1、2.1 水平对称天线水平对称天线 2.2 直立天线直立天线 2.3 环形天线环形天线 2.4 引向天线与背射天线引向天线与背射天线 习题二习题二 2.1.1双极天线双极天线双极天线即水平对称振子(Horizontal Symmetrical Dipole)，如图2-1-1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36 mm。天线臂与地面平行，两臂之间有绝缘子。2.1水平对称天线水平对称天线 图2-1-1双极天线结构示意图 1.双极天线的方向性双极天线的方向性为了便于描绘场强随射线仰角和方位角的变化关系，一般
2、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向函数的自变量。按图2-1-2中的几何关系，可得(2-1-1)sincoscosPOOAOPPOOPOA图 2-1-2双极天线的坐标系统利用该式可得(2-1-2)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 (2-1-3)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。22sincos1sin)sinsin(2sincos1cos)sincoscos(),(22kHklklf图 2-1-3双极天线方向图随臂长l的变化(H=0.25
3、)(a)l=0.25;(b)l=0.5;(c)l=0.65;(d)l=0.75;(e)l=1.0;(f)l=1.2图 2-1-4双极天线方向图随架高H的变化(l=/4)(a)H=0.25;(b)H=0.5;(c)H=0.75;(d)H=1.0;(e)H=1.25;(f)H=1.751)垂直平面方向图垂直平面方向图图2-1-2中，=0的xOz面即为双极天线的垂直平面。将=0代入式(2-1-3),可得 fxOz(,=0)=|1-coskl|2 sin(kHsin)|(2-1-4)第一波瓣的最大辐射仰角m1可根据式(2-1-4)求出，令 sin(kHsinm1)=1得 m1=arcsin (2-1-
4、5)在架设天线时，应使天线的最大辐射仰角m1等于通信仰角0。根据通信仰角0就可求出天线架设高度H，即 H=(2-1-6)H40sin42)水平平面方向图水平平面方向图 水平平面方向图就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。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(式中固定)，即方向函数是下列地因子与元因子的乘积:f地()=2|sin(kHsin)|(2-1-7)(2-1-8)221sincos1cos)sincoscos(),(klklf因为地因子与方位角无关，所以水平平面内的方向图形状仅由元因子f1(，)决定。图2-1
5、-5和图2-1-6分别给出了l/=0.25及l/=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：图 2-1-5l/=0.25时双极天线水平平面方向图(a)=20;(b)=40;(c)=60 图 2-1-6l/=0.5时双极天线水平平面方向图(a)=20;(b)=40;(c)=60 2.双极天线的输入阻抗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2-1-7即是一副双极天
6、线的输入阻抗随频率的变化曲线。图 2-1-7l=20 m、H=6 m的双极天线输入阻抗3.方向系数方向系数天线的方向系数可由下式求得：(2-1-9)式中,f(m1,)为天线在最大辐射方向的方向函数，m1按式(2-1-5)计算;Rr为天线的辐射阻抗。f(m1,)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2-1-8表示天线架高H/2，且地面为理想导电地时的方向系数与l/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。rmRfD),(12012图 2-1-8双极天线的Dl
