行波天線實(shí)用

第一節(jié)行波單導(dǎo)線及菱形天線一、行波單導(dǎo)線行波單導(dǎo)線：天線上電流按行波分布的單導(dǎo)線天線。天線沿線各點(diǎn)電流振幅相等，相位連續(xù)滯后，其饋電點(diǎn)置于坐標(biāo)原點(diǎn)。輸入端電流為

I0，忽略沿線電流的衰減，則線上電流分布為：第1頁(yè)/共28頁(yè)第一頁(yè)，共29頁(yè)。分析方法：把天線分割成許多個(gè)電基本振子，取所有電基本振子輻射場(chǎng)的總和，故:方向函數(shù)為:第2頁(yè)/共28頁(yè)第二頁(yè)，共29頁(yè)。行波單導(dǎo)線的方向性特點(diǎn)：

（1）沿導(dǎo)線軸線方向沒有輻射。（2）導(dǎo)線長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，最大輻射方向愈靠近軸線方向，同時(shí)主瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣數(shù)增多。（3）當(dāng)

l/λ

很大時(shí)，主瓣方向隨

l/λ

變化趨緩，即天線的方向性具有寬頻帶特性。(a)l=λ;(b)l=1.5λ;(c)l=3λ第3頁(yè)/共28頁(yè)第三頁(yè)，共29頁(yè)。對(duì)稱振子行波單導(dǎo)線天線輻射阻抗第4頁(yè)/共28頁(yè)第四頁(yè)，共29頁(yè)。變化快

行波單導(dǎo)線的方向系數(shù)的近似計(jì)算公式：最大輻射角第5頁(yè)/共28頁(yè)第五頁(yè)，共29頁(yè)。二、菱形天線1、菱形天線的結(jié)構(gòu)和工作原理增加行波單導(dǎo)線天線的增益的方法：排陣

——

用4根行波單導(dǎo)線構(gòu)成菱形天線。兩線之間的距離變化，故菱形線上各點(diǎn)的特性阻抗不等，從銳角端的600～700Ω變化到鈍角處的1000Ω。引起天線上局部的反射，從而破壞行波狀態(tài)。為了使特性阻抗變化較小，菱形的各邊通常用2～3根導(dǎo)線并在鈍角處分開一定距離，使天線導(dǎo)線的等效直徑增加，第6頁(yè)/共28頁(yè)第六頁(yè)，共29頁(yè)。菱形天線的輻射場(chǎng)：四根導(dǎo)線在空間的合成場(chǎng)。通過適當(dāng)選擇菱形銳角2θ0、邊長(zhǎng)

l

來獲得最強(qiáng)的方向性，并使最大輻射方向指向負(fù)載方向。

即菱形四根導(dǎo)線各有一最大輻射方向指向長(zhǎng)對(duì)角線方向。第7頁(yè)/共28頁(yè)第七頁(yè)，共29頁(yè)。在長(zhǎng)對(duì)角線方向，1、2兩根行波導(dǎo)線合成電場(chǎng)矢量的總相位差應(yīng)該由下列三部分組成：菱形天線的工作原理

射線行程差引起的相位差電流相位不同引起的相位差電場(chǎng)的極化方向所引起的相位差即長(zhǎng)對(duì)角線方向上導(dǎo)線1、2的合成場(chǎng)同相疊加。第8頁(yè)/共28頁(yè)第八頁(yè)，共29頁(yè)。導(dǎo)線1和4：在長(zhǎng)對(duì)角線方向上射線行程差引起的相位差ΔΨr=0，電流相位差ΔΨi=π，電場(chǎng)極化相位差ΔΨE=π，總相位差ΔΨ=2π。四條邊上的天線在長(zhǎng)對(duì)角線上相位都是同相的。第9頁(yè)/共28頁(yè)第九頁(yè)，共29頁(yè)。2、菱形天線方向函數(shù)過長(zhǎng)軸的垂直平面的方向函數(shù)為:Φ0為菱形的半鈍角；Δ為仰角；H為天線的架設(shè)高度。當(dāng)Δ=Δ0時(shí)（Δ0為最大輻射方向仰角）。水平平面的方向函數(shù)為：第10頁(yè)/共28頁(yè)第十頁(yè)，共29頁(yè)。菱形天線每邊的電長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，波瓣愈窄，仰角變小，副瓣增多。菱形天線的方向圖(a)水平平面方向圖；(b)過長(zhǎng)軸的垂直平面方向圖第11頁(yè)/共28頁(yè)第十一頁(yè)，共29頁(yè)。3、菱形天線的尺寸選擇及其變形天線

