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1、第3章 偶极子天线第3章 偶极子天线3.1电偶极子3.2磁偶极子3.3偶极子天线3.1电偶极子电偶极子又称为赫兹偶极子或电流源。有带有电流I的长度远小于波长的带电导线构成。3.1电偶极子3.1电偶极子远区场的表达式(错)3.1电偶极子电偶极子辐射场的特性 1 场强与电流、偶极子长度、与z轴的夹角、距离的倒数成反比； 2 电场和磁场的远场比值为波阻抗； 3电场和磁场的远场是正交的； 3.1电偶极子电偶极子的方向性函数3.1电偶极子3.2磁偶极子磁偶极子又称电流环。3.3 偶极子天线通过计算可以发现电偶极子和磁偶极子的辐射电阻很小，为了实现大功率的辐射，需要很高的电流，所以电偶极子和磁偶极子都不是
2、有效的辐射器。偶极子天线又称为对称振子。将终端开路的平行双导线张开，就构成了偶极子天线。当双线传输线之间的距离远小于工作波长时，由于位移电流束缚在两导线之间的场中，因此终端开路的双导线的辐射能量也是极微弱的，作为天线是不利的。为此，必须将终端开路的双线传输线张开，使位移电流扩展到交大的空间去。因此偶极子天线具有足够的开放性，即电磁力线裸露在空间中，使振子上的能量离开导线，构成进入空间的通路。3.3 偶极子天线对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。一臂的导线半径为a，长度为l。3.3 偶极子天线若想分析对称振子的辐射特性，必须首先知道它的电流分布。为了精确地求解对称振子的电流分
3、布，需要采用数值分析方法，但计算比较麻烦。实际上，细对称振子天线可以看成是由末端开路的传输线张开形成，理论和实验都已证实，细对称振子的电流分布与末端开路线上的电流分布相似，即非常接近于正弦驻波分布，并忽略振子损耗，则其形式为3.3 偶极子天线偶极子天线的特点1 振子的终端是电流的波节；2 离终端四分之一波长处是波腹，再经四分之一波长处为波节一次重复；3 在振子上电流经过零值时，电流相位改变180度；4振子输入端的电流值由振子长度l和波长的比值决定；5振子两臂相对应点的电流值相等。3.3 偶极子天线偶极子天线的辐射场与方向性1.辐射场电偶极子辐射场： 对称振子上线元dz在远区的辐射场：r观察点至
4、单元电流 的距离。射线至天线轴的夹角。3.3 偶极子天线在远区，近似认为 是平行的在分母中，在相位中3.3 偶极子天线代入积分式： 偶极子天线辐射场表示式3.3 偶极子天线1）方向性函数归一化方向性函数：3.3 偶极子天线半波对称振子 E面 H面 半波对称振子的方向图 2L = /22L = 2L = 22L = 3/2四种长度的对称天线方向图四种长度的对称天线方向图半波天线半波天线全波天线全波天线3.3 偶极子天线从方向性函数我们发现偶极子天线在各方向的场强分布是不均匀的。偶极子天线辐射场的相位与方向无关，在远区观察点看，偶极子天线辐射场的波好似从它的馈点开始沿着r方向传播来的，因此这点称为
5、相位中心。我们可以书中69页的图3.9发现方向图的变化：当l小于等于半波长时，方向图随l变长而变得尖锐，只有一个波瓣，最大辐射方向在90度；当l大于半波长时，振子上出现反向电流，在计算远区电场时不仅要考虑场点到振子不同位置距离差引起的相位差，还要考虑电偶极子电流的相位差，这就导致了方向图上出现了多瓣现象，称为副瓣。偶极子天线在轴向均无辐射。3.3 偶极子天线形成天线不同方向性的主要因素：a.基本元的方向性；b.天线上电流的振幅和相位分布；c.各基元到远区观察点的射线间的行程差。3.3 偶极子天线偶极子天线的辐射功率和辐射电阻3.3 偶极子天线3.3 偶极子天线前面求得的辐射电阻是在远区积分得到
