第7章 天線

1、第第7 7章章 天線天線 第第7章章 天線天線 71 引言引言 72 元電輻射體元電輻射體73 對(duì)稱振子天線對(duì)稱振子天線74 天線特性參量天線特性參量75 天線陣方向性分析示例天線陣方向性分析示例76 行波直導(dǎo)線天線行波直導(dǎo)線天線77 陣方向性分析方法應(yīng)用示例陣方向性分析方法應(yīng)用示例78 面狀天線面狀天線 79 一些常用的天線設(shè)備一些常用的天線設(shè)備 710 電波傳播電波傳播 第第7 7章章 天線天線 71 引言引言 無(wú)線電廣播,通信,遙測(cè),遙控以及導(dǎo)航等無(wú)線電系統(tǒng)都是利用無(wú)線電波來(lái)傳遞信號(hào)的.而無(wú)線電波的發(fā)射和接收都通過天線來(lái)完成.因此天線設(shè)備是無(wú)線電系統(tǒng)中重要的組成部分.圖711和圖712指

2、出了天線設(shè)備在兩種典型的無(wú)線電系統(tǒng)中的地位,其中圖711為無(wú)線電通信系統(tǒng)的基本方框圖. 第第7 7章章 天線天線 由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻振蕩能量,經(jīng)過發(fā)射天線變?yōu)殡姶挪芰?并向預(yù)定方向輻射,通過媒質(zhì)傳播到達(dá)接收天線附近.接收天線將接收到的電磁波能量變?yōu)楦哳l振蕩能量送入接收機(jī),完成無(wú)線電波傳輸?shù)娜^程. 第第7 7章章 天線天線 圖 711 第第7 7章章 天線天線 圖 712 第第7 7章章 天線天線 圖712為無(wú)線電定位系統(tǒng)的基本方框圖.發(fā)射天線和接收天線常合用一副天線.利用天線開關(guān)的轉(zhuǎn)換作用,分別接入發(fā)射機(jī)和接收機(jī).當(dāng)天線與發(fā)射機(jī)接通時(shí),此天線作發(fā)射天線用當(dāng)天線與接收機(jī)接通時(shí),此天線作接收天

3、線用. 第第7 7章章 天線天線 可見天線設(shè)備是將高頻振蕩能量和電磁波能量作可逆轉(zhuǎn)換的設(shè)備,是一種“換能器”。天線設(shè)備在完成能量轉(zhuǎn)換的過程中,帶有方向性,即對(duì)空間不同方向的輻射或接收效果并不一致,有空間方向響應(yīng)的問題其次天線設(shè)備作為一個(gè)單口元件,在輸入端面上常體現(xiàn)為一個(gè)阻抗元件或等值阻抗元件。與相連接的饋線或電路有阻抗匹配的問題。天線的輻射場(chǎng)分布或接收來(lái)波場(chǎng)效應(yīng),以及與接收機(jī),發(fā)射機(jī)最佳的貫通,就是天線工程所最關(guān)心的問題。本章側(cè)重討論天線的輻射場(chǎng)空間分布問題。 第第7 7章章 天線天線 72 元電輻射體元電輻射體 所謂元電輻射體是指一段載有高頻電流的短導(dǎo)線,導(dǎo)線全長(zhǎng)l,導(dǎo)線直徑dl,線上的電流

4、振幅是相等的,線上各點(diǎn)的電流相位亦認(rèn)為是同相的。 元電輻射體是線狀天線的基本單元,因此討論元電輻射體具有重要的實(shí)際意義。對(duì)元電輻射體的分析,我們采用球坐標(biāo)系。將元電輻射體的中心放在坐標(biāo)系原點(diǎn),如圖721所示。 第第7 7章章 天線天線 設(shè)元電輻射體上電流分布為Iejt,則利用矢量位A不難求得空間P點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。P點(diǎn)的球坐標(biāo)是(r,),這里僅寫出結(jié)果: 0223202301sin ()42cos()411sin ()40rjkrjkrrjkrHHIlkHjerrIlkkEjerrIlkkEjjerrrE (721) 第第7 7章章 天線天線 圖 721 第第7 7章章 天線天線 由上式可見,元電輻射

5、體的電場(chǎng)有r和方向兩個(gè)分量,而磁場(chǎng)只有方向分量。而且電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量相互垂直。在Er,E和H分量中都含有r-1,r-2和r-3三項(xiàng)或其中二項(xiàng)。 現(xiàn)根據(jù)觀察點(diǎn)P離元電輻射體的遠(yuǎn)近可分為三個(gè)區(qū)域:近區(qū)(kr1),遠(yuǎn)區(qū)(kr1,即/r1,因此式(721)中 r-1項(xiàng)起主要作用,而r-2和r-3項(xiàng)均很小,可以忽略不計(jì)。故遠(yuǎn)區(qū)的電磁場(chǎng)可近似表示為 2000sinsin4200sinsin42rejkrjkrrjkrjkrEEIlkIlEjejerEHHEIlkIlHjejerr第第7 7章章 天線天線 由此可見遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)具有下列特點(diǎn): (1)遠(yuǎn)區(qū)空間內(nèi)任意一點(diǎn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間方向上相互垂直,在時(shí)間相位上同

6、相。 (2)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)縱向分量ErE,而磁場(chǎng)分量只有橫向分量H,故遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)近似為TEM波。 (3)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的相位隨r的增加不斷滯后,其等相位面為r等于常數(shù)的球面。 (4)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的幅度E與H之比0為自由空間的波阻抗。 (5)輻射功率與輻射電阻。 第第7 7章章 天線天線 天線通過輻射場(chǎng)向外部空間輻射電磁波,其輻射功率即為通過包圍此天線的閉合曲面的功率流的總和,即rsSPS ds(723) 對(duì)于元電輻射體 202000(sin )12()222rsrIlaErSEHa(724) ar為r方向單位矢量,將式(724)代入式(723)得到 2222220000(sin )sin40()22rIlr

7、lPd dIr (725) 第第7 7章章 天線天線 由上式可見輻射功率與天線的結(jié)構(gòu),電尺寸以及激勵(lì)電流有關(guān)。為了說明輻射體本身的特性,我們引入另一個(gè)參量輻射電阻Rr,定義為 22rrPRI(726) 式中的I是波源電流的幅值,將式(725)代入上式,得 2280()rlR(727) 第第7 7章章 天線天線 (6) 方向性圖。由式(722)可以看出,元電輻射體的輻射場(chǎng)強(qiáng)值在等r距離的球面空間各個(gè)方向上是不相同的,它的方向性r函數(shù)為 F(,)=sin (728) 第第7 7章章 天線天線 圖 722 第第7 7章章 天線天線 方向性函數(shù)的坐標(biāo)圖形稱為方向性圖,它形象描寫輻射體向空間不同方向上的

