第2章 簡(jiǎn)單線天線.ppt

BEAConfidential 1 第2章簡(jiǎn)單線天線 制作 唐慧主講 唐慧 電波與天線 本章內(nèi)容 2 1水平對(duì)稱天線2 2直立天線2 3環(huán)形天線2 4引向天線與背射天線 2 1水平對(duì)稱天線 水平架設(shè)天線的理由 架設(shè)和饋電方便 地面電導(dǎo)率對(duì)水平天線方向性的影響較垂直天線的小 可減小干擾對(duì)接收的影響 因?yàn)樗綄?duì)稱天線輻射水平極化波 而工業(yè)干擾大多為垂直極化波 故可以減少干擾對(duì)接收的影響 這對(duì)短波通信是有實(shí)際意義的 雙極天線即水平對(duì)稱振子 HorizontalSymmetricalDipole 又稱 型天線 2 1 1雙極天線 結(jié)構(gòu) 雙極天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 架設(shè)撤收方便 維護(hù)簡(jiǎn)易 因而是應(yīng)用廣泛的短波天線 適用于天波傳播 當(dāng)天線一臂的長(zhǎng)度l 12m或22m時(shí) 天線特性阻抗通常為1000 左右 饋線使用H 10m長(zhǎng)的雙導(dǎo)線 饋線特性阻抗為600 這就是移動(dòng)通信常用的44m 即2H 2l長(zhǎng)度 或64m雙極天線 當(dāng)其架設(shè)高度小于0 3 向高空方向 仰角90 輻射最強(qiáng) 宜作300km范圍內(nèi)通信用天線 當(dāng)天線距離較遠(yuǎn)時(shí) 這種天線增益較低 方向性不強(qiáng) 且工作頻段較窄 在分析天線的方向性時(shí) 可以把地面看作是理想導(dǎo)電地 因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下水平極化波地面反射系數(shù)都接近 1 可用地面下的負(fù)鏡像天線來(lái)代替地面對(duì)輻射的影響 1 雙極天線的方向性 根據(jù)電磁場(chǎng)的鏡像原理 討論一個(gè)電流元在無(wú)限大理想導(dǎo)電平面上的輻射場(chǎng)時(shí) 應(yīng)滿足在該理想導(dǎo)電平面上的切向電場(chǎng)處處為零的邊界條件 為此 可在導(dǎo)電平面的另一側(cè)設(shè)置一鏡像電流元 該鏡像電流元的作用就是代替導(dǎo)電平面上的感應(yīng)電流 使得真實(shí)電流元和鏡像電流元的合成場(chǎng)在理想導(dǎo)電平面上的切向值處處為零 天線的鏡像 水平電流元 負(fù)鏡像 垂直電流元 正鏡像 傾斜電流元 負(fù)鏡像 電流元的鏡像 電流分布不均勻的實(shí)際天線 分解成許多電流元 所有電流元的鏡像集合起來(lái)即為整個(gè)天線的鏡像 水平線天線的鏡像一定為負(fù)鏡像 垂直對(duì)稱線天線的鏡像為正鏡像 對(duì)稱振子的鏡像 天線的鏡像 以等幅同向和等幅反向二元陣來(lái)處理 以實(shí)際天線的電流I為參考電流 當(dāng)天線的架高為H時(shí) 鏡像天線相對(duì)于實(shí)際天線之間的波程差 2kHsin 由實(shí)際天線與鏡像天線構(gòu)成的二元陣的陣因子為Fa sin kHsin 天線的鏡像 雙極天線的坐標(biāo)系統(tǒng) XOY平面為地面 由自由空間對(duì)稱振子方向函數(shù)和負(fù)鏡像陣因子按方向圖乘積定理得 雙極天線在不同臂長(zhǎng)情況下的方向圖 在不同架高時(shí)的方向圖 鉛垂平面與地面垂直且通過(guò)天線最大輻射方向的垂直平面 鑒于實(shí)際天線的臂長(zhǎng)l 0 7 單元天線最大輻射方向垂直于對(duì)稱振子 故取振子的H面為垂直平面 水平平面對(duì)應(yīng)一定的仰角 固定r OP 觀察點(diǎn)P繞z軸旋轉(zhuǎn)一周所在的平面 在該平面上P點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨 變化的相對(duì)大小即為雙極天線的水平平面方向圖 1 垂直平面方向圖 0 的xOz面即為雙極天線的垂直平面 fxOz 0 1 coskl 2sin kHsin 1 垂直平面方向圖只與架設(shè)高度H 有關(guān) 而與l 無(wú)關(guān) 這是因?yàn)?