天线7_环天线

1、天线原理环天线2015.3.25主要内容电小环天线任意尺寸环天线环的电流分布环天线的效率加载环天线铁氧体加载电阻加载电小环天线7环形天线环形天线(loop antenna)是一种结构简单的天线，它 有许多不同的形式，如矩形、方形、三角形、菱形、 椭圆形和圆形等。为了分析上和结构上的简单性，通 常多使用圆环天线。本节主要讨论的就是圆环天线，其它形状的环形天线的分析方法与此类似，其性能也与具有相同电流分布的圆环天线的性能相似。环形天线按尺寸大小可分为小环天线与大环天线。若圆 环的半径b很小，其周长。=2油会.2；1,则称为小环天线。 小环天线上沿线电流的振幅和相位变化不大，近似均匀 分布。当环的周

2、长可以和波长相比拟时，称为大环天线, 此时必须考虑导线上电流的振幅和相位的变化，可近似 地将电流看成驻波分布，这种天线的电特性和对称振子 的电特性有明显的相似之处，均属谐振型天线。若在天 线适当部位接入负载电阻，使线上载行波电流，便构成 了非谐振型环天线或称加载环天线。该天线具有较好的 宽带特性。小环天线主要用于测向及广播接收等场合， 大环天线应用于广播和通信中。z j图7-1small loop antenna)小环天线八如果电流环半径很小，考虑到 是随位置变化的，将其在球坐 标系中表示，即对于小电流环01犍为z敛1207r丁 27rk=近场区电磁场其磁场正好是小电流环（即磁偶极子）产生 磁

3、场的表达式远场区的辐射场与电偶极子远区场相比, 除电场和磁场的极化方向 互为置换外，特性类似利用辐射电阻的定义，得到小电流圆环（磁偶极.子）的辐射电阻是【例】设导线的长度为1米，求制作成圆环和电 偶极子天线的辐射电阻。电磁振荡频率为1mhz小圆环天线电偶极子天线行假设小环的损耗电sa的损耗电阻相同。设环线的电导率为5导线半径为q,环半径为b,则欧姆损耗电阻为(7-5)式中,为表面电阻，4=7萩西如上所述，小环天线辐射电阻小，效率低，因而在 无线电通信中很少用它作发射天线，在一些通信应 用中，常用它作接收天线。因为在接收情况下，天 线效率没有信噪比那样重要（思考？）。小环天线 的方向系数0=1.

4、5,其有效接收面积为se=d = a24 乃8 万 （7-6）何面积，并把该面积与有效接收面积比较。解几何面积为s = 7rb2= (2)2 = 5.03 x10-32225有效接收面积为2se= = 0.11922 84=23.66s, 0.119% -f5.03x10-322从电性能上看，环的作用相当于它的几何面积的24 倍。对这一点不必奇怪，为了高效，小环在电性能 上必须大大地超过它的几何面积。对于多匝环的损耗电阻，紧挨着的环的邻近效应引 起的附加损耗电阻可能大于趋肤效应引起的损耗电 阻，n匝环总的损耗电阻为r/n=rs(% + i)a ro(7-8)式中,勺为邻近效应引起的附加损耗电阻

5、;凡为单位 长度趋肤效应的欧姆电阻,ro=（nr9/q兀a）。为了给大家 一个数量上的概念，举例如下。【例7-2】设小环天线的半径为为/25，导线半径为1。-4九 匝间距为4义1。-“，天线导线是铜制的，电导率为 5.7xio7（s/m）。试求工作在4100mhz的单匝和8匝小 圆环天线的辐射效率（已知/二=。.38）。解单匝环的辐射电阻为v2二320； = 3204(几 o)2 = 0.788q2528匝环的辐射电阻为/?r8 = 0.788 x82 =50.43qam = i 方-25*10-4者a8匝环的损耗电阻为rnx 1.053x(0.38+ 1) = 11.620&8 = 8xr/

6、(.+ 1) 二 单匝环的辐射效率为0.788 c oe%=42.8%0.788 + 1.0538匝环的辐射效率为50.43 o1sab = 81.3%50.43 + 11.62蓼一计算结果表明，多匝环天线相对于单匝环天线而言t辐 射效率有较明显的提高。提高小环天线效率的另一种方 法是在环线内插入高磁导率铁氧体磁芯，以增加磁场强 度，从而提高辐射电阻，这种形式的天线称为磁棒天线， 如图7-2所示。磁棒通常用镒锌铁氧体（呈黑色）或银 锌铁氧体（呈棕色）制成。前者用于中波，后者用于短 波。磁棒天线的辐射电阻r,由下式给出multiple loop antenna woundaround s fer

7、rite core磁芯的有效磁导率。磁棒天线小型化：在小铁氧体棒上绕几匝导线。天线、电感（与调谐电容并联构成调谐回路） 匝数不多，损耗小。袖珍收音机中中波、短波天线镒锌铁氧体具有高磁导率和高磁通密度的特点，且在低于1mhz的频率时, 具有较低损耗的特性。银锌铁氧体具有极高的阻抗率、不到几百的低磁导率等特性，及在高于1mhz的频率亦产生较低损耗等。铁氧体磁芯用于各种电子设备的线圈和变 压器中。川口“川比:即二由于在小铁氧体棒上绕几匝而成的铁氧体天线的小型化 特点，它特别适用于作袖珍半导体收音机的天线。这种 天线通常与射频放大器的调谐电容并联，它除了作天线 外还提供了一个必需的电感，以构成调谐回路