8、輻射能力。由于方向性函數(shù)是坐標(biāo)和的函數(shù),因此三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的方向性圖為立體圖。圖722(a),(b)和(c)分別表示元電輻射體在=0平面(E面),=90平面(H面)內(nèi)極坐標(biāo)的方向圖和立體方向性圖。 第第7 7章章 天線天線 73 對(duì)稱振子天線對(duì)稱振子天線 對(duì)稱振子的結(jié)構(gòu)如圖731所示,它由兩段同樣粗細(xì)和相等長(zhǎng)度的直導(dǎo)線構(gòu)成,在中間兩個(gè)端點(diǎn)之間進(jìn)行饋電,且以中間饋電點(diǎn)為中心而左右對(duì)稱的。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,所以被廣泛用于無(wú)線電通信,雷達(dá)等各種無(wú)線電設(shè)備中,也可作為電視接收機(jī)最簡(jiǎn)單的天線設(shè)備。它既可作為最簡(jiǎn)單的天線使用,也可作為復(fù)雜天線陣的單元或面天線的饋源。 第第7 7章章 天線天線 圖 731 第

9、第7 7章章 天線天線 一, 對(duì)稱振子的輻射場(chǎng) 工程上計(jì)算對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)的近似方法是:把對(duì)稱振子看成是終端開路的傳輸線兩臂向外張開的結(jié)果,并假設(shè)其上的電流分布仍和張開前一樣,然后將振子分成許多小段,每一小段上的電流在某個(gè)瞬間可認(rèn)為各處相同,即把每個(gè)小段看作一個(gè)元電輻射體,于是空間任一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是許多元電輻射體在該點(diǎn)產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)的疊加。 對(duì)稱振子上的電流分布可表示為 ( )sin ()2sin()mmI zIk lzIlz(731) 第第7 7章章 天線天線 式中I(z)為天線上z位置的電流, Im為波腹點(diǎn)的天線電流, k=2/為電流波在天線上的相位常數(shù),是振子上電流波的波長(zhǎng)，l為對(duì)稱振子一臂的長(zhǎng)度

10、。 在對(duì)稱振子天線上以中心位置為對(duì)稱的z位置處,一對(duì)元電輻射體dz1與dz2的輻射場(chǎng)分別為 1120111110222( )sin2sin ()sin2sin ()sin2jkrjkrmjkrmI zdEjedzrIk lzjedzrIk lzdEjedzr(732) (733) 第第7 7章章 天線天線 圖 732 第第7 7章章 天線天線 式中為由對(duì)稱振子軸線方向轉(zhuǎn)向觀察點(diǎn)的方位角r1和r2分別為dz1和dz2元電輻射體到觀察點(diǎn)的距離。由于觀察點(diǎn)P(r,)在遠(yuǎn)區(qū),可認(rèn)為r1線,r2線和r線相互平行,因此認(rèn)為dE1和dE2的方向近乎相同,且距離r1及r2和r有如下關(guān)系: 12coscosrr

11、zrrz于是這對(duì)元電輻射體在遠(yuǎn)區(qū)的合成場(chǎng)強(qiáng)為 dE=dE1+dE2 第第7 7章章 天線天線 若取dz1=dz2=dz,則 coscos0sin ()sin2sin ()sin 2cos(cos )2jk zjk zjkrmjkrmIk lzdEjeeedzrIk lzjk zedzr 對(duì)稱振子天線的輻射場(chǎng)為許多元電輻射體對(duì)的輻射場(chǎng)的疊加,即 (734) 1100000sinsin ()coscos 60cos(cos )cossinjkrmjkrmIEdEjek lzk zdzrIklkljerEH(735) (736) 第第7 7章章 天線天線 圖733(a),(b),(c)和(d)分別表

12、示l/=0.25, 0.5, 0.75和1的對(duì)稱振子在E平面的方向性圖,它們?cè)贖平面內(nèi)的方向性圖為圓,而且對(duì)稱振子的兩臂相互對(duì)稱,因此其方向性圖亦對(duì)稱于垂直于天線軸的對(duì)稱面。 第第7 7章章 天線天線 圖 733 第第7 7章章 天線天線 二, 對(duì)稱振子的輻射電阻和輸入阻抗 (一)對(duì)稱振子的輻射電阻Rr 對(duì)比元電輻射體可以引出對(duì)稱振子的阻抗概念。問題是以天線上哪一點(diǎn)的電流為參考。在工程上,一般把二倍的天線輻射功率對(duì)電流波腹處的電流強(qiáng)度振幅值平方(Im2)之比值,稱為輻射電阻Rr。 對(duì)稱振子天線的輻射電阻可仿照元電輻射體求輻射電阻的方法求得,即 22201220022sin2rmmPERrd d

13、II (737) 第第7 7章章 天線天線 將式(735)代入式(737)并積分計(jì)算,求得輻射電阻,具體過程從略。圖734給出了對(duì)稱振子輻射電阻Rr和l/的關(guān)系曲線。 圖 734 第第7 7章章 天線天線 (二) 對(duì)稱振子的輸入阻抗 計(jì)算線狀天線的輸入阻抗的方法,工程上常采用“等效傳輸線”法。線狀的對(duì)稱振子天線的結(jié)構(gòu)可以看成是終端開路的均勻雙線傳輸線張開的結(jié)果。由于傳輸線的張開,使其特性相應(yīng)發(fā)生變化,一方面沿線的特性阻抗值不均勻,另一方面由于輻射增加使傳輸線損耗增加,因此在應(yīng)用傳輸線理論來(lái)計(jì)算天線的輸入阻抗時(shí),必須對(duì)傳輸參量加以修正,使它成為比較接近天線實(shí)際情況的等效傳輸線,再應(yīng)用傳輸線計(jì)算輸

14、入阻抗的公式計(jì)算對(duì)稱振子的輸入阻抗。具體方法不作介紹,這里僅給出結(jié)果。 第第7 7章章 天線天線 圖735給出了對(duì)稱振子的輸入阻抗Zin與l/的關(guān)系曲線。其中圖(a)為輸入電阻Rinl/關(guān)系曲線圖(b)為輸入電抗Xinl/關(guān)系曲線。由圖可以得到如下結(jié)論: (1)對(duì)稱振子的輸入阻抗是振子特性阻抗Z0的函數(shù),天線導(dǎo)線的直徑愈粗,特性阻抗Z0愈低,則天線的輸入阻抗愈小,且輸入阻抗隨l/的變化愈緩慢。 因此容易實(shí)現(xiàn)寬頻帶阻抗匹配,實(shí)際上常采用降低天線特性阻抗的辦法來(lái)加寬天線的工作頻帶。 第第7 7章章 天線天線 (2) 對(duì)稱振子天線的特性阻抗Z0愈低,則天線的諧振長(zhǎng)度愈短。所謂對(duì)稱振子的諧振長(zhǎng)度是指輸

15、入阻抗為純電阻的天線長(zhǎng)度。因?yàn)轲侂娫O(shè)備的特性阻抗是個(gè)純電阻,故要求對(duì)稱振子的輸入阻抗也為純電阻,然后應(yīng)用阻抗變換器使兩者匹配。 第第7 7章章 天線天線 圖 735 第第7 7章章 天線天線 74 天線特性參量天線特性參量 一,天線效率 天線是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量的“換能器”。輸入天線的功率并非全部能以電磁波形式輻射出去,有一部分能量在轉(zhuǎn)換過程會(huì)產(chǎn)生損耗。所謂天線效率是指輻射功率Pr與天線輸入功率Pin之比值,記為A,即 rAinrLPPPPP(741) 第第7 7章章 天線天線 式中PL為損耗功率。 如果引入輻射電阻Rr和損耗電阻RL,則式(741)可寫為 11rALrLrRRRR