不管單元振子有多長(zhǎng) 元因子在垂直于振子軸的平面內(nèi)方向圖恒為一個(gè)圓 故可用改變天線架設(shè)高度H 來(lái)控制垂直平面內(nèi)的方向圖 2 無(wú)論H 為何值 沿地面方向 即 0 方向 均無(wú)輻射 這是由于天線與其鏡像在該方向的射線行程差為零 且兩者電流反相 因而輻射場(chǎng)互相抵消 雙極天線不能用作地波通信 垂直平面方向圖的特點(diǎn) 3 當(dāng)H 0 25 0 3時(shí) 最大輻射方向在 90 在 60 90 范圍內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)變化不大 即此時(shí)天線具有高仰角輻射性能 稱之為高射天線 通常應(yīng)用在0 300km內(nèi)的天波通信中 4 當(dāng)?shù)孛娌皇抢硐雽?dǎo)電地時(shí) 不同架設(shè)高度的天線在垂直平面內(nèi)的方向圖的變化規(guī)律與理想導(dǎo)電地基本相同 只是場(chǎng)強(qiáng)最大值變小 最小值不為零 最大輻射方向稍有偏移 不同地質(zhì)對(duì)水平振子方向性影響不大 垂直平面方向圖的特點(diǎn) 在架設(shè)天線時(shí) 應(yīng)使天線的最大輻射仰角 m1等于通信仰角 0 根據(jù)通信仰角 0就可求出天線架設(shè)高度H 即 當(dāng)雙極天線用作天波通信時(shí) 工作距離愈遠(yuǎn) 通信仰角 0愈低 則要求天線架設(shè)高度越高 5 當(dāng)H 0 3時(shí) 最強(qiáng)輻射方向不止一個(gè) H 越高 波瓣數(shù)越多 靠近地面的第一波瓣 m1越低 第一波瓣的最大輻射仰角 m1 垂直平面方向圖的特點(diǎn) 2 水平平面方向圖 水平平面方向圖就是在輻射仰角 一定的平面上 天線輻射場(chǎng)強(qiáng)隨方位角 的變化關(guān)系圖 方向函數(shù)是地因子與元因子的乘積 1 雙極天線水平平面方向圖與架高H 無(wú)關(guān) 因?yàn)楫?dāng)仰角一定而 變化時(shí) 直射波與反射波的波程差不變 鏡像的存在只影響合成場(chǎng)的大小 2 水平平面方向的形狀取決于l 方向圖的變化規(guī)律與自由空間對(duì)稱振子的相同 一般應(yīng)選擇天線長(zhǎng)度l 0 7 3 仰角越大時(shí) 水平平面方向性越不顯著 因?yàn)榉较蛐詻Q定于cos sin 當(dāng)仰角越大時(shí) 的變化引起的場(chǎng)強(qiáng)變化越小 當(dāng)用雙極天線作高仰角輻射時(shí) 振子架設(shè)的方位對(duì)工作影響不大 甚至順著天線軸線方位仍能得到足夠強(qiáng)的信號(hào) 水平平面方向圖的特點(diǎn) 雙極天線方向圖隨架高的變化 l 4 雙極天線方向圖隨臂長(zhǎng)的變化 H 4 雙極天線方向圖隨視角的變化 l 0 75 H 0 65 雙極天線的動(dòng)態(tài)方向圖 1 天線的長(zhǎng)度只影響水平平面方向圖 而對(duì)垂直平面方向圖沒(méi)有影響 架設(shè)高度只影響垂直平面方向圖 而對(duì)水平平面方向圖沒(méi)有影響 因此控制天線的長(zhǎng)度 可控制水平平面的方向圖 控制天線架設(shè)高度 可控制垂直平面的方向圖 2 天線架設(shè)不高 H 0 3 時(shí) 在高仰角方向輻射最強(qiáng) 因此這種天線可作0 300km距離內(nèi)的偵聽(tīng) 干擾或通信 又由于高仰角的水平平面方向性不明顯 因此對(duì)天線架設(shè)方位要求不嚴(yán)格 雙極天線的輻射特點(diǎn) 3 當(dāng)遠(yuǎn)距離通信時(shí) 