7、/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。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l0.7min，其中min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=0)的平面上。图 2-1-9馈线上行波系数Kl/关系曲线(馈线特性阻抗为600)(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2-1-9可见，通常要求l0.2考虑电台在波段工作，则应满足 l0.2max (2-1-10)综合以上考虑，天线长度应为 0.2maxl0.7min (2-1-11)2)天线架高
8、天线架高H的选择的选择如果通信距离较远，则应当使天线的最大辐射方向m1与所需的射线仰角0一致，根据式(2-1-6)计算天线架设高度H，即 (2-1-12)0sin4H2.1.2笼形天线笼形天线例如，64m(即210(高)222(长)=64 m)双极天线，其导线直径为4 mm时，特性阻抗约为1 k，若用增加直径的办法，使特性阻抗为350，根据天线的特性阻抗公式 (2-1-13)12ln1200alZA实际工作中常用几根导线排成圆柱形组成振子的两臂，这样既能有效地增加天线的等效直径，又能减轻天线重量，减少风的阻力，节约材料，这就是笼形天线(Cage Antenna)，其结构如图2-1-10所示。天
9、线臂通常由68根细导线构成，每根导线直径为35 mm，笼形直径约为13 m，其特性阻抗为250400。因特性阻抗较低，天线输入阻抗在波段内变化较平缓，故可以展宽使用的波段。图 2-1-10笼形天线结构示意图 笼形天线的等效半径ae可按下式计算:(2-1-14)其中，a为单根导线半径；b为笼形半径；n为构成笼的导线根数。若取a2 mm，b1.5 m，n8，则ae0.85 m，上述64 m双极天线的特性阻抗为353.6。nebnaba为了进一步展宽笼形天线的工作频带，可将笼形天线改进为分支笼形天线，如图2-1-11(a)所示，其等效电路如图2-1-11(b)所示，开路线3-5、4-6与短路线3-7
10、-4(分支)有着符号相反的输入阻抗，调节短路线的长度，即改变3和4(参见图2-1-11(a)在笼形上的位置，可以改善天线的阻抗特性，展宽频带宽度。图 2-1-11 分支笼形天线(a)结构示意图；(b)等效电路除了采用加粗振子臂直径的方法来展宽阻抗带宽外，还可以将双极天线的臂改成其它形式，如图2-1-12所示的笼形构造的双锥天线、图2-1-13所示的扇形天线等。在米波波段可应用平面片形臂，如图2-1-14所示。图 2-1-12 笼形构造的双锥天线图 2-1-13 扇形天线图 2-1-14 平面片形对称振子2.1.3 V形对称振子形对称振子在第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
11、，当l/=0.635时，其方向系数达到最大值Dmax=3.296。如果继续增大l，由于振子臂上的反相电流的辐射，削弱了=90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，而是张开20，构成如图2-1-15所示的V形对称振子(Vee Dipole)，则可提高方向系数。V形天线的设计任务是选择适当的张角20，使得两根直线段所产生的波瓣指向同一方向。图2-1-15 V形对称振子 为了求出V形对称振子的远区场，首先考虑振子的一个臂。设线上电流按正弦分布，仿照1.4节由电基本振子的场通过积分求对称振子场的方法，可求得这一驻波单导线的远区场为 (2-1-15)krklmklkl
12、rIrEjj1esinsincosjcoscose30j),(V形振子的另一个臂的辐射场也可用上述方法求出。在V形振子张角平分线方向上，即上式中,=0，两臂的辐射场振幅相等、相位相同，叠加可得V形振子角平分线上的辐射场为 (2-1-16)krklmklklrIrEj0cosj1esinsincosjcoscose60j),(相应地,可求出V形振子角平分线方向上的方向系数，如图2-1-16所示。对应于最大方向系数的张角称为最佳张角2opt，一般来说，l/值愈大，2opt值也就愈小。对于0.5l/3.0 的V形天线,有如下的经验公式：(2-1-17)0.35.1 1625.705.1125.15.
