第2章简单线天线2011.ppt
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1、第2章 简单线天线,2.1 水平对称天线 2.2 直立天线 2.3 环形天线 2.4 引向天线与背射天线,2.1 水平对称天线,在短波通信、电视或其它无线电系统中,常使用水平天线(Horizontal Antenna)。水平架设天线的优点是: (1)架设和馈电方便; (2)地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天线的小; (3)可减小干扰对接收的影响。因为水平对称天线辐射水平极化波,而工业干扰大多为垂直极化波,故可以减少干扰对接收的影响,这对短波通信是有实际意义的。,2.1.1 双极天线 双极天线即水平对称振子(Horizontal Symmetrical Dipole),如图211所示,又称
2、型天线。天线的两臂可用单根硬拉黄铜线或铜包钢线做成,也可用多股软铜线,导线的直径根据所需的机械强度和功率容量决定,一般为36mm。天线臂与地面平行,两臂之间有绝缘子。天线两端通过绝缘子与支架相连,为降低天线感应场在附近物体中引起的损耗,支架应距离振子两端23m。,为了降低绝缘子介质损耗,绝缘子宜采用高频瓷材料。支架的金属拉线中亦应每相隔小于/4的间距加入绝缘子,这样使拉线不至于引起方向图的失真。,图211 双极天线结构示意图,由图211可见,这种天线结构简单,架设撤收方便,维护简易,因而是应用广泛的短波天线,适用于天波传播。 当天线一臂的长度l=12m或22m时,天线特性阻抗通常为1000左右
3、,馈线使用H=10m长的双导线,馈线特性阻抗为600。这就是移动通信常用的44m(即2H+2l长度)或64m双极天线。当其架设高度小于0.3,向高空方向(仰角90)辐射最强,宜作300km范围内通信用天线。当天线距离较远时,这种天线增益较低,方向性不强,且工作频段较窄。,1.双极天线的方向性 由于双极天线主要用于天波传播,而天波传播时,电波射线以一定仰角入射到电离层后又被反射回地面,从而构成甲乙两地的无线电通信,通信距离与电波射线仰角有密切关系。为了便于描绘场强随射线仰角和方位角的变化关系,一般直接用、作自变量表示天线的方向性,而不使用射线与振子轴之间的夹角作方向,(211),函数的自变量。按
4、图212中的几何关系,可得,图 212,在分析天线的方向性时,可以把地面看作是理想导电地,因为在大多数情况下水平极化波地面反射系数都接近-1,可用地面下的负镜像天线来代替地面对辐射的影响。,利用该式可得,(212),无限大导电地面的影响可用水平振子天线的镜像来替代, 因此, 架设在理想导电地面上的水平振子天线的辐射场可以用该天线及其镜像所构成的二元阵来分析; 但应注意该二元阵的两天线元是同幅反相的, 如果地面上的天线相位为零, 则其镜像的相位就是, 如图 所示。,于是此二元阵阵因子:,阵元,根据该表达式,可以画出双极天线的立体方向图,图213表示双极天线在不同臂长情况下的方向图,图214表示在
5、不同架高时的方向图。观察立体动画方向图,由自由空间对称振子方向函数和负镜像阵因子按方向图乘积定理得,(213),图 213,图 214,为了便于分析,我们在研究天线方向性时,通常总是研究两个特定平面的方向性,例如: 自由空间天线:在研究自由空间天线方向性时,往往取两个相互垂直的平面,即E面和H面作特定平面。 地面上的天线:但在研究地面上的天线方向性时,一方面要考虑地面的影响,另一方面要结合电波传播的情况选取两个最能反映天线方向性特点的平面,通常选取铅垂平面和水平平面,这两个平面具有直观方便的特点。,所谓铅垂平面,就是与地面垂直且通过天线最大辐射方向的垂直平面。 鉴于实际天线的臂长l0.7,单元
6、天线最大辐射方向垂直于对称振子,故取振子的H面为垂直平面,在图212中,xOz平面就是双极天线的垂直平面。,水平平面是指对应一定的仰角,固定r(OP),观察点P绕z轴旋转一周所在的平面,在该平面上P点场强随变化的相对大小即为双极天线的水平平面方向图。 下面分别讨论天线的垂直平面和水平平面方向图。,r,常数,1)垂直平面方向图( ) 图212中, 的xOz面即为双极天线的垂直平面。将 代入式(213),可得,(214),由于单元天线的xOz面方向图是圆(与仰角无关),故双极天线的垂直平面 方向图形状仅由地因子决定。,地因子方向图可以参考第1章图174。垂直平面方向图也可从立体图图21 4按垂直于
