第2章简单线天线2011.ppt

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，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=60°90°范围内场强变化不大，即在此条件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。,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/0.7。,(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，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=2×22m的双极天线；在1030MHz时，使用2l=2×12m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,(2112),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2×10（高）2×22（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。,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。,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。,对称振子的两臂除上述介绍的不排列在一条直线上的外，两臂还可以是其它曲线的形状。振子臂的几何形状由直线改变成曲线后，可以取消振子可使用的长度受到2l的限制；同时,若曲线选择得恰当，则还可以降低旁瓣电平，提高增益。以增益最大为出发点进行优化可得出最佳形式的曲线，高斯曲线就是其中的一种。但优化曲线振子的曲线形状复杂，加工不便，增益对振子形状敏感。,分形,换，经N次迭代就可得到N阶Koch曲线。数学意义上的Koch曲线是无穷次迭代的产物，称作理想的Koch分形曲线，它处处连续却处处不可微。要把一副天线加工成这种理想的形状当然是不可能的，对于天线工程来说，我们只能加工成Koch曲线的有限次迭代的形式。又称做Koch预分形天线。图31给出了夹角为60。时Koch曲线(KL)的形成过程(O阶到4阶)。,一条直线等分成三段，将中间的一段用具有一定夹角的两条等长的折线段来代替，形成一个生成元，然后用生成元对每个直线段进行代,，图22所示是一种蕨类植物，它的每个枝权在外形上与整体相同，仅仅在尺寸上小了一些，而枝权的枝杈又和整体相同，只是变得更加小了。,2.1.4 电视发射天线 1.电视发射天线的特点和要求 电视所用的112频道是甚高频（VHF），其频率范围为48.5223MHz；1368频道是特高频（UHF），其频率范围为470958MHz。由于电波主要以空间波传播，因而电视台的服务范围直接受到天线架设高度的限制。为了扩大电视台的服务区域，一般天线要架设在高大建筑物的顶端或专用的电视塔上。这样一来，就要求它在结构、防雷、防冰凌等方面满足一定的要求，必须承受一定的风荷。,电视演播中心及其发射中心一般在城市中央，为了增大服务范围，要求天线在水平平面内应具有全向性。如果在城市边缘的小山或高山上建台，就应考虑某些方向人口多，而某些方向人口少等问题；为了有效地利用发射功率，就必须考虑水平平面具有一定的方向性。而在垂直平面内要有较强的方向性，,以便能量集中于水平方向而不向上空辐射。当天线架设高度过高时，还需采用主波束的下倾方式。,从极化考虑，为减小天线受垂直放置的支持物和馈线的影响，减小工业干扰，并且架设方便，应采用水平极化波。