微波技术与天线--第6章教材

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1、1 第6章 线天线 6.1 对称振子 6.2 离散元直线阵 6.3 地面对天线性能的影响 6.4 几种常见的线天线 6.5 平面阵列天线 2 6.1 对称振子 对称振子由两段同样粗细，长度各为l的直导体组成，两 导体内端接馈线，两导体内端间距 ，可忽略不计。 对称振子与基本电振子的主要区别是：对称振子的长度 并非远小于波长，振子上各点至远场点的距离不能认为 是相等的，振子上各点的电流也不相等。 可以根据场的叠加原理分析对称振子，即先把对称振子 分成许多微分段，将每一微分段看成基本电振子，然后再 积分求对称振子的辐射场。 第6章 线天线 图6-1-1 对称振子 3 6.1.1 对称振子的辐射场

2、1. 对称振子上的电流分布 采用开路线近似 将开路线张开，得对称 振子上的电流分布 第6章 线天线 图6-1-2 终端开路线上的电流分布 图6-1-3 对称振子上的电流分布 4 6.1.1 对称振子的辐射场 2. 对称振子的辐射场表达式 取两个微分段 利用叠加原理 第6章 线天线 5 6.1.1 对称振子的辐射场 3. 远区近似 对远区（ 、 均远大于 ），可近似认为射线 、 是相互平行的，且 与 的差别对场 强幅值的影响很 小 由于相位因子 是周期函数， 与 的距离差引起的 相位差不可忽略 第6章 线天线 6 6.1.1 对称振子的辐射场 4. 辐射场的远区近似 对称振子的方向性函数与振子臂

3、的电长度 有关 第6章 线天线 图6-1-4 不同臂长的对称振子在E面的方向图 7 6.1.1 对称振子的辐射场 臂长 的对称振子，称为半波振子 第6章 线天线 图6-1-5 半波振子的方向图 (a) E面方向图 (b) H面方向图 8 1. 辐射功率与辐射电阻 对称振子的辐射功率等于离开振子中心 的球 面上能流密度的积分 辐射电阻以波腹电流 作参考的定义是 第6章 线天线 半波振子的 。 6.1.2 对称振子的辐射功率、 辐射电阻和方向性系数 9 6.1.2 对称振子的辐射功率、 辐射电阻和方向性系数 2. 方向性系数 对称振子的方向性系数 对称振子的最大方向性系数 半波振子的 。 第6章

4、线天线 10 6.1.3 对称振子的输入阻抗 采用有耗开路线近似 第6章 线天线 图6-1-6 输入电阻曲线 图6-1-7 输入电抗曲线 11 6.1.4 对称振子的馈电 对称振子两臂电流呈对称分布，因而要求馈线两 输出端上的电流等幅反相（平衡馈电）。 在短波和米波波段可用平行双导线馈电 。 在分米波和厘米波段需用同轴线馈电 。 第6章 线天线 图6-1-8 同轴线的不对称馈电 12 6.1.4 对称振子的馈电 1. U形管平衡变换器 结构：同轴主馈线分为两 路，一路的芯线在a点直接 接振子的一臂，另一路的芯 线经一段相同规格的 同 轴线段后在b点接振子的另 一臂。U形管外导体在输出 端接地。

5、 工作原理：同轴线上相隔 的两点间信号等幅反相，实 现对振子的平衡馈电。 这种平衡变换器是窄带 的。 第6章 线天线 图6-1-9 U形管对称变换器 13 6.1.4 对称振子的馈电 2. 分流式平衡变换 器 结构：在同轴线旁附加一段长 ，直径与同轴线外导体 相同的金属杆即构成分流式平衡变换器。 这种平衡变换器是宽带的。 工作原理 在中心频率，附加金属杆与同轴线 外导体构成短路线，它对同轴 线外导体的分流电流开路，使振子两臂电气上对称。 当偏离中心频率时，由于对称振子与平行双导线 的输入阻抗于a 、b两点并联，且二者的输入电抗符号相反，起到补偿 作用。同 时，流过附加金属杆的电流与同轴线 外导

