第3章行波天線

1、第第3 3章章 行波天線行波天線 第第3 3章章 行波天線行波天線 3.1 3.1 行波單導線及菱形天線行波單導線及菱形天線 3.2 3.2 螺旋天線螺旋天線 行波天線與駐波天線的差別及優(yōu)缺點：行波天線與駐波天線的差別及優(yōu)缺點： 駐波天線工作在駐波狀態(tài)，工作頻帶較窄，效率高于行波天線；駐波天線工作在駐波狀態(tài)，工作頻帶較窄，效率高于行波天線； 行波天線工作在行波狀態(tài)，工作頻帶較寬，但效率低于駐波天線。行波天線工作在行波狀態(tài)，工作頻帶較寬，但效率低于駐波天線。 第第3 3章章 行波天線行波天線 第一節(jié)第一節(jié) 行波單導線及菱形天線行波單導線及菱形天線 一、一、 行波單導線行波單導線 行波單導線：天線

2、上電流按行波分布的單導線天線。行波單導線：天線上電流按行波分布的單導線天線。 天線沿線各點電流振幅相等，相位連續(xù)滯后，其饋電點天線沿線各點電流振幅相等，相位連續(xù)滯后，其饋電點 置于坐標原點。置于坐標原點。 z o R r kz cos l dz 輸入端電流為輸入端電流為 I0，忽略沿線電流的衰減，則線上電流分布為：忽略沿線電流的衰減，則線上電流分布為： 0 ( ) jkz I zI e 第第3 3章章 行波天線行波天線 分析方法分析方法：把天線分割成許多個電基本振子，取所有電基：把天線分割成許多個電基本振子，取所有電基 本振子輻射場的總和，故本振子輻射場的總和，故: : (cos ) 0 0

3、(1 cos ) 0 2 60 sin 60sin sin1cos 1cos2 l jkzjk r z kl j jkr I Ejeedz r Ikl jee r 方向函數(shù)為方向函數(shù)為: : sin(1cos ) 2 ( )sin (1cos ) 2 kl F kl 第第3 3章章 行波天線行波天線 (a)(b)(c) m0 z 52.5 z 0 40.5 z 0 29 mm 行波單導線的方向性特點：行波單導線的方向性特點： （1 1）沿導線軸線方向沒有輻射。）沿導線軸線方向沒有輻射。 （2 2）導線長度愈長，最大輻射方向愈靠近軸線方向，同時主）導線長度愈長，最大輻射方向愈靠近軸線方向，同時主

4、 瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣數(shù)增多。瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣數(shù)增多。 （3 3）當）當 l/ 很大時，主瓣方向隨很大時，主瓣方向隨 l/ 變化趨緩，即天線的方向變化趨緩，即天線的方向 性具有寬頻帶特性。性具有寬頻帶特性。 (a)l=; (b)l=1.5; (c)l=3 第第3 3章章 行波天線行波天線 0123456 240 0 200 160 120 80 40 Rr / l / 0 2 4 0.05011.5 0 200 400 l / 輻射電阻Rr 方向系數(shù)D 對稱振子對稱振子 行波單導線天線行波單導線天線 輻射阻抗輻射阻抗 第第3 3章章 行波天線行波天線 sin(1cos )1 2 m k

5、l sin ( )sin(1cos ) 2 (1cos ) 2 kl F kl l m 2 1arccos 變化快變化快 行波單導線的方向系數(shù)的近似計算公式：行波單導線的方向系數(shù)的近似計算公式： 10lg5.9710lg(lg0.915) ll DdB 最大輻射角最大輻射角 第第3 3章章 行波天線行波天線 二、二、 菱形天線菱形天線 1 1、 菱形天線的結構和工作原理菱形天線的結構和工作原理 增加行波單導線天線的增益的方法：增加行波單導線天線的增益的方法：排陣排陣 用用4 4根行波單導線構成菱形天線。根行波單導線構成菱形天線。 接特性 阻抗 接饋線 20 l H 兩線之間的距離變兩線之間的距

6、離變 化，故菱形線上各化，故菱形線上各 點的特性阻抗不等，點的特性阻抗不等， 從銳角端的從銳角端的600 700變化到鈍角變化到鈍角 處的處的1000。引起。引起 天線上局部的反射，天線上局部的反射， 從而破壞行波狀態(tài)。從而破壞行波狀態(tài)。 為了使特性阻抗變?yōu)榱耸固匦宰杩棺?化較小，菱形的各化較小，菱形的各 邊通常用邊通常用23根導根導 線并在鈍角處分開線并在鈍角處分開 一定距離，使天線一定距離，使天線 導線的等效直徑增導線的等效直徑增 加，加， 第第3 3章章 行波天線行波天線 菱形天線的輻射場：四根導線在空間的菱形天線的輻射場：四根導線在空間的合成場合成場。 通過適當選擇通過適當選擇 菱形銳

