電磁波與天線仿真與實踐-單極天線

單極天線對比半波對稱振子和折合天線

折合天線

折合天線的阻抗特性圖

折合振子與短路雙線傳輸線(a)短路雙線傳輸線；(b)折合振子；(c)電流加倍的半波振子可對折合振子簡單分析如下：（1）折合振子的輸入阻抗高。設(shè)折合振子的輸入阻抗為Zin，半波振子的輸入阻抗為Zin1，它們有相同的輸入功率Pin，則所以

(3-2-1)因為半波振子的輸入阻抗為純電阻，且輸入阻抗等于輻射阻抗，即Rin1=RΣ1=73Ω，所以折合振子的輸入阻抗為因此，折合振子的輸入阻抗是半波振子的四倍。折合振子因為其電流分布和單線振子相同，故其方向特性和單線半波振子完全相同。同時，因為半波折合振子的輸入電流與波腹電流正好相同，所以其輸入電阻與輻射電阻相同。因此，折合振子的輻射阻抗等于半波振子輻射阻抗的四倍，即ZΣ=4Z11

(3-2-4)（3）折合振子也可以看成是加粗的振子，它的等效半徑ae比較大，即(3-2-5）式中,a是導(dǎo)線的半徑，d是兩線間的距離。折合振子的兩根導(dǎo)線的線徑也可以不相等，如圖3-10所示。調(diào)整它們的比例可以改變折合振子相對于普通半波振子的輸入阻抗的變換比例。不等直徑折合振子與半波振子輸入阻抗之間的關(guān)系是(3-2-6）式中,C取決于線的間距d和線徑a1、a2，在線徑a1、a2遠(yuǎn)小于間距d的一般情況下：由上式可見，不連接饋線那根導(dǎo)線的半徑a2大于連接饋線那根導(dǎo)線的半徑a1時，即a2>a1

時，C>1，Zin>4Zin1；反之，若a2<a1，則Zin<4Zin1。這說明，折合天線的輸入阻抗還可以通過選擇兩根不同直徑的導(dǎo)線來進行調(diào)整，便于天線與饋線進行良好的匹配，這也是折合天線獲得廣泛使用的原因之一。折合振子除了可以用兩根導(dǎo)線做成以外，還可以使用兩根以上相同線徑的半波長導(dǎo)線做成，這時:(3-2-8)式中，N是導(dǎo)線的根數(shù)。單極天線所謂單極天線，就是從輸入端看去只有一個臂的天線，如鞭狀天線、垂直接地天線等如圖為鞭狀天線結(jié)構(gòu)：由一節(jié)或數(shù)節(jié)金屬棒（或金屬管）構(gòu)成。特點：使用簡易，攜帶方便。應(yīng)用：便攜式電臺以及車輛、飛機、艦船等無線電臺頻段：短波、超短波