6、体的外壁电流等幅反相 ，起到电流补偿 作用，从而使振子两臂上的电流仍然呈对称分 布。 第6章 线天线 图6-1-10 分流式平衡变换器 14 6.2 离散元直线阵 6.2.1 离散元直线阵 的辐射场及方向图乘积定 理 1. 辐射场 根据场的迭加原理，直线阵在远区P点的辐射场 第6章 线天线 图6-2-1 离散元直线阵 15 6.2.1 离散元直线阵的辐射场及方向图乘积定理 1. 辐射场 由平行线近似 各单元结构相同 由相同单元构成的直线阵的辐射场 第6章 线天线 16 2. 方向图乘积定理 由相同单元构成的直线阵的方向性函数是单元因 子与阵因子的乘积 称为单元因子，仅与天线单元的形式有 关。

7、称为阵因子，与天线阵的单元数 、馈电 电流分布 和单元间距分布 有关，而与天线 单元的形式无关。 第6章 线天线 6.2.1 离散元直线阵的辐射场及方向图乘积定理 17 6.2.1 离散元直线阵的辐射场及方向图乘积定理 3. 理想点源直线阵 理想点源的单元因子 =常数。 理想点源直线阵的辐射场 理想点源直线阵的方向性函数 第6章 线天线 理想点源直线阵的方向性函数就是相应的离散元 直线阵的阵因子。 18 6.2.2 二元阵 1. 二元阵的阵因子 理想点源二元阵沿z轴排列，理想点源的间距 为 ，电流为 、 ，且 二元阵的阵因子为 第6章 线天线 图6-2-2 理想点源二元阵 19 6.2.2 二

8、元阵 2. 二元阵实 例 例6-2-l 两结构相同的半波振子沿z轴排列，如图6-2-3所 示。设两振子等幅同相馈电，中心间距为 。求此二 元阵在E面( 平面)和H面( 平面)的方向图。 第6章 线天线 图6-2-3 例6-2-1中的二元阵 解 已知 ， ， ， 阵因子 半波振子的归一化方向性函数 20 6.2.2 二元阵 第6章 线天线 二元阵的方向性函数及归一化方向性函数分别为 21 6.2.2 二元阵 第6章 线天线 图6-2-4 例6-2-1中二元阵的方向图 a) E面 b) H面 22 6.2.2 二元阵 例6-2-2 两半波振子按图6-2-5a所示排列。设两振子中心间 距 ， 。求此

9、二元阵的E面方向图。 第6章 线天线 a) 图6-2-5 二元半波振子阵 解 已知 ， ， ， 阵因子 半波振子的方向性函数 23 6.2.2 二元阵 2. 二元阵实 例 例6-2-2 第6章 线天线 根据方向图乘积定理，二元阵的方向性函数 二元阵在E面( 平面， )的归一化方向性函数 24 6.2.2 二元阵 第6章 线天线 图6-2-5 二元半波振子阵 a) 二元半波振子阵坐标系 b) E面( xz平面)方向图 25 6.2.3 均匀直线阵 1. 均匀直线阵 的阵因子 均匀直线阵是指相邻单元等间距，各单元馈 电电流等幅分布，而相位则依次等量递增或递 减的直线阵。 均匀直线阵的阵因子 均匀直

10、线阵的归一化阵因子 第6章 线天线 26 6.2.3 均匀直线阵 1. 均匀直线阵 的阵因子 （1）均匀直线阵的阵因子是 的周期函数，周期为 。 （2）均匀直线阵的方向图相对于阵轴具有旋转对称性 ，即阵因子仅是 的函数。 （3） 表示两相邻单元辐射场的相位差 。 第6章 线天线 图6-2-7 与 的关系曲线(通用方向图) 27 6.2.3 均匀直线阵 2. 几种常见均匀直线阵 （1）边射直线阵 边射直线阵：最大辐射方向垂直于阵轴的直线阵 边射直线阵是等幅同相馈电直线阵 第6章 线天线 图6-2-9 时 5元边射阵的方向图 28 6.2.3 均匀直线阵 2. 几种常见均匀直线阵 （2）端射直线阵

11、 端射直线阵：最大辐射方向在阵轴方向的直线阵 阵中的各单元电流的相位沿最大辐射方向依次滞后 第6章 线天线 或 或 图6-2-10 ， 时 5元端射阵的方向图 29 6.2.3 均匀直线阵 （3）相位扫描直线阵 如果天线阵不转动，仅 随时间按一定规律变化，则 最大辐射方向连同整个方向图就能在一定空域内往复运 动，即实现方向图扫描。 第6章 线天线 图6-2-11 相位扫描阵和频率扫描阵的原理图 a) 相位扫描阵 b) 频率扫描阵 30 6.2.3 均匀直线阵 第6章 线天线 图6-2-12 相位扫描阵的E面方向图( ， ) a) M=90b) M=75 c) M=30d) M=0 31 6.2

