天线与电波传播_第一章

1、天线基础知识课程简介2天线与电波天线与电波传播传播微波技术微波技术基础基础电磁场理论应用应用3天线将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。无线电系统4无线电设备无线电设备5各种无线电系统 一切无线电设备无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、雷达、导航等系统)都是利用无线电波来进行工作的，而从几KHz的超长波到四十多GHz的毫米波段电磁波的发射和接收都要通过天线天线来实现。 在我们的日常生活中天线已随处可见。 例如，收听无线电广播的收音机，电视机，手机、汽车、舰船、飞机上等。 收音机、电视机使用的天线一般是接收天线，广播电视台的天线则

2、为发射天线。而手机天线则收发共用，但须经过移动通信基站天线转收和转发。6天线发展简史一、1886, 赫兹（Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894）1839年法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）发现、1873年麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831-1879)完成的电磁理论，在1886年由海因里希鲁道夫赫兹建立了第一个无线电系统，首次在实验室证实。赫兹实验的无线电系统Hertz ，KIT的教授无线电之父7二、1901, 马可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937，1909 年诺贝尔物理学奖） 1901

3、年马可尼成功实现横穿大西洋（英国加拿大）的无线电通信。位于英国（Poldhu, England）的发生天线由50根斜拉导线组成，用悬于60米高的木塔间的钢索支撑。位于加拿大（Newfoundland, Canada）的接收天线是200米长的导线，由风筝牵引。天线发展简史马可尼，意大利人，当时年仅20岁。8三、1980, 超大阵列（VLA）抛物面天线（Very Large Array Steerable Parabolic Dish Antennas）位于美国新墨西哥州（Socorro, New Mexico）的超大阵列天线由27面直径为25米的抛物面按Y型方式排列组成，是世界第一个射电天文望远

4、镜。其分辨率相当于36千米跨度的天线，而灵敏度相当于直径为130米的碟型天线。天线发展简史9五、2000, 移动/手持天线（Mobile/Hand - held Antenna）o 工作于800MHz的手持蜂窝电话天线随处可见。o 从马可尼时代直到20世纪40年代，天线主要是以导线为辐射单元，工作频率也提高到UHF。进入二战期间，随着1GHz以上微波源（如调速管、磁控管）的发明，天线开始了一个新的纪元。波导口径天线、喇叭天线和反射面天线等如雨后春笋般出现。天线发展简史10o 数值方法，如矩量法（Method of Moment, MoM）、有限差分法（Finite-Difference Met

5、hod, FDM）、有限元法（Finite-Element Method, FEM）、几何绕射理论（Geometrical Theory of Diffraction, GTD）和物理绕射理论（Physical Theory of Diffraction, PTD）等的引入大大推进了天线技术的发展，促进了天线分析和设计技术的逐渐成熟。现在天线的设计不再是修修补补（cut and try）的方法，已经跨入了一个整体系统级的设计阶段。o 天线正朝小型化、宽频带、多频段和高频率等方向发展。天线发展简史电磁频谱与无线电频段12天线概念天线是无线系统的重要部件，它是现代信息社会的电子眼、电子耳。定义 用

6、来辐射或接收无线电波的装置，导行波与自由空间波互相转换区域的结构，转换器件或换能器 能量转换。 电路的观点 从传输线看向天线这一段等效于一个电阻 ，是从空间耦合到天线终端的电阻，与天线结构自身的任何电阻无关。rR13天线基本参数辐射方向图方向图函数 天线方向图是指天线辐射特性与空间坐标之间的函数。而辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位和极化。 方向图与天线辐射特性o 场强方向图o 功率方向图o 相位方向图o 极化方向图14 方向图与坐标系o 二维方向图 极坐标方向图和直角坐标方向图（幅度、分贝）o 三维方向图 球坐标三维方向图和直角坐标三维方向图（幅度、分贝） 天线方向图获取：理论分析、仿真计

