《天线原理》第2章解析

第2章简单线天线在LF~UHF频段广泛采用线天线，在UHF高端及微波频段主要采用面天线。2.1.1双极天线即水平对称振子，如图2-1-1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。2.1水平天线的优点:(1)架设和馈电方便；（2）地面电导率的影响较小；（3）外部干扰较小。2.1.1双极天线（续）1.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(2-1-1)图2-1-1双极天线结构示意图sincoscosPOOAOPPOOPOA2.1.1双极天线（续）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(2-1-3)2.1.1双极天线（续）22sincos1sin)sinsin(2sincos1cos)sincoscos(),(22kHklklf2.1.1双极天线（续）图2-1-3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=1.2λ2.1.1双极天线（续）图2-1-4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=1.75λ2.1.1双极天线（续）在讨论自由空间天线方向性时，一般取互相正交的E面和H面；在研究地面上的天线方向性时，一般取铅垂平面和水平平面。所谓的铅垂平面是指与地面垂直且通过天线最大辐射方向的垂直平面。水平平面是指对应一定的仰角Δ，固定r，观察点P饶z轴旋转一周的所在平面，在该平面上P点场强随φ变化的相对大小即为双极天线的水平平面方向图。1)图2-1-2中，φ=0°的xOz面即为双极天线的垂直平面。将φ=0°代入式(2-1-3),fxOz(Δ,φ=0°)=|1-coskl|·|2sin(kHsinΔ)|(2-1-4)垂直平面方向图的特点：（1）只与H/λ有关，而与l/λ无关。（2）沿地面均无辐射，不能用作地面波通信。（3）当H/λ≤0.25或H/λ≤0.3时，最大辐射方向在Δ=900，在Δ=60~900范围内场强变化不大，即在此条件下天线具有高仰角辐射性能，我们称其为高射天线，常用于天波通信。2.1.1双极天线（续）（4）H/λ0.3时，最强辐射方向不止一个，H/λ越大，波瓣数越多，靠近地面的第一波瓣Δm1越低。第一波瓣的最大辐射仰角Δm1可根据式(2-1-4)求出，令sin(kHsinΔm1)=1得Δm1=arcsin(λ/4H)(2-1-5)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HH=λ/(4sinΔ0)(2-1-6)因此，通信仰角越低，通信越远，要求架设高度越高。（5）当地面不是理想导电地时，方向图的变化规律与理想导电地基本相同。不同地质对方向性的影响不大。2.1.1双极天线（续）2)水平平面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)，即方向函数是下列阵因子与元因子的乘积:f阵(Δ)=2|sin(kHsinΔ)|(2-1-7)(2-1-8)因为阵因子与方位角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。221sincos1cos)sincoscos(),(klklf2.1.1双极天线（续）由图可以看出：（1）水平平面方向图与架高无关。（2）水平平面方向图的形状取决于l/λ，方向图的变化规律与自由空间对称振子的相同。当l/λ0.7时，最大辐射方向在φ=00方向；当l/λ0.7时，在φ=00方向辐射很小或没有辐射。因此，一般要求选择天线长度l/λ≤0.7。图2-1-5l/λ=0.25(a)Δ=20°;(b)Δ=40°;(c)Δ=60°2.1.1双极天线（续）（3）仰角越大，水平平面方向性越不显著。对于双极天线的水平平面和垂直平面方向图，可得如下结论：（1）天线长度只影响水平平面方向图，而对垂直平面方向图无影响；（2）天线架设不高(H/λ≤0.3)时，在高仰角方向辐射最强，但方向性不强，对架设方位要求不严格；（3）当远距离通信时，应该根据通信仰角确定架设高度；（4）为了保证最大辐射方向在φ=00方向，应该使l/λ≤0.7。2.1.1双极天线（续）2.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即是一副双极天线的输入阻抗随频率的变化曲图2-1-7l=20m、H=6m的双极天线输入阻抗2.1.1双极天线（续）3.(2-1-9)式中,f(Δm1,φ)为天线在最大辐射方向的方向函数，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。rmRfD),(120122.1.1双极天线（续）图2-1-8双极天线的D~l/λ关系曲线2.1.1双极天线（续）4.1)(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l0.7λmin，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(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l≥0.2λl≥0.2λmax(2-1-10)综合以上考虑，天线长度应为0.2λmax≤l≤0.7λmin(2-1-11)2.1.1双极天线（续）图2-1-9馈线上行波系数K~l/λ关系曲线(馈线特性阻抗为600Ω)2.1.1双极天线（续）2)天线架高H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(2-1-6)计算天线架设高度H，即(2-1-12)2.1.2对于双极天线，可以加粗其导线直径来降低特性阻抗，展宽工作频带。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，其结构如图2-1-10所示。天线臂通常由6～8根细导线构成，每根导线直径为3～5mm，笼形直径约为1～3m，其特性阻抗为250～400Ω。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。0sin4H2.1.2笼形天线（续）图2-1-10笼形天线结构示意图2.1.2笼形天线（续）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a＝2mm，b＝1.5m，n＝8，则ae＝0.85m，上述64m双极天线的特性阻抗为353.6Ω。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3-7-4(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nenaabb2.1.2笼形天线（续）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2-1-11(a)结构示意图；(b)等效电路2.1.2笼形天线（续）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2.1.3V形对称振子如果对称振子的两臂不排列在一条直线上，而是张开2θ0，构成如图2-1-15所示的V形对称振子(VeeDipole)，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2θ0，使得两根直线段所产生的波瓣指向同一方向。图2-1-15V形对称振子2.1.3V形对称振子（续）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(2-1-15)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,θ=θ0，两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)jjcos10jj60π(,,)jsinsin()decoscosjcossin30=jesinlkrkzmklkrmIeErklkzezrklklIr0jcos0jecosjcossin60(,,)jesinklkrmklklIErr2.1.3V形对称振子（续）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2θopt，一般来说，l/λ值愈大，2θopt值也就愈小。对于0.5≤l/λ≤3.0的V形天线,有如下的经验公式：0.35.11625.705.1125.15.032438815222opt2optllllll2.1.3V形对称振子（续）图2-1-16V形振子的方向系数2.1.3V形对称振子（续）2θopt的单位以度表示，对应的角平分线上的最大方向系数(2-1-18)2.1.41.电视发射天线的特点和要求电视所用的1～12频道是甚高频(VHF)，其频率范围为48.5~223MHz；13～68频道是特高频(UHF)，其频率范围为470～958MHz。由于电视信号主要以空间波传播，因而电视台的服务范围直接受到天线架设高度的限制。为了扩大电视台的服务区域，一般要架设在高大建筑物的顶端或专用的电视塔上，要求防雷、稳固、防冰凌等。如果电视演播中及其发射中心在城市中心，要求在水平平面内具有全向性；如果在城市边缘，要求水平平面内具有一定方向性。35.015.194.2llD2.1.4电视发射天线（续）要求采用水平极化，以减小干扰。天线带宽要足够宽，天线与馈线要阻抗匹配。2.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(2-1-19))sin(cos)cos(sin21krtAEkrtAE2.1.4电视发射天线（续）在两振子所处的平面内，两振子辐射电场方向相同，所以E=E1+E2=Asin(ωt+θ-kr)(2-1-20)图2-1-17相互垂直的电基本振子2.1.4电视发射天线（续）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，变化角频率为ω。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ω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(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2.1.4电视发射天线（续）在与两个振子相垂直的中心轴上，场强是一个常数，因而且在该中心轴上电场是圆极化场。如果把基本振子用两个半波振