北大天线理论课件第三章典型线天线

1、第三章 线天线线天线的尺寸都接近于工作波长的整数倍或半整数倍，也称谐振天线。由于其电特性对于频率的变化很敏感，因而大多为窄带天线。线天线形式有很多，本章主要介绍一些应用较为广泛的几种典型的线天线。§1.水平对称天线（Horizontal Antenna）1.1 双极天线双极天线是水平架设的对称阵子天线，其结构简单，架设方便，易于维护，广泛用做短波天线，用于天波的传播。水平架设于地面上的双极天线，由对称双臂、支架和绝缘子构成，结构如下图所示。两臂与地面平行，由单根或多股金属导线构成，导线的直径一般为。两臂之间由绝缘子固定，并通过绝缘子与支架相连，支架距离阵子两端。支架的金属拉线每隔小于

2、的间距加入绝缘子，减小方向图失真。下图为一架设于地面上的双极天线，架设高度为，天线臂长为。坐标原点到观察点射线的仰角（与地面夹角）为，与轴夹角，方位角。由图可以得到：则有：在分析水平天线的辐射场时，常将地面看成是理想导电地，地面对天线辐射性能的影响可用天线的负镜像来替代。双极天线的方向函数为对称阵子元函数和其负镜像阵函数的乘积，即为：根据上式，可以画出双极天线的立体方向图。固定天线架设高度，改变双极天线的臂长得到的立体方向图见图3.2（1）；固定双极天线的臂长，改变天线的架设高度得到的方向图如图3.2（2）所示。双极天线的方向特性的分析：（1） 垂直平面方向图垂直平面是指垂直于地面并通过天线最

3、大辐射方向的平面，即图3.1中的平面。当时，双极天线的方向函数变成：将代入双极天线的方向函数，可得垂直平面的方向图如上图所示（）。垂直面方向图特点：a) 阵元的方向图是圆，天线的方向图形状仅由地因子决定。b) 只是的函数，与无关。改变架设高度可控制垂直平面的方向图。c) 沿地面方向（）无辐射，双极天线不能用做地波通信。d) 时，最大辐射方向为，在范围内场强变化不大。适用于以内的天波通信。e) 时，出现多个最大辐射方向，越高，波瓣数越多，靠近地面的第一波瓣越低。第一波瓣最大辐射仰角可由下式求出：得到：天线架设时，应使第一波瓣的最大仰角等于通信仰角。由通信仰角就可确定天线的架设高度，即：可见，通信

4、距离越远，越小，要求架设高度越高。（2） 水平平面方向图水平平面方向图是在辐射仰角一定的平面上，天线辐射场强随方位角的变化关系图。方向函数为：式中地因子与无关，当天线的仰角一定时，只影响合成场的大小，不影响方向图的形状，水平面内的方向图形状完全由元函数决定。下图给出了及时，水平面方向图随仰角的变化。水平面方向图特点：a) 与架设高度无关。b) 与自由空间对称阵子相同，水平平面内方向图形状取决于。当时，最大辐射方向在方向；当时，在方向辐射很小或无辐射。一般取。c) 仰角越大，方向性越弱。综合垂直面和水平面方向图特点，得到如下结论：A) 控制，可控制水平面方向图；控制，可控制垂直面方向图。B) 架

5、设高度时，在高仰角方向辐射最强，可用作距离内的通信。C) 远距离通信时，根据通信距离确定通信仰角，再由确定。D) 臂长应取，确保方向辐射最强。理论计算天线输入阻抗的方法一般误差较大，通常采用实际测量来确定天线的阻抗。双极天线的输入阻抗随频率变化关系曲线如图3.4所示。在图示的频带内，双极天线的输入阻抗对频率变化较为敏感，因此要使天线在宽频带内工作，必须在天线与馈线之间采取阻抗匹配措施。双极天线的方向系数可由下式求得：-最大辐射方向的方向函数-天线的辐射电阻图3.5给出了地面为理想导电平面、架设高度时，天线方向系数与臂长的关系曲线。1.2 笼形天线（Cage Antenna）双极天线的输入阻抗随