7、算、测量 一般我们关心的是功率方向图和场强方向图天线基本参数辐射方向图18方向图函数定义：天线位于坐标原点，在距天线等距离的球面上，天线在各点产生的功率通量密度或场强随空间方向 的变化曲线。天线基本参数辐射方向图,0freEEjkr,1,0ErH60cos(cos )cossinjkrmIllEjer0,AEf,一般天线的远区辐射电磁场表示为如下形式 场强方向图函数sincoscoscos,llf19天线基本参数辐射方向图mmffF, 归一化场强方向图函数其中 天线最大辐射方向， 天线方向图函数最大值。mmf,mm,由方向图函数 和归一化方向图函数 表示的方向图统称为天线的辐射场强方向图。,f

8、,Fsincoscoscos,llfmmf,mm,m,90lcos1lllFcos1sincoscoscos,20天线基本参数辐射方向图o 归一化功率方向图o 归一化功率方向图与归一化场强方向图关系功率通量密度（坡印廷矢量的幅值）功率通量密度的最大值,mmSmm,mmSPS 2,PF 通常方向图用分贝（dB）表示，则10,20log,dBFF 10,10log,dBPP ,dBdBPF 21o 三维方向图&二维方向图天线基本参数辐射方向图22天线基本参数辐射方向图o E面方向图&H面方向图E面：天线最大辐射方向和电场矢量方向构成的平面。H面：天线最大辐射方向和磁场矢量方向构成的

9、平面。23天线基本参数辐射方向图E面H面对阵振子方向图24天线基本参数辐射方向图o 主瓣 包含最大辐射方向的波瓣o 副瓣 除主瓣外的所有波瓣o 后瓣 位于主瓣反方向的副瓣o 半功率波瓣宽度 o 副瓣电平 25天线基本参数辐射方向图o 零点 辐射为零的方向角度o 第一零点波瓣宽度 在包含主瓣的平面内，主瓣两侧第一零点间的夹角o 前后比 主瓣最大值和后瓣最大值之比26天线基本参数辐射方向图o 主瓣宽度(半功率波束宽度、3dB波束宽度)定义：方向图主瓣上两个半功率点(即场强下降到最大值的0.707倍处或分贝值从最大值下降3dB处所对应的两点)之间的夹角。极坐标和直角坐标幅度方向图极坐标和直角坐标幅度

10、方向图极坐标和直角坐标分贝方向图极坐标和直角坐标分贝方向图27天线基本参数辐射方向图o 副瓣电平定义：指副瓣最大值模值与主瓣最大值模值之比，通常用分贝表示。dBEESLLiimaxmaxlog20maxiEmaxE为第 个副瓣的场强最大值i为主瓣最大值SLL28天线基本参数辐射方向图对不同的用途，要求天线有不同的方向图。广播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在水平面内为全向方向图。微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图。对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束。 水平全向方向图笔形波束方向图余割平方波束方向图29天线基本参数输入阻抗o 输入阻

11、抗传输线特性阻抗输入阻抗0ZinininZRjX00inininZZZZ11ininVSWR30天线基本参数输入阻抗o 对称振子的辐射电阻和输入电阻,radsPSds 21,21,212SEHEHrE 22radradPRI0I波腹电流归算于波腹电流的辐射电阻inI输入电流归算于输入电流的辐射电阻 -输入电阻辐射电阻半波振子的输入阻抗为：73.142.5inZj33天线基本参数天线效率o 天线（辐射）效率定义：定义：天线辐射的总功率与天线从馈线获得的净功率（即输入功率）之比radAinPPinradLPPP天线的输入功率等于辐射功率和损耗功率之和考虑到天线的输入电阻等于辐射电阻和损耗电阻，则天

12、线效率又可表示为radAradLRRR辐射电阻辐射电阻损耗电阻损耗电阻34天线基本参数方向系数定义：天线方向系数是定量表示天线辐射的电磁能量集中程度以描述方向特性的一个参数，也称方向性系数。在相同辐射功率情况下，天线在给定方向的辐射强度 与理想点源天线在同一方向的辐射强度 之比。天线辐射强度：某方向单位立体角的辐射功率,raddPUd ,SdsUd ,U 0,U 0,UDU 35天线基本参数方向系数平均辐射强度：理想电源在某单位立体角的辐射功率2,sinradMssPSdsUFd d dsd2sindsdd dr 2,USr 2,MUU F 是立体角元 对应的球面面元20,sin,44Mrad

