第2章簡單線天線

1、第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 2.1 2.1 水平對稱天線水平對稱天線 2.2 2.2 直立天線直立天線 2.3 2.3 環(huán)形天線環(huán)形天線 2.4 2.4 引向天線與背射天線引向天線與背射天線 第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 第一節(jié)第一節(jié) 水平對稱天線水平對稱天線 水平天線的優(yōu)點水平天線的優(yōu)點: :（1 1）架設和饋電方便；）架設和饋電方便；（2 2）地面電導率對水平天線方向性的影響較垂直天線的小；）地面電導率對水平天線方向性的影響較垂直天線的小；（3 3）可減小干擾對接收的影響。）可減小干擾對接收的影響。主要應用于短波通信。主要應用于短波通

2、信。一、雙極天線一、雙極天線二、籠形天線二、籠形天線三、電視發(fā)射天線三、電視發(fā)射天線第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 一、一、 雙極天線雙極天線（水平對稱振子）（水平對稱振子）2 3 m雙 饋 線饋 線 絕 緣 子絕 緣 子llH單根硬拉黃銅線或銅包鋼單根硬拉黃銅線或銅包鋼線做成，也可用多股軟銅線做成，也可用多股軟銅線，導線的直徑根據(jù)所需線，導線的直徑根據(jù)所需的機械強度和功率容量決的機械強度和功率容量決定，一般為定，一般為3 36mm6mm為了降低絕緣子介質為了降低絕緣子介質損耗，絕緣子宜采用損耗，絕緣子宜采用高頻瓷材料高頻瓷材料第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 1 1、雙極天線的方向

3、性、雙極天線的方向性（天波傳播方式）（天波傳播方式）sincoscosPOOAOPPOOPOAyAxOHPPz22sin1cossin由自由空間對稱振子方向函數(shù)和負鏡由自由空間對稱振子方向函數(shù)和負鏡像陣因子按方向圖乘積定理得：像陣因子按方向圖乘積定理得：22cos(cossin )cos( , )2sin(sin )1cossinklklfkH第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 1 1）垂直平面方向圖（）垂直平面方向圖（xozxoz平面）平面）yAxOHPPz=0 fxOz(,=0)=|1-coskl| |2sin(kHsin)|(1)(1)垂直平面方向圖只與垂直平面方向圖只與H H/ /有

4、關，而有關，而與與l/l/無關。無關。(2)(2)無論無論H H/ /為何值，沿地面方向（即為何值，沿地面方向（即=0=0方向）均無輻射。方向）均無輻射。 (3) (3) 第一波瓣的最大輻射仰角第一波瓣的最大輻射仰角m1m1。 sin(sin(kHkHsinsinm1m1)=1)=11arcsin4mH04sinH當雙極天線用作天波通信時，工作距離當雙極天線用作天波通信時，工作距離 愈遠愈遠，通信仰角，通信仰角0 0 愈低，則要求天線愈低，則要求天線 架設高度越高架設高度越高。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 2 2）水平平面方向圖（）水平平面方向圖（輻射仰角輻射仰角一定）一定） 122(

5、 )2 sin(sin)cos(cossin )cos( , )1cossinfkHklklf Oyx(a)Oyx(b)yxO(c)xyOxyOxOy(a)(b)(c)l/=0.25l/=0. 5通信角度分別為通信角度分別為20度、度、40度、度、60度不同長度天線的水平方向圖度不同長度天線的水平方向圖雙極天線水平平面方向雙極天線水平平面方向圖與架高圖與架高H/無關。無關。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 2 2、雙極天線的輸入阻抗、雙極天線的輸入阻抗345678910XinRin2000100001000200030004000f / MHzRin, Xin / 分析：用鏡像法，根據(jù)天線