單極天線3.3.1單極天線的方向特性與阻抗特性

1．單極天線的方向特性當(dāng)設(shè)地面為無限大的理想導(dǎo)電平面時，可用鏡像法來分析垂直接地的單極天線。天線臂與其鏡像構(gòu)成一對稱振子，如圖3-11（b）所示。垂直天線與鏡像天線的電流等幅同相。由于垂直接地單極天線只在地面的上半空間輻射，因此，其方向圖在地面的上半空間與相應(yīng)對稱天線的方向圖相同。分析如下：在理想導(dǎo)電平面上的單極天線的輻射場，可直接利用自由空間對稱振子的公式進行計算，即(3-3-1)式中，β=2π/λ；Im為波腹點電流，工程上常采用輸入電流表示。波腹點電流與輸入點電流I0的關(guān)系為(3-3-2)架設(shè)在地面上的線天線的兩個主平面方向圖一般用水平平面和垂直平面來表示。設(shè)Δ為射線與地面間的夾角，當(dāng)仰角Δ及距離r為常數(shù)時,電場強度隨方位角φ的變化曲線即為水平面方向圖；當(dāng)方位角φ及距離r為常數(shù)時,電場強度隨仰角Δ的變化曲線即為垂直面方向圖。參看圖3-11（b）,將θ=90°-Δ及式(3-3-2）都代入式(3-3-1）中，得架設(shè)在理想導(dǎo)電平面上的單極天線的方向性函數(shù)為由上式可見，單極天線水平面方向圖仍然為圓。圖3-12給出了四種不同的l/λ的垂直平面方向圖。它與自由空間對稱振子方向圖的差別只是在下半空間無輻射。(3-3-3）圖3-11單極天線與其鏡像地面對天線性能的影響無限大的理想導(dǎo)電平面對天線性能的影響圖4-31地面對天線性能的影響地面對天線性能的影響一個實用的天線是架設(shè)在地球的有限高度之上的，若電磁波在地表面的反射系數(shù)為1，則在理論上，地面可當(dāng)作理想導(dǎo)體面處理。鏡像原理根據(jù)理想導(dǎo)體面的邊界條件，天線輻射出來的電磁波在導(dǎo)體面將被全反射。入射波和反射波在導(dǎo)體表面應(yīng)滿足邊界條件：切向電場和法向磁場應(yīng)等于零。據(jù)此，不妨把反射波看成是由原天線的鏡象天線所輻射，可以證明，這種設(shè)想是有效而簡便的。用鏡像天線替代理想導(dǎo)體面的反射影響，就稱之為鏡像原理。鏡象天線鏡象天線位于界面的另一側(cè)對稱處，垂直天線的鏡象是一個與原天線有完全相同的幾何結(jié)構(gòu)和形狀，且電流大小和流向一致的假想天線，習(xí)慣上稱作為正象。對于平行于理想導(dǎo)體面的水平振子，其輻射電場與導(dǎo)體面平行，為滿足邊界條件，鏡象天線的結(jié)構(gòu)和形狀同樣要與原天線同，但其電流振幅相等，流向應(yīng)相反，這種鏡象天線習(xí)慣上稱之成負(fù)象。如果天線與地面傾斜，可分解成與地面平行的水平振子以及與地面垂直的垂直振子。 為了使天線的輻射圖形更接近理想導(dǎo)電地平面的結(jié)果，在實際工程中，往往用有限大小的金屬板或金屬網(wǎng)來代替理想地面的作用。例如，在長、中波接地天線中，就是在天線底部用許多徑向金屬導(dǎo)線構(gòu)成地網(wǎng)，代替理想地面，地網(wǎng)的半徑一般為0.3λ左右。在超短波移動電臺中用的基站或鞭天線，也采用有限的金屬導(dǎo)體或金屬底板作地面。當(dāng)金屬導(dǎo)體或地板的半徑不夠大時，主波瓣將向上翹起。圖3-12單極天線垂直平面方向圖(a)l/λ=1/4;(b)l/λ=1/2;(c)l/λ=2/3;(d)l/λ=3/4對比“

對稱振子天線的方向圖”由圖3-12可見，當(dāng)l/λ逐漸增大時，波瓣變尖。當(dāng)l/λ>0.5時，出現(xiàn)旁瓣。當(dāng)l/λ繼續(xù)增大時，由于天線上反相電流的作用，沿Δ=0°方向上的輻射減弱。因此實際中一般取l/λ為0.53左右。當(dāng)然，實際上大地為非理想導(dǎo)電體。也就是說，實際架設(shè)在地面上的單極天線方向圖與上述方向圖有些差別，主要是因為架設(shè)在地面上單極天線輻射的電磁場以地面波方式傳播。因此準(zhǔn)確計算單極天線的遠(yuǎn)區(qū)場時應(yīng)考慮地面的影響，也就是應(yīng)按地波傳播的方法計算輻射場。

2．單極天線的阻抗特性在無限大理想導(dǎo)電地面上的單極天線的輻射電阻的求法與自由空間對稱振子的輻射電阻求法完全相同。但單極天線的鏡像部分并不輻射功率，當(dāng)單極天線的激勵電壓是等效的雙極（對稱）天線的一半時，單極天線的輻射功率只有相應(yīng)對稱振子天線的一半。因此，其輻射電阻為同樣長度的自由空間對稱振子輻射電阻的一半，其輸入阻抗也只有同樣長度的自由空間對稱振子輸入阻抗的一半。3.3.2單極天線的極化特性與頻帶特性當(dāng)單極天線的激勵電壓是等效的雙極（對稱）天線的一半時，單極天線存在于上半空間的輻射場與對稱天線的相等。單極天線的方向性函數(shù)和方向圖與對稱天線的上半空間的方向性函數(shù)和方向圖也相同，所以其主瓣寬度極化特性與頻帶寬度等參數(shù)也均與對稱天線的相同。3.3.3提高單極天線效率的方法由于單極天線的高度受到限制，所以當(dāng)天線高度l<<λ時，其天線的輻射電阻很低，但損耗電阻RL卻較大。根據(jù)天線效率的定義有：可見，單極天線的效率很低。大約只是百分之幾，甚至千分之幾。因此提高單極天線的效率是十分必要的。提高單極天線效率的方法有兩種：一種是提高輻射電阻；另一種是降低損耗電阻。1.提高輻射電阻圖3-13加載天線圖3-14長、中波波段的頂端電容加載的單極天線

2.降低損耗電阻單極天線的主要損耗來自于接地系統(tǒng)。因為大地是天線電流回路中的一部分，電流流經(jīng)大地