chap4雙極及單極天線

1、第四章 雙極與單極天線雙極天線就是前面提到的對(duì)稱振子天線，這種天線從饋電輸入端看去有兩個(gè)臂。所謂單極天線，就是從輸入端看去只有一個(gè)臂的天線，如導(dǎo)電平板上的鞭天線，垂直接地天線等。 4.1半波天線1.近地水平半波天線近地水平半波振子天線廣泛應(yīng)用于短波通信中(=10100米)，其振子臂可由黃銅線、鋼包線和多股軟銅線水平拉直構(gòu)成，中間由高頻絕緣子連接兩臂，可由雙線傳輸線饋電，如圖所示設(shè)在地面上方的水平天線 近地水平天線的分析方法前面已經(jīng)介紹，可采用鏡像法和考慮地參數(shù)的反射系數(shù)法，這里采用鏡像法。求上圖問(wèn)題yz(E)平面和xz(H)平面內(nèi)的方向圖函數(shù)。用鏡像法求解時(shí)，可看作是等幅反相的二元陣。天線軸在

2、y方向，陣軸在z方向。 sin2sin2sincos2cos600HrIEmsin2sin2600HrIEm書上書上由以上兩個(gè)公式可畫出隨架高H變化的方向圖，如書上P62-63圖(4-1)(a)和(b)所示。討論： (1) 水平振子天線沿地面方向輻射場(chǎng)為0。這是由于水平天線與其鏡像天線的電流反相，在地面方向波程差為0，輻射場(chǎng)相互抵消，合成場(chǎng)為0。 (2) 當(dāng)H/4時(shí)，xz平面(H面)內(nèi)的方向圖在=60-90范圍內(nèi)變化不大，最大值在=90方向上，這種架設(shè)不高的水平半波天線，可用在天波通訊中。(3) 在xz平面(H面)內(nèi)方向圖僅與架高H有關(guān)，與天線長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。當(dāng)H0.3 時(shí)，最大輻射方向不止一個(gè)(波

3、瓣分裂)，H/ 愈大，波瓣越多，靠近地面的第一波瓣的仰角愈小。2 2、近地垂直半波天線 近地垂直半波振子如圖4-2所示。用鏡像法求解輻射場(chǎng)時(shí)，可看作是等幅同相的二元陣。天線軸與陣軸重合。 近地垂直半波天線sin2cos2sincos2cos600HrIEm書上顯然，近地垂直振子在xy平面內(nèi)(H面)的方向圖為一圓。在yz平面內(nèi)(E面)的方向圖由上式計(jì)算，在此平面內(nèi)的方向圖隨架高H的變化由書上P65圖4-3給出。由圖可見 (1) 近地垂直半波振子的最大輻射方向始終為沿地面方向。因它可看作是側(cè)射式二元陣，天線和其鏡像的電流等幅同相，在地面方向波程差為0，輻射場(chǎng)相互疊加，合成場(chǎng)最大。 (2) 方向圖關(guān)

4、于z軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，在地面上方向圖為一個(gè)圓。 (3) 隨著架高H的增加，相當(dāng)于共軸二元陣間距增大，E面方向圖將出現(xiàn)副瓣，H愈大，副瓣個(gè)數(shù)增加且增大。 11111ZZZ書上P65圖4-4給出了水平和垂直半波天線在不同高度時(shí)的輸入電阻。實(shí)際上，近地水平和垂直半波振子可看作是平行和共軸排列的二元陣，這兩種排列的半波振子二元陣的互阻抗隨間距的變化前面已經(jīng)計(jì)算并繪出了曲線，圖中的1121ZZ,因此,自由空間半波振子的輻射阻抗疊加上互阻抗就是近地半波振子的輸入阻抗4.近地半波天線的方向性系數(shù)與增益半波天線在自由空間的方向性系數(shù)為1.64,在地面上的方向性系數(shù),仍可用(2.4)式進(jìn)行計(jì)算,對(duì)于圖4-1(b)的情