6、陣的阻抗分析方法分析：用鏡像法，根據(jù)天線陣的阻抗分析方法阻抗變化劇烈，帶寬較窄。阻抗變化劇烈，帶寬較窄。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 3 3、方向系數(shù)、方向系數(shù) 雙極天線的雙極天線的 Dl/ 關系曲線關系曲線024681012D0.100.20.30.40.50.60.70.80.9l / 第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 4 4、雙極天線的尺寸選擇、雙極天線的尺寸選擇 1）臂長臂長 l 的選擇原則的選擇原則 （1）從水平平面方向性考慮從水平平面方向性考慮。l0.7min，最大輻射方向始終在與振子垂直最大輻射方向始終在與振子垂直（即即=0）的平的平面上。面上。 （2） 從天線及饋電

7、的效率考慮從天線及饋電的效率考慮。 l0.2max0.2maxl0.7min第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 2） 天線架高天線架高H的選擇的選擇保證在工作波段內通信仰角方向上輻射較強。保證在工作波段內通信仰角方向上輻射較強。如果通信距離較遠時天線的最大輻射方向如果通信距離較遠時天線的最大輻射方向m1與所需的射與所需的射線仰角線仰角0一致：一致：04sinH1arcsin4mH第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 二、籠形天線二、籠形天線雙極天線加粗振子直徑的辦法來降低天線的特性阻抗雙極天線加粗振子直徑的辦法來降低天線的特性阻抗2120(ln1)clZa導線直徑為導線直徑為1.75m1.7

8、5m絕緣子金屬環(huán)截面 A-A2bAA3 mll1ll22b饋線l134 ml21 m2a有效地增加天線的等效有效地增加天線的等效直徑，又能減輕天線重直徑，又能減輕天線重量，減少風的阻力?？闪浚瑴p少風的阻力。可以展寬使用的波段。以展寬使用的波段。減小在饋電點附近的端減小在饋電點附近的端電容，保證良好匹配電容，保證良好匹配減小天線的末端效減小天線的末端效應，便于架設應，便于架設第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 53127466571234(b)(a)電 臺絕 緣 子饋 線ll分支籠形天線分支籠形天線雙錐天線雙錐天線扇形天線扇形天線平面片形對平面片形對稱振子稱振子第第2 2章章 簡單線天線簡單線

9、天線 三、電視發(fā)射天線三、電視發(fā)射天線1.1.電視發(fā)射天線的特點和要求電視發(fā)射天線的特點和要求1 1）電視所用的頻率：甚高頻（）電視所用的頻率：甚高頻（VHFVHF，48.548.5223MHz223MHz）；）； 特高頻（特高頻（UHFUHF，470470958MHz958MHz）。）。 在在結構結構、防雷防雷、防冰凌防冰凌等方面滿足一定的要求。等方面滿足一定的要求。2 2）要求天線）要求天線在水平平面內應具有全向性在水平平面內應具有全向性。在垂直平面內要在垂直平面內要有較強的方向性有較強的方向性，以便能量集中于水平方向而不向上空輻，以便能量集中于水平方向而不向上空輻射。射。3 3） 為減小

10、天線受垂直放置的支持物和饋線的影響，減小為減小天線受垂直放置的支持物和饋線的影響，減小工業(yè)干擾，應采用工業(yè)干擾，應采用水平極化波水平極化波。4 4）要求天線要）要求天線要有足夠帶寬有足夠帶寬，并要滿足對駐波比的要求，以，并要滿足對駐波比的要求，以保證天線與饋線處于良好的匹配狀態(tài)。保證天線與饋線處于良好的匹配狀態(tài)。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 2.2.旋轉場天線旋轉場天線基本振子1基本振子2饋給兩個振子的電流大小相等，相位饋給兩個振子的電流大小相等，相位相差相差9090，在振子組成的平面內的任，在振子組成的平面內的任意點上，兩個振子產生的場強分別為意點上，兩個振子產生的場強分別為 E1=