13、sUFd dPU ，224,sinsFDFd d 方向方向系数系数24,sinsDFd d 最大方向系数最大方向系数radPUD,4,36天线基本参数方向系数工程中，方向系数还常用分贝（dB）表示：1010logdBDD例3：自由空间半波振子的方向系数。计算得 。例1：无方向性理想天线的方向系数。此时， ，计算得 。,1F 1 0DdB例2：电基本振子的方向系数。电基本振子的方向函数是 ，计算得 。,sinF 1.5 1.76DdB1.64 2.15DdB37天线基本参数方向系数定义：在相同输入功率条件下，某天线在给定方向上的辐射强度 与理想点源天线在同一方向的辐射强度 的比值。,U 0,U

14、inPUUUG,4,0AinradradDPPPUG,4,最大辐射方向的增益为ADGGGdB10log1042天线基本参数极化电磁波的极化：在空间某位置上，沿电磁波的传播方向看去，其电场矢量在空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。天线极化：o 发射天线 天线在某方向所辐射电波的极化；o 接收天线 天线在该方向接收获得最大接收功率（极化匹配）时入射平面波的极化。轨迹是一条直线 线极化轨迹是一个圆 圆极化轨迹是椭圆 椭圆极化43天线基本参数极化o 极化失配一般而言，接收天线的极化与来波方向的极化不同，这就是所谓的极化失配。因此，天线从来波中截获的功率达不到最大。线极化圆极化或者椭圆极化44天线基本参

15、数带宽所有参数正常工作的交集：极化增益驻波方向图半功率波瓣宽度噪声温度等频率工作带宽45天线基本参数有效面积定义：天线的有效面积（或有效口径）表征天线截获来波能量的能力。天线的有效面积定义为“天线接收的功率与入射功率密度之比”iTTiTeSRISPA2212222TALradTTiociTeXXRRRRSVSPATiociTeRSVSPA82当满足最大功率传输条件（即共轭匹配）时，若不考虑损耗有效面积达到最大，称为最大有效面积。46天线基本参数有效面积最大方向系数和最大有效面积emAD24如果考虑天线的辐射效率，上式进一步可写出emAAADG24当接收天线和负载不匹配，以及天线和来波极化也不匹

16、配，并且考虑到天线的损耗的一般情况下，接收天线的最大有效面积可写出22214iaAemDA48天线的互易特性收发互易49天线的互易特性收发互易#1处于发射状态，而天线#2处于接收状态两天线和负载的网络的传输导纳同理，将天线#2作为发射天线而天线#1作为接收天线在互易条件 之下2112YY21PP 天线收发互易Antenna Geometries 天线构型n1. Wire radiators 线天线水平对称天线水平对称天线双极天线双极天线 双极天线即水平对称振子(Horizontal Symmetrical Dipole)，如图所示，又称型天线。天线的两臂可用单根硬拉黄铜线或铜包钢线做成，也可用

17、多股软铜线，导线的直径根据所需的机械强度和功率容量决定，一般为36mm。天线臂与地面平行，两臂之间有绝缘子。天线两端通过绝缘子与支架相连，为降低天线感应场在附近物体中引起的损耗，支架应距离振子两端23m。为了降低绝缘子介质损耗，绝缘子宜采用高频瓷材料。支架的金属拉线中亦应每相隔小于/4的间距加入绝缘子，这样使拉线不至于引起方向图的失真。2 3 m双 馈 线馈 线 绝 缘 子绝 缘 子llH由图1可见，这种天线结构简单，架设撤收方便，维护简易，因而是应用广泛的短波天线，适用于天波传播。 当天线一臂的长度l=12m或22m时，天线特性阻抗通常为1000左右，馈线使用H=10m长的双导线，馈线特性阻

