第3章行波天线

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1、第第3 3章章 行波天线行波天线 第第3 3章章 行波天线行波天线 3.1 3.1 行波单导线及菱形天线行波单导线及菱形天线 3.2 3.2 螺旋天线螺旋天线行波天线与驻波天线的差别及优缺点：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；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。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。第第3 3章章 行波天线行波天线 第一节第一节 行波单导线及菱形天线行波单导线及菱形天线 一、一、 行波单导线行波单导线行波单导线：天线上电流按行

2、波分布的单导线天线。行波单导线：天线上电流按行波分布的单导线天线。天天线线沿沿线线各各点点电电流流振振幅幅相相等等，相相位位连连续续滞滞后后，其其馈馈电电点点置于坐标原点。置于坐标原点。 输入端电流为输入端电流为 I0，忽略沿线电流的衰减，则线上电流分布为：忽略沿线电流的衰减，则线上电流分布为：第第3 3章章 行波天线行波天线 分分析析方方法法：把把天天线线分分割割成成许许多多个个电电基基本本振振子子，取取所所有有电电基基本振子辐射场的总和，故本振子辐射场的总和，故: :方向函数为方向函数为: :第第3 3章章 行波天线行波天线 行波单导线的方向性特点：行波单导线的方向性特点： （1 1）沿导

3、线轴线方向没有辐射。）沿导线轴线方向没有辐射。（2 2）导线长度愈长，最大辐射方向愈靠近轴线方向，同时主）导线长度愈长，最大辐射方向愈靠近轴线方向，同时主瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣数增多。瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣数增多。（3 3）当）当 l/ 很大时，主瓣方向随很大时，主瓣方向随 l/ 变化趋缓，即天线的方向变化趋缓，即天线的方向性具有宽频带特性。性具有宽频带特性。 (a)l=; (b)l=1.5; (c)l=3第第3 3章章 行波天线行波天线 对称振子对称振子行波单导线天线行波单导线天线辐射阻抗辐射阻抗第第3 3章章 行波天线行波天线 变化快变化快 行波单导线的方向系数的近似计算公式：行波单导线的

4、方向系数的近似计算公式：最大辐射角最大辐射角第第3 3章章 行波天线行波天线 二、二、 菱形天线菱形天线1 1、 菱形天线的结构和工作原理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：增加行波单导线天线的增益的方法：排阵排阵 用用4 4根行波单导线构成菱形天线。根行波单导线构成菱形天线。两线之间的距离变两线之间的距离变化，故菱形线上各化，故菱形线上各点的特性阻抗不等，点的特性阻抗不等，从锐角端的从锐角端的600700变化到钝角变化到钝角处的处的1000。引起。引起天线上局部的反射，天线上局部的反射，从而破坏行波状态。从而破坏行波状态。为了使特性阻抗变为了使特性阻抗变化较小，菱形的各化

5、较小，菱形的各边通常用边通常用23根导根导线并在钝角处分开线并在钝角处分开一定距离，使天线一定距离，使天线导线的等效直径增导线的等效直径增加，加，第第3 3章章 行波天线行波天线 菱形天线的辐射场：四根导线在空间的菱形天线的辐射场：四根导线在空间的合成场合成场。通通过过适适当当选选择择 菱菱形形锐锐角角20、边边长长 l 来来获获得得最最强强的的方方向向性性，并使最大辐射方向指向负载方向。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。即菱形四根导线各有一最大辐射方向指向长对角线方向。 第第3 3章章 行波天线行波天线 在在长长对对角角线线方方向向，1 1、2

6、 2两两根根行行波波导导线线合合成成电电场场矢矢量量的的总总相相位位差差应应该由下列三部分组成：该由下列三部分组成：菱形天线的工作原理菱形天线的工作原理 射线行程差引射线行程差引起的相位差起的相位差电流相位不同电流相位不同引起的相位差引起的相位差电场的极化方向所电场的极化方向所引起的相位差引起的相位差即长对角线方向上导线即长对角线方向上导线1 1、2 2的合成场同相叠加。的合成场同相叠加。 第第3 3章章 行波天线行波天线 导线导线1 1和和4 4：在长对角线方向上射线行程差引起的相位差在长对角线方向上射线行程差引起的相位差r=0，电流相位差电流相位差 i=，电场极化相位差电场极化相位差 E=

7、，总相位差总相位差 =2。四条边上的天线在长对角四条边上的天线在长对角线上相位都是同相的。线上相位都是同相的。第第3 3章章 行波天线行波天线 2 2、 菱形天线方向函数菱形天线方向函数过长轴的垂直平面的方向函数为过长轴的垂直平面的方向函数为: :0 为菱形的半钝角；为菱形的半钝角；为仰角为仰角；H为天线的架设高度。为天线的架设高度。当当=0时（时（0为最大辐射方向仰角）。为最大辐射方向仰角）。水平平面的方向函数为：水平平面的方向函数为：第第3 3章章 行波天线行波天线 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