11、Asincost E2=Acossint E=E1+E2=Asin(t+)在某一瞬間，在振子所在平面內的方向圖為一在某一瞬間，在振子所在平面內的方向圖為一個個“8”字形字形，而在任一點處，而在任一點處，E E又是隨時間而變又是隨時間而變化的，變化周期為化的，變化周期為。在任何瞬間，天線在該平面內的方向圖為在任何瞬間，天線在該平面內的方向圖為“8”字字形，但這個形，但這個“8”字形的方向圖隨著時間的增加，字形的方向圖隨著時間的增加，圍繞與兩振子相垂直的中心軸以角頻率圍繞與兩振子相垂直的中心軸以角頻率旋旋轉轉旋轉場天線旋轉場天線。(a )(b )第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 3 3. .蝙

12、蝠翼天線（蝙蝠翼天線（Batty Wing Antenna） (a)(b)(c)(d)EEEE滿足寬頻帶滿足寬頻帶的要求的要求減輕天減輕天線重量線重量減少風阻減少風阻防雷擊防雷擊加入接地鋼管加入接地鋼管第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 EDCBABCDEEDCBABCDE中間的振子較短，兩端的振中間的振子較短，兩端的振子較長，子較長，改善其阻抗特性改善其阻抗特性多層旋轉場蝙蝠翼天線多層旋轉場蝙蝠翼天線90在水平平面內在水平平面內近似全向天線近似全向天線蝙蝠翼天線的優(yōu)點：蝙蝠翼天線的優(yōu)點：1 1、頻帶很寬；、頻帶很寬；2 2、不用絕緣子，可很牢固地固定、不用絕緣子，可很牢固地固定在支柱上；在

13、支柱上；3 3、功率容量大。、功率容量大。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 第二節(jié)第二節(jié) 直立天線直立天線 在長波和中波波段，受地的負在長波和中波波段，受地的負鏡像作用，天線的輻射能力很弱鏡像作用，天線的輻射能力很弱, ,而且在此波段主要采用地面波傳而且在此波段主要采用地面波傳播。由于地面波傳播時，水平極播。由于地面波傳播時，水平極化波的衰減遠大于垂直極化波，化波的衰減遠大于垂直極化波，因此在長波和中波波段主要使用因此在長波和中波波段主要使用垂直接地的直立天線。垂直接地的直立天線。h第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 一一 鞭狀天線鞭狀天線水平平面的全向天線、適合移動中的無線電臺使用水平

14、平面的全向天線、適合移動中的無線電臺使用 (a)(b)1 1、鞭狀天線電性能、鞭狀天線電性能1 1）垂直極化天線，在理想導電地面上，）垂直極化天線，在理想導電地面上，其輻射場垂直于地面，在實際地面其輻射場垂直于地面，在實際地面上有波前傾斜。上有波前傾斜。2 2）方向圖及方向系數(shù)：鏡像分析）方向圖及方向系數(shù)：鏡像分析當天線很短當天線很短H H/ /0.10.1時，方向系數(shù)近時，方向系數(shù)近似等于似等于3 3。3 3）有效高度：）有效高度：hehzO當當H H/ /0.10.1時，時， 2ehh 第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 4 4）、輸入阻抗）、輸入阻抗 Rin=Rr0+Rl0與與地面導電

15、性有關。地面導電性有關。 5 5）、效率）、效率由于損耗電阻大，效率很低。由于損耗電阻大，效率很低。提高鞭狀天線效率的方法：提高鞭狀天線效率的方法：一是提高輻射電阻，另一是減小損耗電阻。一是提高輻射電阻，另一是減小損耗電阻。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 2 2、加頂負載、加頂負載 小球圓盤輻射葉hhhhCa(a)(b)加頂負載等效加頂負載等效為一段長線段為一段長線段天線電流分天線電流分布得到改善布得到改善第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 二、二、 螺旋鞭天線螺旋鞭天線 D(a)(b)(c)輻射特性輻射特性取決于螺取決于螺旋線直徑旋線直徑D與波長與波長的比值的比值D/邊射型邊射型 端