應(yīng)該根據(jù)通信距離選擇通信仰角 再根據(jù)通信仰角確定天線架設(shè)高度 以保證天線最大輻射方向與通信方向一致 4 為保證天線在 0 方向輻射最強(qiáng) 應(yīng)使天線一臂的電長(zhǎng)度l 0 7 一般往往通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)得出天線的輸入阻抗隨頻率的變化曲線 輸入阻抗 l 20m H 6m的雙極天線輸入阻抗 雙極天線的輸入阻抗在波段內(nèi)的變化比較激烈 欲在寬頻帶內(nèi)使用雙極天線時(shí)應(yīng)當(dāng)注意 3 方向系數(shù) 天線的方向系數(shù)可由下式求得 f m1 和Rr二者應(yīng)歸算于同一電流 對(duì)雙極天線而言 Rr R11 R12 R11是振子的自輻射電阻 R12是振子與其鏡像之間 相距2H 的互輻射阻抗 4 尺寸設(shè)計(jì) 1 臂長(zhǎng)l的選擇原則 1 從水平平面方向性考慮 為保證在工作頻率范圍內(nèi) 天線的最大輻射方向不發(fā)生變動(dòng) 應(yīng)選擇振子的臂長(zhǎng)l 0 7 min 其中 min為最短工作波長(zhǎng) 滿足此條件時(shí) 最大輻射方向始終在與振子垂直 即 0 的平面上 2 從天線及饋電的效率考慮 為保證饋電效率 通常要求 l 0 2 考慮電臺(tái)在波段工作 則應(yīng)滿足l 0 2 max0 2 max l 0 7 min 2 天線架高H的選擇選擇原則 保證在工作波段內(nèi)通信仰角方向上輻射較強(qiáng) 如果通信距離在300km以內(nèi) 可采用高射天線 通常取架設(shè)高度H 0 1 0 3 對(duì)中小功率電臺(tái) 雙極天線的架設(shè)高度在8 15m范圍內(nèi) 此時(shí)對(duì)天線的架設(shè)方位要求不嚴(yán) 如果通信距離較遠(yuǎn) 則應(yīng)當(dāng)使天線的最大輻射方向 m1與所需的射線仰角 0一致 天線架設(shè)高度H 即 綜上所述 雙極天線是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 架設(shè)維護(hù)方便的弱方向性天線 特別適用于半固定式短波電臺(tái) 主要缺點(diǎn)是工作頻帶窄 饋線上行波系數(shù)很低 特別是在低頻端尤為嚴(yán)重 因此 不宜在大功率電臺(tái)或饋線很長(zhǎng)的情況下使用 必要時(shí)為了改善饋線上的行波系數(shù) 應(yīng)在饋線上加阻抗匹配裝置 籠形天線 為了克服雙極天特性阻抗較高 輸入阻抗在工作頻段內(nèi)變化較大 饋線上的行波系數(shù)很低的缺點(diǎn) 可采用加粗振子直徑的辦法來(lái)降低天線的特性阻抗 改善輸入阻抗特性 展寬工作頻帶 5 性能改善 籠形構(gòu)造的雙錐天線 平面片形對(duì)稱振子 扇形天線 蝙蝠翼天線的演變過(guò)程及其結(jié)構(gòu)示意圖 直立天線的應(yīng)用 在長(zhǎng)波和中波波段 由于波長(zhǎng)較長(zhǎng) 天線架設(shè)高度H 受到限制 若采用水平懸掛的天線 受地的負(fù)鏡像作用 天線的輻射能力很弱 而且在此波段主要采用地面波傳播 由于地面波傳播時(shí) 水平極化波的衰減遠(yuǎn)大于垂直極化波 因此在長(zhǎng)波和中波波段主要使用垂直接地的直立天線 也稱單極天線 短波近距離通信和超短波段的極近距離移動(dòng)通信也要采用表面波的傳播方式 因而直立天線還廣泛應(yīng)用于短波和超短波段的移動(dòng)通信電臺(tái)中 2 2直立天線 直立天線示意圖 結(jié)構(gòu) 直立天線電高度小 從而產(chǎn)生下列問(wèn)題 輻射電阻小 損耗電阻比較大 天線的效率低 輸入電阻小 輸入電抗大 類似于短的開(kāi)路線 Q值很高 工作頻帶很窄 易產(chǎn)生過(guò)壓 當(dāng)輸入功率一定時(shí) 由于輸入電阻小而輸入電抗高 使天線輸入端電流很大 Pin RinI2in 2 輸入電壓Uin