7、振子轴(即xOz面)进行切割获得。,图174 镜像时的阵因子随天线架高的变化 (a)正镜像; (b)负镜像,垂直平面方向图具有下列特点: (1)垂直平面方向图( )只与H/有关,而与l/无关。这是因为,不管单元振子有多长,元因子在垂直于振子轴的平面内方向图恒为一个圆。故可用改变天线架设高度H/来控制垂直平面内的方向图。 (2)无论H/为何值,沿地面方向(即=0方向)均无辐射。这是由于天线与其镜像在该方向的射线行程差为零,且两者电流反相,因而辐射场互相抵消。所以,这种天线不能用作地波通信。,(3)当H/0.25或放宽到H/0.3时,最大辐射方向在=90,在=6090范围内场强变化不大,即在此条件
8、下天线具有高仰角辐射性能,我们称这种天线为高射天线。这种架设不高的双极天线,通常应用在0300km内的天波通信中。,(H/为参变量),同时 即x方向,(4)当H/0.3时,最强辐射方向不止一个,H/越高,波瓣数越多,靠近地面的第一波瓣m1越低。即越靠近地面。 第一波瓣的最大辐射仰角m1可根据式(214)求出,令 sin(kHsinm1)=1,在架设天线时,应使天线的最大辐射仰角m1等于通信仰角0。根据通信仰角0就可求出天线架设高度H,即,得,(215),(216),当双极天线用作天波通信时,工作距离愈远,通信仰角0愈低,则要求天线架设高度越高。 (5)当地面不是理想导电地时,不同架设高度的,天
9、线在垂直平面内的方向图的变化规律与理想导电地基本相同,只是场强最大值变小,最小值不为零,最大辐射方向稍有偏移。不同地质对水平振子方向性影响不大。,2)水平平面方向图 水平平面方向图就是在辐射仰角一定的平面上,天线辐射场强随方位角的变化关系图。显然这时的场强既不是单纯的垂直极化波,也不是单纯的水平极化波。方向函数如式(213)所示(式中固定),即方向函数是下列地因子与元因子的乘积:,(217),(218),因为地因子与方位角无关,所以水平平面内的方向图形状仅由元因子f1(,)决定。,图215和图216分别给出了l/=0.25及l/=0.50时双极天线在理想导电地面上不同仰角时的水平平面方向图。,
10、图215 l/=0.25时双极天线水平平面方向图,图216 l/=0.5时双极天线水平平面方向图,由图可以看出:,(1) 双极天线水平平面方向图与架高H/无关。因为当参变量H/为一个定值,仰角一定而变化时,直射波与反射波的波程差不变,镜像的存在只影响合成场的大小。,(H/为参变量, H/ 为某值时,因仰角一定,变化时,故地面因子为一常数,只影响 大小;换一个H/ 值,地面因子为另一常数,不改变方向图形状),(2)水平平面方向的形状取决于l/,方向图的变化规律与自由空间对称振子的相同,l/越小,方向性越不明显。当l/0.7时(没画),在=0方向辐射很少或没有辐射。因此,一般应选择天线长度l/0.
11、7。,(3)仰角越大时,水平平面方向性越不显著。因为方向性决定于cossin,当仰角越大时,的变化引起的场强变化越小。因此,当用双极天线作高仰角辐射时,振子架设的方位对工作影响不大,甚至顺着天线轴线方位仍能得到足够强的信号。,由于高仰角水平平面方向性不明显, 因此在短波300 km以内距离的通信时, 常把它作全方向性天线使用。,综合双极天线垂直平面和水平平面方向图的分析,可得如下重要结论: (1)天线的长度只影响水平平面方向图,而对垂直平面方向图没有影响。架设高度只影响垂直平面方向图,而对水平平面方向图没有影响。因此控制天线的长度,可控制水平平面的方向图。控制天线架设高度,可控制垂直平面的方向
12、图。 (2)天线架设不高(H/0.3)时,在高仰角方向辐射最强,因此这种天线可作0300km距离内的侦听、干扰或通信,又由于高仰角的水平平面方向性不明显,因此对天线架设方位要求不严格。,(3)当远距离通信时,应该根据通信距离选择通信仰角,再根据通信仰角确定天线架设高度,以保证天线最大辐射方向与通信方向一致。 (4)为保证天线在=0方向辐射最强,应使天线一臂的电长度l/0.7。,应该指出, 上述分析仅当天线架设高度H0.2时是正确的。如果不满足上述条件, 就必须考虑地面波的影响了。,2.双极天线的输入阻抗 为了使天线能从发射机或馈线获得尽可能多的功率,要求天线必须与发射机或馈线实现阻抗匹配,为此