因此，电视发射天线都是与地面平行即水平架设的对称振子及其变型。,另外，因为人们的视觉要比听觉灵敏得多（人眼对光的延迟和相位失真的感觉要比耳朵对声音灵敏得多），所以对电视在电特性方面的要求比一般电声广播要高，因而要求天线要有足够带宽，并要满足对驻波比的要求，以保证天线与馈线处于良好的匹配状态。此外，在馈电时还要考虑到“零点补充”问题，以免临近电视台的部分地区的用户收看不好。,以上这些特点除了要求电视发射天线功率大、频带宽、 水平极化, 还要求天线在水平面内无方向性, 而在铅垂平面有较强的方向性。,2.旋转场天线 对于电视及调频广播发射天线，要求它为水平平面全向天线，即水平平面的方向图近似一个圆，从而保证各个方向都接收良好。为得到近似于圆的水平方向图，可以采用旋转场天线(Turnstile Antenna)。,图2117 相互垂直的 两个电基本振子,设有两个电基本振子在空间相互垂直放置，如图2117所示，馈给两个振子的电流大小相等I1=I2 ，相位相差=90°，,下面先以电基本振子组成的旋转场天线为例，说明它的工作原理。,则在振子组成的平面内（xOy平面内）的任意点上，两个振子产生的场强分别为,(2119),瞬时值表式：,由式（2120）可见，在某一瞬间（如t=0），在振子所在平面内的方向图为一个“8”字形，而在任一点处，E又是随时间而变化的，变化周期为。也就是说，在任何瞬间，天线在该平面内的方向图为“8”字形，,其中A是与传播距离、电流和振子电长度有关而与方向性无关的一个因子。为简单起见，式（2119）中忽略了滞后相位kr。在两振子所处的平面内，两振子辐射电场方向相同，所以总场强就是两者的代数和，即,(2120),在与两个振子相垂直的中心轴上，,但这个“8”字形的方向图随着时间的增加，围绕与两振子相垂直的中心轴以角频率旋转，故这种天线称为旋转场天线。天线的稳态方向图为一个圆，如图2118（a）所示。,瞬时值表式：,而且故在该中心轴上电场是圆极化场。,场强振幅是一个常数，因为此时电场,所以合场强大小不变，方向以角速度 旋转，其箭点扫过的轨迹为一个半径为E的圆，即 E的端点的轨迹是一个圆，这种波称为圆极化波。,如果把基本振子用两个半波振子来代替，就是实际工作中常用的一种旋转场天线，其方向图与前者相比略有不同，与一个圆相比约有±5%的起伏变化，如图2118（b）所示。在半波振子组成的平面内，合成场为,(2121),其方向图在水平面内基本上是无方向的。,在与两个振子相垂直的轴上，电场仍为圆极化波。,图 2118,这种天线可以架设在一副支撑杆上，杆子与两振子轴垂直。因“8”字形的方向图围绕杆子旋转，故又称绕杆天线。 为了提高天线的增益系数，可以在同一根杆子上安装几层相同的天线。,为了提高铅垂面内的方向性, 可以将若干正交半波振子以间距半波长排阵, 然后安装在同一根杆子上, 而同一层内的两个正交半波振子馈电电缆的长度相差/4, 以获得90°的相差, 如图所示。这种天线的特点是结构简单, 但频带比较窄。 电视发射天线要求有良好的宽频带特性, 因此在天线的具体结构上必须采取一定的措施。 目前调频广播和电视台所用的蝙蝠翼天线就是根据上述原理和要求设计的, 其结构如下图 所示。,图 2-2-10 正交半波振子阵,图 2-2-11 蝙蝠翼天线 (a) 结构； (b) 馈电,蝙蝠翼振子（面）,蝙蝠翼天线,3.蝙蝠翼天线 电视发射天线的种类很多，目前在VHF频段广泛采用的一种是蝙蝠翼天线(Batty Wing Antenna)。它是由半波振子逐步演变而来的，如图2119所示，为了满足宽频带的要求，采用粗振子天线；为了减轻天线重量，用平板代替圆柱体；为了减少风阻，以用钢管或铝管做成的栅板来代替金属板；为了防雷击，还加入接地钢管，在EE处短路，并在中央钢管中间馈电。