當(dāng)通信仰角Δ0確定以后，選擇主瓣仰角等于通信仰角。使

f(Δ0)最大，分別取各個(gè)因子分別最大：使第三個(gè)因子最大，則sin(kHsinΔ0)=1，即選擇天線架高：第12頁(yè)/共28頁(yè)第十二頁(yè)，共29頁(yè)。

使第二個(gè)因子為最大，則:sin［kl(1-sinΦ0cosΔ0)/2］=1，即天線每邊長(zhǎng)度：

使第一個(gè)因子為最大，則：

由此得到半鈍角Φ0和仰角Δ0應(yīng)滿足如下關(guān)系：

在通信方向的仰角

Δ0

和工作波長(zhǎng)λ確定以后，便可直接算出H、l和

Φ0。第13頁(yè)/共28頁(yè)第十三頁(yè)，共29頁(yè)。菱形天線的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，維護(hù)方便；（2）方向性強(qiáng)，增益系數(shù)可達(dá)100左右；（3）頻帶寬，工作帶寬可達(dá)（2～3）∶1；（4）可應(yīng)用于較大的功率，因?yàn)樘炀€上駐波成分很小，因此不會(huì)發(fā)生電壓或電流過大的問題。

菱形天線的主要缺點(diǎn)是：（1）結(jié)構(gòu)龐大，場(chǎng)地大，只適用于大型固定電臺(tái)作遠(yuǎn)距離通信使用；（2）副瓣多，副瓣電平較高；（3）效率低，由于終端有負(fù)載電阻吸收能量。第14頁(yè)/共28頁(yè)第十四頁(yè)，共29頁(yè)。

為了改善菱形天線的特性參數(shù)，常采用雙菱天線菱形對(duì)角線之間的距離

d≈0.8λ，其方向函數(shù)表達(dá)式為:雙菱天線單菱形天線的方向函數(shù)雙菱天線的旁瓣電平比單菱形天線低，增益系數(shù)約為單菱形天線的1.5～2倍。第15頁(yè)/共28頁(yè)第十五頁(yè)，共29頁(yè)。

為了提高菱形天線的效率，可采用回授式菱形天線結(jié)構(gòu)。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(lì)天線“2”。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，從而提高了天線的效率?；厥谑搅庑翁炀€第16頁(yè)/共28頁(yè)第十六頁(yè)，共29頁(yè)。三、行波V形天線（TravelingWaveVeeAntenna）V形斜天線，僅有一根支桿和兩根載有行波電流的導(dǎo)線組成，架設(shè)很簡(jiǎn)單，適用于移動(dòng)的臺(tái)站中。第17頁(yè)/共28頁(yè)第十七頁(yè)，共29頁(yè)。

提高天線的有效高度之一——分布式加載，其典型天線之一即為螺旋鞭天線（HelicalWhipAntenna）。螺旋鞭天線

第二節(jié)螺旋天線

第18頁(yè)/共28頁(yè)第十八頁(yè)，共29頁(yè)。

螺旋天線的輻射特性取決于螺旋線直徑D與波長(zhǎng)的比值D/λ，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)(a)邊射型(b)端射型(c)圓錐型第19頁(yè)/共28頁(yè)第十九頁(yè)，共29頁(yè)。螺旋柱直徑D=(0.25~0.46)λ

的端射型螺旋天線，又稱為軸向模螺旋天線，簡(jiǎn)稱為螺旋天線，主要特點(diǎn)：（1）沿軸線方向有最大輻射；（2）輻射場(chǎng)是圓極化波；（3）天線導(dǎo)線上的電流按行波分布；（4）輸入阻抗近似為純電阻；