13、,必须了解天线的输入阻抗。 计算双极天线输入阻抗不仅要考虑到振子本身的辐,射,还要考虑地面的影响。地面对天线输入阻抗的影响,可用天线的镜像来代替,然后用耦合振子理论来计算。应当说明的是,由于实际地面的电导率为有限值,因此用镜像法和耦合振子理论所得的结果误差较大,一般往往通过实际测量来得出天线的输入阻抗随频率的变化曲线。图217即是一副双极天线的输入阻抗随频率的变化曲线。,图217 l=20m、H=6m的双极天线输入阻抗,由图可见,双极天线的输入阻抗在波段内的变化比较激烈,如果不采取匹配措施,馈线上的行波系数将有明显变化,传输线的传输效率将受到明显影响。这也是欲在宽频带内使用双极天线时应当注意的
14、问题。,3.方向系数 天线的方向系数可由下式求得:,(219),式中,f(m1,)为天线在最大辐射方向的方向函数,m1按式(2 15)计算;Rr为天线的辐射阻抗。,横轴表示的频率范围,图218 双极天线的Dl/关系曲线,f(m1,)和Rr二者应归算于同一电流。对双极天线而言,Rr=R11-R12,R11是振子的自辐射电阻,R12是振子与其镜像之间(相距2H)的互辐射阻抗。图218表示天线架高H/2,,且地面为理想导电地时的方向系数与l/的关系曲线。当H较低或地面不是理想导电地面时,天线的方向系数低于图中的数值。,4.双极天线的尺寸选择 1) 臂长l的选择原则 (1)从水平平面方向性考虑。 为保
15、证在工作频率范围内,天线的最大辐射方向不发生变动,应选择振子的臂长l0.7min,其中min为最短工作波长,满足此条件时,最大辐射方向始终在与振子垂直(即=0)的平面上。,补充,图219 馈线上行波系 数Kl/关系曲线,(2) 从天线及馈电的效率考虑。,若l/太短,天线的辐射电阻较低,使得天线效率A降低。同时当l/太短时,天线输入电阻太小,容抗很大,故与馈线匹配程度很差,馈线上的行波系数很低。若要求馈线上的行波系数不小于0.1,由图219可见,通常要求 l0.2 考虑电台在波段工作,则应满足 l0.2max (2110),综合以上考虑,天线长度应为 0.2maxl0.7min (2111) 若
16、工作波段过宽,一副天线不易满足要求时,宜选用长度不同的两副天线。例如,某单边带电台的工作频率为230MHz,由于波段较宽,就配备两副双极天线,在210MHz时,使用2l=222m的双极天线;在1030MHz时,使用2l=212m的双极天线。,2) 天线架高H的选择 选择原则是保证在工作波段内通信仰角方向上辐射较强。如果通信距离在300km以内,可采用高射天线,通常取架设高度H=(0.10.3)。对中小功率电台,双极天线的架设高度在815m范围内,此时对天线的架设方位要求不严。 如果通信距离较远,则应当使天线的最大辐射方向m1与所需的射线仰角0一致,根据式(216)计算天线架设高度H,即,(21
17、12),实际工作中往往使用宽波段,当架设高度一定而频率改变时,天线的最大辐射仰角会随之改变,所选定的架设高度对某些频率可能不适用。因此,对一定频段内工作的双极天线架设高度应作全面考虑,一方面架设要方便,另一方面要求各个频率在给定仰角上应有足够强的辐射。幸好对于中、短距离(r1000km),若工作波段不是过宽还是可以满足的。例如,工作波段为310MHz,所需仰角0=47.5,按10MHz时的工作条件选择H=10m,该高度对于3MHz来讲只有0.1,虽然此时天线的最大辐射方向指向=90,但在=47.5方向上的辐射仍能达到最大方向的0.76,即0仍处于天线的半功率角之内,能够满足工作需要。实际上,双
18、极天线也主要工作于中、短距离。,综上所述,双极天线是一种结构简单、架设维护方便的弱方向性天线,特别适用于半固定式短波电台。但其主要缺点是工作频带窄,馈线上行波系数很低,特别是在低频端尤为严重。因此,不宜在大功率电台或馈线很长的情况下使用。必要时为了改善馈线上的行波系数,应在馈线上加阻抗匹配装置。,2.1.2 笼形天线 如前所述,双极天线的臂由单根导线构成,它的特性阻抗较高,输入阻抗在工作频段内变化较大,馈线上的行波系数很低。为了克服这个缺点,可采用加粗振子直径的办法来降低天线的特性阻抗,改善输入阻抗特性,展宽工作频带。然而,单纯用加粗导线直径的办法,往往不实用。例如,64m(即210(高)22