6、频率变化较大，是一种窄频带天线。为了展宽带宽，可采用加粗天线阵子直径的办法。通常将几根导线排成圆柱形组成阵子的两臂，这种天线称为笼形天线，结构如图3.5所示。笼形天线两臂通常由68根细导线构成，每根导线直径为35mm，笼形直径约为13m，特性阻抗为250400。笼形天线的输入阻抗在频段内变化较为平缓，工作带宽较宽。笼形天线两臂的直径较大，在输入端引入很大的端电容，使得天线与馈线的匹配变差。为减小馈电处的端电容，阵子的半径从距馈电点34m处逐渐缩小，至馈电处汇集在一起。天线的两端采取同样的方法以减小末端效应。如果组成笼形天线的导线有根，单根导线的半径为，笼形半径为，则笼形天线的等效半径可由下式计

7、算：笼形天线的方向性和天线尺寸的选择与双极天线相同。为展宽双极天线的带宽，也可将其双臂改成其它形式，构成笼形双锥天线、平面片形对称阵子天线等。§2.直立天线（Vertical Antenna）地面波通信，通常采用垂直极化波，使用垂直接地的直立天线（或称单极天线）。长波和中波波段，直立天线很长，需用支架架起，也可直接用铁塔做辐射体，称为铁塔天线或桅杆天线。在短波和超短波波段，天线尺寸较小，采用外形象鞭的鞭状天线。2.1 鞭状天线（Whip Antenna）鞭状天线结构简单，携带方便，广泛应用于无线移动通信中。鞭状天线相当于将对称阵子天线从中间馈电点处分成两部分，在金属臂和地之间进行馈电

8、。常见的鞭状天线是一根金属棒，金属可做成便携式，即将棒分成数节，节间采取螺接或拉伸等方式连接。假设鞭状天线高为，输入端电流为，其上电流分布可表示为：远区场表达式为：方向函数为：下图为鞭状天线随高度变化的方向图。1) 极化鞭状天线的辐射场垂直于地面，属于垂直极化波。2) 方向图及方向系数鞭状天线上的电流分布与对应的对称阵子上半部分相同，地面对鞭状天线的影响可以用其正镜像代替，地面上半空间辐射场的方向图与相应的自由空间中对称阵子的方向图相同。理想导电地情况下，鞭状天线辐射的功率是对应对称阵子辐射功率的一半，假设电流分布相同的对称阵子的辐射功率为P，在观察点处，二者的功率密度相同，由方向系数定义可得

9、：可见，鞭状天线的方向系数是对称阵子方向系数的2倍。同样可推得，鞭状天线的辐射阻抗是相应对称阵子辐射阻抗的一半，即。3) 有效高度假设有一直立天线，均匀分布的电流是鞭状天线的输入端电流，在最大辐射方向的场强与鞭状天线的相等，则该天线的长度就称为鞭状天线的有效高度，以表示。依据有效高度定义，则有：即有效高度为：当时，此时。也就是说，当鞭状天线的高度时，天线的有效高度是实际高度的一半。4) 输入阻抗如果将大地看成理想导电地，鞭状天线的输入阻抗是相应对称阵子输入阻抗的一半。实际上，输入到天线的功率只有一部分辐射出去了，大部分被损耗掉了。因此天线的输入电阻应包括辐射电阻和损耗电阻两部分，即：其中对于干

10、地，；对于湿地，。5) 天线效率鞭状天线的辐射阻抗较小，因此辐射效率很低，如短波鞭状天线的效率只有百分之几。要提高鞭状天线的效率，可采用提高辐射电阻和减小损耗电阻的办法，如天线加载和埋设地网等。在天线顶端加小球、圆盘或辐射叶等以改变天线顶端的电流分布，称为顶端加载。顶端加载后，天线的顶端增大了顶端的电流，从而增强了天线的辐射能力，改善了性能。顶负载的作用相当于在天线的顶端引入了一个电容，该电容可以用一段长为的延长线来等效。如果鞭状天线的高度为，加载后天线的高度相当于。假设垂直线段的特性阻抗为，导线半径a，等效长度可由下式计算：即： 式中， 设加载后鞭状天线上的电流分布为：而 可得加顶负载天线的