5、況)sin2sin(2),(Hf由此可得)sin2(sin480),(12022HRRfDrr在最大輻射方向的方向性系數(shù)為rRD480可由阻抗值取實(shí)部求得天線的增益是DGa4.2對(duì)稱天線的頻帶寬度天線的電氣參量大多數(shù)都是頻率的函數(shù)。當(dāng)工作頻率偏離中心頻率(設(shè)計(jì)頻率)時(shí)，可能使方向圖發(fā)生畸變，增益下降，饋電傳輸線上駐波系數(shù)增大等。因此，工程上往往要規(guī)定一個(gè)頻率范圍。在此頻率范圍內(nèi)，天線電特性變化不影響工作，這個(gè)頻率范圍就是工作頻帶寬度。頻帶寬度。 當(dāng)饋源的頻率偏離設(shè)計(jì)的中心頻率時(shí),天線的輸入阻抗將隨之改變,如果在中心頻率天線的長(zhǎng)度已調(diào)整到諧振長(zhǎng)度（考慮了縮短效應(yīng)）,即輸入阻抗的電抗部分為零,則當(dāng)

6、饋源的頻率偏離中心頻率時(shí),天線的輸入阻抗將出現(xiàn)電抗分量.輸入阻抗改變,天線的匹配受到破壞,天線輸入電流也隨之減小.頻帶寬度可以用饋線駐波比不超過(guò)某一定限額,也可用天線電流減小到諧振時(shí)電流的0.707倍范圍作為頻帶寬度的界限.已知諧振電流是AAARUfI)(0加在天線輸入端的電壓諧振時(shí)天線的輸入電阻在頻帶寬度的上,下邊頻,電流應(yīng)為2201)(707. 0)(AAAAAXRUfIfI將諧振電流值代入上式,并假定 01fRfRAA可得AAXR 在頻帶寬度的邊頻上天線的輸入電阻等于輸入電抗lctgZXA1002sinrinRZjZ ctg ll4 . 0,sin/220llZRr一般對(duì)于11122fc

7、式中由此可以解出AARZtglcZRctglcf0101122由于在諧振時(shí),000lctgZ2200lfcllcf40于是頻帶寬度為)21 (222010100ARZtgfffff由此式可見，對(duì)稱振子的頻帶寬度與它的平均特性阻抗Z0有關(guān)，如果RA不變，那么Z0愈小，帶寬就愈寬。對(duì)于半波天線 300,1000,1 .730ZRA當(dāng)時(shí)的頻帶寬度分別為%920ff%3020ff由Z0的表示式可見，要減小Z0的有效途徑是增大振子的截面半徑。在中、短波波段，廣泛采用架設(shè)在地面上一定高度的水平對(duì)稱振子天線，增大半徑，則重量增加，成本也增加。于是出現(xiàn)了一種籠形結(jié)構(gòu)的對(duì)稱振子，又稱籠形天線，見書上P67圖4-

8、5。此時(shí)其等效半徑為 12ln120e0lZnrne4.3折合振子折合振子是兩個(gè)平行的靠得較近的半波振子在末端連接起來(lái)所構(gòu)成，如下圖所示。它可看作是由一個(gè)長(zhǎng)為/2的短路雙線傳輸線在a、b兩點(diǎn)處左右拉開形成。因此，在折合振子的兩端a、b兩點(diǎn)處為電流波節(jié)點(diǎn)，中間為波腹點(diǎn)，并且折合振子兩線上的電流等幅同相。 圖4-4 折合振子示意圖 另一方面，因s很小，折合振子的兩根線可等效為一根線，其上電流振幅是2I，有輻射功率 WIIRIPrr2223001 .734(2半波天線） 300(2IPRrr折合陣子）同樣可得： 若是三折合振子，見書上P68圖4-7，同理可得：119RRr2 2、等效電路法 折合振子