19、2(长)=64m)双极天线,其导线直径为4mm时,特性阻抗约为1k,若用增加直径的办法,使特性阻抗为350,根据天线的特性阻抗公式,(2113),可算得天线的导线直径为1.75m,式中a为导线半径。显然,用这样粗的铜管作天线是不现实的。 实际工作中常用几根导线排成圆柱形组成振子的两臂,这样既能有效地增加天线的等效直径,又能减轻天线重量,减少风的阻力,节约材料,这就是笼形天线(Cage Antenna),其结构如图2110所示。天线臂通常由68根细导线构成,每根导线直径为35mm,笼形直径约为13m,其特性阻抗为250400。因特性阻抗较低,天线输入阻抗在波段内变化较平缓,故可以展宽使用的波段。
20、,由于笼形天线的直径很大,振子两臂在输入端有很大的端电容,这样将使天线与馈线间的匹配变差。为了减小在馈电点附近的端电容,以保证天线与馈线间的良好匹配,振子的半径应从距离馈电点34m处逐渐缩小,至馈电处集合在一起。为了减小天线的末端效应,便于架设,振子的两端也应逐渐缩小。 笼形天线的等效半径ae可按下式计算:,(2114),图2110 笼形天线结构示意图,其中,a为单根导线半径;b为笼形半径;n为构成笼的导线根数。若取a2mm,b1.5m,n8,则ae0.85m,上述64m双极天线的特性阻抗为353.6。,笼形天线的方向性、尺寸的选择都与双极天线相同。笼形天线用于移动式电台是很不方便的,它在固定
21、的通信台站中应用较多。,为了进一步展宽笼形天线的工作频带,可将笼形天线改进为分支笼形天线,如图2111(a)所示,其等效电路如图2111(b)所示,开路线35、46与短路线374(分支)有着符号相反的输入阻抗,调节短路线的长度,即改变3和4(参见图2111(a)在笼形上的位置,可以改善天线的阻抗特性,展宽频带宽度。,图2111 分支笼形天线 (a)结构示意图;(b)等效电路,图2112 笼形构造的双锥天线,除了采用加粗振子臂直径的方法来展宽阻抗带宽外,还可以将双极天线的臂改成其它形式,如图2112所示的笼形构造的双锥天线、图2113所示的扇形天线等。在米波波段可应用平面片形臂,如图2114所示
22、。,图2113 扇形天线,图2114 平面片形对称振子,2.1.3 V形对称振子 在第1章我们学习了自由空间对称振子。对于这种直线式对称振子,当l/=0.635时,其方向系数达到最大值Dmax=3.296。 如果继续增大l,由于振子臂上的反相电流的辐射,削弱了=90方向上的场,使该方向,图 2115,的方向系数下降。如果对称振子的两臂不排列在一条直线上,而是张开20,构成如图2115所示的V形对称振子(Vee Dipole),则可提高方向系数。,V形天线的设计任务是选择适当的张角20,使得两根直线段所产生的波瓣指向同一方向。如果希望V形天线的最大辐射方向位于V形平面的角平分线上,则张角的最佳值
23、是单根直线天线轴与其主瓣夹角的两倍。 为了求出V形对称振子的远区场,首先考虑振子的一个臂。设线上电流按正弦分布,仿照1.4节由电基本振子的场通过积分求对称振子场的方法,可求得这一驻波单导线的远区场为,(2115),式中,Im为电流的波腹值;l为导线长度;r为坐标原点到观察点的距离;为射线与导线轴之间的夹角。 V形振子的另一个臂的辐射场也可用上述方法求出。在V形振子张角平分线方向上,即上式中,=0,两臂的辐射场振幅相等、相位相同,叠加可得V形振子角平分线上的辐射场为,(2116),两臂电流方向相反,相应地,可求出V形振子角平分线方向上的方向系数,如图2116所示。对应于最大方向系数的张角称为最佳
24、张角2opt,一般来说,l/值愈大,2opt值也就愈小。对于0.5l/3.0的V形天线,有如下的经验公式:,(2117),图2116 V形振子的方向系数,上述2opt的单位以度表示,对应的角平分线上的最大方向系数为,321 Koch分形天线 Koch曲线是Helge Von Koch于1904年构造出的一种曲线,它是分形曲线的一个代表作。Koch曲线的生成方法就是把,(2118),一般将臂长小于0.5的V形天线称为角形天线,其特点是水平平面的方向性很弱。这种天线在短波通信中应用亦较广,天线臂可做成笼形,以增大阻抗工作频带宽度。第3章还将介绍行波V形天线,线上电流按行波分布,具有宽频带特性。,对
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