16、射型端射型 圓錐型圓錐型第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 小環(huán)的輻射場只有小環(huán)的輻射場只有E分量分量：22230sinIDEr60sinIlEjrxOylz電基本振子電基本振子的輻射場只有電基本振子的輻射場只有E分量：分量：兩個相互垂直的分量均具有兩個相互垂直的分量均具有 sinsin 的方向圖，并且相位差的方向圖，并且相位差為為9090，合成電場是橢圓極化波。，合成電場是橢圓極化波。橢圓極化波的長軸與短軸之比稱為軸比，用橢圓極化波的長軸與短軸之比稱為軸比，用AR AR 表示：表示：22()ElARDE第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 第三節(jié)第三節(jié) 環(huán)形天線環(huán)形天線 環(huán)形天線按尺寸大小

17、可分為環(huán)形天線按尺寸大小可分為小環(huán)天線小環(huán)天線與與大環(huán)天線大環(huán)天線。若圓環(huán)的半徑若圓環(huán)的半徑b b 很小，其周長很小，其周長C C=2=2bb0.20.2，則稱為小環(huán)天線。，則稱為小環(huán)天線。小環(huán)天線上沿線電流的振幅和相位變化不大，近似均勻分布。小環(huán)天線上沿線電流的振幅和相位變化不大，近似均勻分布。當環(huán)的周長可以和波長相比擬時，稱為大環(huán)天線。必須考慮導當環(huán)的周長可以和波長相比擬時，稱為大環(huán)天線。必須考慮導線上電流的振幅和相位的變化，可近似地將電流看成駐波分線上電流的振幅和相位的變化，可近似地將電流看成駐波分布，這種天線的電特性和對稱振子的電特性有明顯的相似之布，這種天線的電特性和對稱振子的電特性

18、有明顯的相似之處，均屬諧振型天線。處，均屬諧振型天線。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 一、一、 小環(huán)天線小環(huán)天線zyx2a2bOPrR2224420()320rSRk SlrrARRRlSbRRa0/(2 )SRD=1.5第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 為提高天線輻射電阻，采用多匝小環(huán)天線。為提高天線輻射電阻，采用多匝小環(huán)天線。在背負或車載電臺、船舶中的高頻電臺、地震遙測系統(tǒng)在背負或車載電臺、船舶中的高頻電臺、地震遙測系統(tǒng)中都有使用，適用的頻率范圍為中都有使用，適用的頻率范圍為2 2300M300MH Hz z。N N匝小環(huán)天線的輻射電阻為單匝值的匝小環(huán)天線的輻射電阻為單匝值的 N

19、 2 倍，即：倍，即：222242420()320rNSRNk SN %3 .81%8 .428AA單匝環(huán)的輻單匝環(huán)的輻射效率射效率8匝環(huán)的輻射匝環(huán)的輻射效率效率第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 二、二、 電流非均勻分布的大環(huán)天線電流非均勻分布的大環(huán)天線 1.大圓環(huán)天線大圓環(huán)天線 環(huán)天線幾何特征參量：環(huán)天線幾何特征參量：=2ln(2b/a) 其中其中a為導線半徑，為導線半徑，b為環(huán)的半徑。為環(huán)的半徑。8642003060901201501800.40.30.2kb0.1電流振幅 / mA / ()0306090120150180 / ()0.20.10.31.581.561.541.52k

20、b0.4電流相位 / rad0306090120150180 / ()0306090120150180 / ()(a)(b )0102030405060700.52.02.52.02.50.51.52.01.0kb1.0電流振幅 / mAkb1.02.52.01.51.00.51.52.50.52.0202468電流相位 / rad環(huán)參數(shù)遠大于環(huán)參數(shù)遠大于kb=0.2（半徑遠大于（半徑遠大于0.030.04）時就不能認為是小環(huán)了時就不能認為是小環(huán)了第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 方向函數(shù)為：方向函數(shù)為： yOz平面平面: f()=cosJ0(sin)+J2(sin) xOz平面平面: f

