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1、第3章行波天线 3 1行波单导线及菱形天线3 2螺旋天线 行波天线与驻波天线的差别及优缺点 驻波天线工作在驻波状态 工作频带较窄 效率高于行波天线 行波天线工作在行波状态 工作频带较宽 但效率低于驻波天线 第一节行波单导线及菱形天线 一 行波单导线 行波单导线 天线上电流按行波分布的单导线天线 天线沿线各点电流振幅相等 相位连续滞后 其馈电点置于坐标原点 输入端电流为I0 忽略沿线电流的衰减 则线上电流分布为 分析方法 把天线分割成许多个电基本振子 取所有电基本振子辐射场的总和 故 方向函数为 行波单导线的方向性特点 1 沿导线轴线方向没有辐射 2 导线长度愈长 最大辐射方向愈靠近轴线方向 同
2、时主瓣愈窄 副瓣愈大且副瓣数增多 3 当l 很大时 主瓣方向随l 变化趋缓 即天线的方向性具有宽频带特性 a l b l 1 5 c l 3 对称振子 行波单导线天线辐射阻抗 变化快 行波单导线的方向系数的近似计算公式 最大辐射角 二 菱形天线 1 菱形天线的结构和工作原理 增加行波单导线天线的增益的方法 排阵 用4根行波单导线构成菱形天线 两线之间的距离变化 故菱形线上各点的特性阻抗不等 从锐角端的600 700 变化到钝角处的1000 引起天线上局部的反射 从而破坏行波状态 为了使特性阻抗变化较小 菱形的各边通常用2 3根导线并在钝角处分开一定距离 使天线导线的等效直径增加 菱形天线的辐射
3、场 四根导线在空间的合成场 通过适当选择菱形锐角2 0 边长l来获得最强的方向性 并使最大辐射方向指向负载方向 即菱形四根导线各有一最大辐射方向指向长对角线方向 在长对角线方向 1 2两根行波导线合成电场矢量的总相位差应该由下列三部分组成 菱形天线的工作原理 射线行程差引起的相位差 电流相位不同引起的相位差 电场的极化方向所引起的相位差 即长对角线方向上导线1 2的合成场同相叠加 导线1和4 在长对角线方向上射线行程差引起的相位差 r 0 电流相位差 i 电场极化相位差 E 总相位差 2 四条边上的天线在长对角线上相位都是同相的 2 菱形天线方向函数 过长轴的垂直平面的方向函数为 0为菱形的半
4、钝角 为仰角 H为天线的架设高度 当 0时 0为最大辐射方向仰角 水平平面的方向函数为 菱形天线每边的电长度愈长 波瓣愈窄 仰角变小 副瓣增多 菱形天线的方向图 a 水平平面方向图 b 过长轴的垂直平面方向图 3 菱形天线的尺寸选择及其变形天线 当通信仰角 0确定以后 选择主瓣仰角等于通信仰角 使f 0 最大 分别取各个因子分别最大 使第三个因子最大 则sin kHsin 0 1 即选择天线架高 使第二个因子为最大 则 sin kl 1 sin 0cos 0 2 1 即天线每边长度 使第一个因子为最大 则 由此得到半钝角 0和仰角 0应满足如下关系 在通信方向的仰角 0和工作波长 确定以后 便
5、可直接算出H l和 0 菱形天线的主要优点是 1 结构简单 造价低 维护方便 2 方向性强 增益系数可达100左右 3 频带宽 工作带宽可达 2 3 1 4 可应用于较大的功率 因为天线上驻波成分很小 因此不会发生电压或电流过大的问题 菱形天线的主要缺点是 1 结构庞大 场地大 只适用于大型固定电台作远距离通信使用 2 副瓣多 副瓣电平较高 3 效率低 由于终端有负载电阻吸收能量 为了改善菱形天线的特性参数 常采用双菱天线菱形对角线之间的距离d 0 8 其方向函数表达式为 双菱天线 单菱形天线的方向函数 双菱天线的旁瓣电平比单菱形天线低 增益系数约为单菱形天线的1 5 2倍 为了提高菱形天线的
