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1、第第2章章 简单线天天线 制造：唐慧制造：唐慧制造：唐慧制造：唐慧主主主主讲讲：唐慧：唐慧：唐慧：唐慧 本章内容 2.1 程度对称天线程度对称天线 2.2 直立天线直立天线 2.3 环形天线环形天线 2.4 引向天线与背射天线引向天线与背射天线 2.1 程度对称天线 程度架程度架设天天线的理由：的理由：架架设和和馈电方便；方便；地面地面电导率率对程度天程度天线方向性的影响方向性的影响较垂直天垂直天线的小；的小；可可减减小小干干扰对接接纳的的影影响响。由由于于程程度度对称称天天线辐射射程程度度极极化化波波，而而工工业干干扰大大多多为垂垂直直极极化化波波，故故可可以以减减少少干干扰对接接纳的影响，
2、的影响，这对短波通短波通讯是有是有实践意践意义的。的。双 极 天 线 即 程 度 对 称 振 子 (HorizontalSymmetricalDipole)，又称型天线。2.1.1 双极天线双极天线电台支杆拉线构造双极天线构造简单，架设撤收方便，维护简易，因此是运用广泛的短波天线，适用于天波传播。u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，馈线运用H=10m长的双导线，馈线特性阻抗为600。这就是挪动通讯常用的44m即2H + 2l长度或64m双极天线。u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范围内通讯誉天线。当天线间隔较远时，这种天线增
3、益较低，方向性不强，且任务频段较窄。在分析天线的方向性时，可以把地面看作是理想导电地，由于在大多数情况下程度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替代地面对辐射的影响。辐辐射射射射1.双极天线的方向性根据电磁场的镜像原理，讨论一个电流元在无限大理想导电平面上的辐射场时，应满足在该理想导电平面上的切向电场处处为零的边境条件。为此，可在导电平面的另一侧设置一镜像电流元，该镜像电流元的作用就是替代导电平面上的感应电流，使得真实电流元和镜像电流元的合成场在理想导电平面上的切向值处处为零。u天线的镜像天线的镜像l程度电流元负镜像；l垂直电流元正镜像；l倾斜电流元负镜像。电流元的镜像电流元
4、的镜像电流分布不均匀的实践天线，分解成许多电流元，一切电流元的镜像集合起来即为整个天线的镜像。程度线天线的镜像一定为负镜像；垂直对称线天线的镜像为正镜像。对称振子的镜像天线的镜像天线的镜像以等幅同向和等幅反向二元阵来处置。以实践天线的电流I为参考电流，当天线的架高为H时，镜像天线相对于实践天线之间的波程差-2kHsin，由实践天线与镜像天线构成的二元阵的阵因子为Fa()=sin(kHsin)天线的镜像天线的镜像双极天线的坐标系统XOY平面为地面由自在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双极天线在不同臂长情况下的方向图在不同架高时的方向图铅垂平面与地面垂直且经过天线最大辐射方向的
5、垂直平面。鉴于实践天线的臂长l0.3时，最强辐射方向不止一个，H/越高，波瓣数越多，接近地面的第一波瓣m1越低。 第一波瓣的最大辐射仰角m1垂直平面方向图的特点：垂直平面方向图的特点：2 2程度平面方向图程度平面方向图程度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。方向函数是地因子与元因子的乘积:(1)双极天线程度平面方向图与架高H/无关。由于当仰角一定而变化时，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。(2)程度平面方向的外形取决于l/，方向图的变化规律与自在空间对称振子的一样，普通应选择天线长度l/0.7。(3)仰角越大时，程度平面方向性越不显著
6、。由于方向性决议于cossin，当仰角越大时，的变化引起的场强变化越小。当用双极天线作高仰角辐射时，振子架设的方位对任务影响不大，甚至顺着天线轴线方位仍能得到足够强的信号。程度平面方向图的特点程度平面方向图的特点双极天线方向图随架高的变化 l=/4双极天线方向图随臂长的变化 H=/4双极天线方向图随视角的变化 l=0.75，H=0.65双极天线的动态方向图双极天线的动态方向图(1)天线的长度只影响程度平面方向图，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，而对程度平面方向图没有影响。因此控制天线的长度，可控制程度平面的方向图。控制天线架设高度，可控制垂直平面的方向图。(2)天线架
7、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间隔内的侦听、干扰或通讯，又由于高仰角的程度平面方向性不明显，因此对天线架设方位要求不严厉。双极天线的辐射特点：双极天线的辐射特点：(3)当远间隔通讯时，应该根据通讯间隔选择通讯仰角，再根据通讯仰角确定天线架设高度，以保证天线最大辐射方向与通讯方向一致。(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。普通往往经过实践丈量来得出天线的输入阻抗随频率的变化曲线。输输入阻抗入阻抗入阻抗入阻抗l=20m、H=6m的双极天线输入阻抗 双极天线的输入阻抗在波段内的变化比较猛烈。欲在宽频带内运用双极天线时该当留意。3.