21、()=J0(sin)-J2(sin)一個波長的圓環(huán)天線方向圖一個波長的圓環(huán)天線方向圖(a)yOz平面；平面；(b)xOz平面平面0.80.40yzzx2702402101801501209060300300330(a)2702402101801501209060300300330(b)與兩平行排列、與兩平行排列、間距為間距為0.27的的半波振子陣相半波振子陣相似。似。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 2. 雙環(huán)天線雙環(huán)天線 雙環(huán)天線結構雙環(huán)天線結構饋電點 / (0.30.5) / 雙環(huán)天線陣雙環(huán)天線陣(a)2L形；形；(b)4L形；形；(c)6L形形(a)(b)(c)第第2 2章章 簡單線

22、天線簡單線天線 優(yōu)點：優(yōu)點：（1）饋電簡單，饋電點少。多環(huán)天線可以只有兩個饋電）饋電簡單，饋電點少。多環(huán)天線可以只有兩個饋電點，因而饋線系統(tǒng)簡單。點，因而饋線系統(tǒng)簡單。（2）阻抗具有寬頻帶特性。）阻抗具有寬頻帶特性。（3）增益高，可通過反射板來增加增益。）增益高，可通過反射板來增加增益。（4）可利用多面組合得到任意的水平平面方向圖。）可利用多面組合得到任意的水平平面方向圖。雙環(huán)天線在電視發(fā)射臺中獲得廣泛的應用。雙環(huán)天線在電視發(fā)射臺中獲得廣泛的應用。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 三、加載圓環(huán)天線三、加載圓環(huán)天線在小環(huán)天線的中點串入適當數(shù)值的電阻，在小環(huán)天線的中點串入適當數(shù)值的電阻，則可以

23、使得沿線電流近似行波分布，則可以使得沿線電流近似行波分布，這種天線稱為這種天線稱為加載圓環(huán)天線加載圓環(huán)天線。優(yōu)點：優(yōu)點：具有良好的寬頻帶特性，且為單向輻射。具有良好的寬頻帶特性，且為單向輻射。結構簡單，造價低，特別適用作結構簡單，造價低，特別適用作VHF全全頻道室內電視接收天線。頻道室內電視接收天線。缺點缺點：效率較低效率較低，只適宜在強信號區(qū)使，只適宜在強信號區(qū)使用。用。zbyxORL方向性2a第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 一、引向天線一、引向天線二、背射天線二、背射天線第四節(jié)第四節(jié) 引向天線與背射天線引向天線與背射天線 第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 一、引向天線一、引向天線

24、 “八木八木宇田宇田”天線，是一個緊耦合的端射陣。天線，是一個緊耦合的端射陣。由一個（或兩個）有源振子及若干個無源振子構成。有源振子由一個（或兩個）有源振子及若干個無源振子構成。有源振子近主要作用是提供輻射能量。近主要作用是提供輻射能量。無源振子起引向或反射作用的大小與它們的尺寸及離開有源振無源振子起引向或反射作用的大小與它們的尺寸及離開有源振子的距離有關。子的距離有關。 金 屬 桿引 向 器反 射 器有 源 振 子有幾個振子就有幾個振子就稱為幾單元或稱為幾單元或幾元引向天幾元引向天線線八元引八元引向天線。向天線。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 特點：特點：1、每個無源振子都近似等于半波

25、長，中點為電壓波節(jié)點；、每個無源振子都近似等于半波長，中點為電壓波節(jié)點；2、各振子與天線軸線垂直，它們可以同時固定在一根金屬桿上，、各振子與天線軸線垂直，它們可以同時固定在一根金屬桿上，金屬桿對天線性能影響較小；金屬桿對天線性能影響較小；3、不必采用復雜的饋電網(wǎng)絡，因而該類天線具有體積不大、結、不必采用復雜的饋電網(wǎng)絡，因而該類天線具有體積不大、結構簡單、牢固、便于轉動、饋電方便等優(yōu)點。構簡單、牢固、便于轉動、饋電方便等優(yōu)點。4、其增益可以做到十幾個分貝，具有較高增益。、其增益可以做到十幾個分貝，具有較高增益。5、缺點是調整和匹配較困難，工作帶寬較窄。、缺點是調整和匹配較困難，工作帶寬較窄。第第