7、角菱形銳角20、邊長邊長 l 來獲得最強的方向性，來獲得最強的方向性， 并使最大輻射方向指向負載方向。并使最大輻射方向指向負載方向。 即菱形四根導線各有一最大輻射方向指向長對角線方向。即菱形四根導線各有一最大輻射方向指向長對角線方向。 l m 2 1arccos 0 1 2 3 4 負載 20 m 第第3 3章章 行波天線行波天線 在長對角線方向，在長對角線方向，1 1、2 2兩根行波導線合成電場矢量的總相位差應兩根行波導線合成電場矢量的總相位差應 該由下列三部分組成：該由下列三部分組成： riE 菱形天線的工作原理菱形天線的工作原理 I1 I2 E 2 E 1 0 I1 I4 I1 E4 E

8、1 (a)(b) 射線行程差引射線行程差引 起的相位差起的相位差 電流相位不同電流相位不同 引起的相位差引起的相位差 電場的極化方向所電場的極化方向所 引起的相位差引起的相位差 0 0 cos(1)0 2 m klklklkl l 即長對角線方向上導線即長對角線方向上導線1 1、2 2的合成場同相疊加。的合成場同相疊加。 1 2 3 4 負載 20 m 0 ( ) jkz I zI e 第第3 3章章 行波天線行波天線 導線導線1 1和和4 4： 在長對角線方向上射線行程差引起的相位差在長對角線方向上射線行程差引起的相位差r=0， 電流相位差電流相位差 i=， 電場極化相位差電場極化相位差 E

9、=， 總相位差總相位差 =2。 I 1 I 2 E 2 E 1 0 I 1 I 4 I 1 E 4 E 1 (a )(b ) 1 2 3 4 負載 20 m 四條邊上的天線在長對角四條邊上的天線在長對角 線上相位都是同相的。線上相位都是同相的。 第第3 3章章 行波天線行波天線 2 2、 菱形天線方向函數(shù)菱形天線方向函數(shù) 過長軸的垂直平面的方向函數(shù)為過長軸的垂直平面的方向函數(shù)為: : 2 0 0 0 8cos ( )sin (1sincos )sin(sin ) 1sincos2 kl fkH 0 為菱形的半鈍角；為菱形的半鈍角；為仰角為仰角；H為天線的架設高度。為天線的架設高度。 當當=0時

10、（時（0為最大輻射方向仰角）。為最大輻射方向仰角）。 水平平面的方向函數(shù)為：水平平面的方向函數(shù)為： 00 0000 0000 cos()cos() 1 sin()cos1sin()cos ( ) sin1sin()cossin1sin()cos 22 f klkl 第第3 3章章 行波天線行波天線 菱形天線每邊的電長度愈長，波瓣愈窄，仰角變小，副瓣增多。菱形天線每邊的電長度愈長，波瓣愈窄，仰角變小，副瓣增多。 菱形天線的方向圖菱形天線的方向圖 (a)(a)水平平面方向圖；水平平面方向圖；(b)(b)過長軸的垂直平面方向圖過長軸的垂直平面方向圖 (a) (b) 第第3 3章章 行波天線行波天線

11、3 3、 菱形天線的尺寸選擇及其變形天線菱形天線的尺寸選擇及其變形天線 當通信仰角當通信仰角0 確定以后，選擇主瓣仰角等于通信仰角。確定以后，選擇主瓣仰角等于通信仰角。 使使 f(0) 最大，分別取各個因子分別最大：最大，分別取各個因子分別最大： 0 4sin H 2 0 0 0 8cos ( )sin (1sincos )sin(sin ) 1sincos2 kl fkH 使第三個因子最大，則使第三個因子最大，則 sin(kHsin0)=1，即選擇天線架高：，即選擇天線架高： 第第3 3章章 行波天線行波天線 使第二個因子為最大，則使第二個因子為最大，則: : sinkl(1-sin0cos

12、0)/2=1，即天線每邊長度：即天線每邊長度： 00 2(1sincos) l 使第一個因子為最大，則使第一個因子為最大，則： 0 000 8cos ()0 1sincos d d 由此得到半鈍角由此得到半鈍角 0 和仰角和仰角 0 應滿足如下關系：應滿足如下關系： 00 90 在通信方向的仰角在通信方向的仰角 0 和工作波長和工作波長確定以后，確定以后， 便可直接算出便可直接算出 H、l 和和 0。 第第3 3章章 行波天線行波天線 菱形天線的主要優(yōu)點是：菱形天線的主要優(yōu)點是： （1 1）結構簡單，造價低，維護方便；）結構簡單，造價低，維護方便； （2 2）方向性強，增益系數(shù)可達）方向性強，