16、R(742) 第第7 7章章 天線天線 二,方向性函數(shù)和歸一化方向性函數(shù) 對(duì)于線狀天線,方向性函數(shù)為 ( , )( , )60EFIr (743) 式中分母部分是線狀導(dǎo)線天線隨距離及天線體上某參考點(diǎn)電流強(qiáng)度變化的基本形式,它與方向性無(wú)關(guān)。用方向性函數(shù)來(lái)描繪方向性圖,討論方向性時(shí),可以判定不同尺度的天線具有不同的輻射能力,但不容易看出隨方向變化時(shí),方向性圖的尖銳程度,常常引出歸一化方向性函數(shù),即將最大輻射方向場(chǎng)強(qiáng)規(guī)定為“1”,來(lái)比較其它方向場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)值的方法,數(shù)學(xué)表示式為 第第7 7章章 天線天線 式中max,max代表最大輻射方向的坐標(biāo)角。 圖741為某些類型的方向性圖形。立體的方向性圖形是比較

17、復(fù)雜的,常取通過主向的剖面方向性圖形來(lái)討論天線方向性特性,如圖742所示,并引用下述波瓣參量。 maxmax( , )( , )(,)EfE (744) 第第7 7章章 天線天線 圖741 (a)元輻射方向性圖 (b)鉛筆形方向性圖 (c)扇形方向性圖 (d)余割平方方向性圖 第第7 7章章 天線天線 主向角max最大輻射的方向角 主瓣寬度20。5主向兩側(cè)平均功率流密度為主向一半,或輻射場(chǎng)強(qiáng)為主向0。707倍的方向所決定的夾角。 主瓣張角20主向兩側(cè)主瓣零輻射方向間的夾角。 旁瓣電平Ls主向輻射場(chǎng)強(qiáng)與旁瓣中最大輻射場(chǎng)強(qiáng)之比,通常用分貝數(shù)表示。 maxmaxmax()20lg()20lg()se

18、efLff (745) 第第7 7章章 天線天線 圖 742 第第7 7章章 天線天線 三,方向性系數(shù)和增益 雷達(dá),通信等大部分天線設(shè)備,都是利用主向(或主平面)的輻射來(lái)完成任務(wù)的。遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離主向的輻射功率不僅被無(wú)謂浪費(fèi),而且還會(huì)干擾電波信號(hào)。因此,盡可能減少非主向的輻射和增加主向輻射。常采用方向性系數(shù)這個(gè)參量來(lái)說明天線在主向輻射功率的集中程度。所謂方向性系數(shù)D是指天線在主向的平均功率流密度Psmax和天線輻射出去的功率被均勻分配到空間各個(gè)方向上的平均功率流密度Ps的比值,即 第第7 7章章 天線天線 式中Pr為天線的輻射功率, r為觀察點(diǎn)離天線的距離。 天線工程上還常常關(guān)心輸入到天線的有功功率

19、Pin被利用的程度。為此引出增益系數(shù)的概念,所謂增益系數(shù)G,就是天線在主向的平均功率流密度Psmax和天線輸入的有功功率被直接均勻分配到空間各個(gè)方向時(shí)的平均功率流密度Ps的比值,即 maxmax24sssrPDPPrDPr(746) (747) 第第7 7章章 天線天線 此值表明相對(duì)于空間各方向均勻分配的情況,主向的平均功率流密度得益了多少倍。 maxmax24sssinPGPPrGPr(748) (749) rinAAPPGD(7410) (7411) 第第7 7章章 天線天線 方向性系數(shù)和增益常用分貝數(shù)表示,即 ()10lg()10lgD dBDG dBG(7412) (7413) 第第7

20、 7章章 天線天線 四、接收天線特性參量四、接收天線特性參量,有效長(zhǎng)度有效長(zhǎng)度 天線的重要特性天線的重要特性,即天線的方向性，即天線的方向性，在天線作接收時(shí)在天線作接收時(shí)與發(fā)射時(shí)與發(fā)射時(shí),都是一樣的都是一樣的,接收天線在來(lái)波的作用下接收天線在來(lái)波的作用下,在天線在天線輸入端紐上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸入端紐上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),接收天線的方向性函數(shù)也接收天線的方向性函數(shù)也就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小隨來(lái)波的方向而變化的空間方向就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小隨來(lái)波的方向而變化的空間方向響應(yīng)。響應(yīng)。可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，這一方向響應(yīng)和天線作為發(fā)射時(shí)可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，這一方向響應(yīng)和天線作為發(fā)射時(shí)的空間方向響應(yīng)是一致的。為了討論接收天線感

21、應(yīng)電動(dòng)的空間方向響應(yīng)是一致的。為了討論接收天線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小常引用有效長(zhǎng)度的概念勢(shì)的大小常引用有效長(zhǎng)度的概念,對(duì)于線狀天線發(fā)射狀態(tài)對(duì)于線狀天線發(fā)射狀態(tài)工作工作時(shí)時(shí),有效長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為有效長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 maxmax0(,60eELIr(7414) 第第7 7章章 天線天線 式中式中E(max,max)表示在發(fā)射天線主向上表示在發(fā)射天線主向上r距離處距離處r電場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度度, I0為天線輸入端電流。為天線輸入端電流。 式式(7414)所定義的有效長(zhǎng)度的物理意義所定義的有效長(zhǎng)度的物理意義,可由可由對(duì)照元電輻射體主向的電對(duì)照元電輻射體主向的電場(chǎng)強(qiáng)度看出。實(shí)際上是以天場(chǎng)強(qiáng)度看出。實(shí)際上是以天

22、線輸入端電流不變?yōu)槠鹗家?guī)定線輸入端電流不變?yōu)槠鹗家?guī)定,把原來(lái)不均勻的電流分把原來(lái)不均勻的電流分布布,轉(zhuǎn)化為均勻的電流分布。用改變天線長(zhǎng)度的辦法轉(zhuǎn)化為均勻的電流分布。用改變天線長(zhǎng)度的辦法,來(lái)來(lái)補(bǔ)償電流分布的變化補(bǔ)償電流分布的變化,使天線在主向的電場(chǎng)強(qiáng)度值和元使天線在主向的電場(chǎng)強(qiáng)度值和元電輻射體公式算出的電場(chǎng)強(qiáng)度值相一致電輻射體公式算出的電場(chǎng)強(qiáng)度值相一致(見見圖圖743)。 第第7 7章章 天線天線 圖 743 第第7 7章章 天線天線 電流分布規(guī)律改為均勻分布規(guī)律后,把天線用作為接收天線時(shí),天線輸入端上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e0值,應(yīng)為從主向到達(dá)的來(lái)波電場(chǎng)強(qiáng)度和天線有效長(zhǎng)度的乘積,因此接收天線的有效長(zhǎng)度為