13、0 32438815222opt2optllllll图 2-1-16 V形振子的方向系数上述2opt的单位以度表示，对应的角平分线上的最大方向系数为 (2-1-18)35.0 15.194.2llD2.1.4 电视发射天线电视发射天线1.电视发射天线的特点和要求电视所用的112频道是甚高频(VHF)，其频率范围为48.5223 MHz；1368频道是特高频(UHF)，其频率范围为470958 MHz。由于电波主要以空间波传播，因而电视台的服务范围直接受到天线架设高度的限制。图 2-1-17 相互垂直的电基本振子2.旋转场天线旋转场天线对于电视及调频广播发射天线，要求它为水平平面全向天线，即水平
14、平面的方向图近似一个圆，从而保证各个方向都接收良好。为得到近似于圆的水平方向图，可以采用旋转场天线(Turnstile Antenna)。设有两个电基本振子在空间相互垂直放置，如图2-1-17所示，馈给两个振子的电流大小相等，相位相差90，则在振子组成的平面内的任意点上，两个振子产生的场强分别为 (2-1-19)sin(cos)cos(sin21krtAEkrtAE其中A是与传播距离、电流和振子电长度有关而与方向性无关的一个因子。为简单起见，式(2-1-19)中忽略了滞后相位kr。在两振子所处的平面内，两振子辐射电场方向相同，所以总场强就是两者的代数和，即 E=E1+E2=Asin(t+-kr
15、)(2-1-20)由式(2-1-20)可见，在某一瞬间(如t=0)，在振子所在平面内的方向图为一个“8”字形，而在任一点处，E又是随时间而变化的，变化周期为。也就是说，在任何瞬间，天线在该平面内的方向图为“8”字形，但这个“8”字形的方向图随着时间的增加，围绕与两振子相垂直的中心轴以角频率旋转，故这种天线称为旋转场天线。天线的稳态方向图为一个圆，如图2-1-18(a)所示。图 2-1-18 由电基本振子和半波振子组成的旋转场天线的方向图(a)电基本振子组成旋转场天线；(b)半波振子组成旋转场天线在与两个振子相垂直的中心轴上，场强是一个常数，因为此时电场而且在该中心轴上电场是圆极化场。Akrtk
16、rtAE)(sin)(cos22如果把基本振子用两个半波振子来代替，就是实际工作中常用的一种旋转场天线，其方向图与前者相比略有不同，与一个圆相比约有5%的起伏变化，如图2-1-18(b)所示。在半波振子组成的平面内，合成场为 (2-1-21)ttAEsincossin2coscossincos2cos3.蝙蝠翼天线蝙蝠翼天线电视发射天线的种类很多，目前在VHF频段广泛采用的一种是蝙蝠翼天线(Batty Wing Antenna)。它是由半波振子逐步演变而来的，如图2-1-19所示，为了满足宽频带的要求，采用粗振子天线；为了减轻天线重量，用平板代替圆柱体；为了减少风阻，以用钢管或铝管做成的栅板来
17、代替金属板；为了防雷击，还加入接地钢管，在E-E处短路，并在中央钢管中间馈电。图2-1-20为蝙蝠翼天线的结构示意图。图 2-1-19 蝙蝠翼天线的演变过程 实际应用时，为了在水平平面内获得近似全向性，可将两副蝙蝠翼面在空间呈正交。为了增加天线的增益，可增加蝙蝠翼的层数，两层间距为一个波长，如图2-1-21所示。图 2-1-20 蝙蝠翼天线结构示意图图2-1-21 多层旋转场蝙蝠翼天线 由于地面波传播时，水平极化波的衰减远大于垂直极化波，因此在长波和中波波段主要使用垂直接地的直立天线(Vertical Antenna)，如图2-2-1所示，也称单极天线(Monopole Antenna)。在短
18、波和超短波波段，由于天线并不长，外形像鞭，故又称为鞭状天线。2.2 直直 立立 天天 线线 图 2-2-1 直立天线示意图2.2.1 鞭状天线鞭状天线鞭状天线(Whip Antenna)是一种应用相当广泛的水平平面全向天线，最常见的鞭状天线就是一根金属棒，在棒的底部与地之间进行馈电，如图2-2-1所示。为了携带方便，可将棒分成数节，节间可采取螺接、拉伸等连接方法，如图2-2-2所示。图2-2-2 鞭状天线的几种连接方法(a)螺接式；(b)拉伸式 1.鞭状天线电性能鞭状天线电性能1)极化极化2)方向图及方向系数方向图及方向系数3)有效高度有效高度有效高度是直立天线的一个重要指标，可以定义如下：假