18、抗为600。这就是移动通信常用的44m（即2H+2l长度）或64m双极天线。当其架设高度小于0.3，向高空方向（仰角90）辐射最强，宜作300km范围内通信用天线。当天线距离较远时，这种天线增益较低，方向性不强，且工作频段较窄。 2 3 m双 馈 线馈 线 绝 缘 子绝 缘 子llH图11.双极天线的方向性双极天线的方向性 由于双极天线主要用于天波传播，而天波传播时，电波射线以一定仰角入射到电离层后又被反射回地面，从而构成甲乙两地的无线电通信，通信距离与电波射线仰角有密切关系。为了便于描绘场强随射线仰角和方位角的变化关系，一般直接用、作自变量表示天线的方向性，而不使用射线与振子轴之间的夹角作方

19、向函数的自变量。按图2中的几何关系，可得2290cossincoscoscos2 1 1sin1 coscos2 1 2ryaa 在分析天线的方向性时，可以把地面看作是理想导电地，因为在大多数情况下水平极化波地面反射系数都接近-1，可用地面下的负镜像天线来代替地面对辐射的影响。由自由空间对称振子方向函数和负镜像阵因子按方向图乘积定理得 22cos(cos)cos ( , )1.4.5,2 sinsin1.7.12 1 3sincos(cossin )cos( , )2sin(sin) 2 1 31 cossinallffkHklklfkH yAxOHPzP图2(a)(b)(c)(d )(e)(

20、 f )根据213表达式，可以画出双极天线的立体方向图，图3表示双极天线在相同架设高度不同臂长情况下的方向图，图4表示在相同臂长不同架高时的方向图。0.25H0.25l0.5l0.75l0.65l1l1.2l图3表示双极天线在相同架设高度不同臂长情况下的方向图 (a)(b)(c)(d )(e)( f )0.25l0.25H0.5HH0.75H1.75H1.25H根据213表达式，可以画出双极天线的立体方向图，图213表示双极天线在相同架设高度不同臂长情况下的方向图，图4表示在相同臂长不同架高时的方向图。图4表示在相同臂长不同架高时的方向图。 为了便于分析，我们在研究天线方向性时，通常总是研究两

21、个为了便于分析，我们在研究天线方向性时，通常总是研究两个特定平面的方向性，例如在研究自由空间天线方向性时，往往取特定平面的方向性，例如在研究自由空间天线方向性时，往往取两个相互垂直的平面即两个相互垂直的平面即E面和面和H面面作特定平面。但在研究作特定平面。但在研究地面上的地面上的天线方向性天线方向性时，一方面要考虑地面的影响，另一方面要结合电波时，一方面要考虑地面的影响，另一方面要结合电波传播的情况选取两个最能反映天线方向性特点的平面，通常选取传播的情况选取两个最能反映天线方向性特点的平面，通常选取铅垂平面和水平平面铅垂平面和水平平面，这两个平面具有直观方便的特点。，这两个平面具有直观方便的特

22、点。 所谓所谓铅垂平面铅垂平面，就是与地面垂直且通过天线最大辐射方向的垂，就是与地面垂直且通过天线最大辐射方向的垂直平面。鉴于实际天线的臂长直平面。鉴于实际天线的臂长l0.3时，最强辐射方向不止一个，时，最强辐射方向不止一个，H/越高，波瓣数越多，靠近地越高，波瓣数越多，靠近地面的面的第一波瓣第一波瓣m1越低越低。第一波瓣的最大辐射仰角。第一波瓣的最大辐射仰角m1可求出，令可求出，令110sin(sin)1arcsin1 72,2 1 54mmkHH 在架设天线时，应使天线的在架设天线时，应使天线的最大辐射仰角最大辐射仰角m1等于通信仰角等于通信仰角0。根据通信仰角。根据通信仰角0就可求出天线

