天線原理與設(shè)計(jì)3.2.1-鞭狀天線

3.2.1鞭狀天線

鞭狀天線(WhipAntenna)是一種應(yīng)用相當(dāng)廣泛的水平平面全向天線，最常見的鞭狀天線就是一根金屬棒，在棒的底部與地之間進(jìn)行饋電，如圖3-2-1所示。

為了攜帶方便，可將棒分成數(shù)節(jié)，節(jié)間可采取螺接、拉伸等連接方法，如圖3-2-2所示。圖3-2-2鞭狀天線的幾種連接方法(a)螺接式；(b)拉伸式

1.鞭狀天線電性能

1)極化:垂直極化

2)方向圖及方向系數(shù)：正鏡像

3)有效高度

有效高度是直立天線的一個(gè)重要指標(biāo)，可以定義如下：假想有一個(gè)等效的直立天線，其均勻分布的電流是鞭狀天線輸入端電流，它在最大輻射方向(沿地表方向)的場強(qiáng)與鞭狀天線的相等，則該等效天線的長度就稱為鞭狀天線的有效高度he。圖3-2-3鞭狀天線的有效高度

如圖3-2-3所示，假設(shè)鞭狀天線上的電流分布為

(3-2-1)其中,I0是天線輸入端電流;h為鞭狀天線的高度。依據(jù)有效高度定義，得若h/λ<0.14)輸入阻抗

除天線導(dǎo)線、附近導(dǎo)體及介質(zhì)等引起的損耗外，還有相當(dāng)大的功率損耗在電流流經(jīng)大地的回路中，參見圖3-2-4，傳導(dǎo)電流和位移電流構(gòu)成廣義的電流回路概念。因此輸入電阻包括兩部分，即

Rin=Rr0+Rl0(3-2-4)圖3-2-4鞭狀天線的電流回路其中Rr0和Rl0分別為歸算于輸入端電流的輻射電阻和損耗電阻，其計(jì)算公式如下:

(3-2-5)

(3-2-6)

2.加頂負(fù)載

如圖3-2-5所示，在鞭狀天線的頂端加小球、圓盤或輻射葉，這些均稱為頂負(fù)載(TopLoading)。天線加頂負(fù)載后，使天線頂端的電流不為零，如圖2-2-6所示，這是由于加頂負(fù)載加大了垂直部分頂端對地的分布電容，使頂端不是開路點(diǎn)，頂端電流不再為零，電流的增大使遠(yuǎn)區(qū)輻射場也增大了。只要頂線不是太長，天線距地面的高度不是太大，則水平部分的輻射可忽略不計(jì)。圖3-2-5加頂負(fù)載的鞭狀天線計(jì)算頂負(fù)載的作用時(shí)，可將頂端的電容等效為一段延長線h′，如圖3-2-6(a)所示；同時(shí)，天線電流分布就比較均勻，如圖3-2-6(b)所示。設(shè)頂端電容為Ca，垂直線段的

特性阻抗為Z0A，則此等效長度h′可計(jì)算如下:

(3-2-7)

式中單根垂直導(dǎo)線的特性阻抗為

(3-2-8)圖3-2-6加頂負(fù)載改善了天線上的電流分布(a)頂負(fù)載電容等效為一延長線段；(b)天線電流分布的改善下面計(jì)算加頂負(fù)載鞭狀天線的有效高度he。設(shè)天線上的電流分布為

(3-2-9)

式中,z是天線上一點(diǎn)到輸入端的距離；I0是輸入端電流。于是有效高度為

(3-2-10)

當(dāng)(h+h′)/λ很小時(shí)，上式可簡化為

(3-2-11)加頂負(fù)載鞭狀天線的方向圖在水平平面仍是一個(gè)圓，在垂直平面內(nèi)，由于垂直部分的頂端電流不為零，故方向函數(shù)為

(3-2-12)

3.加電感線圈(InductionCoil)

在短單極天線中部某點(diǎn)加入一定數(shù)值的感抗，就可以部分抵消該點(diǎn)以上線段在該點(diǎn)所呈現(xiàn)的容抗，從而使該點(diǎn)以下線段的電流分布趨于均勻，如圖3-2-7所示，它對加感點(diǎn)以上線段的電流分布并無改善作用。圖3-2-7加電感線圈改善天線電流分布

4.降低損耗電阻

鞭狀天線的損耗包括天線導(dǎo)體的銅耗、支架的介質(zhì)損耗、鄰近物體的吸收、加載線圈的損耗及地面的損耗，其中地面損耗最大。

減少地面損耗的辦法是改善地面的電性質(zhì)。對大型電臺常采用埋地線的辦法，一般是在地面以下采用向外輻射線構(gòu)成的地網(wǎng)，如圖3-2-8所示，地網(wǎng)不應(yīng)埋得太深，因?yàn)榈仉娏骷性诘孛娓浇鼐W(wǎng)埋設(shè)的深度一般在0.2～0.5m之間，導(dǎo)線的根數(shù)可以從15根到150根，導(dǎo)線直徑約為3mm，導(dǎo)線長度有半波長就夠了。若加頂負(fù)載，由于加頂部分與地面的耦合作用，則地網(wǎng)導(dǎo)線必須伸出水平橫線在地面上的投影。

但是埋設(shè)地線對于移