8、 3.方向系数方向系数方向系数方向系数天线的方向系数可由下式求得：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。4. 4. 尺寸尺寸尺寸尺寸设计设计 1) 臂臂长l的的选择原那么原那么 (1) 从程度平面方向性思索。从程度平面方向性思索。 为保保证在在任任务频率率范范围内内，天天线的的最最大大辐射射方方向向不不发生生变动，应选择振振子子的的臂臂长l0.7min，其其中中min为最最短短任任务波波长，满足足此此条条件件时，最最大大辐射射方方向向一一直直在在与与振振子子垂垂直直(即即=0)
9、的平面上。的平面上。 (2) 从天从天线及及馈电的效率思索。的效率思索。 为保保证馈电效率，通常要求效率，通常要求 l0.2 思思索索电台台在在波波段段任任务，那那么么应满足足 l0.2maxl0.2max 0.2maxl0.7min 2) 天天线架高架高H的的选择选择原那么：保原那么：保证在任在任务波段内通波段内通讯仰角方向上仰角方向上辐射射较强。假假设通通讯间隔隔在在300km以以内内，可可采采用用高高射射天天线,通通常常取取架架设高高度度H=(0.10.3)。对中中小小功功率率电台台，双双极极天天线的的架架设高高度度在在815m范范围内内，此此时对天天线的架的架设方位要求不方位要求不严。
10、假假设通通讯间隔隔较远，那那么么该当当使使天天线的的最最大大辐射射方方向向m1与与所需的射所需的射线仰角仰角0一致，天一致，天线架架设高度高度H，即，即综上所述，双极天线是一种构造简单、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。主要缺陷是任务频带窄，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运用。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安装。笼形天线为了抑制双极天特性阻抗较高，输入阻抗在任务频段内变化较大，馈线上的行波系数很低的缺陷，可采用加粗振子直径的方法来降低天线的特性阻抗，改善输入阻抗特性，展宽任务频带。5. 5. 性能
11、改善性能改善性能改善性能改善笼形构造的双锥天线平面片形对称振子扇形天线蝙蝠翼天线的演化过程及其构造表示图 直立天直立天线的运用：的运用： 在在长波波和和中中波波波波段段，由由于于波波长较长，天天线架架设高高度度H/遭遭到到限限制制，假假设采采用用程程度度悬挂挂的的天天线，受受地地的的负镜像像作作用用，天天线的的辐射射才才干干很很弱弱,而而且且在在此此波波段段主主要要采采用用地地面面波波传播播。由由于于地地面面波波传播播时，程程度度极极化化波波的的衰衰减减远大大于于垂垂直直极极化化波波，因因此此在在长波波和和中中波波波波段段主主要要运运用用垂垂直直接地的直立天接地的直立天线，也称，也称单极天极天
12、线。 短短波波近近间隔隔通通讯和和超超短短波波段段的的极极近近间隔隔挪挪动通通讯也也要要采采用用外外表表波波的的传播播方方式式，因因此此直直立立天天线还广广泛泛运运用用于于短短波和超短波段的挪波和超短波段的挪动通通讯电台中。台中。2.2 2.2 直立天线直立天线直立天线表示图 构造构造构造构造直立天直立天线电高度小，从而高度小，从而产生以下生以下问题：辐射射电阻小，阻小，损耗耗电阻比阻比较大，天大，天线的效率低。的效率低。输入入电阻阻小小，输入入电抗抗大大类似似于于短短的的开开道道路路，Q值很高，任很高，任务频带很窄。很窄。易易产生生过压。当当输入入功功率率一一定定时，由由于于输入入电阻阻小小
13、而而输入入电抗抗高高，使使天天线输入入端端电流流很很大大Pin=RinI2in/2，输入入电压 Uin=Iin(Rin+jXin)jIinXin 很很高高，天天线顶端端的的电压更高，易更高，易产生生过压景象。景象。 特点特点2.2.1鞭状天线鞭状天线(WhipAntenna)是一种运用相当广泛的程度平面全向天线。(a)螺接式； (b)拉伸式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，在实践地面上虽有波前倾斜，但仍属垂直极化波。电电性能性能性能性能1.极化极化鞭状天线的镜像分析鞭状天线的镜像分析u鞭状天线的方向图取自在空间对称振子的方向图的上半空间。u在理想导电地上，鞭状天