19、想有一个等效的直立天线，其均匀分布的电流是鞭状天线输入端电流，它在最大辐射方向(沿地表方向)的场强与鞭状天线的相等，则该等效天线的长度就称为鞭状天线的有效高度he。图 2-2-3 鞭状天线的有效高度 如图2-2-3所示，假设鞭状天线上的电流分布为 (2-2-1)(sinsin)(0zhkkrIzI其中,I0是天线输入端电流;h为鞭状天线的高度。依据有效高度定义，得 (2-2-2)当h/0.46 的圆锥型螺旋天线。图 2-2-20 螺旋鞭天线图 2-2-21 螺旋天线的三种辐射状态 (a)边射型(D/0.46)图 2-2-22 螺旋鞭天线一圈的等效示意图 可以将螺旋鞭天线看成由N个单元组成，每个
20、单元又由一个小环和一电基本振子构成，如图2-2-22所示，由于环的直径很小，合成单元上的电流可以认为是等幅同相的。小环的辐射场只有E分量，即 (2-2-14)krIrIEj222esinD30式中D为小环的直径。电基本振子的辐射场只有E分量，即 (2-2-15)式中l为螺距。一圈的总辐射场为上两式的矢量和。两个相互垂直的分量均具有sin的方向图，并且相位差为90，合成电场是椭圆极化波椭圆极化波的长轴与短轴之比称为轴比，用AR表示，即 (2-2-16)krlrIEje sin60j2)(2|AR|DlEE2.2.4 中馈鞭状天线中馈鞭状天线常用的鞭状天线是在底部馈电的直立单极天线，又称底馈天线。
21、在VHF频段其高度一般选在/4附近，故底部电流很大。当这种天线安装在车辆上时，天线与车体之间存在较强的电磁耦合，随着车型或在车上的安装位置的改变，天线的输入阻抗也会随之变化，原来设计好的匹配装置将失去原有效能。图2-2-23为中馈鞭状天线示意图。天线由两部分组成，一部分为辐射体，另一部分为基座。图 2-2-23 中馈鞭状天线示意图(a)结构图；(b)原理图；(c)等效偶极天线2.2.5 宽频带直立天线宽频带直立天线 在许多应用中，都要求天线能在较宽的频率范围内有效地工作。通常，当天线的相对带宽达百分之几十以上时，则称之为宽频带天线。1.盘锥天线盘锥天线盘锥天线(Discone Antenna)
22、出现于1945年，结构如图2-2-25所示，它由一个圆盘和圆锥构成，二者之间有一间隙。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，可以在5 1的频率范围内保持与50同轴馈线上的驻波比不大于1.5。图 2-2-24 双锥天线图2-2-25 盘锥天线圆盘直径D的大小对天线方向图影响很大。若直径过大，相当于在锥顶上加了一块相当大的金属板，会减小高于水平方向处的场强；若直径太小，又会破坏天线的阻抗宽带特性，而且使天线方向图主瓣明显偏离水平方向。盘锥天线存在最佳设计尺寸，实验中得出的一组最佳尺寸为S=0.3Cmin，D0.7Cmax，取锥角h=30，Cmin=L/22，其中L为锥的
23、斜高。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图2-2-26 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。图 2-2-26 盘锥天线垂直平面方向图(f0=1000 MHz,L=21.3cm=0.71,Cmax=19.3 cm=0.64,h=27)(a)500 MHz;(b)1000 MHz;(c)1500 MHz 为了降低重量并减小风的阻力，盘锥天线可设计成线状结构，即用辐射状的金属棒取代金属片，如图2-2-27所示。为携带方便，有时也采用伞状结构，不用时可收成一束。图 2-2-27
24、 线状结构示意图图 2-2-28 套筒天线结构2.套筒天线套筒天线图2-2-28示出了两种套筒天线(Sleeve Monopole)，套筒的外表面起辐射元的作用，图2-2-28(a)中的箭头表示当L+L/2时电流的极性，套筒外表面上的电流与单极天线的上部分的电流几乎是同相的，电流的最大值出现在套筒天线的底部。为了使问题简化，假设沿高度h天线具有均匀截面和等值半径ae(aiaeao，其中ao为套筒半径，ai为辐射器半径)，并假设地面是无限大理想导电平面，由镜像原理可得图2-2-29所示的等效天线，这一天线可看成是两个不对称激励的天线的叠加。不对称激励天线可以看做是两个单极接地天线组成的，如图2-