图2120为蝙蝠翼天线的结构示意图。,图2119 蝙蝠翼天线的演变过程,图2120 蝙蝠翼天线振子结构示意图,此天线的两个翼实际上由若干个平行的对称振子构成 , 这些对称振子如该图所示分别接于 A-A 、 B-B 、 C-C 和 D-D 处。在翼中心 A-A 处平衡馈电 , 两翼的竖杆组成一平行传输 线 , 此传输线在 E-E 处与中央的金属桅杆短接 , 短接片兼用作两翼与桅杆间的机械支撑结构。,由图可见，中间的振子较短，两端的振子较长，这种结构是为了改善其阻抗特性。因为两翼的竖杆组成一平行传输线，两端短路，在AE间形成驻波，短路线的输入阻抗为,l较小时为感抗，其大小从DCBA逐渐增大。,图2120 蝙蝠翼天线结构示意图,而在这些点上接入的对称振子的臂长从D到A逐渐减短，因而其输入容抗逐渐增大，如图所示。,图147 对称振子的输入阻抗曲线,从而振子输入容抗与短路线的输入感抗相互抵消，保证了各振子都得到同相激励 ,使整个结构在水平方向上有较强的辐射。所以具有宽频带特性。经实验测试，天线的输入阻抗约为150。顺便指出，这样一组同相激励的振子（非相似边射阵）在垂直平面的方向图大体上与平行排列的、间距为/2的等幅同相两半波振子的方向图相同。,实际应用时，为了在水平平面内获得近似全向性，可将两副蝙蝠翼面在空间呈正交，如图示。 为了增加天线的增益，可增加蝙蝠翼的层数，两层间距为一个波长，如图2121所示。 蝙蝠翼天线的优点是： （1）频带很宽，在驻波比1.1时，相对带宽可达（2025）%； （2）不用绝缘子，可很牢固地固定在支柱上； （3）功率容量大。 (4)水平平面内获得近似全向性,图2121 多层旋 转场蝙蝠翼天线,蝙蝠翼振子可用两根特性阻抗为 75 的同轴电缆 按图所示的连接方式馈电。为了使两翼同相馈电，左翼与一同轴电缆的内导体相连，该同轴电缆的外导体与金属桅杆（地）相连。右翼与另一同轴电缆的外导体相连，该同轴电缆的内导体与金属桅杆（地）相连。T 型接头的两输出臂的特性阻抗为75 ，输入臂的特性阻抗为50 ，与50 同轴电缆相连。,2.2 直立天线,在长波和中波波段主要使用垂直接地的直立天线的原因：,图221 直立天线示意图,在长波和中波波段，由于波长较长，天线架设高度H/受到限制，若采用水平悬挂的天线，受地的负镜像作用，天线的辐射能力很弱,而且在此波段主要采用地面波传播。由于地面波传播时，水平极化波的衰减远大于垂直极化波，因此在长波和中波波段主要使用垂直接地的直立天线,(Vertical Antenna)，如图221所示，也称单极天线(Monopole Antenna)。,这种天线还广泛应用于短波和超短波段的移动通信电台中。在长波和中波波段，天线的几何高度很高，除用高塔（木杆或金属）作为支架将天线吊起外，也可直接用铁塔作辐射体，称为铁塔天线或桅杆天线。在短波和超短波波段，由于天线并不长，外形像鞭，故又称为鞭状天线。,中、短波发射天线,悬挂式天线,铁塔式天线,图 长中波直立天线,这类天线的共同问题是，因结构所限而不能做得太高，即使在短波波段，在移动通信中，由于天线高度H(H为天线高度，区别于架设高度H)受到涵洞、桥梁等环境和本身结构的限制，也不能架设太高。这样，直立天线电高度就小，从而产生下列问题：,（3）易产生过压。当输入功率一定时，由于输入电阻小而输入电抗高，使天线输入端电流很大（Pin=RinI2in/2），输入电压Uin=Iin(Rin+jXin)jIinXin就很高，天线顶端的电压更高，易产生过压现象，这是大功率电台必须注意的问题。所以电高度小，使得天线允许功率低。天线端电压和天线各点的对地电压不应超过允许值。