6、效率 可采用回授式菱形天线结构 回授式菱形天线没有终端吸收电阻 它是将终端剩余能量送回输入端 再激励天线 2 如果回授至输入端的电流相位与输入端的馈源电流相位相同 那么剩余的能量也就能辐射出去 从而提高了天线的效率 回授式菱形天线 三 行波V形天线 Traveling WaveVeeAntenna V形斜天线 仅有一根支杆和两根载有行波电流的导线组成 架设很简单 适用于移动的台站中 提高天线的有效高度之一 分布式加载 其典型天线之一即为螺旋鞭天线 HelicalWhipAntenna 螺旋鞭天线 第二节螺旋天线 螺旋天线的辐射特性取决于螺旋线直径D与波长的比值D 此类天线具有三种辐射状态 螺旋
7、天线的三种辐射状态 a 边射型 b 端射型 c 圆锥型 螺旋柱直径D 0 25 0 46 的端射型螺旋天线 又称为轴向模螺旋天线 简称为螺旋天线 主要特点 1 沿轴线方向有最大辐射 2 辐射场是圆极化波 3 天线导线上的电流按行波分布 4 输入阻抗近似为纯电阻 5 具有宽频带特性 螺旋天线是一种最常用的典型的圆极化天线 CircularPolarizedAntenna 一 圆极化波的应用 使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波 1 通信的一方或双方处于方向 位置不定的状态 为了提高通信的可靠性 收发天线之一应采用圆极化天线 2 在人造卫星和弹道导弹的空间遥测系统中 信号穿过电离层传播后
8、产生极化畸变 这也要求地面上安装圆极化天线作发射或接收天线 3 为了干扰和侦察对方的通信或雷达目标 需要应用圆极化天线 4 在电视中为了克服杂乱反射所产生的重影 也可采用圆极化天线 因为它只能接收旋向相同的直射波 抑制了反射波传来的重影信号 圆极化波的重要性质 1 圆极化波是一等幅旋转场 它可分解为两正交等幅 相位相差90 的线极化波 2 辐射左旋圆极化波的天线 只能接收左旋圆极化波 对右旋圆极化波也有相对应的结论 3 当圆极化波入射到一个平面上或球面上时 其反射波旋向相反 即右旋波变为左旋波 左旋波变为右旋波 二 螺旋天线的工作原理 D 螺旋的直径 a 螺旋线导线的半径 s 螺距 即每圈之间
9、的距离 螺距角 l0 一圈的长度 N 圈数 h 轴向长度 h Ns 一圈展开图形 将圆环展成直线时线上的电流分布 t1时刻 t1 T 4时刻 经过一个周期T的时间间隔 电场矢量将旋转360 由于线上电流振幅值是不变的 故轴向辐射的场值也不会变 所以 周长为一个波长的载行波圆环沿轴线方向辐射的是圆极化波 驻波 螺旋天线工作在圆极化状态的原因 行波 t1时刻轴向辐射场只有Ey分量 T1 T 4时刻轴向辐射场只有Ex分量 总结 螺旋天线上的电流是行波电流 是圆极化波 按右手螺旋方式绕制的螺旋天线 在轴向只能辐射或接收右旋圆极化波 按左手螺旋方式绕制的螺旋天线 在轴向只能辐射或接收左旋圆极化波 若用螺旋天线作抛物面天线的初级馈源 如果抛物面天线接收右旋圆极化波 则反射后右旋变成左旋 因此螺旋天线必须是左旋的 三 螺旋天线的电参数估算 工程上常用的估算公式 这些公式适用于螺距角 12 16 圈数N 3 每圈长度l0 3 4 4 3 1 天线的方向系数或增益 2 方向图的半功率角为 3 方向图零功率张角为 4 输入阻抗为 5 极化椭圆的轴比为 为了提高增益 可采用螺旋天线阵 椭圆 圆 四臂螺旋天线