25、2-30所示。由于单极天线的输入阻抗等于同等臂长对称振子输入阻抗的一半，因此不对称天线的输入阻抗等于两臂各自构成的对称振子的输入阻抗的平均值，即 (2-2-17)2in2in1inZZZ式中,Zin1为臂长等于L的对称振子的输入阻抗；Zin2为臂长等于L+2L的对称振子的输入阻抗。由此结果再按图2-2-29所示的叠加方法就可计算出套筒天线的输入阻抗。图2-2-29 套筒天线的分析图 2-2-30 不对称天线的分析实验结果表明，当L/L=2.25时，在4 1的带宽内天线有最佳方向图，即对频率来说,方向性几乎是不变的，表2-2-1列出了最佳方向图设计的套筒天线的技术规格。图 2-2-31 开式套筒
26、天线表表2-2-1 最佳方向图设计的套筒天线的技术规格最佳方向图设计的套筒天线的技术规格2.3.1 小环天线小环天线由第1章的分析可知，如图2-3-1所示的小环天线(Small Loop Antenna)的辐射场为(2-3-1)(2-3-2)2.3 环形天线环形天线 krSrIEj22e sin120120EH其中，I为环线上的电流，由于环的直径很小，故可设环的电流沿线均匀分布；S为环的面积。小环天线的辐射电阻为 (2-3-3)42422320)(20SSkRr图 2-3-1 环形天线坐标 当电尺寸很小时，小环天线实际上相当于一个带有少量辐射的电感器，它的辐射电阻很小，其值通常小于导线的损耗电
27、阻Rl，因而天线辐射效率很低，其效率由下式计算:(2-3-4)通常假设小环的损耗电阻与长度为环周长的直导线的损耗电阻相同。设环线的电导率为，导线半径为a，环半径为b，则欧姆损耗电阻为 (2-3-5)lARRRrrSlRabR 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。小环天线的方向系数D=1.5，其有效接收面积为 (2-3-6)AAeDA22834【例例2-3-1】设均匀电流的小环半径为/25，求环的几何面积，并把该面积与有效接收面积比较。解解 几何面积为 有效接收面积为2322
28、1003.52 bSAAeSA66.231003.5119.0232为提高天线辐射电阻，多匝小环是一种非常可取而且很实用的结构，小电偶极振子却没有这个优点。由于多匝小环天线(简称多环天线)具有电尺寸小(其绕制导线总长度小于/2，通常为/4左右)、较隐蔽、相对尺寸而言增益较高、结构简单等优点，因而在背负或车载电台、船舶中的高频电台、地震遥测系统中都有使用，适用的频率范围为2300 MHz。N匝小环天线的辐射电阻为单匝值的N2倍，即 (2-3-7)4222222320)(20SNSkNRrN 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
29、电阻为 (2-3-8)10RRRaNbRpSlN【例例2-3-2】设小环天线的半径为/25，导线半径为10-4，匝间距为410-4，天线导线是铜制的，电导率为5.7107(S/m)。试求工作在f=100 MHz的单匝和8匝小圆环天线的辐射效率(已知Rp/R0=0.38)。解解 单匝环的辐射电阻为 878.02532032024424SRr8匝环的辐射电阻为Rr8=0.78882=50.43 单匝环的损耗电阻为8匝环的损耗电阻为 305.1107.51041010251277-840abRl 26.11)138.0(053.181808RRRRpll单匝环的辐射效率为8匝环的辐射效率为%8.42
30、053.1788.0788.0A%3.8162.1143.5043.508A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2-3-2所示。磁棒天线的辐射电阻Rr由下式给出：(2-3-9)20rrRR图 2-3-2 磁棒天线2.3.2 电流非均匀分布的大环天线电流非均匀分布的大环天线1.大圆环天线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。J.E.Storer分析获得了单匝圆环上的电流振幅及相位分布,如图2-3-3所示。其中角如图2-3-1所示，环天线的几何特征参量用=2ln(2b/a)表示，其中
31、a为导线半径，b为环的半径。ab2图 2-3-3 圆环天线的电流分布(=2ln=10)(a)振幅分布；(b)相位分布由图可见，当kb=0.1时,电流近似于均匀分布；当kb=0.2时，电流变化稍大；当kb再增加时,电流变化就很大了。根据这些结果，当环参数远大于kb=0.2(半径远大于0.030.04)时就不能认为是小环了。环形天线坐标如图2-3-1所示，设环上电流按下式分布：I=Im cos (2-3-10)已知自由空间矢量位A的表示式为 (2-3-11)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r-1项，则电场化简为Er0E-jAE-jA (2-3