13、增益系數(shù)可達100100左右；左右； （3 3）頻帶寬，工作帶寬可達（）頻帶寬，工作帶寬可達（2 23 3）11； （4 4）可應用于較大的功率，因為天線上駐波成分很小，因此）可應用于較大的功率，因為天線上駐波成分很小，因此 不會發(fā)生電壓或電流過大的問題。不會發(fā)生電壓或電流過大的問題。 菱形天線的主要缺點是：菱形天線的主要缺點是： （1 1）結構龐大，場地大，只適用于大型固定電臺作遠距離通）結構龐大，場地大，只適用于大型固定電臺作遠距離通 信使用；信使用； （2 2）副瓣多，副瓣電平較高；）副瓣多，副瓣電平較高； （3 3）效率低，由于終端有負載電阻吸收能量。）效率低，由于終端有負載電阻吸收能

14、量。 第第3 3章章 行波天線行波天線 為了改善菱形天線的特性參數(shù)，常采用雙菱天線為了改善菱形天線的特性參數(shù)，常采用雙菱天線 菱形對角線之間的距離菱形對角線之間的距離 d0.8，其方向函數(shù)表達式為其方向函數(shù)表達式為: 21 ( , )( , ) cos(cossin ) 2 kd ff 雙菱天線雙菱天線 d 接 終 端 負 載 單菱形天線的單菱形天線的 方向函數(shù)方向函數(shù) 雙菱天線的旁瓣電平比雙菱天線的旁瓣電平比 單菱形天線低，增益系單菱形天線低，增益系 數(shù)約為單菱形天線的數(shù)約為單菱形天線的 1.51.52 2倍。倍。 第第3 3章章 行波天線行波天線 為了提高菱形天線的效率，可采用回授式菱形天

15、線結構。為了提高菱形天線的效率，可采用回授式菱形天線結構。 回授式菱形天線沒有終端吸收電阻，它是將終端剩余能量送回輸回授式菱形天線沒有終端吸收電阻，它是將終端剩余能量送回輸 入端，再激勵天線入端，再激勵天線“2”2”。如果回授至輸入端的電流相位與輸。如果回授至輸入端的電流相位與輸 入端的饋源電流相位相同，那么剩余的能量也就能輻射出去，入端的饋源電流相位相同，那么剩余的能量也就能輻射出去， 從而提高了天線的效率。從而提高了天線的效率。 回授式菱形天線回授式菱形天線 主菱形 回授菱形 回授線 終端吸收鐵線 回授線長度調(diào)節(jié)器 1 2 第第3 3章章 行波天線行波天線 三、三、行波行波V V形天線形天

16、線（TravelingWave Vee Antenna） V 形斜天線形斜天線，僅有一根支桿和兩根載有行波電流的導線組成，架僅有一根支桿和兩根載有行波電流的導線組成，架 設很簡單，適用于移動的臺站中。設很簡單，適用于移動的臺站中。 饋線 Rl Rl 第第3 3章章 行波天線行波天線 提高天線的有效高度之一提高天線的有效高度之一分布分布 式加載，其典型天線之一即為螺旋鞭天式加載，其典型天線之一即為螺旋鞭天 線線 （Helical Whip Antenna）。）。 螺旋鞭天線螺旋鞭天線 D 第二節(jié)第二節(jié) 螺旋天線螺旋天線 第第3 3章章 行波天線行波天線 螺旋天線的輻射特性取決于螺旋線直徑螺旋天線

17、的輻射特性取決于螺旋線直徑D與波長的比值與波長的比值 D/， 此類天線具有三種輻射狀態(tài)。此類天線具有三種輻射狀態(tài)。 螺旋天線的三種輻射狀態(tài)螺旋天線的三種輻射狀態(tài) (a) 邊射型邊射型 (b) 端射型端射型 (c)圓錐型圓錐型 (a)(b)(c) 第第3 3章章 行波天線行波天線 螺旋柱直徑螺旋柱直徑 D=(0.250.46) 的端射型螺旋天線，的端射型螺旋天線， 又稱為軸向模螺旋天線，簡稱為螺旋天線，又稱為軸向模螺旋天線，簡稱為螺旋天線， 主要特點：主要特點： （1）沿軸線方向有最大輻射；）沿軸線方向有最大輻射； （2）輻射場是圓極化波；）輻射場是圓極化波； （3）天線導線上的電流按行波分布；