23、架设高度就可求出天线架设高度H，即，即当双极天线用作天波当双极天线用作天波通信通信时，工作时，工作距离愈远距离愈远，通信仰角，通信仰角0愈低，则要求天线愈低，则要求天线架架设高度越高设高度越高。(5)当地面不是理想导电地时，不同架设高度的天线在垂直平面内的方向图的变当地面不是理想导电地时，不同架设高度的天线在垂直平面内的方向图的变化规律与理想导电地基本相同，只是场强最大值变小，最小值不为零化规律与理想导电地基本相同，只是场强最大值变小，最小值不为零,最大辐射最大辐射方向稍有偏移。方向稍有偏移。不同地质对水平振子方向性影响不大不同地质对水平振子方向性影响不大。02 1 64sinH 2）水平平面

24、方向图）水平平面方向图 水平平面方向图就是在辐射仰角水平平面方向图就是在辐射仰角一定的平面上，天线辐射一定的平面上，天线辐射场强随方位角场强随方位角的变化关系图。显然这时的场强既不是单纯的垂直极化波，也不的变化关系图。显然这时的场强既不是单纯的垂直极化波，也不是单纯的水平极化波。方向函数如式（是单纯的水平极化波。方向函数如式（213）所示（式中）所示（式中固定），即方向固定），即方向函数是下列地因子与元因子的乘积函数是下列地因子与元因子的乘积:122cos(cossin )cos( )2 sin(sin )( , )2 1 81 cossinklklfkHf 地； 因为地因子与方位角因为地因子

25、与方位角无关，所以无关，所以水平平面内的方向图形状仅由元因子水平平面内的方向图形状仅由元因子f1(，)决定决定。图。图5和图和图6分别给出了分别给出了l/=0.25及及l/=0.50时双极天线在理想导电地面上不时双极天线在理想导电地面上不同仰角时的水平平面方向图。同仰角时的水平平面方向图。图图5和图和图6分别给出了分别给出了l/=0.25及及l/=0.50时双极天线在理想导电地面上不同仰角时双极天线在理想导电地面上不同仰角时的水平平面方向图。时的水平平面方向图。图5 l/=0.25时双极天线水平平面方向图Oyx(a)Oyx(b)yxO(c)图6 l/=0.5时双极天线水平平面方向图 xyOxy

26、OxOy(a)(b)(c)20 40 60 20 40 60 由图可以看出：由图可以看出： (1) 双极天线水平平面方向图与架高双极天线水平平面方向图与架高H/无关。因为当仰角一定而无关。因为当仰角一定而变化时，直变化时，直射波与反射波的波程差不变，镜像的存在只影响合成场的大小。射波与反射波的波程差不变，镜像的存在只影响合成场的大小。 (2)水平平面方向的形状取决于水平平面方向的形状取决于l/，方向图的变化规律与自由空间对称振子的，方向图的变化规律与自由空间对称振子的相同相同,l/越小越小,方向性越不明显。当方向性越不明显。当l/0.7时，在时，在=0方向辐射很少或没有辐射。因此方向辐射很少或

27、没有辐射。因此,一般应选择一般应选择天线长度天线长度l/0.7。 (3)仰角越大时，水平平面方向性越不显著仰角越大时，水平平面方向性越不显著。因为方向性决定于。因为方向性决定于cossin，当，当仰角越大时，仰角越大时，的变化引起的场强变化越小。因此，当用双极天线作高仰角辐射的变化引起的场强变化越小。因此，当用双极天线作高仰角辐射时，时，振子架设的方位对工作影响不大，甚至顺着天线轴线方位仍能得到足够强振子架设的方位对工作影响不大，甚至顺着天线轴线方位仍能得到足够强的信的信号。号。图5 l/=0.25时双极天线水平平面方向图Oyx(a)Oyx(b)yxO(c)xyOxyOxOy(a)(b)(c)

28、图6 l/=0.5时双极天线水平平面方向图 20 40 60 20 40 60 综合双极天线垂直平面和水平平面方向图的分析，综合双极天线垂直平面和水平平面方向图的分析，可得如下重要结论：可得如下重要结论： (1)天线的长度只影响水平平面方向图，而对垂直平面方向图没有影响。天线的长度只影响水平平面方向图，而对垂直平面方向图没有影响。架设高度只影响垂直平面方向图，而对水平平面方向图没有影响。因此控制天架设高度只影响垂直平面方向图，而对水平平面方向图没有影响。因此控制天线的长度，可控制水平平面的方向图。控制天线架设高度，可控制垂直平面的线的长度，可控制水平平面的方向图。控制天线架设高度，可控制垂直平