23、 0maxmax(,)eeLE(7415) 這樣可使天線用作發(fā)射時(shí)與用作接收時(shí)的有效長(zhǎng)度是一致的。當(dāng)來(lái)波不是從主向傳來(lái)時(shí),接收天線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)還要考慮接收天線方向性,可得 0maxmax( , )(,) ( , )eeL Ef (7416) 第第7 7章章 天線天線 f (,)為接收天線的歸一化方向性函數(shù),與天線作為發(fā)射狀態(tài)時(shí)的f(,)是一致的。 對(duì)于面狀天線將在后面仿效引出有效面積的概念,差別僅在于比對(duì)的天線將不再是元電輻射體而轉(zhuǎn)為元口徑輻射體。 第第7 7章章 天線天線 五,方向性系數(shù)的計(jì)算公式 方向性系數(shù)D常轉(zhuǎn)化成下述形式,進(jìn)行具體的計(jì)算。 maxmaxmaxmax22maxmax222

24、maxmax2002200(,)(,)4(,) / (,) ( , )sin44( , )sinssrsPPDPPrEEfrd drDfd d (7417) (7418) 第第7 7章章 天線天線 當(dāng)歸一化方向性函數(shù)不隨方位角而變化時(shí),則有 202( )sinDfd (7419) 由上式可知,方向性圖愈尖銳,則方向性系數(shù)值愈大。對(duì)于線狀天線,方向性系數(shù)公式還可寫為 2maxmax120(,)rFDR(7420) 第第7 7章章 天線天線 75 天線陣方向性分析示例天線陣方向性分析示例 一, 二元振子天線陣 設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱振子1和2,其排列如圖751(a)或(b)所示,構(gòu)成一個(gè)輻射系統(tǒng)。在遠(yuǎn)區(qū)的輻

25、射場(chǎng)應(yīng)為 E=E1+E2 (751) 式中E1為第1號(hào)振子在遠(yuǎn)區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度 E2為第2號(hào)振子在遠(yuǎn)區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度 E為在遠(yuǎn)區(qū)合成電場(chǎng)強(qiáng)度。 第第7 7章章 天線天線 圖751 二元振子天線陣 第第7 7章章 天線天線 實(shí)際上排陣的各天線元,即1號(hào)振子和2號(hào)振子常滿足下述四個(gè)相同條件:即同結(jié)構(gòu)(例如同為對(duì)稱振子)同尺寸(例如都是半波振子)同取向(例如(a)同取z方向)同波源分布規(guī)律(例如天線上電流都按正弦規(guī)律分布),從而使得在相同坐標(biāo)系統(tǒng)中各天線元單獨(dú)存在時(shí)場(chǎng)強(qiáng)的方向性函數(shù)完全一樣,僅有電場(chǎng)強(qiáng)度E分量可寫為 1212012126060( , )( , )jkrjkrmmIIEjFejFerr (75

26、2) 第第7 7章章 天線天線 由于四個(gè)相同條件,F1(,)與F2(,)相同,統(tǒng)一記為F0(,),代表單元振子的方向性函數(shù)。r1和r2所引起的場(chǎng)強(qiáng)大小的變化也可忽略,即1/r11/r2,則式(752)可改寫成: 12112221()120011(,)1021(,)()20160( , )160( , )(,)(,)1jkrjk rrmmmjkrjmjjk rrmmIIEjFeerIIjFeFerIFeeI (753) (754) 第第7 7章章 天線天線 式中,是完成內(nèi)復(fù)數(shù)加法引出的坐標(biāo)方向角,最后根據(jù)天線陣的具體結(jié)構(gòu),可轉(zhuǎn)化成,坐標(biāo)。由上式可見: (1)天線陣輻射場(chǎng)的方向性函數(shù)可由兩項(xiàng)相乘得

27、到,從而總的方向圖也一定可由二個(gè)方向圖相乘得到,稱為方向性圖相乘原理,亦稱圖乘法,即 02( , )( , )( , )FFF (755) 故有 圖F =圖F0圖F2 (756) 第第7 7章章 天線天線 圖相乘法還可通過圖752加以說明: F0(,)代表的是由于四個(gè)相同條件而在遠(yuǎn)區(qū)被統(tǒng)一起來(lái)的單元的方向性函數(shù),表示于圖752等式右邊第一項(xiàng)的振子方向性函數(shù)。 F2(,)稱陣方向性函數(shù),代表著天線組陣的效應(yīng)。表示在圖752等式右邊內(nèi)的點(diǎn)源陣的方向性函數(shù)。 第第7 7章章 天線天線 (2)排陣的元素增加為n個(gè),只要它們?nèi)詽M足四個(gè)相同條件,則提取公因子的辦法完全一樣,將F2(,)變?yōu)镕n(,),圖7

28、52右邊內(nèi)的“點(diǎn)源”相應(yīng)增加為n個(gè)。 (3)排陣的單元不一定是振子天線,也可是其他天線。例如射電天文學(xué)中常常用一連串的拋物面天線排陣實(shí)現(xiàn)很尖的波束來(lái)研究宇宙物質(zhì)的電磁輻射現(xiàn)象。 第第7 7章章 天線天線 圖 752 第第7 7章章 天線天線 二 ,N元均勻直線陣 所謂均勻直線陣是指各陣元饋電流振幅相等而相位以均勻比例遞增或遞減,即 11jiiIeI 此外陣之間距離均為d排列在一直線上如圖753所示。參照式(753)可得 121( , )()()(1)2(1)( , )11nnjnjk rrjk rrjj njjj nFee eeeeee (757) 第第7 7章章 天線天線 圖 753 第第7

29、 7章章 天線天線 由等比級(jí)數(shù)求和公式得 ( , )(1)/2(1)/21sin(/2)( , )1sin(/2)sin(/2)( ,)sin(/2)(,)njnjjnnjnjnnenFeeenFe (758) (759) (7510) 第第7 7章章 天線天線 從(,)可見,相位方向性函數(shù)恰好為天線陣幾何中心對(duì)1號(hào)源(坐標(biāo)原點(diǎn))的相位總超前量,天線陣的相位中心在陣的幾何中心上。式Fn(,)的最大值為n,得歸一化方向性函數(shù)式為 sin(/2)sin( /2)(cos)( , )sin(/2)sin(1/2)(cos)nnnkdfnkd (7511) 第第7 7章章 天線天線 圖 754 第第7

30、 7章章 天線天線 在給定了n,及d/后只要按照 arccoskd 進(jìn)行一次簡(jiǎn)單坐標(biāo)變換,就可以把fn()的標(biāo)準(zhǔn)曲線,轉(zhuǎn)換成fn()的直角坐標(biāo)方向性圖,也可轉(zhuǎn)化出極坐標(biāo)形式的方向性圖。為直接變換成極坐標(biāo)形式的方向性圖,這一坐標(biāo)變換還可用圖解法來(lái)完成。 第第7 7章章 天線天線 圖 755 第第7 7章章 天線天線 76 行波直導(dǎo)線天線行波直導(dǎo)線天線 電流饋電行波直導(dǎo)線天線如圖761所示,取導(dǎo)線始端為坐標(biāo)原點(diǎn),導(dǎo)線方向?yàn)閦軸方向,在天線末端Z=L處常接有匹配負(fù)載,從而使天線上饋有行波電流,電流分布式可寫為 0( )yzI zI e(761) 式中為電流源的傳播常數(shù)。=+jk并且k=2/p,這里為