12、.3 均匀直线阵 3. 栅瓣和间距的选择 单元间距 过大时天线方向图在 所对应的方向 将有多个最大值相同的大波瓣。通常称 对应的大 波瓣为主瓣， 等于其它值对应 的大波瓣为栅瓣。 消除栅瓣最大值的条件 消除整个栅瓣的条件 第6章 线天线 32 6.2.4 均匀直线阵的方向性分析 1. 零辐射方向和主瓣宽度 （1）零辐射方向 （2）主瓣的零功率宽度 （3）主瓣的半功率宽度（主瓣宽度） 第6章 线天线 33 6.2.4 均匀直线阵的方向性分析 （4）几种长均匀直线阵 （ ）的零辐 射方向和主瓣宽度。 边射阵 第6章 线天线 34 6.2.4 均匀直线阵的方向性分析 端射阵 第6章 线天线 35 6

13、.2.4 均匀直线阵的方向性分析 相位扫描阵，当 ， 时 第6章 线天线 36 6.2.4 均匀直线阵的方向性分析 2. 副瓣电平 （1）副瓣最大值方向 （2）副瓣最大值 （3）副瓣电平 第一副瓣电平 第6章 线天线 dB 37 6.2.4 均匀直线阵的方向性分析 3. 方向性系数 边射阵的方向性系数 端射阵的方向性系数 第6章 线天线 38 6.2.5 不等幅等间距边射直线阵 1. 三角形分布、二项式分布、倒三角形分布及其比较 第6章 线天线 图6-2-13 几种电流幅度分布(n = 5，d = /2) (a) 等幅分布； (b) 三角形分布； (c) 二项式分布； (d) 倒三角形分布 3

14、9 6.2.5 不等幅等间距边射直线阵 第6章 线天线 （2）二项式分布 （3）倒三角形分布 （1）三角形分布 40 6.2.5 不等幅等间距边射直线阵 （4）相互间的比较 就馈电电 流而言，二项式分布由中心向外的递减率 要大于三角形分布，等幅分布的递减率为零，倒三角 形分布则是递增分布（或者说递减率为负数）。 就副瓣电平而言，二项式分布最低（没有副瓣），按 三角形分布、等幅分布、倒三角形分布依次升高。可 见馈电电 流从中心向外的递减率越大，副瓣电平越 低。 第6章 线天线 41 6.2.5 不等幅等间距边射直线阵 第6章 线天线 图6-2-14 5元边射阵( d= /2 )方向图 (a) 等

15、幅分布 (b) 三角形分布 (c) 二项式分布 (d) 倒三角形分布 42 6.2.5 不等幅等间距边射直线阵 2. 道尔夫契比雪夫分布 道尔夫契比雪夫分布是一种对副瓣电平和主瓣宽度 呈最优折衷的分布，因其阵因子由契比雪夫多项式描 述而得名。在所有对称于中心的递减型馈电电 流分布 阵中，在给定的副瓣电平（或主瓣宽度）下，它的主 瓣宽度最窄（或副瓣电平最低），而且具有等副瓣的 特点，因此，被称为最优边射阵。 工程中提出了多种准最优边射阵，如泰勒（Taylor） 分布阵、贝利斯（Bayliss）分布阵等，并且几乎已成 为工业标准。 第6章 线天线 43 6.3 地面对天线性能的影响 6.3.1 镜像法 1. 一般概念 镜像法是在所研究的区域之外，用一些假想 的电荷、电流代替场问题 的边界，假如这 些电荷、电流和所研究的区域原有的电荷、 电流一起产生的电磁场满足原问题的边界 条件，那么，该电磁场就是待求的场解。 第6章 线天线 44 6.3.1 镜像法 2. 基本电振子对无限大理想导体平面的镜像 3. 镜像法的表述 用基本电振子的镜像代替无限大理想导体平面后，原问 题的场解等于原振子产生的场与其镜像产生的场的叠 加，也就是说，原问题可以转化成等效二元阵问题 。 第6章 线天线 图6-3-1 基本电振子的镜像 (a) 垂