Iin Rin jXin jIinXin很高 天線頂端的電壓更高 易產(chǎn)生過(guò)壓現(xiàn)象 特點(diǎn) 2 2 1鞭狀天線鞭狀天線 WhipAntenna 是一種應(yīng)用相當(dāng)廣泛的水平平面全向天線 a 螺接式 b 拉伸式 鞭狀天線是一種垂直極化天線 在理想導(dǎo)電地面上 其輻射場(chǎng)垂直于地面 在實(shí)際地面上雖有波前傾斜 但仍屬垂直極化波 電性能 1 極化 鞭狀天線的鏡像分析 鞭狀天線的方向圖取自由空間對(duì)稱振子的方向圖的上半空間 在理想導(dǎo)電地上 鞭狀天線的輻射電阻是相同臂長(zhǎng)自由空間對(duì)稱振子的一半 而方向系數(shù)則是相同臂長(zhǎng)自由空間對(duì)稱振子的2倍 2 方向圖及方向系數(shù) 對(duì)稱振子方向圖 只考慮上半空間 鞭狀天線方向圖 鞭狀天線E面方向圖 鞭狀天線隨天線高度變化的立體方向圖 對(duì)稱振子天線隨天線長(zhǎng)度變化的立體方向圖 鞭狀天線立體方向圖 假想有一個(gè)等效的直立天線 其均勻分布的電流是鞭狀天線輸入端電流 它在最大輻射方向 沿地表方向 的場(chǎng)強(qiáng)與鞭狀天線的相等 則該等效天線的長(zhǎng)度就稱為鞭狀天線的有效高度he 3 有效高度 時(shí) 對(duì)理想導(dǎo)電地來(lái)說(shuō) 或在有良好的接地系統(tǒng)的情況下 鞭狀天線的輸入阻抗等于相應(yīng)對(duì)稱振子輸入阻抗的一半 4 輸入阻抗 實(shí)際地面上天線的輸入電阻包括兩部分 即Rin Rr0 Rl0 由于損耗電阻大 同時(shí)又由于受到天線高度H的限制 輻射電阻通常很小 故鞭狀天線的效率很低 一般情況下僅為百分之幾甚至不到1 5 效率 提高鞭狀天線的效率 從兩方面著手 提高輻射電阻 減小損耗電阻 加頂負(fù)載 容性加載 在鞭狀天線的頂端加小球 圓盤或輻射葉 這些均稱為頂負(fù)載 TopLoading 天線加頂負(fù)載后 加大了垂直部分頂端對(duì)地的分布電容 使天線頂端不是開(kāi)路點(diǎn) 頂端的電流不為零 電流的增大使遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)也增大了 只要頂線不是太長(zhǎng) 天線距地面的高度不是太大 則水平部分的輻射可忽略不計(jì) 因此 天線加頂負(fù)載后比無(wú)頂負(fù)載時(shí)輻射特性得到了改善 原理 計(jì)算頂負(fù)載的作用時(shí) 可將頂端的電容等效為一段延長(zhǎng)線h 設(shè)頂端電容為Ca 垂直線段的特性阻抗為Z0 則此等效長(zhǎng)度h 可計(jì)算如下 容性加載的計(jì)算公式 加頂負(fù)載天線可以看成是高度為h0 h h 的無(wú)頂負(fù)載天線 當(dāng) h h 很小時(shí) 上式可簡(jiǎn)化為 加頂負(fù)載后天線的有效高度 這樣在不增加天線實(shí)際高度的前提下 增加了天線的有效高度 從而達(dá)到提高天線輻射電阻的目的 h 2 加電感線圈 感性加載 加電感線圈改善天線電流分布 在短單極天線中部某點(diǎn)加入一定數(shù)值的感抗 就可以部分抵消該點(diǎn)以上線段在該點(diǎn)所呈現(xiàn)的容抗 從而使該點(diǎn)以下線段的電流分布趨于均勻 它對(duì)加感點(diǎn)以上線段的電流分布并無(wú)改善作用 原理 加感點(diǎn)的位置似乎距頂端愈近愈好 因?yàn)榫€圈僅對(duì)加感點(diǎn)以下線段上的電流分布起作用 但靠近頂端容抗很高 要能有效抵消容抗必須加大感抗 即加大線圈的匝數(shù) 這不僅增加了重量 也加大了損耗 由于線圈僅對(duì)加感點(diǎn)以下線段上的電流分布起作用 加感點(diǎn)的位置也不應(yīng)選得太低 加感點(diǎn)的位置一般選擇在距天線頂端 1 3 1 2 h處 h為天線的實(shí)際高度 加感點(diǎn)的選擇 降低損耗電阻 鞭狀天線的損耗包括天線導(dǎo)體的銅耗 支架的介質(zhì)損耗