11、有效高度为：当天线的高度很小时，上式可简化为：可见，鞭状天线加载后有效高度增加，辐射能力增强。加顶负载后鞭状天线的方向图在水平面内仍然是个圆；在垂直平面内方向函数为：2.2 双锥天线（Biconical Antenna）双锥天线是两臂为锥体的偶极天线，两臂由中间向两端直径逐渐增大，圆锥的张角保持不变。无限双锥天线是由两臂两个顶点靠拢、形状相同的无限长锥形导电面组成，如下图(a)所示。高频震荡电压通过两顶点之间的缝隙馈入，该电压产生球面波，进而产生两极表面电流和极间电压。由于两臂无限延伸，无限双锥可以看成是均匀渐变的传输线，采用传输线理论进行分析。1）辐射场无限双锥天线在两极间激励电磁波的主模为

12、模，磁场只有垂直于轴线的分量，电场只有分量，即，。由麦克斯韦方程可得： （1）而由得到：令两边对应的分量相等，则有： （2） （3）（3） 式可以改写成： （4）（4）式代入到（1）式中得到： （5）-传播常数方程（5）解的形式为：满足（2）的解为：由此可得无限双锥两极间磁场表示式为：由于天线辐射电磁波为，可得其电场强度为：辐射场的归一化方向函数为：2）输入阻抗为求无限双锥天线的输入阻抗，首先要求出锥体上相对应两点间的电压和锥体表面电流。由电场分布可得极间电压为：锥体表面电流：由传输线理论，特性阻抗应为：与无关，因此对于自由空间，代入上式有：当锥角较小时，由于无限双锥上的电流为纯行波，所以输入

13、阻抗为纯电阻。3）辐射阻抗由坡印廷矢量得到无限双锥天线的辐射功率为：以为归算电流，得天线辐射阻抗：。实际应用中的双锥天线是有限长的，主模和双锥末端产生的高次模同时存在，高次模引起电抗使得天线的输入阻抗不再是纯电阻。此时除大部分功率被辐射出去，另有部分功率被反射回来。这相当于特性阻抗为的传输线端接一个负载。设法增大顶角，可以降低输入阻抗的电抗部分，使天线的带宽变宽，同时也使得输入阻抗的实部对频率的变化不敏感。下图给出了小顶角情况下，输入电阻和电抗与顶角变化的曲线。由图可以看出，天线的带宽随顶角的加大而变宽。2.3 盘锥天线(Discone Antenna)双锥天线的一个锥用盘状导电平板代替便构成

14、盘锥天线，结构如下图所示。该天线由穿过内部的同轴线馈电，同轴线的内导体与顶部导电圆盘中心相连，外导体在间隙处与圆锥顶部连接。盘锥天线通常用于VHF和UHF频段，作为水平面全向的垂直极化天线，它可以在51的频率范围内保持驻波比。(介绍驻波比与输入阻抗)圆盘的尺寸对方向图的影响很大，尺寸过大将减弱上半空间的场强，尺寸太小会破坏天线的阻抗带宽特性和方向图形状。圆盘与锥体之间的间隙对天线的性能影响不大，可根据工作频率适当选择。在方向图参数满足常规要求的前提下，合理选择天线的尺寸，可设计出具有宽带阻抗特性（驻波比小于1.5，带宽为7：1）的盘锥天线。相对于中心工作波长，典型结构参数为如下：锥体斜高：圆盘

15、直径：锥底直径：锥角：间隙：例：中心频率，天线结构尺寸选为：，。该天线的H面方向图为圆，即水平平面是全向的。E面即垂直平面方向图如上图所示。由图可见，在频率较低时，此结构小于一个波长，方向图与短振子类似。如果频率增高，由于盘的电尺寸增大，辐射波瓣被限制在下半空间。2.4 套筒天线（Sleeve Monopole）谐振式天线的输入阻抗对频率的变化很敏感，带宽一般小于一个倍频程。若在单极天线外面增加一个套筒，带宽可大于一个倍频程。套筒天线由同轴传输线馈电，套筒外表面起辐射元的作用，结构如下图所示。当时，套筒外表面上的电流分布与单极天线同相，电流的最大值出现在套筒天线的底部。假设地面是无限大理想导电

16、平面，由镜像原理可将套筒天线等效成下图（a）所示的双重对称激励结构，馈电点位于处。而该激励结构可以用图（b）所示的一对非对称馈电结构来代替。如忽略导体臂直径的变化，套筒天线可看成是图（c）中两个不对称激励天线的叠加。由于两个不对称天线独立馈电，套筒天线的输入端总电流应为：式中为非对称结构处馈电电流。由此得到天线的输入导纳为：（教科书）-长度为的对称阵子的输入阻抗-长度为部分对称阵子的输入阻抗经由实验验证，当时，可在41的频程内得到最佳方向图，方向性几乎不随频率变化。下表给出了套筒天线最佳方向图设计数据。参数最佳设计数据方向图带宽4：1+2.253.0用靠近内导体两侧对称放置的两根棒来代替套筒，