(5）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(CircularPolarizedAntenna)。第20頁(yè)/共28頁(yè)第二十頁(yè)，共29頁(yè)。一、圓極化波的應(yīng)用使用一副圓極化天線可以接收任意取向的線極化波。1、通信的一方或雙方處于方向、位置不定的狀態(tài)，為了提高通信的可靠性，收發(fā)天線之一應(yīng)采用圓極化天線。2、在人造衛(wèi)星和彈道導(dǎo)彈的空間遙測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)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發(fā)射或接收天線。3、為了干擾和偵察對(duì)方的通信或雷達(dá)目標(biāo)，需要應(yīng)用圓極化天線。4、在電視中為了克服雜亂反射所產(chǎn)生的重影，也可采用圓極化天線，因?yàn)樗荒芙邮招蛳嗤闹鄙洳ǎ种屏朔瓷洳▊鱽淼闹赜靶盘?hào)。第21頁(yè)/共28頁(yè)第二十一頁(yè)，共29頁(yè)。圓極化波的重要性質(zhì)：（1）圓極化波是一等幅旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，它可分解為兩正交等幅、相位相差90°的線極化波；（2）輻射左旋圓極化波的天線，只能接收左旋圓極化波，對(duì)右旋圓極化波也有相對(duì)應(yīng)的結(jié)論；（3）當(dāng)圓極化波入射到一個(gè)平面上或球面上時(shí)，其反射波旋向相反，即右旋波變?yōu)樽笮ǎ笮ㄗ優(yōu)橛倚?。?2頁(yè)/共28頁(yè)第二十二頁(yè)，共29頁(yè)。二、螺旋天線的工作原理D——螺旋的直徑；a——螺旋線導(dǎo)線的半徑；s——螺距，即每圈之間的距離；α——螺距角，

l0——一圈的長(zhǎng)度，

N——圈數(shù)；

h——軸向長(zhǎng)度，h=Ns

一圈展開圖形第23頁(yè)/共28頁(yè)第二十三頁(yè)，共29頁(yè)。將圓環(huán)展成直線時(shí)線上的電流分布t1時(shí)刻t1

+T/4時(shí)刻經(jīng)過一個(gè)周期T的時(shí)間間隔，電場(chǎng)矢量將旋轉(zhuǎn)360°。由于線上電流振幅值是不變的，故軸向輻射的場(chǎng)值也不會(huì)變。所以，周長(zhǎng)為一個(gè)波長(zhǎng)的載行波圓環(huán)沿軸線方向輻射的是圓極化波。駐波螺旋天線工作在圓極化狀態(tài)的原因：行波t1

時(shí)刻軸向輻射場(chǎng)只有Ey分量。T1

＋T/4時(shí)刻軸向輻射場(chǎng)只有Ex分量。第24頁(yè)/共28頁(yè)第二十四頁(yè)，共29頁(yè)。總結(jié)：螺旋天線上的電流是行波電流，是圓極化波。按右手螺旋方式繞制的螺旋天線，在軸向只能輻射或接收右旋圓極化波；按左手螺旋方式繞制的螺旋天線，在軸向只能輻射或接收左旋圓極化波。若用螺旋天線作拋物面天線的初級(jí)饋源，如果拋物面天線接收右旋圓極化波，則反射后右旋變成左旋，因此螺旋天線必須是左旋的。第25頁(yè)/共28頁(yè)第二十五頁(yè)，共29頁(yè)。三、螺旋天線的電參數(shù)估算工程上常用的估算公式，這些公式適用于螺距角α=12°~16°，圈數(shù)N>3，每圈長(zhǎng)度l0=(3/4~4/3)λ。

（1）天線的方向系數(shù)或增益（2）方向圖的半功率角為（3）方向圖零功率張角為（4）輸入阻抗為（5）極化橢圓的軸比為為了提高增益，可采用螺旋天線陣。橢圓圓第26頁(yè)/共28頁(yè)第二十六頁(yè)，共29頁(yè)。四臂螺旋天線第27頁(yè)/共28頁(yè)第二