,（1）辐射电阻小，损耗电阻与辐射电阻相比，相应地就比较大，这样，天线的效率低，一般只有百分之几。 （2）天线输入电阻小，输入电抗大（类似于短的开路线），也就是说，天线的Q值很高，因而工作频带很窄。,上述问题中，对长波、中波天线来说，要考虑的主要问题是功率容量、频带和效率问题；在短波波段，虽然相对通频带f/f0不大，但仍可得到较宽的绝对通频带2f，加之距离近，电台功率小，故主要考虑效率问题；对超短波天线来说，只要天线长度选择得不是太小，上述这些问题一般可不考虑。,2.2.1 鞭状天线 鞭状天线(Whip Antenna)是一种应用相当广泛的水平平面全向天线，最常见的鞭状天线就是一根金属棒，在棒的底部与地之间进行馈电，如图221所示。为了携带方便，可将棒分成数节，节间可采取螺接、拉伸等连接方法，如图222所示。,图222 鞭状天线的几种连接方法 (a)螺接式；(b)拉伸式,1.鞭状天线电性能 1）极化 鞭状天线是一种垂直极化天线，在理想导电地面上，其辐射场垂直于地面，在实际地面上虽有波前倾斜，但仍属垂直极化波。 2）方向图及方向系数 根据1.7节的分析，地面对鞭状天线的影响可以用天线的正镜像代替，鞭状天线的方向图与自由空间对称振子的一样，但只取上半空间。在理想导电地上，鞭状天线的辐射电阻是相同臂长自由空间对称振子的一半，而方向系数则是2倍。当天线很短H/0.1时，方向系数近似等于3。,与其镜像构成对称振子垂直于地面辐射垂直极化波,在1.2.8节中已经介绍了天线有效长度的概念，对直立天线而言即为有效高度。有效高度是直立天线的一个重要指标，可以定义如下： 假想有一个等效的直立天线，其均匀分布的电流是鞭状天线输入端电流，它在最大辐射方向（沿地表方向）的场强与鞭状天线的相等，则该等效天线的长度就称为鞭状天线的有效高度he。,图223 鞭状天线的有效高度,(221),如图223所示，假设鞭状天线上的电流分布为,3）有效高度,其中,I0是天线输入端电流;h为鞭状天线的高度。,依据有效高度定义，得,(222),当H/0.1时，,，故,(223),由此可见，当鞭状天线高度 时，其有效高度近似等于实际高度的一半。这是显然的，因为振子很短时，电流近似直线分布，图223中两面积相等时有he=h/2。 有效高度表征直立天线的辐射强弱，即辐射场强正比于he。,对理想导电地来说，或在有良好的接地系统的情况下，鞭状天线的输入阻抗等于相应对称振子输入阻抗的一半。但在实际计算输入阻抗的电阻部分时，若采用,4）输入阻抗,自由空间对称振子的方法，则误差很大，因为此时输入到天线的功率，除一部分辐射外，大部分将损耗掉。除天线导线、附近导体及介质等引起的损耗外，还有相当大的功率损耗在电流流经大地的回路中，参见图224，传导电流和位移电流构成广义的电流回路概念。因此输入电阻包括两部分，即 Rin=Rr0+Rl0 (224),图224 鞭状天线的电流回路,其中Rr0和Rl0分别为归算于输入端电流的辐射电阻和损耗电阻，其计算公式如下:,地质为湿地,地质为干地,(225),(226),式中，A是取决于地面导电性的常数，干地约为7，湿 地约为2。,由于损耗电阻大，同时又由于受到天线高度H的限制，辐射电阻通常很小，故短波鞭状天线的效率很低，一般情况下仅为百分之几甚至不到1%。因此，如何提高短波鞭状天线的效率成为本节要讲述的重要内容之一。,5）效率,2.加顶负载,垂直接地天线的加载原因：在长、中波波段 , 由于天线的电高度不可能很高 , 因此其辐射电阻很低 , 要在不增加 高度 h 的条件下增大辐射电阻 , 唯一的办法是提高天线的有效高度 he。由有效高度 he 的定义即式 可知,若设法改变沿天线的电流分布 I(l), 则可以提高he 。理想的情况是其电流分布等同于电基本振子的电流分布,即沿线的电流是等幅同相的 , 则 he=h 。