14、线的辐射电阻是一样臂长自在空间对称振子的一半，u而方向系数那么是一样臂长自在空间对称振子的2倍。2.方向图及方向系数方向图及方向系数对称振子方向图只思索上半空间鞭状天线方向图鞭状天线E面方向图鞭状天线随天线高度变化的立体方向图对称振子天线随天线长度变化的立体方向图鞭状天线立体方向图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，那么该等效天线的长度就称为鞭状天线的有效高度he。3.有效高度有效高度时对理想导电地来说，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。4.输入阻抗输入阻抗实实践地面上天
15、践地面上天践地面上天践地面上天线线的的的的输输入入入入电电阻包括两部分，即阻包括两部分，即阻包括两部分，即阻包括两部分，即 Rin=Rr0+Rl0 Rin=Rr0+Rl0归算于输入端电流的损耗电阻A7，干地A2，湿地归算于输入端电流的辐射电阻 时湿地 干地 由于损耗电阻大，同时又由于遭到天线高度H的限制，辐射电阻通常很小，故鞭状天线的效率很低，普通情况下仅为百分之几甚至不到1%。5.效率效率提高鞭状天线的效率，从两方面着手，提高辐射电阻；减小损耗电阻。加加加加顶负载顶负载容性加载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(Top Loading)。天线加顶负载后加大了垂直部分顶端对
16、地的分布电容使天线顶端不是开路点，顶端的电流不为零，电流的增大使远区辐射场也增大了。只需顶线不是太长，天线距地面的高度不是太大，那么程度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。原理= =计算顶负载的作用时，可将顶端的电容等效为一段延伸线h。设顶端电容为Ca，垂直线段的特性阻抗为Z0，那么此等效长度h可计算如下:容性加载的计算公式容性加载的计算公式加加加加顶负载顶负载天天天天线线可以看成是高度可以看成是高度可以看成是高度可以看成是高度为为h0=h+hh0=h+h的无的无的无的无顶负载顶负载天天天天线线。当(h+h)/很小时，上式可简化为 加顶负载后天线的有效高度
17、这样在不添加天线实践高度的前提下，添加了天线的有效高度，从而到达提高天线辐射电阻的目的。h/2加电感线圈加电感线圈感性加载加电感线圈改善天线电流分布 在短单极天线中部某点参与一定数值的感抗，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，它对加感点以上线段的电流分布并无改善作用。原理加感点的位置似乎距顶端愈近愈好，由于线圈仅对加感点以下线段上的电流分布起作用，但接近顶端容抗很高，要能有效抵消容抗必需加大感抗。即加大线圈的匝数，这不仅添加了分量，也加大了损耗。由于线圈仅对加感点以下线段上的电流分布起作用，加感点的位置也不应选得太低。加感点的位置普通选择在距天线
18、顶端1/31/2h处，h为天线的实践高度。加感点的选择降低损耗电阻降低损耗电阻鞭状天线的损耗包括天线导体的铜耗、支架的介质损耗、临近物体的吸收、加载线圈的损耗及地面的损耗，其中地面损耗最大。减少地面减少地面损耗的方法是改善地面的耗的方法是改善地面的电性性质。 接地接地线大型大型大型大型电电台：埋地台：埋地台：埋地台：埋地线线。普通是在地面以下采用向外普通是在地面以下采用向外普通是在地面以下采用向外普通是在地面以下采用向外辐辐射射射射线线构成的地网，地网埋构成的地网，地网埋构成的地网，地网埋构成的地网，地网埋设设的的的的深度在深度在深度在深度在0.20.20.5m0.5m之之之之间间，导线导线的
19、根数可以从的根数可以从的根数可以从的根数可以从1515根到根到根到根到150150根，根，根，根，导导线线直径直径直径直径约为约为3mm3mm，导线长导线长度半波度半波度半波度半波长长。假。假。假。假设设加加加加顶负载顶负载，由于，由于，由于，由于加加加加顶顶部分与地面的耦部分与地面的耦部分与地面的耦部分与地面的耦协协作用，那么地网作用，那么地网作用，那么地网作用，那么地网导线导线必需伸出程度横必需伸出程度横必需伸出程度横必需伸出程度横线线在地面上的投影。在地面上的投影。在地面上的投影。在地面上的投影。挪动电台：可在地面上架设地网或平衡器，高度普通为0.51m，导线数目为38根，长度为0.150.2。平衡器的架设 其它方式的直立天其它方式的直立天其它方式的直立天其它方式的直立天线线