31、衰減常數(shù),k為相位常數(shù),p為相波長(zhǎng)。 第第7 7章章 天線天線 圖 761 第第7 7章章 天線天線 圖(761)中z位置處dz微元段可看成為一元電離輻射體,它在遠(yuǎn)區(qū)觀察崐點(diǎn)(r,)處的輻射場(chǎng)為 (cos )00sin2yzjk r zjI edEedzr(762) 直導(dǎo)線天線的輻射場(chǎng)應(yīng)為 (cos)000000(cos)00sin21sin2cosLLjkrjky zjky LjkrIEdEjeedzrIejerjk(763) 第第7 7章章 天線天線 當(dāng)衰減常數(shù)很小,認(rèn)為=0時(shí),則有 ( cos)002(cos)02sin( cos)/2/sin2( cos)/2sin(cos)602si

32、ncosLj kkjkrLj kr kkIkkLEjeerkkkLIEjer(764) (765) 式中=k/k=/p=c/vp,這里vp為電流波源相對(duì)傳輸相速,c為光速。可見 第第7 7章章 天線天線 00( , )(cos)2( , )( , )( , )( , )sinsin(cos)2( , )cosllLkFFFFkLF (766) (767) (768) (769) 第第7 7章章 天線天線 從式中可見幅度無(wú)衰減的電流行波直導(dǎo)線所輻射的是以天線幾何中心為相位中心的球面波。而電場(chǎng)模值方向性仍然可用方向性圖相乘原理(圖乘法)進(jìn)行分析,F0(,)是dz小段元電輻射體所具有的方向性,Fl(

33、,)是點(diǎn)源連續(xù)分布在L尺度的直線上時(shí),點(diǎn)源陣的方向性函數(shù)。排陣的小單元不一定是點(diǎn)源情況,也適用于其他波源情況,例如開槽的小縫,介質(zhì)體等。陣因子的歸一化方向性函數(shù)為 sincos)/2( , )(cos)/2lklfkl (7610) 第第7 7章章 天線天線 20lgfl(,)隨而變化的曲線見圖762,是的偶函數(shù),值為“0”時(shí)得極大值1。在=p時(shí),出現(xiàn)“0”輻射,式中p=1,2,3,。 當(dāng)天線長(zhǎng)度l/以及饋電情況=c/vp值已知時(shí),只要按照 sin( , )cos22lfklkl (7611) (7612) /2arccos/2klkl(7613) 第第7 7章章 天線天線 進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的坐標(biāo)

34、變換,就可以把fl(,)的標(biāo)準(zhǔn)曲線,轉(zhuǎn)換成天線的直角坐標(biāo)方向性圖(由分貝表示)。為了直接變換成極坐標(biāo)形式方向性圖,這一坐標(biāo)變換還可更方便地通過圖解法來(lái)完成。 圖=0時(shí)得極大值,代入式(7613)陣因子的主向角為 =arccos (7614) 第第7 7章章 天線天線 對(duì)于單元方向性不尖銳的行波天線,方向性系數(shù)將由陣的歸一化方向性函數(shù)fl(,)所決定,把式(7610)代入式(7419)可積出陣因子的方向性系數(shù)隨l/以及c/vp值而變化的情況,見圖763。 由圖中可見,對(duì)于邊射陣情況,c/vp=0時(shí)方向性系數(shù)為 247LDLDLD(7615) (7616) (7617) 第第7 7章章 天線天線

35、圖 7-6-2第第7 7章章 天線天線 圖 7-6-3第第7 7章章 天線天線 77 陣方向性分析方法應(yīng)用示例陣方向性分析方法應(yīng)用示例 一,槽振子天線及槽振子天線陣 當(dāng)工作頻率提高時(shí),對(duì)稱振子天線的型式從導(dǎo)線型變?yōu)殚_槽型振子,如圖771(a)所示,稱為槽振子天線。它是由在無(wú)限大,無(wú)限薄的理想導(dǎo)體表面上開細(xì)長(zhǎng)的槽縫構(gòu)成的,并在槽縫上饋有正弦分布的橫向電壓(y方向)即 U(z)=Umsink(l-z) (771) 式中Um為腹點(diǎn)處的電壓。 第第7 7章章 天線天線 槽振子的輻射可以從對(duì)比導(dǎo)線型振子的差異中引出,產(chǎn)生導(dǎo)線型振子輻射場(chǎng)的波源是導(dǎo)線上的縱向電流,實(shí)際上導(dǎo)線上縱向z的電流波源I又可看成是導(dǎo)

36、線表面附近的橫向磁場(chǎng)波源(圖771(c),而槽振子上是橫向的電壓相當(dāng)于橫向的電場(chǎng)波源,這種橫向的電場(chǎng)波源也可等效為縱向的所謂“磁流”波源Im(圖771(b)。等值的磁流波源分布式為 ( )2sin ()mmIzUk lz (772) 第第7 7章章 天線天線 式中2倍的關(guān)系是導(dǎo)電表面對(duì)于槽振子的鏡像效應(yīng)。另外,從電磁場(chǎng)方程知道,交變磁場(chǎng)派生交變電場(chǎng)和交變電場(chǎng)派生交變磁場(chǎng)的規(guī)律只要在內(nèi)部(波源分布)和外部(空間情況)條件相當(dāng)時(shí)是一致的。因此,可引出這樣的結(jié)論:槽振子產(chǎn)生的輻射場(chǎng)的方向性應(yīng)和與槽振子有相同面積的導(dǎo)線型振子天線的方向性相似。它們的差別在于:磁場(chǎng)和電場(chǎng)互換槽振子天線在金屬板兩側(cè)的場(chǎng)量不

37、連續(xù),它們的大小相等方向相反。 第第7 7章章 天線天線 槽振子產(chǎn)生的電場(chǎng)分量E的模值可寫為 cos(coscos)sinklklEA(773) 式中A和波源強(qiáng)度及距離r有關(guān)系k為相位常數(shù)l為槽振子長(zhǎng)度的一半。第第7 7章章 天線天線 圖 771第第7 7章章 天線天線 圖 772 第第7 7章章 天線天線 圖(c)所示為窄壁開斜槽的情況。槽振子天線陣方向性函數(shù)式可寫為00( , )( , )( , )nfff (774) 式中f(,)為槽振子天線陣的歸一化方向性函數(shù)f0(,)單個(gè)槽振子的歸一化方向性函數(shù)fn(,)為陣歸一化方向性函數(shù)。 對(duì)于半波槽振子 0cos(cos )2( , )sinf