6、的，没有考虑近区场。如果作一闭合面紧靠振子表面，这时波印廷矢量沿表面的积分所得的功率应既有实部又有虚部。实部功率产生脱离振子电流和电荷的辐射场，虚部表示无功功率，它表示受振子电流和电荷牵制的，并与电流和电荷形成统一体，不能分割开的储能场。3.3 偶极子天线柱面上的波印廷矢量的法向分量，z方向上的积分为零3.3 偶极子天线3.3 偶极子天线从能量守恒定理分析，上式的结果与用坡印廷矢量在远区积分得到的辐射电阻是相等的。无功功率产生与振子上的电流和电荷构成统一体的储能场，该场没有辐射特性，不能脱离振子。所以可以发现，通过不同位置和不同形状的闭合面的坡印廷矢量积分是不相等的。2024/9/13.3 偶
7、极子天线3.3 偶极子天线实际上振子上的电流不是按正弦规律分布的，在一些情况下上面的方法是不适用的。3.3 偶极子天线通常发射设备和发射天线，接收设备和接收天线都要经过传输线来相连。根据传输线理论，传输线特性阻抗等于它的负载阻抗时，传输线工作在匹配状态。在天线馈线系统中，传输线的终端负载为天线的输入阻抗。因此为了使传输线和天线匹配，必须使天线的输入阻抗等于阻抗等于传输线的特性阻抗。在不相等的情况下要利用匹配技术来进行匹配。2024/9/13.3 偶极子天线用等效传输线法求输入阻抗（1）传输线与对称振子的区别a.传输线上沿线分布参数是均匀的其特性阻抗为：式中 为两导线间的距离。 a 为导线半径
8、3.3 偶极子天线b. 传输线不是辐射系统而天线是辐射系统。可将： 天线的辐射能量传输线的损耗能量 天线 有损耗的开路传输线 3.3 偶极子天线 将振子辐射的功率等效为沿天线臂的电阻损耗，且此损耗电阻均匀地分布在天线臂上。设振子单位长度损耗电阻为 整个振子的损耗功率为 将 代入上式得3.3 偶极子天线根据传输线理论3.3 偶极子天线不考虑损耗是偶极子天线的平均特性阻抗3.3 偶极子天线偶极子天线的特性阻抗为偶极子天线的输入阻抗3.3 偶极子天线3.3 偶极子天线在偶极子天线长度确定的情况下，随着频率的变化，方向图或最大辐射方向会改变，副瓣电平可能增大，阻抗匹配将变坏等。因此，对一个特定的偶极子
9、天线就应该具有通频带的概念。阻抗随频率的变化很大，因此经常以阻抗特性来定义偶极子天线的通频带。天线输入阻抗的变化会引起天线电压驻波比的变化，通常根据一个天线的工作条件和要求给出一个允许的最大电压驻波比来定义天线的通频带。3.3 偶极子天线3.3 偶极子天线根据上述要求，在通频带边界频率上天线的输入电阻等于输入电抗，得到3.3 偶极子天线相对通频带为3.3 偶极子天线当天线的输入电抗为零时，称为发生了谐振，从图中可以看到天线电抗为零时，天线长度总是略小于四分之波长的整数倍。这种现象称为天线的缩短效应。这种现象是由于终端集中了过多的电力线造成的。电力线集中等效在末端加有电容，该电容可以用一段开路的双线传输线代替。因此末端电流不为零，振子好像在末端加长了一段。振子半径越大要求缩短的长度就越大。由于偶极子天线的谐振长度小于四分之一波长，所以振子上的波长也小于自由空间的波长，这种现象叫做波长缩短现象。3.3 偶极子天线平衡的破坏天线附近的金属障碍物，如接地平面同轴馈电外导体外表面电流解决方案平衡不平衡转换器3.3 偶极子天线