可以采用加载的办法来改善电流分布 ,从效率的定义可知，要提高鞭状天线的效率，不外乎从两方面着手，一是提高辐射电阻，另一是减小损耗电阻。,如图225所示，在鞭状天线的顶端加小球、圆盘或辐射叶，这些均称为顶负载(TopLoading)。天线加顶负载后，使天线顶端的电流不为零，如图226所示，这是由于加顶负载加大了垂直,部分顶端对地的分布电容，使顶端不是开路点，顶端电流不再为零，电流的增大使远区辐射场也增大了。只要顶线不是太长，天线距地面的高度不是太大，则水平部分的辐射可忽略不计。因此，天线加顶负载后比无顶负载时辐射特性得到了改善。,应说明的是在工作频率很高时 ( 分米波及其更短波段 ), 利用加载的办法使天线电流分布从驻波变为行波 , 从而达到增宽天线工作频带宽度的目的。本节将不对此进行讨论。,图 225,加载形式又分为集中加载和分布加载 , 加载的内容可以是电容性或电感性负载。,(227),计算顶负载的作用时，可将顶端的电容等效为一段延长线h，如图226(a)所示；同时，天线电流分布就比较均匀，如图226(b)所示。设顶端电容为Ca，垂直线段的特性阻抗为Z0，则此等效长度h可计算如下:,图 226,式中单根垂直导线的特性阻抗为,(228),其中,h为垂直部分高度;a为导线半径。经上述变换后，加顶负载天线可以看成是高度为h0=h+h的无顶负载天线。,对于固定电台，天线的顶负载允许大一些，显然这些较长的导线，不能再视为集中电容，而是一分布系统，可以按传输线理论计算其水平部分的输入电抗，然后再按上述方法处理。 对于短波移动电台，顶负载不能太大，否则行动不便。当星形辐射叶片的长度为鞭形天线高度的1/53/10时，h约等于(0.10.2)h。 下面计算加顶负载鞭状天线的有效高度he。设天线上电流分布为,(229),式中,z是天线上一点到输入端的距离；I0是输入端电流。于是有效高度为,(2210),当(h+h)/很小时，上式可简化为,(2211),对于高度很小的直立天线，未加顶负载时的有效高度近似等于h/2，加顶负载后由上式可见有效高度大于h/2。这样在不增加天线实际高度的前提下，增加了天线的有效高度，从而达到提高天线辐射电阻的目的。 加顶负载鞭状天线的方向图在水平平面仍是一个圆，在垂直平面内，由于垂直部分的顶端电流不为零，故方向函数为,(2212),3.加电感线圈（Induction Coil） 在短单极天线中部某点加入一定数值的感抗，就可以部分抵消该点以上线段在该点所呈现的容抗，从而使该点以下线段的电流分布趋于均匀，如图227所示，它对加感点以上线段的电流分布并无改善作用。,图227 加电感线圈 改善天线电流分布,从理论上说，感抗愈大，则加感点以下的电流增加量愈大，这对提高有效高度有利；但是当电感过大时，不仅增加了重量，而且线圈的电阻损耗也加大，反而会使天线效率降低。,加感点的位置似乎距顶端愈近愈好，因为线圈仅对加感点以下线段上的电流分布起作用，但靠近顶端容抗很高，要能有效抵消容抗必须加大感抗。,无论是加顶负载还是加电感线圈，统称为对鞭状天线的加载，前者称为容性加载，后者称为感性加载。实际上对天线的加载并不限于用集中元件加载，也可用分布在整个天线线段的电抗来加载，例如用一细螺旋线来代替鞭形天线的金属棒，作成螺旋鞭状天线；再如在天线外表面涂覆一层介质，制成分布加载天线。,在许多场合 , 需要天线导线与周围媒质不直接接触 , 因此要用介质涂层的导线天线。例如 ,周围媒质可能寻腐蚀性的或导电性的 , 加介质涂层的目的是为了防护或改善天线的辐射特 性。若涂层具有一定厚度, 例如与导线半径差不多 , 这样的涂层对天线的特性就很有影响了,如果涂层是用铁氧体做的 , 其影响更为明显。,如