7折合天线与蝙蝠翼-天线原理

ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering天线Antennas第7讲折合振子与蝙蝠翼天线褚庆昕华南理工大学电子与信息学院天线与射频技术研究所[e-mail]TechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering第7讲内容V形振子折合振子十字形振子蝙蝠翼天线SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering如果对称振子的的臂长超过0.65，会出现旁瓣，时增益下降，这是因为臂上出现反向电流所致。一种改善的方法是振子形状的直线改为角形或曲线。如V形振子和高斯曲线振子，其思路是利用线上各点电流元之间射线的波程差的不同补偿电流的相位差。采用长度和角度可调的V形振子是最常用的选择。通过调节振子的的长度和角度可以获得最佳的辐射特性。7.1V形振子SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineeringV形振子的设计：根据工作频率，确定振子的长度，然后确定张角，使角中心辐射最大。采用矩量法，对于的V形振子，在扇形区内方向性最大的角度可由下式给出相应的方向性为22152()388()324,0.51.511.5()70.5()162,1.53hhhhhh2.95()1.15hD0.5/3hSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering计算表明：h=0.75的V型振子90o最大辐射方向为角度方向性3.35=5.26dB对称振子2.2=3.4dB前后比2dB。对称振子0dB输入阻抗106+j17对称振子360+j700118.5oSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering折合振子（folded-dipole）是常用的线天线之一。从形状上看，折合振子是一个窄矩形环，窄边长度远远小于宽边长度，且馈电在宽边的中心。实际的折合振子的长度通常取为半波长，它可以看成全波对称振子折合而成。7.2折合振子SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering同时，折合振子可以看作为两个平行排列、间距很小、两端连接的半波对称振子组成。一个振子的馈电在中间，另一个振子的馈电在两边，但与中间馈电的振子相同。因此，折合振子可以等效为平行排列、间距很近、馈电相同的二元对称振子阵。/2LSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering对于远场区，由于间距很小，两个对称振子之间的相位差可以忽略，因此，折合振子的辐射场相当于两个对称振子的辐射场的叠加。在折合振子与单个对称振子馈电电流相同的条件下，折合振子的辐射功率是单个对称振子的辐射功率的两倍。在辐射功率相同的条件下，折合振子的输入电流是单个对称振子的输入电流的一半。折合振子的辐射SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering由于间距很小，折合振子相当于两个耦合非常紧的二元阵。根据对称性和互易性，二元阵的阻抗矩阵为折合振子的输入阻抗相当于2端口短路时，1端口的输入阻抗。采用奇偶模激励法是最严格和方便方法。折合振子的输入阻抗11111222121112VZIZIVZIZI1211122121120inininVZIZIZIZI111222111211///finininZVIZZIIZZZSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering偶模激励由于结构对称，所以偶模激励时，折合振子相当于对称振子，只是电流为2Ie，于是其中，Zd为单个对称振子的输入阻抗。偶模激励正对应于折合振子的天线模式。12eVVV12eIII2edeVZIeVeVeIeI--++eVeIeI1112()eeVZZI11122dZZZSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering奇模激励奇模激励时，折合振子相当于两个相向的长度为L/2的短路双导线传输线。于是其中，Zt、Z0分别为双导线的输入阻抗和特性阻抗。奇模激励也称为折合振子的传输线模式。12oVVV12oIII0tan(/2)ootoVIZIjZLoVoVoIoI++--oIoIoVoV+-+-1112()ooVZZI1112tZZZSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering任意激励可以看作为偶模激励与奇模激励的叠加。当时，eVeVeIeI--++oVoVoIoI++--ineoVVVinoeIII-+12eoeoVVVVVV，12eoeoIIIIII，20V112/2ineeoinineoVVVVVVIIII，，SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering于是，折合振子的输入阻抗为阻抗矩阵参数也可以利用阻抗矩阵得到输入阻抗/2/24(1/21/)/22inoeinindtininoedtindtVVVVVZZZIIIZZVZZ111211122dtZZZZZZ1112/2/2dtdtZZZZZZ2222111211(/2)(/2)4/22dtdtdtindtdtZZZZZZZZZZZZZZSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering注意到，输入导纳因此，折合振子的输入阻抗相当于四个串联的对称振子与两个串联的短路传输线并联。对于半波折合振子，L=/201/1/41/21142tan(/2)inindtdYZZZjZZLinY0tan4=470=2802tfdZjZZZ，半波折合振子的输入阻抗是半波对称振子的4倍。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering下图为采用传输线模型和矩量法计算的导线半径2a=0.001的折合振子的输入阻抗曲线。导线间距为12.5a，相当于双导线的特性阻抗为300欧姆。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering可以看出，第一谐振点发生在L=0.48，输入阻抗略小于300，在第二谐振点L=1.47处，输入阻抗略大于300。还可以看到，在L=n处（n=1,2,3…)，输入阻抗很小，这是因为Zt几乎为零。折合振子常被用于FM广播的接收天线。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering粗细不同的导线也可做折合振子，在半波条件下输入阻抗为通常a1,a2远小于d，c近似为可见，调节导线的粗细可以调节折合振子的输入阻抗。2(1)(/2)indZcZL12ln(/)ln(/)dacda俯视图端视图SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering折合振子之所以是非常流行的线天线，是因为它的阻抗特性、容易制作和结构的刚性。等半径导线的半波长折合振子的输入阻抗接近300欧，即双导线传输线的特性阻抗。改变导线的半径还可以调节输入阻抗。半波折合振子的带宽比普通半波振子大。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering我国电视广播要求天线具有水平极化特性。电视信号发射时，为了让各个方向的用户可以接受到良好的信号，要求电视发射天线，在水平面应该是全向的。而水平振子在水平面内的方向图是8字形，有方向性。如何水平振子实现水平的全向辐射？十字形振子是一个好的方案。7.2十字形振子SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering两正交电流元的辐射两个电流元水平放置，在空间相互垂直，电流相位差90°（时间上垂直）1020cossinIItIIt显然，在垂直方向，该天线是圆极化的。但在水平面是线极化。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering电流元的方向函数为，在水平面内，场强分别为：K为常系数，E1和E2在空间是同方向的，但在时间相位上差90°，P点