9、的基本工作特點(diǎn)如同一個(gè)不平衡傳輸線，可把線上電流分解成兩種模式：一是傳輸線模式；一是天線模式。如下圖所示。 導(dǎo)線上的電流輸入端電流折合振子的等效電路 2/tan0ljZZTTTTZUZUI22DDAZUZUI22同樣長(zhǎng)度普通單根對(duì)稱振子的輸入阻抗代入/2ATII 2ATinIIUZ總的輸入阻抗為DTDTinZZZZZ24對(duì)于半波折合振子,L=/2,得ZTDinZZ4采用折合振子，可實(shí)現(xiàn)與特性阻抗為300歐的雙線傳輸線的良好匹配，而且還可獲得較寬的頻帶特性，因?yàn)檎酆险褡酉喈?dāng)于截面半徑加粗了的振子。 4.4雙錐天線雙錐天線是一種寬頻帶天線。它是由導(dǎo)體圓錐對(duì)頂構(gòu)成的雙極天線，如圖所示。圓錐體長(zhǎng)度為l

10、，上下錐對(duì)稱，錐頂半角為0。 雙錐天線示意圖sin1H雙錐天線引導(dǎo)球面波,sin140reHHrjsin141sin41100rjrjerHerHrjEHreHrjsin140電場(chǎng)和磁場(chǎng)的表達(dá)式表示向r方向傳播的行波，由于關(guān)于r方向?yàn)門EM波，則可將雙錐天線看成TEM傳輸線，其特性阻抗為)(004.5不對(duì)稱激勵(lì)天線由于單極天線的輸入阻抗為雙極天線的輸入阻抗的一半,因此不對(duì)稱激勵(lì)的雙極天線,它的輸入阻抗可用它的兩臂各構(gòu)成對(duì)稱振子所求得的輸入阻抗取平均值得到.因此合理選擇l1和l2,使Z(l1)和Z(l2)隨頻率向相反方向變化,就可得到很寬的阻抗頻帶特性.不對(duì)稱激勵(lì)振子天線改變H的輸入阻抗 不對(duì)稱

11、激勵(lì)振子天線改變H的方向圖和電流分布 4.6單極天線 當(dāng)雙極天線的一個(gè)臂變成一個(gè)導(dǎo)電平面時(shí)，就形成單極天線，對(duì)于無(wú)限大導(dǎo)電平面，可采用鏡像法來(lái)分析。 單極天線有許多形式，如普通單極天線、折合單極天線、錐形單極天線和袖式單極天線等，見P76圖4-18。這里主要介紹普通單極天線。 1 1、垂直接地天線 對(duì)于中長(zhǎng)波天線，由于波長(zhǎng)太長(zhǎng)，天線又不能架設(shè)太高，若水平懸掛，則因離地面太近，與地面負(fù)像的作用猶如雙線傳輸線，使輻射困難。因此中長(zhǎng)波天線大都采用垂直接地這種形式。垂直接地天線的電流分布,方向圖,輸入阻抗等特性在前面已經(jīng)討論過(guò). 垂直接地天線如圖所示。長(zhǎng)為l的垂直接地天線與其鏡像構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)為2l的對(duì)稱

12、振子。垂直接地天線假設(shè)天線與像構(gòu)成的對(duì)稱天線的實(shí)效高度為eh2它產(chǎn)生在最大輻射方向(在這里是沿地面方向)的電場(chǎng)強(qiáng)度與原來(lái)接地天線產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度相等,此電場(chǎng)強(qiáng)度為rhIrhIEee00120260天線輸入端電流它的輻射功率為2202280erhIP202320ehI地面以上的輻射功率為2021602erhIPP1030PrE 300KWPrkm上式是在假想元天線情況下得到的結(jié)果,對(duì)于點(diǎn)源天線,由于元天線的方向性系數(shù)為1.5,所以點(diǎn)源天線所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為KWkmPrEE2455 . 10mV/mmV/m對(duì)于其它天線,假設(shè)它以點(diǎn)源天線為參考標(biāo)準(zhǔn)的方向性系數(shù)為D,DPrDEEKWkm2450mV/m