18、）天線導線上的電流按行波分布； （4）輸入阻抗近似為純電阻；）輸入阻抗近似為純電阻； (5）具有寬頻帶特性。）具有寬頻帶特性。 螺旋天線是一種最常用的典型的圓極化天線螺旋天線是一種最常用的典型的圓極化天線(Circular Polarized Antenna)。 第第3 3章章 行波天線行波天線 一、一、 圓極化波的應用圓極化波的應用 使用一副圓極化天線可以接收任意取向的線極化波。使用一副圓極化天線可以接收任意取向的線極化波。 1 1、通信的一方或雙方處于方向、位置不定的狀態(tài)，為了提高通、通信的一方或雙方處于方向、位置不定的狀態(tài)，為了提高通 信的可靠性，收發(fā)天線之一應采用圓極化天線。信的可靠性

19、，收發(fā)天線之一應采用圓極化天線。 2 2、在人造衛(wèi)星和彈道導彈的空間遙測系統(tǒng)中，信號穿過電離層、在人造衛(wèi)星和彈道導彈的空間遙測系統(tǒng)中，信號穿過電離層 傳播后，產(chǎn)生極化畸變，這也要求地面上安裝圓極化天線作傳播后，產(chǎn)生極化畸變，這也要求地面上安裝圓極化天線作 發(fā)射或接收天線。發(fā)射或接收天線。 3 3、為了干擾和偵察對方的通信或雷達目標，需要應用圓極化天、為了干擾和偵察對方的通信或雷達目標，需要應用圓極化天 線。線。 4 4、在電視中為了克服雜亂反射所產(chǎn)生的重影，也可采用圓極化、在電視中為了克服雜亂反射所產(chǎn)生的重影，也可采用圓極化 天線，因為它只能接收旋向相同的直射波，抑制了反射波傳天線，因為它只能

20、接收旋向相同的直射波，抑制了反射波傳 來的重影信號。來的重影信號。 第第3 3章章 行波天線行波天線 圓極化波的重要性質(zhì)圓極化波的重要性質(zhì)： （1 1）圓極化波是一等幅旋轉(zhuǎn)場，它可分解為兩正交等幅、）圓極化波是一等幅旋轉(zhuǎn)場，它可分解為兩正交等幅、 相位相差相位相差9090的線極化波；的線極化波； （2 2）輻射左旋圓極化波的天線，只能接收左旋圓極化波，）輻射左旋圓極化波的天線，只能接收左旋圓極化波， 對右旋圓極化波也有相對應的結論；對右旋圓極化波也有相對應的結論； （3 3）當圓極化波入射到一個平面上或球面上時，其反射波）當圓極化波入射到一個平面上或球面上時，其反射波 旋向相反，即右旋波變?yōu)樽?/p>

21、旋波，左旋波變?yōu)橛倚āＰ蛳喾?，即右旋波變?yōu)樽笮ǎ笮ㄗ優(yōu)橛倚ā?第第3 3章章 行波天線行波天線 二、二、 螺旋天線的工作原理螺旋天線的工作原理 2 a 同 軸 線 輸 入金 屬 接 地 板 h l0 s D s D l0 (a)(b) 2a 同 軸 線 輸 入金 屬 接 地 板 h l0 s D s D l0 (a)(b) D螺旋的直徑；螺旋的直徑； a螺旋線導線的半徑；螺旋線導線的半徑； s螺距，即每圈之間的距離；螺距，即每圈之間的距離； 螺距角，螺距角， l0一圈的長度，一圈的長度， N圈數(shù)；圈數(shù)； h軸向長度，軸向長度，h=Ns arctan s D 22 0 ()/sinl

22、Dss 一圈展開圖形一圈展開圖形 第第3 3章章 行波天線行波天線 xAxB xCxD II II l0 B A C D B A C D x l0 B A C D B A CD x y y (a )(b ) 將圓環(huán)展成將圓環(huán)展成 直線時線上直線時線上 的電流分布的電流分布 t1時刻時刻 l0 B A C D B A C D x l0 B A C D B A CD x y y (a )(b ) yAyB yCyD II II t1 +T/4 時刻時刻 經(jīng)過一個周期經(jīng)過一個周期T T的時間間的時間間 隔，電場矢量將旋轉(zhuǎn)隔，電場矢量將旋轉(zhuǎn) 360360。 由于線上電流振幅值是由于線上電流振幅值是 不變的，故軸向輻射的不變的，故軸向輻射的 場值也不會變。場值也不會變。 所以，周長為一個波長所以，周長為一個波長 的載行波圓環(huán)沿軸線方的載行波圓環(huán)沿軸線方 向輻射的是圓極化波。向輻射的是圓極化波。 駐波駐波 螺旋天線工作在圓螺旋天線工作在圓 極化狀態(tài)的原因：極化狀態(tài)的原因： 行波行波 t t1 1 時刻軸向輻射場時刻軸向輻射場 只有只有E Ey