32、-12)lRzyxIzyxkRCde),(4),(j0A为了求得远区场，环上一点到场点的距离R可近似为 (2-3-13)将R的近似式代入A矢位的表达式(2-3-11)，可得球坐标系中A矢位的三个分量表示：(2-3-14a)cos(sin )cos(sin222brbrbrRde)sin(sine4)cos(sinj20j0kbkrrIrbA (2-3-14b)(2-3-14c)de)sin(cose4)cos(sinj20j0kbkrIrbAde)cos(e4)cos(sinj20j0kbkrIrbA在yOz平面，即90的平面，kb=1时，由上式积分可得(2-3-15)式中,J0和J2分别是第
33、一类0阶和2阶贝塞尔函数。在xOz平面，即0或180的平面 (2-3-16)0e)(sinJ)(sinJ cos4j20ArbIAkrm krmrbIAAj20e)(sinJ)(sinJ 40由式(2-3-12)可求出辐射电场，从而这两个平面的方向函数为yOz平面:f()=cosJ0(sin)+J2(sin)(2-3-17)xOz平面:f()=J0(sin)-J2(sin)(2-3-18)根据上述两式画出的方向图如图2-3-4所示。图 2-3-4 一个波长的圆环天线方向图(a)yOz平面；(b)xOz平面 根据图2-3-3的电流分布而计算的天线输入阻抗如图2-3-5所示。图中画出了在0kb=C
34、/2.5 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kb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，谐振特性很快消失;若=2ln9，阻抗曲线上就只有一个明显的并联谐振点。图2-3-6给出了不同尺寸时环的轴线方向(z轴)上的方向系数。ab2图 2-3-5 圆环天线的输入阻抗(a)电阻；(b)电抗图 2-3-6 圆环天线轴向方向系数2.双环天线双环天线将两个周长约等于一个波长的大圆环通过平行双导线并联起来，在平行双导线的中点馈电就构成了双环天线，如图2-3-7所示。平行双导线的长度通常选为(0.30.5)
35、。在实用中,为了提高增益，还可以将几组这样的环通过0.5的平行双导线串联起来。根据环的数目，这些环组分别称为2L形、4L形、6L形双环天线，如图2-3-8所示。图 2-3-7 双环天线结构图2-3-8 双环天线阵(a)2L形；(b)4L形；(c)6L形图 2-3-9 2L形双环天线及其等效天线(a)双环天线上的电流分布；(b)等效半波振子阵由前面的分析可知，当kb1时，大圆环上的电流基本上按余弦分布，输入电抗约为零，输入电阻约为100。环上电流如图2-3-9(a)箭头所示，环的上边和下边是同方向的，它可以等效为两个同方向间距0.27的半波振子。因此，一个2L形双环天线即可等效为如图2-3-7(
36、b)所示的四个半波对称振子的天线阵，因而提高了增益。通过天线阵的分析，不难由单个环的方向图得出多个环在垂直于地面的方向上串联后的方向图。2L、4L、6L形双环天线的水平平面方向性都和带反射板的一个波长圆环天线的水平平面方向性相同。采用图2-3-10(a)的坐标系时，根据镜像原理，放在反射板前的双环天线的水平平面方向图如图2-3-10(b)所示(此时H=0.25)。2L、4L、6L形双环天线的垂直平面方向图可用方向图乘积原理，但要考虑到环上的电流分布是有衰减的，图2-3-10(c)是用直角坐标系表示的垂直平面方向图。图 2-3-10 双环天线的方向性(a)坐标系；(b)水平平面方向图；(c)垂直
37、平面方向图影响双环天线的输入阻抗的因素很多，其中包括：单个圆环的自阻抗；圆环振子与反射板之间的互阻抗；相邻环之间的互阻抗；平行线的阻抗；两个环的末端短路线的影响。由于互阻抗和两端短路线的补偿作用，使得双环天线的阻抗具有较宽的频带特性。当电压驻波比1.05时，相对带宽约为16；1.1时，相对带宽约为20。图 2-3-11 加载圆环天线2.3.3 加载圆环天线加载圆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)，图2-3-11 所示，其具有良好的宽频带特性，且为单向辐射。根据传输线理论