8、。因为这 个电感只用几匝线圈，所以损耗电阻仍很小，q值通常 很高，从而获得良好的信号选择能力和较大的感应电压。任意尺寸环天线 1.大圆环天线环的半径加大以后，必须考虑沿环电流的振幅和相 位分布。jestorer分析获得了单匝圆环上的电流振 幅及相位分布，如图7-3所示。其中3角如图7t所示， 环天线几何特征参量用0=2人(2通/(7)表示，其中a 为导线半径，b为环的半径。电流沿环的幅 度与相位不再 均匀分布y电流振幅/电流振幅/ ma电流相位/ rad电流相位/ rad0906。.3 / 0.2i 154kbm 04由图可见，当品=0.1时，电流近似于均匀分布，kb=o.2 时电流变化稍大，

9、当心再增加时，电流变化就很明显 了。根据这些结果，当环参数远大于心=。.2 （半径远 大于0.03a0.04入）时就不能认为是小环了。当kb=i 即环的周长为一个波长时，在p=o和i8o处为电 流波腹点，在少=9。和27。处为电流波节点。这里 分析常用的一种情况，即周长c=2就4的圆环。环形天线坐标如图7-1所示，设环上电流按下式分布:4=/0s。(7-10)jkrw，y，z)dr (7-11)r式中，凡带上标的表示源点的坐标，不带上标的表示场点的坐标。对于远区的辐射场，仅取尸项，则电场化简为石=空 dt(7-12)e产6e0 h -jcoa0 e -jcoa二=-. 二 i ._之相求得远区

10、场,环土一点到场点的距离r可近似为7? = jr2 + z?2 - 2br sin 0 cos(? -(pf)y(7-13)r-bsinocos(0 -(p)4 =皿片加 4将r的近似式代入a矢位的表达式(7-11),可得球 坐标系中a矢位的三个分量表示：127r；1cp sin 0 sin（o - d）*小%。3夕）丽，（7-14。） 2万jocos6sin（0 ）e/妨 sinecos（/w）dd（7-14。）(7-14c)a。二纯 6一的i cos(p (p)/smecw，)d(p, 4乃r jo由上式积(7-15)在yoz平面，即3 = 9。的平面,kb=i时, 分可得、a0 =cos

11、 ojo (sin 3) + j2(sin 0)ejkr4ra=。式中人和人分别是第一类。阶和2阶贝塞尔函数。在 xoz年面，即(p = o。或180的平面(7-16)4=。4 =孚0)-qsi)以刖 4r可求出辐射电场，从而这两个平面的方向函数为;yoz平面亦(8)=cos。jo(sin0)+j2(sin0)（7-17）xo z 平面% （。） =jo （sin。）（sin。）（7-18）根据上述两式画出方向图如图7-4所示。图7-4一个波长的圆环天线方向图(b)(a)yoz平面；(b)xoz平面由图可见，一个波长的环天线在环面法向上有最大辐射，这完全不同于小环天线，小环天线在环面 法向上无

12、辐射。一个波长环的方向性与两平行排列、 间距为0.27入的半波振子相似。3)图7-9 环天线及其等效天线双环天线上的电流分布；s）等效半波振子阵2000300160 a1200400图3-5圆环天线的输入阻抗 （4）电阻；（）电抗00.40.81.21.62.02.4kb=c i九黑长，融十） （。）800_ 7001-l00.40.81.21.62.02.4协二c”（周长，卅）3）0kb = c/a2.5时输入阻抗随周长c（以波长计）的变化 关系。由图可见，天线具有明显的谐振特性，当电尺寸左。较小时，小 环呈感抗性质。当环周长大约是2时发生第一个谐振点，其形状十 分尖锐；当环的线径增加时，谐

13、振特性很快消失； 若o = 21n（2b/a）时，其电抗曲线在性质上和数值 上都和对称振子相似。通常使用一个波长圆环天线（的=1 ），其输 入阻抗约为图7-6不同尺寸时环的轴线方向 （z轴）上的方向系数。加载环天线若在小环天线的中点串入 适当数值的电阻，则可以 使得沿线电流近似行波分 布，这种天线称为加载圆 环天线(loaded circular loop antenna)如图7-11 所 示，其具有良好的宽频带 特性，且为单向辐射。该 天线结构简单，造价低， 特别适用作vhf全频道室 内电视接收天线，但由于, 效率较低，故只适宜在强 信号区使用。图7-11 加载圆环天线根据传输线理论可知，若

14、负载阻抗&等于小环的平均特性阻抗z。,则加载环可看成是一行波天线。b= 1201n- a用类似计算对称振子的平均特性阻抗的方法，可以 近似求出加载圆环的平均特性阻抗为r if .c_ 2bsincp 7 , zo = -120 ind(pf7t joa(7-19)上式在kb较小时是足够准确的。图7-12 （q）给 出了特性阻抗随几何参量q=2/n（27lb/q）的变化 曲线，图（6）给出了& = 325q，尺寸。=94 时加载圆环天线的输入阻抗计算曲线。由图可 见，输入电阻约为3ooq。当kb较小时，输入电 抗为感抗，几乎为零，而当比较大时，输入电 抗为2003ooq的容抗。与无载圆环天线相比, 阻抗特性有明显的改善。kb= 0.1600500c 400 手300 起 善 2001000789101112i?=21n271b（。）图7-12加载圆环天线的特性阻抗与输入阻抗（。）特性阻抗；3）输入阻抗当时，天线为单向辐射，其最大辐射方向沿环 面的中心线由负载端指向馈电端，如图7-11所示的 心脏形方向图，比1时,最大辐射方向偏离馈电端, 而且随着周长c/2的增大，方向图出现副瓣。因此， 应按照在工作频段内的最高频率上。入出m1的原则