17、就构成了开放式套筒天线。开放式套筒天线的频带宽度可达一倍频程。例如在310MHZ到510MHZ频带内，50馈线上的电压驻波比。开式套筒天线§3.引向天线与背射天线引向天线（Yagi-Uda Antenna）又称八木天线，是由一个有源振子和若干个无源振子构成，无源振子位于有源振子两端，起反射能量和导引能量的作用。优点：增益高、结构简单、重量轻、易安装、成本低。缺点：带宽窄、调整和匹配困难。3.1 引向天线的工作原理假设有两个平行放置对称振子“1”和“2”，电流幅度相等相位相差。两种情况：（1）如果二者之间距离，并且“2”电流超前“1” ，即，则在的方向上两振子辐射场的相位相差，合成场强

18、为零。此时振子“2”的作用相当于将振子“1”辐射的能量反射回去，称为反射器。（2）如果，而“2”电流滞后“1” ，即，在的方向上两振子辐射场同相，合成场强最大。振子“2”相当于将振子“1”辐射的能量引导过来，称为引向器。振子起反射或引向作用的关键不在于两振子的电流幅度关系，而主要在于两振子的间距和电流间的相位关系。实际工程中，引向天线振子间的距离一般在之间。如果振子“2”与振子“1”的相位差为，当时，振子“2”作为引向器或反射器的电流相位条件是：3.2 多元引向天线实际应用的引向天线是由多个振子组成的，一个为有源振子，一个为反射振子，其余为引向振子，见下图所示。引向天线示意图通过调整无源振子的

19、长度和间距，可以使反射振子上感应电流的相位超前于有源振子，引向振子上感应电流的相位依次落后于前一个振子。这样就可以把天线的辐射能量集中到引向器一边，获得较强方向性。有源振子的长度一般为谐振长度，即。典型的反射器长度为，最合适的反射器距离为。引向振子的长度一般要比谐振长度短，间距在之间。引向天线是由一个有源振子和多个无源振子组成的寄生线阵，由于阵源不是均匀激励的，所以天线阵每增加一个引向振子，增益虽然有所增加，但增加量呈递减的态势。事实上，当引向振子个数在5到6个左右时，每增加一个引向振子，增益增加约1dB，再增加引向振子对增益的贡献就微乎其微了（并影响带宽）。至于反射器一般只选用一个足够了，再

20、增加反射器的数目，对天线方向性改善不大。带有多个引向器的八木天线是端射式天线，沿最大方向出现了慢波类型的表面波，亦即反射器与有源振子向引向器方向产生的电磁波由于引向器的存在而降低了速度，以至于波的相速比自由空间的光速小。因此引向天线是一个慢波结构。例：，。E面、H面方向图以及三维立体方向图见下图所示。3.3 引向天线的电特性1） 输入阻抗与带宽引向天线是由多个振子组成的，由于存在相互间的偶合，有源振子的输入阻抗将发生变化，不再和单独振子时相同。主要表现在（a）输入阻抗下降；（b）输入阻抗对频率变化非常敏感。因此引向天线的输入阻抗带宽很窄，一般只有百分之几，在驻波比的情况下，其带宽也不到10%。

21、要使引向天线在较宽的频带内工作，必须采取展宽带宽的措施。2） 半功率波瓣宽度引向天线振子数目较多，电流分布比较复杂，工程上采用近似公式估算半功率波瓣宽度。近似公式为：式中L为引向天线的长度，是反射器到最后一个引向天线几何长度。一般来说，当L达到一定长度后，再增加天线的长度不会使得半功率宽度变窄（见书上98页曲线）。3） 副瓣电平和前后比引向天线的副瓣电平一般只有负几分贝到负十几分贝，H面的副瓣电平通常比E面的高一些(可由方向图看出)。引向天线往往具有较大的尾瓣，前后比不高。为加大前后比，通常将单根反射器换成反射盘或“王”字形反射器等。4） 方向系数和增益一般引向天线的长度不是很大，方向系数为1