38、 (775)第第7 7章章 天線天線 二,磁流波源行波直導(dǎo)線天線 電流波源的行波導(dǎo)線天線也可演化為磁流波源的行波槽天線,例如在H10波型激勵(lì)的矩形波導(dǎo)窄壁上,開長(zhǎng)槽的天線如圖773(a)所示,它在yoz平面的方向性如圖(b)所示。第第7 7章章 天線天線 圖 773 第第7 7章章 天線天線 波導(dǎo)窄壁上的橫向電流被槽縫所切斷,在槽縫上激起橫向的電場(chǎng)(X方向),它相當(dāng)于縱向的磁流,沿z方向傳輸并輻射,由于波導(dǎo)中相速大于光速故得到斜射陣,忽略單元效應(yīng),主向角可由式(2114)計(jì)算,當(dāng)相速vp值發(fā)生變化時(shí)(例如工作頻率變化時(shí))主向角m也將發(fā)生變化。因此可作為電掃描天線。第第7 7章章 天線天線 三,

39、介質(zhì)棒天線 介質(zhì)棒天線如圖774(a)所示。由矩形波導(dǎo)3中場(chǎng)過渡到圓波導(dǎo)2后,再激勵(lì)起介質(zhì)棒1。介 質(zhì)棒常由超高頻損耗很小的絕緣材料制成。矩形波導(dǎo),圓波導(dǎo),介質(zhì)波導(dǎo)各斷面上工作模的場(chǎng)強(qiáng)力線如圖(b)所示。第第7 7章章 天線天線 圖 774 第第7 7章章 天線天線 圖 774 第第7 7章章 天線天線 在介質(zhì)波導(dǎo)中傳播的相速小于光速,由于介質(zhì)波導(dǎo)沒有金屬壁封閉,從圖(b)中可見場(chǎng)力線將延伸到介質(zhì)外部空間,沿介質(zhì)棒邊傳輸邊輻射。介質(zhì)棒天線可視為斷面“1”所示的天線小單元體沿一直線連續(xù)排陣所構(gòu)成的。斷面“1”所示的天線小單元主向在介質(zhì)棒的軸線方向,(=0方向)在30范圍內(nèi)可近似認(rèn)為f0(,)1,

40、因此介質(zhì)棒天線的歸一化方向性函數(shù)近似可寫為sin(/2)(cos)( , )( , )(/2)(cos)tklffkl (776)第第7 7章章 天線天線 式中=vp/c,它與介質(zhì)棒的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)半徑a/值有關(guān)系,見圖775,由于相速小于光速,得到軸向輻射。當(dāng)值滿足最大D值條件時(shí),D值可由式(7617)估算。第第7 7章章 天線天線 圖 775 第第7 7章章 天線天線 四,螺旋天線 螺旋天線是用導(dǎo)電性良好的金屬做成的螺旋形導(dǎo)線天線,常用同軸線激勵(lì),同軸線外導(dǎo)體張開為反射屏,如圖776所示。 螺旋天線可工作于多種模式,但在超高頻波段,最為常用的是軸向輻射的工作模式,討論螺旋天線為輻射場(chǎng)時(shí)

41、,不能只討論E分量了,這是因?yàn)椴ㄔ捶植荚诹Ⅲw的螺旋線上,它的輻射場(chǎng)既有E分量還有E分量(Er分量可忽略)。第第7 7章章 天線天線 當(dāng)E,E分量同相位或反相位時(shí),空間點(diǎn)上合成的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向隨著時(shí)間的變化將始終指向某固定的方向,合成場(chǎng)強(qiáng)仍然為線極化波。當(dāng)E,E相位差為/2且模值相等時(shí),空間點(diǎn)上合成的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向隨著時(shí)間的變化而變化,電場(chǎng)強(qiáng)度矢量隨時(shí)間變化描出的軌跡為一個(gè)圓,稱圓極化波。第第7 7章章 天線天線 當(dāng)E,E相位差不等于0,/2時(shí),或相位差雖為/2,而模值不等時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度矢量隨時(shí)間變化描得的軌跡為一橢圓,稱橢圓極化波。螺旋天線軸向輻射時(shí)的輻射場(chǎng),可近似看成是n圈平面環(huán)排成行波頂射陣

42、所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)。方向性函數(shù)需對(duì)二個(gè)分量分別寫出: f(,)=f0(,)fn(,) (777) f(,)=f0(,)fn(,) (778)第第7 7章章 天線天線 圖 776 第第7 7章章 天線天線 如每一平面圓環(huán)中饋送的電流具有等輻行波的特點(diǎn),并且一圈的長(zhǎng)度L值接近于一個(gè)波長(zhǎng)。這時(shí),平面圓環(huán)輻射場(chǎng)的分量及分量相位相差/2,歸一化方向性函數(shù)為0120021( , )2(sin )2( )sincos21( , )(sin )(sin )1sin18sin(/2)(cos( / )( , )sin(/2)(cos( / )fctg JctgfJJnksL SfnksL S (779) (7710

43、) (7711)第第7 7章章 天線天線 螺旋天線軸向工作時(shí),天線的性能參量可由下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:0.502140522115215()cossininpLRLnsLnsLSDncaaLv(7712) (7713) (7714) (7715) (7716)第第7 7章章 天線天線 78 面狀天線面狀天線 一,元口徑輻射體的輻射場(chǎng) 面狀天線設(shè)備,在微波波段中用得最廣。面狀天線和自由空間的分界表面稱口徑面。類似于分析線狀天線的情況,可把面狀天線看成是許多很小的面積元(稱為元口徑輻射體)拼接而成的,面狀天線的輻射場(chǎng)也就是構(gòu)成它的許多小面積元所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)疊加的結(jié)果。 第第7 7章章 天線天線 所謂元

44、口徑輻射體是均勻電磁場(chǎng)激勵(lì)的,尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的小面積元,即口徑尺寸l1,l2,電磁場(chǎng)在小面積元上各點(diǎn)值和相位處處相等,如圖781所示。其電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別為000sssxEa EEHa (781) (782) 第第7 7章章 天線天線 第第7 7章章 天線天線 式中ay和ax分別為y方向和x方向的單位矢量。 元口徑輻射體在空間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可由求解電磁場(chǎng)方程得出,其遠(yuǎn)區(qū)(r)的輻射場(chǎng)為00000000sin 1cos 2cos 1cos 20cos 1cos 2sin 1cos 2rjkrjkrrjkrjkrEE SEjerE SEjerEE SEjeE SEje (783) (784) (785)

45、 第第7 7章章 天線天線 取用的球坐標(biāo)系統(tǒng)如圖782所示,角是從元口徑輻射體的法線方向起算的。角是從x坐標(biāo)軸起算的。 由式(783),(784)可見,電場(chǎng)有分量及分量,且同相位,因此合成場(chǎng)仍屬線極化波。電場(chǎng)與磁場(chǎng)間存在的關(guān)系式為000EEHH 它們?cè)诳臻g正交,形成向r方向的能流構(gòu)成輻射場(chǎng),也是橫電磁波。 合成電場(chǎng)強(qiáng)度的模值為2200(1cos )2E SEEEr(786) (787)第第7 7章章 天線天線 第第7 7章章 天線天線 主向的平均功率流密度為 222022220022rsmEE SPSPrr(788) 式中Pr為元口徑輻射體的輻射功率。 二,面狀天線的輻射場(chǎng) 面狀天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)