29、面的方向图。方向图。 (2)天线架设不高（天线架设不高（H/0.3）时）时,在高仰角方向辐射最强在高仰角方向辐射最强,因此这种天线可因此这种天线可作作0300km距离内的侦听、干扰或通信，又由于高仰角的水平平面方向性不明距离内的侦听、干扰或通信，又由于高仰角的水平平面方向性不明显，因此对天线架设方位要求不严格。显，因此对天线架设方位要求不严格。 (3)当远距离通信时，应该根据通信距离选择通信仰角，再根据通信仰角当远距离通信时，应该根据通信距离选择通信仰角，再根据通信仰角确定天线架设高度，以保证天线最大辐射方向与通信方向一致。确定天线架设高度，以保证天线最大辐射方向与通信方向一致。 (4)为保证

30、天线在为保证天线在=0方向辐射最强，应使天线一臂的电长度方向辐射最强，应使天线一臂的电长度l/0.7。2.双极天线的输入阻抗双极天线的输入阻抗 为了使天线能从发射机或馈线获得尽可能多的功率，要求天线必须与发为了使天线能从发射机或馈线获得尽可能多的功率，要求天线必须与发射机或馈线实现射机或馈线实现阻抗匹配阻抗匹配，为此，必须了解天线的，为此，必须了解天线的输入阻抗输入阻抗。 计算双极天线输入阻抗不仅要考虑到振子本身的辐射，还要考虑地面的计算双极天线输入阻抗不仅要考虑到振子本身的辐射，还要考虑地面的影响。地面对天线输入阻抗的影响，可用天线的镜像来代替，然后用耦合振子影响。地面对天线输入阻抗的影响，

31、可用天线的镜像来代替，然后用耦合振子理论来计算。应当说明的是理论来计算。应当说明的是,由于实际地面的电导率为有限值，因此用镜像法和由于实际地面的电导率为有限值，因此用镜像法和耦合振子理论所得的结果误差较大，一般往往通过耦合振子理论所得的结果误差较大，一般往往通过实际测量实际测量来得出天线的输入来得出天线的输入阻抗随频率的变化曲线。图阻抗随频率的变化曲线。图7即是一副双极天线的即是一副双极天线的输入阻抗随频率输入阻抗随频率的变化曲线。的变化曲线。345678910XinRin2000100001000200030004000f / MHzRin, Xin / 图7 l=20m、H=6m的双极天线

32、输入阻抗 由图可见，双极天线的输入阻抗在波段由图可见，双极天线的输入阻抗在波段内的变化比较激烈，如果不采取匹配措内的变化比较激烈，如果不采取匹配措施，馈线上的行波系数将有明显变化，施，馈线上的行波系数将有明显变化，传输线的传输线的传输效率传输效率将受到明显影响。这将受到明显影响。这也是欲在也是欲在宽频带内使用双极天线时应当宽频带内使用双极天线时应当注意的问题注意的问题。怎样展宽频带？怎样展宽频带？3.方向系数方向系数天线的方向系数可由下式求得： 21120(, )2 1 9mrfDR 式中式中,f(m1,)为天线在最大辐射方向的方向函为天线在最大辐射方向的方向函数，数，m1 按式（按式（2 1

33、5）计算）计算;Rr为天线的辐为天线的辐射阻抗。射阻抗。f(m1,)和和Rr二者应归算于同一电流。对双极天二者应归算于同一电流。对双极天线而言，线而言，Rr=R11-R12，R11是振子的自辐射电阻，是振子的自辐射电阻，R12是振子与其镜像之间（相距是振子与其镜像之间（相距2H）的互辐射阻）的互辐射阻抗。图抗。图8表示天线架高表示天线架高H/2，且地面为理想导，且地面为理想导电地时的方向系数与电地时的方向系数与l/的关系曲线。当的关系曲线。当H较低较低或地面不是理想导电地面时，天线的方向系数或地面不是理想导电地面时，天线的方向系数低于图中的数值。低于图中的数值。 024681012D0.100

