 0 2 4 6 8 天 线 分 段 分 布 L2 00 20 40 6 180 90 0 90 180 角度 L1 50cm L2 35cm Lambda 100cm Space 25cm Zin 78 5202 44 6492i pcaad 结果79 9 45 1i 00 10 20 30 4 0 3 6 9 12 天 线 分 段 分 布 L1 电流分布 mA 00 10 20 30 4 180 90 0 90 180 00 10 20 3 0 2 4 6 8 天 线 分 段 分 布 L2 00 10 20 3 180 90 0 90 180 角度 表8 1 电流比 2l1 0 475 图8 5二元引向天线方向图 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 180 180 90 90 270 270 d 0 25d 0 1d 0 5 z z d 0 25d 0 1d 0 5 a b 分析图8 5可以看出 1 当有源振子2l1 一定时 只要无源振子长度2l2 及两振子间距d 选择得合适 无源振子就可以成为引 向器或反射器 对应于合适的d 值 通常用比有源振 子短百分之几的无源振子作引向器 用比有源振子长百 分之几的无源振子作反射器 2 当有源及无源振子长度一定时 d 值不同 无源 振子所起的引向或反射作用不同 例如对于2l2 0 450 当d 0 1时有较强的引向作用 而当d 0 25以后就变 成了反射器 相比较而言 因此 为了得到较强的引 向或反射作用 应正确选择或调整无源振子的长 度及 两振子的间距 3 为了形成较强的方向性 引向天线振子间距d 不 宜过大 一般d 2以后 2 0 5随L 的 增大下降得相当缓慢 所以引向天线的半功率 角不可能做到很窄 通常都是几十度 引向天线的副瓣电平一般也只有负几分贝到负 十几分贝 H面的副瓣电平一般总是较E面的高 参看表8 2 由表8 2还可以看出 引向天线的 前后辐射比往往不是很高 即引向天线往往具 有较大的尾瓣 这也是不够理想的 为了进一 步减小引向天线的尾瓣 可以将单根反射器换 成反射屏或 王 形反射器等形式 图8 9为带 王 字形反射器的引向天线 图8 9 带 王 字形反射器的引向天线 3 方向系数和增益系数 引向天线的方向系数可由图8 10估算 一般的引向 天线长度L 不是很大 它的方向系数只有10左右 当要求更强的方向性时 若频率不很高 则可采用 将几副引向天线排列成天线阵的方法 引向天线的效率很高 差不多都在90 以上 可以 近似看成1 因而引向天线的增益系数也就近似等于 它的方向系数 即 G D D 8 5 图8 10 D L 的关系 01234567 L D 10 20 30 40 50 60 4 极化特性 常用的引向天线为线极化天线 它的辐射场在空间任 一点随着时间的推移都始终在一条直线上变化 当振子 面水平架设时 工作于水平极化 当振子面垂直架设时 工作于垂直极化 5 带宽特性 引向天线的工作带宽主要受方向性和输入阻抗的限制 一般只有百分之几 在允许馈线上驻波比S 2的情况下 引向天线的工作带宽可能达到10 用单根无源振子作反射器时 由于自阻抗 互阻抗以及 电间距d 均与频率关系密切 因而引向天线的工作带 宽很窄 此时可以采用排成平面的多振子 例如 王 形振子 或由金属线制成的反射屏作为反射器 这样不 仅可以增大前后辐射比 还可以增加工作带宽 有源振子的带宽对引向天线的工作带宽有着重要影响 为了宽带工作 可以采用直径粗的振子 如扇形振子 X 形振子以及折合振子等等 图8 11为扇形振子及 X 形振子 有关折合振子的介绍将在下面给出 图8 11扇形和 X 形振子 a 扇形振子 b X 形振子 a b 半波折合振子做为馈源 前已指出 由于振子间的相互影响 引向天线的输入阻抗 往往比半波振子的降低较多 很难与同轴线直接匹配 加 之同轴线是非对称馈线 给对称振子馈电时需要增加平衡 变换器 而有的平衡变换器又具有阻抗变换作用 进一步 将天线的输入阻抗变小 例如 U形管同轴平衡变换器能把 作为平衡器负载的天线输入阻抗变成1 4原阻抗再与主馈线 相接 这样就更难实现阻抗匹配 实验证明 有源振子的 结构与类型对引向天线的方向图影响较小 金属 杆 引向 器 反射 器 有源 振子 八木天线采用半波折合振子作为八木天线采用半波折合振子作为 馈电单元的原因 馈电单元的原因 引向天线 Yagi Uda Antenna 最早由日本Uda 宇田 用日文 1926年 Yagi 八木 用英文 1927年 先后作了介绍 故常称 八木 宇田 天线 因此可以主要从阻抗特性上来选择合适的有源振子 的尺寸与结构 工程上常常采用折合振子 因为它 的输入阻抗可以变为普通半波振子的K倍 K 1 半波折合振子 Half Wave Folded Dipole 的结构如 图8 12所示 振子长度2l 2 间隔D 图8 12 a 为等粗细的型式 图8 12 b 为不等粗细的 型式 图8 12 半波折合振子 D 2l a b 2l 2a2 2a1 D 粗略地说 可以把半波折合振子看作是一段 2的 短路线从其中点拉开压扁而成 如图8 13所示 折 合振子的两个端点为电流节点 导线上电流同相 当D a2时 当a1a2时 Zc1 Zc2 当a1Zc2 对于终端短路长线 有 1 1 1 2 2 2 M M c M M c U I Z U I Z 8 11 图8 14 等效短路线 4 4 UM 对于半波折合振子 UM1 UM2 UM 代入式 8 8 半波折合振子的输入电阻为 2 2222 112 1112 11 M cMMM inrrrr MMMc I ZIII RRRRR IIIZ 8 12 由传输线理论可知 平行双导线的特性阻抗 D为双导 线的间距 d 2a为双导线导线的直径 a为半径 因此 上式又可写成 2 120ln c D Z d 2 1 2 ln 1 ln inr D a RR D a 8 10 半波折合振子除了输入电阻大的优点之外 因为它的横断 面积较大 相当于直径较粗的半波振子 而振子越粗 振 子的等效特性阻抗越低 输入电阻随着频率的变化就比较 平缓 有利于在稍宽一点的频带内保持阻抗匹配 所以半 波折合振子还具有工作带宽较普通半波振子稍宽的优点 实验证明 D值选得大一些 不仅容易弯曲加工 而且工 作频带较宽 但D值太大时 两个窄边将产生辐射 使天 线增益下降 方向性变坏 故通常取D 0 01 0 03 当把半波折合振子用于引向天线时 可以证明半波折合振 子仍然能把用半波振子作有源振子时的引向天线的输入电 阻扩大K倍 因此在引向天线中广泛地被用作有源振子 背射天线 背射背射 返射返射 天线概述天线概述 背射天线是20世纪60年代初在引向天线基础上发 展起来的一种新型天线 由于其结构简单 馈电方 便 纵向长度短 增益高 可达数百 和副瓣背瓣 较小 可分别作到 20dB和 30dB以下 等优点 得 到天线工作者的重视 其中的短背射天线 更由于 它效率高 能平装及可用介质材料密封等优点 而 在宇航和卫星上得到重视和应用 1 背射天线 Back Fire Antenna 在引向天线最末端的引向器后面再加一反射盘T 就构 成背射天线 如图8 22所示 当电波沿引向天线的慢 波结构传播到反射盘T后即发生返射 再一次沿慢波结 构向相反方向传播 最后越过反射器向外辐射 故又