天线原理与设计3.1.1-双极天线

3.1.1双极天线

双极天线即水平对称振子(HorizontalSymmetricalDipole)，如图3-1-1所示，又称π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3～6mm。天线臂与地面平行，两臂之间有绝缘子。

图3-1-1双极天线结构示意图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。1.双极天线的方向性

为了便于描绘场强随射线仰角Δ和方位角φ的变化关系，一般直接用Δ、φ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θ作方向函数的自变量。按图2-1-2中的几何关系，可得

(3-1-1)图3-1-2双极天线的坐标系统对称振子方向函数为：大家需要格外注意的是这里的角度

这是指场点与天线轴的夹角

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：图3-1-3双极天线方向图随臂长l的变化(H=0.25λ)(a)l=0.25λ;(b)l=0.5λ;(c)l=0.65λ;(d)l=0.75λ;(e)l=1.0λ;(f)l=1.2λ根据该表达式，可以画出双极天线的立体方向图，图2-1-3表示双极天线在不同臂长情况下的方向图，图2-1-4表示在不同架高时的方向图。图3-1-4双极天线方向图随架高H的变化(l=λ/4)(a)H=0.25λ;(b)H=0.5λ;(c)H=0.75λ;(d)H=1.0λ;(e)H=1.25λ;(f)H=1.75λ

1)垂直平面方向图

第一波瓣的最大辐射仰角Δm1可根据式(3-1-4)求出，令

sin(kHsinΔm1)=1

得

Δm1=arcsin

(3-1-5)

在架设天线时，应使天线的最大辐射仰角Δm1等于通信仰角Δ0。根据通信仰角Δ0就可求出天线架设高度H，即

H=(3-1-6)因为地因子与方位角φ无关，所以水平平面内的方向图形状仅由元因子f1(Δ，φ)决定。图3-1-5和图3-1-6分别给出了l/λ=0.25及l/λ=0.50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。由图可以看出：yz面内水平振子的方向图随架高H的变化

2)水平平面方向图

水平平面方向图就是在辐射仰角Δ一定的平面上，天线辐射场强随方位角φ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(2-1-3)所示(式中Δ固定)，即方向函数是下列地因子与元因子的乘积:

f地(Δ)=2|sin(kHsinΔ)|(3-1-7)

(3-1-8)图3-1-5

l/λ=0.25时双极天线水平平面方向图(a)Δ=20°;(b)Δ=40°;(c)Δ=60°图3-1-6

l/λ=0.5时双极天线水平平面方向图(a)Δ=20°;(b)Δ=40°;(c)Δ=60°水平面方向图特点：

2.双极天线的输入阻抗

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来得出天线的输入阻抗随频率的变化曲线。图3-1-7即是一副双极天线的输入阻抗随频率的变化曲线。图3-1-7

l=20m、H=6m的双极天线输入阻抗

3.方向系数

天线的方向系数可由下式求得：

(3-1-9)

式中,f(Δm1,φ)为天线在最大辐射方向的方向函数，Δm1按式(3-1-5)计算;Rr为天线的辐射阻抗。f(Δm1,φ)和Rr二者应归算于同一电流。对双极天线而言，Rr=R11-R12，R11是振子的自辐射电阻，R12是振子与其镜像之间(相距2H)的互辐射阻抗。图3-1-8表示天线架高H>λ/2，且地面为理想导电地时的方向系数与l/λ的关系曲线。当H较低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。图3-1-8双极天线的D~l/λ关系曲线

4.双极天线的尺寸选择

1)臂长l的选择原则

(1)从水平平面方向性考虑。

为保证在工作频率范围内，天线的最大辐射方向不发生变动，应选择振子的臂长l<0.7λmin，其中λmin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(即φ=0°)的平面上。图3-1-9馈线上行波系数K~l/λ关系曲线(馈线特性阻抗为600Ω)(2)从天线及馈电的效率考虑。

若要求馈线上的行波系数不小于0.1，由图3-1-9可见，通常要求l≥0.2λ考虑电台在波段工作，则应满足

l≥0.2λmax

(3-1-10)

综合以上考虑，天线长度应为

(3-1-11)

2)天线架高H的选择

如果通信距离较远，则应当使天线的最大辐射方向Δm1与所需的射线仰角Δ0一致，根据式(3-1-6)计算天线架设高度H，即