38、可知，若负载阻抗RL等于小环的平均特性阻抗Z0A，则加载圆环可看成是一行波天线。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 (2-3-19)ababZAln120dsin2ln120100 上式在kb较小时是足够准确的。图2-3-12(a)给出了特性阻抗随几何参量=2ln(2b/a)的变化曲线，图(b)给出了RL325，尺寸9.4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300。当kb较小时，输入电抗为感抗，几乎为零，而当kb较大时，输入电抗为200300 的容抗。图 2-3-12 加载圆环天线的特性阻抗与输入阻抗(a)特性阻抗；(b)输入阻抗由
39、于环内接有负载电阻，故天线效率很低，当天线尺寸不大时，效率可用下式估算：(2-3-20)402513bZAA引向天线(YagiUda 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。它是一个紧耦合的寄生振子端射阵，结构如图2-4-1所示，由一个(有时由两个)有源振子及若干个无源振子构成。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。2.4 引向天线与背射天线引向天线与背射天线
40、 图 2-4-1 引向天线2.4.1 引向天线的工作原理引向天线的工作原理1.引向器引向器(Director)与反射器与反射器(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2-4-2所示。图 2-4-2 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
41、,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：在一对振子中，振子“2”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，而主要在于两振子的间距以及电流间的相位关系。图 2-4-3 电流相位条件 实际工作中，引向天线振子间的距离一般在0.10.4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。设I2=mI1ej，间距d=0.10.4，则在M点E2对E1的相位差=+kd。根据d的范围,36kd144。如果0180，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
42、消的作用，辐射场较强，所以振子“2”起反射器的作用。如果-1802以后，20.5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。由表2-4-2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2-4-9为带“王”字形反射器的引向天线。图 2-4-9 带“王”字形反射器的引向天线图2-4-10 DL/的关系3.方向系数和增益系数方向系数和增益系数引向天线的方向系数可由图2-4-10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
43、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=DD (2-4-5)4.极化特性极化特性 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S2的情况下，引向天线的工作带宽可能达到10%。图2-4-11为扇形振子及“X”形振子。图 2-4
44、-11 扇形和“X”形振子(a)扇形振子；(b)“X”形振子 2.4.3 半波折合振子半波折合振子实验证明，有源振子的结构与类型对引向天线的方向图影响较小，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(K1)。半波折合振子(HalfWave Folded Dipole)的结构如图2-4-12所示，振子长度2l/2，间隔D。图2-4-12(a)为等粗细的型式，图2-4-12(b)为不等粗细的型式。图 2-4-12 半波折合振子粗略地说，可以把半波折合振子看做是一段/2的短路线从其中点拉开压扁而成，如图2-4-13所示