34、.20.30.40.50.60.70.80.9l / 图图8 双极天线的双极天线的Dl/关系曲线关系曲线4.双极天线的尺寸选择双极天线的尺寸选择 1) 臂长臂长l的选择原则的选择原则 (1)从水平平面方向性考虑。从水平平面方向性考虑。 为保证在工作频率范围内，天线的为保证在工作频率范围内，天线的最大辐射方向最大辐射方向不发生变动，应选择振子不发生变动，应选择振子的臂长的臂长l0.7min，其中，其中min为最短工作波长，满足此条件时，最大辐射方向始为最短工作波长，满足此条件时，最大辐射方向始终在与振子垂直终在与振子垂直(即即=0)的平面上。的平面上。 00.10.20.30.40.50.60.

35、70.80.9K00.10.20.30.40.50.60.7l / Z0 1000 Z0 560 Z0 460 Z0 340 1.0 (2) 从天线及馈电的效率考虑从天线及馈电的效率考虑。 若若l/太短，天线的太短，天线的辐射电阻辐射电阻较低，较低，使得天线效率使得天线效率A降低。同时当降低。同时当l/太短时，太短时，天线输入电阻太小，容抗很大，故与馈天线输入电阻太小，容抗很大，故与馈线匹配程度很差，馈线上的行波系数很线匹配程度很差，馈线上的行波系数很低。若要求馈线上的行波系数不小于低。若要求馈线上的行波系数不小于0.1，由图，由图9可见，通常要求可见，通常要求l0.2考虑电台在波段工作，则应

36、满足考虑电台在波段工作，则应满足 l0.2max (2110)图9 馈线上行波系数Kl/关系曲线综合以上考虑，天线长度应为综合以上考虑，天线长度应为 0.2maxl0.7min (2111) 若工作若工作波段过宽波段过宽，一副天线不易满足要求时，宜选用长度不同的，一副天线不易满足要求时，宜选用长度不同的两副天线两副天线。例如例如,某单边带电台的工作频率为某单边带电台的工作频率为230MHz，由于波段较宽，就配备两副双极天，由于波段较宽，就配备两副双极天线，在线，在210MHz时时,使用使用2l=222m的双极天线；在的双极天线；在1030MHz时，使用时，使用2l=212m的双极天线的双极天线

37、2) 天线架高天线架高H的选择的选择 选择原则是保证在工作波段内选择原则是保证在工作波段内通信仰角方向上辐射较强通信仰角方向上辐射较强。 如果通信距离在如果通信距离在300km以内，可采用以内，可采用高射天线高射天线,通常取架设高度通常取架设高度H=(0.10.3)。对中小功率电台，双极天线的架设高度在对中小功率电台，双极天线的架设高度在815m范围内，此时对天线的架设方位范围内，此时对天线的架设方位要求不严。要求不严。 如果如果通信距离较远通信距离较远，则应当使天线的最大辐射方向，则应当使天线的最大辐射方向m1与所需的射线仰角与所需的射线仰角0一致，根据式（一致，根据式（216）计算天线架设

38、高度）计算天线架设高度H，即，即 实际工作中往往使用实际工作中往往使用宽波段宽波段，当架设高度一定而频率改变时，天线的最大辐射，当架设高度一定而频率改变时，天线的最大辐射仰角会随之改变，所选定的架设高度对某些频率可能不适用。因此，对一定频段仰角会随之改变，所选定的架设高度对某些频率可能不适用。因此，对一定频段内工作的双极天线架设高度应作全面考虑，一方面架设要方便，另一方面要求各内工作的双极天线架设高度应作全面考虑，一方面架设要方便，另一方面要求各个频率在给定仰角上应有足够强的辐射。幸好对于中、短距离（个频率在给定仰角上应有足够强的辐射。幸好对于中、短距离（r1000km），若），若工作波段不是