46、公式可由元口徑輻射場(chǎng)用疊加方法求得。 假設(shè)位于xoy坐標(biāo)面上口徑面S上的電磁場(chǎng)為0sxsxysyssxEa Ea EEHa(789) (7810) 第第7 7章章 天線天線 式中ax,ay和az分別為x,y和z方向的單位矢量。 在口徑面S上,電場(chǎng)強(qiáng)度只有y分量時(shí),即Es=ayAyEs0時(shí),式中Es0為最大電場(chǎng)強(qiáng)度值,也常為幾何中心處的電場(chǎng)強(qiáng)度值A(chǔ)y為波源的電場(chǎng)強(qiáng)度的幅值和相位分布規(guī)律的歸一化值。則口徑面天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)公式可由元口徑面的輻射場(chǎng)疊加求得,即()00()0(1cos )sin2(1cos )cos2ssjk r rjkrsysjk r rjkrsysEEjeA edsrEEjeA e

47、dsr (7811) (7812)第第7 7章章 天線天線 式(7811),(7812)常用來(lái)計(jì)算各種口徑面天線的輻射場(chǎng),它可由方向性圖相乘原理(圖乘法)理解。積分號(hào)外面項(xiàng)的物理意義是口徑場(chǎng)模值為Es0處的單位元口徑輻射體(ds=1)所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)。積分號(hào)的物理意義為連續(xù)分布的點(diǎn)源陣所構(gòu)成的面陣的復(fù)數(shù)陣方向性函數(shù),即()( , )( , )( , )sjk r r dsjssySFFeA e (7813) r-rs由幾何關(guān)系經(jīng)二項(xiàng)式展開可得 r-rs=xssinsin+yssincos (7814) 或 r-rs=ssincos(-s) (7815)第第7 7章章 天線天線 當(dāng)口徑上波源場(chǎng)為一

48、般形式時(shí),Esx分量可看成是又一個(gè)元口徑效應(yīng),但式中角應(yīng)自-y軸起算,應(yīng)由+/2替代完成疊加可得到()()1cos()(sincos )21cos()(sinsin )2ssjk r rjkrsysxSSjk r rjkrsysxSSEdEdEjeEEedsrEdEdEjeEEer(7816) (7817) 第第7 7章章 天線天線 圖 783 第第7 7章章 天線天線 圖 784 第第7 7章章 天線天線 歸一化陣方向性函數(shù)的直角坐標(biāo)方向性圖如圖784中均勻律分布曲線所示,但圖中是對(duì)變量作出的曲線,為獲得對(duì)的變化曲線應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)變換,其變換式為2arcsinkD(7826)第第7 7章章 天線

49、天線 也可由圖解法直接得到極坐標(biāo)方向圖(讀者自己考慮)。根據(jù)坐標(biāo)變換的規(guī)則,可方便地求出歸一化方向性函數(shù)為1,0。707,0以及其它特定數(shù)值時(shí)所對(duì)應(yīng)的方位角,從而求出圖瓣參量。例如從曲線中可查出在=0方向?yàn)橹飨?當(dāng)f為0。707時(shí),對(duì)應(yīng)的值為1。39可由坐標(biāo)變換式求出主瓣寬度,在磁平面上主瓣寬度為0.50.50.510.50.522222arcsin0.89220.89HHHHHHHEkDDDDD在電平面上主瓣寬度為 (7827) (7828) 第第7 7章章 天線天線 三,有效面積和方向性系數(shù)的計(jì)算 在分析面狀天線性能時(shí),經(jīng)常引用有效面積的概念。引出這一參量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 maxmax2(,

50、)1()serPSPr(7829) 式中Ps(max,max)表示面狀天線主方向上,r距離處的平均功率流密度Pr為天線輻射功率Se為天線的有效面積。第第7 7章章 天線天線 口徑場(chǎng)改為均勻分后,把天線用作為接收天線時(shí),天線能輸出最大功率應(yīng)為主向來(lái)波的平均功率流密度和有效面積的乘積,可得 Poutmax=Ps(max,max)Se (7830) 式中Poutmax為天線能輸出的最大功率Ps(max,max)為來(lái)波從接收天線主方向到達(dá)接收天線處的平均功率流密度Se為天線有效面積。第第7 7章章 天線天線 當(dāng)來(lái)波不從主向射來(lái)時(shí),能輸出的功率受接收方向性的影響,其表達(dá)式為 Pout(,)=Ps(max

51、,max)Sef2(,) (7831) 天線的有效面積對(duì)于天線的實(shí)際口徑面積之比,稱為面積利用系數(shù),即1rSS(7832) 對(duì)于面天線設(shè)備,方向性系數(shù)可按下式計(jì)算: 2maxmax2(,)(1/)/4serrPSrPDPPr(7833) 第第7 7章章 天線天線 故 222444eAASSDSGD 增益系數(shù)定義為 (7834) (7835)式中值可由口徑場(chǎng)的分布規(guī)律求出。第第7 7章章 天線天線 79 一些常用的天線設(shè)備一些常用的天線設(shè)備 一,長(zhǎng),中波天線 (一)垂直線狀天線 垂直線狀天線由一根或幾根導(dǎo)線垂直架設(shè)而成。天線底端饋電,饋線一端與地相連,另一端與天線連接,饋線上高頻電流流到天線上,

52、再經(jīng)過天線與地面間的位移電流到地面形成地電流,構(gòu)成一個(gè)回路。垂直天線的結(jié)構(gòu)示意圖及天線的電流回路分別如圖791(a)和(b)所示。 第第7 7章章 天線天線 圖 791 第第7 7章章 天線天線 (二)加頂垂直天線 對(duì)于長(zhǎng)波來(lái)說,天線的高度始終處在遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的狀態(tài),因此天線的輻射電阻,工作頻帶,天線效率以及天線的功率容量都比較低。為了改進(jìn)天線這些性能,常采用天線末端加頂?shù)霓k法。加頂?shù)男问接行?形及傘形,分別如圖792(a),(b)及(c)所示。第第7 7章章 天線天線 圖 792 第第7 7章章 天線天線 天線加頂所以能改善天線的性能,是因?yàn)樘炀€加頂后,使原來(lái)垂直振子很不均勻的電流分布移到水平

53、頂上去,使垂直部分的電流分布趨向均勻分布,如圖793所示,使天線的有效高度提高,從而使主輻射能力提高,輻射電阻加大,又使輸入電抗減小,天線效率提高,工作頻帶加寬。第第7 7章章 天線天線 圖 793 第第7 7章章 天線天線 為了進(jìn)一步提高天線效率,常采用在垂直天線的地底下鋪設(shè)金屬地網(wǎng)。由圖791(b)可知,天線的電流回路一部分由地電流組成,由于地面不是理想導(dǎo)體,電流通過它時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗,它是天線損耗的主要部分,因此設(shè)法提高地電流回路的導(dǎo)電率,盡可能減小地?fù)p耗,提高天線效率。通常在天線的底端附近不太深(約0。20。5m)的地方用3mm粗的半個(gè)波長(zhǎng)的多股絞銅線約15150根置于地下,如圖794所示