45、。折合振子的两个端点为电流节点，导线上电流同相，当D3b，b为中心线宽。图 2-4-18 微带线平衡器3.U形管平衡器形管平衡器(U-balun)U形管平衡器是一段长度为g/2的同轴线，结构如图2-4-19(a)所示。由于天线两臂均接内导体，对“地”是对称的，因而它是平衡的。同时，由传输线理论可知，因A，B相点相距g/2，对地的电位将等幅反相,VA为“+”，VB为“-”，因而两臂的电流大小相等，得到对称分布。U形管除了平衡作用之外，由图2-4-19(b)可知它还兼有阻抗变换作用。通常用软同轴线制作U形管，也可以用微带线制作U形管平衡器，如图2-4-20所示。图 2-4-19 U形管及其等效电路
46、 图 2-4-20 微带线平衡器 2.4.5 环形元引向天线环形元引向天线引向天线既可用对称振子组成，也可用其它形式的辐射元构成，例如圆环、方环等按引向天线原理组合起来就构成了环形元引向天线(Loop Element YagiUda Antenna)，如图2-4-21所示。图 2-4-21 环形元引向天线2.4.6 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。1.背射天线背射天线(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2-4-22所示。图2-4-22 背射天线 反射盘一般称
47、为表面波反射器，它的直径大致与同一增益的抛物面天线的直径相等；反射盘与反射器之间的距离应为/2的整数倍。如果在反射盘的边缘上再加一圈反射环(边框)，则可使增益再加大2 dB左右。一个设计良好的背射天线，可以做到比同样长度的引向天线多8 dB的增益，其增益可用下式大致估算：(2-4-13)LG60 2.短背射天线短背射天线(Short Back Fire Antenna)这种天线由一根有源振子(或开口波导、小喇叭)和两个反射盘组成，如图2-4-23所示。图 2-4-23 短背射天线1.有一架设在地面上的水平振子天线,其工作波长40 m。若要在垂直于天线的平面内获得最大辐射仰角为30，则该天线应架
48、设多高？2 假设在地面上有一个2l=40m的水平辐射振子。求使水平平面内的方向图保持在与振子轴垂直的方向上有最大辐射和使馈线上的行波系数不低于0.1时，该天线可以工作的频率范围。3 为了保证某双极天线在410 MHz波段内馈线上的驻波比不致过大且最大辐射方向保持在与振子垂直的方向上，该天线的臂长应如何选定?习习 题题 二二 4 今有一双极天线，臂长l=20 m，架设高度h8 m，试估算它的工作频率范围以及最大辐射仰角范围。5 为什么频率为320 MHz的短波电台通常至少配备两副天线(一副臂长l=10 m，另一副臂长l=20 m)？6 两半波对称振子分别沿x轴和y轴放置并以等幅、相位差90馈电。
49、试求该组合天线在z轴和xOy平面上的辐射场。若用同一振荡馈源馈电，馈线应如何联接？7 简述蝙蝠翼电视发射天线的工作原理。8 怎样提高直立天线的效率？9 一紫铜管构成的小圆环，已知=5.8107S/m，环的半径b=15 cm，铜管的半径a=0.5 cm，工作波长=10 m。求此单匝环天线的衰减电阻、电感量和辐射电阻，并计算这一天线的效率。有哪些办法可提高其辐射电阻?10 设某平行二元引向天线由一个电流为Im1=1ej0的有源半波振子和一个无源振子构成，两振子间距d=/4，已知互阻抗Z12=40.8-j28.3=49.7e-j34.7，半波振子自阻抗Z11=73.1+j42.5=84.6ej30.
50、2。(1)求无源振子的电流Im2；(2)判断无源振子是引向器还是反射器；(3)求该二元引向天线的总辐射阻抗。11 三元引向天线，有源振子谐振长度为0.48，它与引向器之间的距离是0.2，与反射器之间的距离是0.15，引向器和反射器的长度分别为0.47和0.56，各阵子的长度直径比均假定为30。求此天线的前后辐射比和输入电阻。12 一个七元引向天线，反射器与有源振子间的距离是0.15，各引向器之间以及与主振子之间的距离均为0.2，试估算其方向系数和半功率波瓣宽度。13 为什么引向天线的有源振子常采用折合振子？14 天线与馈线连接有什么基本要求？15 简述U形管平衡-不平衡变换器的工作原理。16