26、2 2章章 簡單線天線簡單線天線 1 1、引向天線的工作原理、引向天線的工作原理 1）引向器（）引向器（Director）與反射器（）與反射器（Reflector） 引向天線原理引向天線原理( (a) )振子振子“2”2”為反射器；為反射器；( (b) )振子振子“2”2”為引向為引向器器I1“1”“2”E 0 / 4E EmaxI2 I1e j90(a)I1“1”“2”E 0 / 4E EmaxI2 I1e j90(b)在一對振子中，振子在一對振子中，振子“2”2”起引向器或反射器作用的關起引向器或反射器作用的關鍵不在于兩振子的電流幅度關系，而主要在于兩振子的鍵不在于兩振子的電流幅度關系，而

27、主要在于兩振子的間距以及電流間的相位關系。間距以及電流間的相位關系。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 若振子若振子“2”2”所在方向的所在方向的M M點輻射場較強，則點輻射場較強，則“2”2”為為引向器引向器；反之，則為反之，則為反射器反射器。d“1”“2”NM在在d d/ /0.40.4的前提下，振子的前提下，振子“2”2”作為引向器或反射器的電流作為引向器或反射器的電流相位條件是：相位條件是：反射器反射器：0180 引向器引向器：-1800 第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 2 2）二元引向天線）二元引向天線（Two Element Yagi-Uda Antenna）采用采用無源振

28、子無源振子作為引向器或反射器。在引向天線中無源振子的引作為引向器或反射器。在引向天線中無源振子的引向或反射作用都是相對于有源振子而言的。向或反射作用都是相對于有源振子而言的。2l1d2l2Oz“1”“2”在有源振子電磁場的作用下，在有源振子電磁場的作用下，無源振子將被感應出電流無源振子將被感應出電流I2。I2由它自身的尺寸以及與有源振由它自身的尺寸以及與有源振子的相對關系所決定。子的相對關系所決定。振子振子“2”的電流由天線陣的阻抗特性決定：的電流由天線陣的阻抗特性決定：221122jIZmeIZ 只要適當改變間距只要適當改變間距 d（可以改變互阻抗）或適當改變無源振子（可以改變互阻抗）或適當

29、改變無源振子的長度的長度2 2l2 2（可以改變自阻抗），都可以調整（可以改變自阻抗），都可以調整 I2 2 的振幅和相位，的振幅和相位，使無源振子使無源振子“2”2”起引向器或反射器的作用。起引向器或反射器的作用。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 “1” “2”“1” “2”“1” “2”“1” “2”“1” “2”“1” “2”1801809090270270d / 0.25d / 0.1d / 0.5zzd / 0.25d / 0.1d / 0.5(a)(b)二元引向天線方向圖特點：二元引向天線方向圖特點：1 1）當有源振子）當有源振子2l1/一定時，一定時，只要只要2l2/及及d/

30、選擇的合適，無選擇的合適，無源振子就可以成為引向器或反源振子就可以成為引向器或反射器。射器。（2 2）當振子長度一定時，）當振子長度一定時，d/值不同，無源振子所起的引向值不同，無源振子所起的引向或反射作用不同。或反射作用不同。（3 3）為了形成較強的方向性，）為了形成較強的方向性，引向天線振子間距引向天線振子間距d/不宜過不宜過大，一般大，一般d/0.4。l1l2第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 3 3）多元引向天線）多元引向天線“r”“0”“1”“2”“3”“4”2lr2l02l12l22l32l4drd1d2d3d4(a)0.590112015018021024027030033006030(b)z0.5901120150180210240270300330060300.010.00500.0050.010.020.0100.010.020.0100.010.020.030.040.05(c)(d)采用一個反射器，若干個引向器。采用一個反射器，若干個引向器。第第2 2章章 簡單線天線簡單線天線 典型引向天線的增益與總元數(shù)的關系典型引向天線的增益與總元數(shù)的關系 123456789 10 1112345678910111213元數(shù) N增益 / dB實際應用的引向天線引向實際應用的引向天線引向器的數(shù)目