54、。第第7 7章章 天線天線 圖 794 第第7 7章章 天線天線 二,短波天線 短波是依靠電離層反射來(lái)進(jìn)行傳播的。因而在設(shè)計(jì)短波天線時(shí),需要考慮到電離層的變化,在大多數(shù)情況下,短波天線用于定點(diǎn)通信或?qū)ι刃蔚貐^(qū)的廣播,要求有強(qiáng)的方向性。 由于電離層隨晝夜,季節(jié)變化,因此必須變換工作波長(zhǎng),這就要求天線的方向性和阻抗特性隨工作波長(zhǎng)變化比較小。 大多數(shù)短波天線為水平天線,架設(shè)和饋電方便,而且在垂直面內(nèi)的方向圖容易滿足短波天線的要求。第第7 7章章 天線天線 (一)水平對(duì)稱振子 水平對(duì)稱振子即水平架設(shè)的對(duì)稱振子,中心對(duì)稱點(diǎn)利用平衡雙線對(duì)稱饋電,架設(shè)高度為H,如圖795所示。 對(duì)于寬波段或大功率的對(duì)稱振子

55、,常采用多根導(dǎo)線組成的籠形結(jié)構(gòu)作為振子臂,以降低振子的特性阻抗,如圖796所示。設(shè)地面為理想導(dǎo)體時(shí),水平振子和它的地面鏡像振子可構(gòu)成間距為2H的反相二元振子天線陣,使天線在垂直面內(nèi)的方向性圖主向仰角滿足要求。第第7 7章章 天線天線 圖 795 第第7 7章章 天線天線 圖 796 第第7 7章章 天線天線 (二)同相水平天線 在短波遠(yuǎn)距離通信中,常需要方向性很強(qiáng)的天線,故采用天線陣來(lái)提高其方向性,同相水平天線是最常采用的一種,它的優(yōu)點(diǎn)是方向性圖主瓣尖銳,副瓣少而小,天線效率在95%以上缺點(diǎn)是只能用于很窄的頻帶,裝置復(fù)雜,維護(hù)費(fèi)用較多,故一般用于高質(zhì)量的通信主干線上。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖797所示

56、。 第第7 7章章 天線天線 圖 797 第第7 7章章 天線天線 (三)菱形天線 菱形天線是現(xiàn)代短波通信中使用最廣,最主要的定向天線。其外形結(jié)構(gòu)如圖798所示。它是由一個(gè)水平菱形導(dǎo)線懸掛在四根支柱上形成的。在菱形的一個(gè)銳角上接入電源,另一個(gè)銳角接入與菱形特性阻抗相等的電阻,這便構(gòu)成了行波天線。其最大輻射方向在通過菱形兩銳角頂點(diǎn)的垂直平面內(nèi)。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是:具有行波特性,可在3 1頻帶范圍內(nèi)使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單架設(shè)方便調(diào)諧容易,增益大。缺點(diǎn)是:占地面積大,副瓣多而且終接電阻會(huì)消耗一部分功率,效率不高,約6070%。 第第7 7章章 天線天線 圖 798 第第7 7章章 天線天線 三,超短波天線 (一

57、)引向反射天線 引向反射天線又稱為波渠天線,它是由一根有源振子和幾根無(wú)源振子組成的,如圖799所示。其中1為支撐桿,2為反射器,3為有源振子,4為饋線,5為三元引向器。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,饋電方便,體積不大且便于轉(zhuǎn)動(dòng)等,缺點(diǎn)是調(diào)整和匹配困難,頻帶較窄。 第第7 7章章 天線天線 圖 799 第第7 7章章 天線天線 (二)蝙蝠翼振子天線 蝙蝠翼振子天線是一種寬頻帶旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線,可應(yīng)用于彩色電視機(jī)的發(fā)射天線,它由兩個(gè)互相垂直的,相位相差90的蝙蝠翼面振子組成。圖7910是十字形蝙蝠翼天線的一個(gè)振子,饋電點(diǎn)在AA兩端,DD兩端短路,因此在DA上形成駐波。 第第7 7章章 天線天線 圖 7910 第第

58、7 7章章 天線天線 四,微波天線 微波波長(zhǎng)短,經(jīng)常采用根據(jù)反射,折射和繞射原理所構(gòu)成的口徑面天線,如喇叭天線,透鏡天線和反射面天線。 (一)喇叭天線 傳輸導(dǎo)行波的波導(dǎo)開口面口徑上的電磁場(chǎng)能輻射成電磁波。為使波導(dǎo)與自由空間的特性阻抗相匹配,將波導(dǎo)尺寸逐漸均勻擴(kuò)展,形成所謂喇叭天線。 第第7 7章章 天線天線 喇叭天線的主要形式有:扇形喇叭,角錐形喇叭,圓錐形喇叭以及雙圓錐形喇叭。分別如圖7911(a),(b),(c)及(d)所示。 這種喇叭天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,效率高且有較寬的頻帶特性。但方向性系數(shù)比同一口徑的拋物面天線小,而尺寸較大。而且口徑場(chǎng)的振幅和相位無(wú)法調(diào)節(jié)。第第7 7章章 天線天線 圖 79

59、11 第第7 7章章 天線天線 (二)拋物面天線 拋物面天線由初級(jí)照射器和拋物面反射器兩部分組成。前者本身的定向性f0較差,經(jīng)過反射器反射后得到方向性f尖銳得多,如圖7912所示。 最常采用的拋物面天線是旋轉(zhuǎn)拋物面天線,即由拋物線繞軸線旋轉(zhuǎn)而成的反射面組成的天線。初級(jí)照射器與饋線相聯(lián),其作用是向反射面上輻射電磁波,其位置崐在拋物面的焦點(diǎn)上。然后由反射器將初級(jí)照射器的輻射的電磁波變?yōu)榉较蛐暂^強(qiáng)波束輻射出去。故有較強(qiáng)的方向性和較高的增益。第第7 7章章 天線天線 圖 7912 第第7 7章章 天線天線 (三)卡塞格倫天線 卡塞格倫天線是一種具有雙反射器的天線系統(tǒng)。初級(jí)照射器所發(fā)出的球面波束,首先射

60、向前方的旋轉(zhuǎn)雙曲面,再經(jīng)旋轉(zhuǎn)雙曲面的反射后投射到旋轉(zhuǎn)拋物面上,最后由拋物面再次反射成為平行光束輻射出去,如圖7913所示。它是低噪聲,高增益的天線,常用于衛(wèi)星地面站和中繼通信站。卡塞格倫天線是利用卡塞格倫天文望遠(yuǎn)鏡的幾何光學(xué)原理演變而來(lái)的,故由此而得名。第第7 7章章 天線天線 圖 7913 第第7 7章章 天線天線 (四)微帶天線 微帶天線是20世紀(jì)70年代初期研究成功的一種新型天線。它是由一個(gè)薄的介質(zhì)片(厚度k)上用金屬沉積法沉積成矩形,圓形或其他幾何形狀的輻射元,而背面貼以金屬薄層作接地板而構(gòu)成的,圖7914(a)和(b)給出了常用的矩形和圓形的微帶線的結(jié)構(gòu)示意圖。第第7 7章章 天線天