8、向图菱形天线的方向图(a)(a)水平平面方向图；水平平面方向图；(b)(b)过长轴的垂直平面方向图过长轴的垂直平面方向图第第3 3章章 行波天线行波天线 3 3、 菱形天线的尺寸选择及其变形天线菱形天线的尺寸选择及其变形天线 当当通通信信仰仰角角0 确确定定以以后后，选选择择主主瓣瓣仰仰角角等等于于通通信信仰仰角角。使使 f(0) 最大，分别取各个因子分别最大：最大，分别取各个因子分别最大：使第三个因子最大，则使第三个因子最大，则 sin(kHsin0)=1，即选择天线架高：，即选择天线架高：第第3 3章章 行波天线行波天线 使第二个因子为最大，则使第二个因子为最大，则: : sinkl(1-

9、sin0cos0)/2=1，即天线每边长度：即天线每边长度： 使第一个因子为最大，则使第一个因子为最大，则： 由此得到半钝角由此得到半钝角 0 和仰角和仰角 0 应满足如下关系：应满足如下关系： 在通信方向的仰角在通信方向的仰角 0 和工作波长和工作波长确定以后，确定以后，便可直接算出便可直接算出 H、l 和和 0。第第3 3章章 行波天线行波天线 菱形天线的主要优点是：菱形天线的主要优点是：（1 1）结构简单，造价低，维护方便；）结构简单，造价低，维护方便；（2 2）方向性强，增益系数可达）方向性强，增益系数可达100100左右；左右；（3 3）频带宽，工作带宽可达（）频带宽，工作带宽可达（

10、2 23 3）11；（4 4）可可应应用用于于较较大大的的功功率率，因因为为天天线线上上驻驻波波成成分分很很小小，因因此此不会发生电压或电流过大的问题。不会发生电压或电流过大的问题。 菱形天线的主要缺点是：菱形天线的主要缺点是：（1 1）结结构构庞庞大大，场场地地大大，只只适适用用于于大大型型固固定定电电台台作作远远距距离离通通信使用；信使用；（2 2）副瓣多，副瓣电平较高；）副瓣多，副瓣电平较高；（3 3）效率低，由于终端有负载电阻吸收能量。）效率低，由于终端有负载电阻吸收能量。第第3 3章章 行波天线行波天线 为了改善菱形天线的特性参数，常采用双菱天线为了改善菱形天线的特性参数，常采用双菱

11、天线菱形对角线之间的距离菱形对角线之间的距离 d0.8，其方向函数表达式为其方向函数表达式为:双菱天线双菱天线 单菱形天线的单菱形天线的方向函数方向函数双双菱菱天天线线的的旁旁瓣瓣电电平平比比单单菱菱形形天天线线低低，增增益益系系数数约约为为单单菱菱形形天天线线的的1.51.52 2倍。倍。第第3 3章章 行波天线行波天线 为了提高菱形天线的效率，可采用回授式菱形天线结构。为了提高菱形天线的效率，可采用回授式菱形天线结构。回回授授式式菱菱形形天天线线没没有有终终端端吸吸收收电电阻阻，它它是是将将终终端端剩剩余余能能量量送送回回输输入入端端，再再激激励励天天线线“2”“2”。如如果果回回授授至至

12、输输入入端端的的电电流流相相位位与与输输入入端端的的馈馈源源电电流流相相位位相相同同，那那么么剩剩余余的的能能量量也也就就能能辐辐射射出出去去，从而提高了天线的效率。从而提高了天线的效率。回授式菱形天线回授式菱形天线第第3 3章章 行波天线行波天线 三、三、行波行波V V形天线形天线（TravelingWave Vee Antenna） V 形斜天线形斜天线，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。设很简单，适用于移动的台站中。第第3 3章章 行波天线行波天线 提高天线的有效高度之一提高天线的有效高度之一分布分布式加

13、载，其典型天线之一即为螺旋鞭天式加载，其典型天线之一即为螺旋鞭天线线 （Helical Whip Antenna）。）。螺旋鞭天线螺旋鞭天线 第二节第二节 螺旋天线螺旋天线 第第3 3章章 行波天线行波天线 螺旋天线的辐射特性取决于螺旋线直径螺旋天线的辐射特性取决于螺旋线直径D与波长的比值与波长的比值 D/，此类天线具有三种辐射状态。此类天线具有三种辐射状态。螺旋天线的三种辐射状态螺旋天线的三种辐射状态(a) 边射型边射型 (b) 端射型端射型 (c)圆锥型圆锥型 第第3 3章章 行波天线行波天线 螺旋柱直径螺旋柱直径 D=(0.250.46) 的端射型螺旋天线，的端射型螺旋天线，又称为轴向模