39、过宽还是可以满足的。例如，工作波段为工作波段不是过宽还是可以满足的。例如，工作波段为310MHz，所需仰角，所需仰角0=47.5，按，按10MHz时的工作条件选择时的工作条件选择H=10m，该高度对于，该高度对于3MHz来讲只有来讲只有0.1，虽然此时天线的最大辐射方向指向虽然此时天线的最大辐射方向指向=90，但在，但在=47.5方向上的辐射仍能达到方向上的辐射仍能达到最大方向的最大方向的0.76，即，即0仍处于天线的半功率角之内，能够满足工作需要。实际上，仍处于天线的半功率角之内，能够满足工作需要。实际上，双极天线也主要工作于中、短距离。双极天线也主要工作于中、短距离。 综上所述，双极天线是

40、一种结构简单、架设维护方便的弱方向性天线，特综上所述，双极天线是一种结构简单、架设维护方便的弱方向性天线，特别适用于半固定式短波电台。但其主要缺点是工作频带窄，馈线上行波系数很低，别适用于半固定式短波电台。但其主要缺点是工作频带窄，馈线上行波系数很低，特别是在低频端尤为严重。因此，不宜在大功率电台或馈线很长的情况下使用。特别是在低频端尤为严重。因此，不宜在大功率电台或馈线很长的情况下使用。必要时为了改善馈线上的行波系数，应在馈线上加必要时为了改善馈线上的行波系数，应在馈线上加阻抗匹配阻抗匹配装置装置02 1 64sinH V形对称振子（终端开路传输线张开形对称振子（终端开路传输线张开20 ）

41、在第在第1章我们学习了自由空间对称振子。对于这种直线式对称振子，当章我们学习了自由空间对称振子。对于这种直线式对称振子，当l/=0.635时，其方向系数达到最大值时，其方向系数达到最大值Dmax=3.296。 如果继续增大如果继续增大l，由于振子臂上的反相电流的辐射，削弱了，由于振子臂上的反相电流的辐射，削弱了=90方向上方向上的场，使该方向的方向系数下降。如果对称振子的两臂不排列在一条直线上，的场，使该方向的方向系数下降。如果对称振子的两臂不排列在一条直线上，而是张开而是张开20，构成如图，构成如图2115所示的所示的V形对称振子形对称振子(Vee Dipole)，则，则可提高方可提高方向系

42、数。向系数。 V形天线的形天线的设计任务设计任务是选择适当的张角是选择适当的张角20，使得两根直线段所产生的波瓣指向同，使得两根直线段所产生的波瓣指向同一方向。一般来说如果希望一方向。一般来说如果希望V形天线的最大辐射方向位于形天线的最大辐射方向位于V形平面的形平面的角平分线角平分线上，上，则张角的最佳值是单根直线天线轴与其主瓣夹角的则张角的最佳值是单根直线天线轴与其主瓣夹角的两倍两倍。20l1212 一般将臂长小于一般将臂长小于0.5的的V形天线称为形天线称为角形天线角形天线，其特点是水平平面的方向，其特点是水平平面的方向性很弱。这种天线在短波通信中应用亦较广，天线臂可做成笼形，以增大性很弱

43、。这种天线在短波通信中应用亦较广，天线臂可做成笼形，以增大阻抗工作频带宽度。阻抗工作频带宽度。 对称振子的两臂除上述介绍的不排列在一条直线上的外，两臂还可以是对称振子的两臂除上述介绍的不排列在一条直线上的外，两臂还可以是其它其它曲线的形状曲线的形状。振子臂的几何形状由直线改变成曲线后，可以取消振子。振子臂的几何形状由直线改变成曲线后，可以取消振子可使用的长度受到可使用的长度受到2l的限制；同时的限制；同时,若曲线选择得恰当，则还可以降低旁若曲线选择得恰当，则还可以降低旁瓣电平，提高增益。以增益最大为出发点进行优化可得出最佳形式的曲线，瓣电平，提高增益。以增益最大为出发点进行优化可得出最佳形式的曲线，高斯曲线高斯曲线就是其中的一种。但优化曲线振子的曲线形状复杂，加工不便，就是其中的一种。但优化曲线振子的曲线形状复