13、這是用天線輻射功率與方向性系數(shù)計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度的公式.書中的數(shù)學(xué)分析不做要求l4.7線天線的饋電裝置 線天線的饋線一般采用平行雙線或同軸線。 1 1、雙線傳輸線饋電 雙線傳輸線向?qū)ΨQ振子饋電的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在要求不高的情況下，雙線傳輸線可直接連接在對(duì)稱振子天線的兩個(gè)臂上，連接方法見書上圖4-36(c)(d)。但應(yīng)注意四點(diǎn).(1)應(yīng)使雙線對(duì)地平衡,雙線之間的距離應(yīng)保持不變;(2)雙線接到天線時(shí)應(yīng)盡可能相互構(gòu)成直角,以避免雙線不平衡和盡量減小天線與饋線之間的耦合;(3)雙線的間距不能太大,否則將會(huì)引起輻射,但也不能太小,以避免高壓擊穿;(4)饋線與天線應(yīng)匹配.在要求較高的天線饋電中，雙線傳輸線與對(duì)稱振子連

14、接要加匹配裝置，如圖4-36(c)的/4波長(zhǎng)阻抗變換器，圖4-36(d)的短路枝節(jié)匹配器。采用匹配手段的原因有兩個(gè): (1) 天線輸入阻抗的計(jì)算值與實(shí)際值有一定差距，如饋電點(diǎn)縫隙的不同； (2) 雙線傳輸線饋電的末端效應(yīng)，見書上圖4-39。2 2、同軸傳輸線饋電 當(dāng)頻率較高時(shí)，如在短波與超短波波段，由于輻射損耗等原因，就不適宜采用雙線傳輸線作饋線，而應(yīng)采用同軸線饋電。 對(duì)于對(duì)稱振子來(lái)說(shuō)，用雙線傳輸線饋電，使得對(duì)稱振子兩個(gè)臂上的電流是對(duì)稱分布的，即是平衡的，可直接接上，最多考慮一下匹配問(wèn)題。但是，用同軸電纜直接給對(duì)稱振子饋電(同軸線內(nèi)外導(dǎo)體分別接上對(duì)稱振子的兩個(gè)臂)，則將使振子兩個(gè)臂的電流分布不

15、對(duì)稱，即為不平衡，如下圖所示。 電流分布不平衡的結(jié)果將使天線的方向圖發(fā)生畸變，并影響其輸入阻抗。這種情況是我們不希望的，應(yīng)當(dāng)設(shè)法避免。方法是采用同軸線向?qū)ΨQ振子饋電時(shí)，應(yīng)采取平衡轉(zhuǎn)換措施。 首先討論一下同軸線直接向?qū)ΨQ振子饋電將使天線上電流分布不對(duì)稱的問(wèn)題。見上圖，假如饋電能達(dá)到平衡，則同軸線內(nèi)外導(dǎo)體上電流應(yīng)等幅反相I2=-I1.，然而，當(dāng)接上對(duì)稱振子后，有部分電流I3將從外導(dǎo)體外側(cè)流回，致使天線兩臂上對(duì)稱點(diǎn)的電流不等?；亓鞯碾娏鱅3的大小主要由外導(dǎo)體與地之間的等效阻抗Zg決定，見圖4-10(b)等效電路。如果采用一種裝置能使Zg很大，則可大大減少I3，從而使饋電達(dá)到平衡。這種用來(lái)阻塞和抑制同軸線外導(dǎo)體外表面電流的裝置叫平衡變換器，或稱作對(duì)稱變換器。為了使對(duì)稱振子兩個(gè)臂上的電流分布對(duì)稱(即平衡)，用同軸線與對(duì)稱振子連接時(shí)應(yīng)采用平衡變換器。這里介紹幾種常用的平衡變換器。 (1)套筒式平衡變換器 是在硬同軸線外做一個(gè)長(zhǎng)為/4的金屬套筒，如圖所示。套筒的一端短路，形成/4短路傳輸線，見等效電路。由2-3端口看去的輸入阻抗為Zg=，于是I30，阻止了同軸線外導(dǎo)體內(nèi)壁的電流外溢，起到了平衡饋電的作用。 (2)(2)短路式平衡變換器 取一段與饋電同軸線外導(dǎo)體直徑相同，長(zhǎng)度為/4的金屬棒，一端接在饋電同軸線外導(dǎo)體上形成短路，一端與饋電同軸線內(nèi)導(dǎo)體連接并與振子