14、螺旋天线，简称为螺旋天线，又称为轴向模螺旋天线，简称为螺旋天线，主要特点：主要特点：（1）沿轴线方向有最大辐射；）沿轴线方向有最大辐射；（2）辐射场是圆极化波；）辐射场是圆极化波；（3）天线导线上的电流按行波分布；）天线导线上的电流按行波分布；（4）输入阻抗近似为纯电阻；）输入阻抗近似为纯电阻； (5）具有宽频带特性。）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螺旋天线是一种最常用的典型的圆极化天线(Circular Polarized Antenna)。第第3 3章章 行波天线行波天线 一、一、 圆极化波的应用圆极化波的应用 使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。使用一副

15、圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。1 1、通通信信的的一一方方或或双双方方处处于于方方向向、位位置置不不定定的的状状态态，为为了了提提高高通通信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天线。信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天线。2 2、在在人人造造卫卫星星和和弹弹道道导导弹弹的的空空间间遥遥测测系系统统中中，信信号号穿穿过过电电离离层层传传播播后后，产产生生极极化化畸畸变变，这这也也要要求求地地面面上上安安装装圆圆极极化化天天线线作作发射或接收天线。发射或接收天线。3 3、为为了了干干扰扰和和侦侦察察对对方方的的通通信信或或雷雷达达目目标标，需需要要应应用用圆圆极极化化天天线。线。4 4、在

16、在电电视视中中为为了了克克服服杂杂乱乱反反射射所所产产生生的的重重影影，也也可可采采用用圆圆极极化化天天线线，因因为为它它只只能能接接收收旋旋向向相相同同的的直直射射波波，抑抑制制了了反反射射波波传传来的重影信号。来的重影信号。第第3 3章章 行波天线行波天线 圆极化波的重要性质圆极化波的重要性质：（1 1）圆圆极极化化波波是是一一等等幅幅旋旋转转场场，它它可可分分解解为为两两正正交交等等幅幅、相相位相差位相差9090的线极化波；的线极化波；（2 2）辐辐射射左左旋旋圆圆极极化化波波的的天天线线，只只能能接接收收左左旋旋圆圆极极化化波波，对对右旋圆极化波也有相对应的结论；右旋圆极化波也有相对应

17、的结论；（3 3）当当圆圆极极化化波波入入射射到到一一个个平平面面上上或或球球面面上上时时，其其反反射射波波旋旋向相反，即右旋波变为左旋波，左旋波变为右旋波。向相反，即右旋波变为左旋波，左旋波变为右旋波。第第3 3章章 行波天线行波天线 二、二、 螺旋天线的工作原理螺旋天线的工作原理D螺旋的直径；螺旋的直径；a螺旋线导线的半径；螺旋线导线的半径；s螺距，即每圈之间的距离；螺距，即每圈之间的距离；螺距角，螺距角， l0一圈的长度，一圈的长度， N圈数；圈数； h轴向长度，轴向长度，h=Ns 一圈展开图形一圈展开图形第第3 3章章 行波天线行波天线 将圆环展成将圆环展成直线时线上直线时线上的电流分

18、布的电流分布t1时刻时刻t1 +T/4 时刻时刻经过一个周期经过一个周期T T的时间间的时间间隔，电场矢量将旋转隔，电场矢量将旋转360360。由于线上电流振幅值是由于线上电流振幅值是不变的，故轴向辐射的不变的，故轴向辐射的场值也不会变。场值也不会变。所以，周长为一个波长所以，周长为一个波长的载行波圆环沿轴线方的载行波圆环沿轴线方向辐射的是圆极化波。向辐射的是圆极化波。驻波驻波螺旋天线工作在圆螺旋天线工作在圆极化状态的原因：极化状态的原因：行波行波t t1 1 时刻轴向辐射场时刻轴向辐射场只有只有E Ey y 分量。分量。T T1 1 T/4T/4时刻轴向辐射时刻轴向辐射场只有场只有E Ex

19、x 分量。分量。第第3 3章章 行波天线行波天线 总结：总结：螺旋天线上的电流是螺旋天线上的电流是行波电流行波电流，是，是圆极化波圆极化波。按按右右手手螺螺旋旋方方式式绕绕制制的的螺螺旋旋天天线线，在在轴轴向向只只能能辐辐射射或或接接收收右右旋圆极化波旋圆极化波；按按左左手手螺螺旋旋方方式式绕绕制制的的螺螺旋旋天天线线，在在轴轴向向只只能能辐辐射射或或接接收收左左旋圆极化波旋圆极化波。若若用用螺螺旋旋天天线线作作抛抛物物面面天天线线的的初初级级馈馈源源，如如果果抛抛物物面面天天线线接接收收右右旋旋圆圆极极化化波波，则则反反射射后后右右旋旋变变成成左左旋旋，因因此此螺螺旋旋天天线线必须是左旋的。必须是左旋的。 第第3 3章章 行波天线行波天线 三、三、 螺旋天线的电参数估算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工程上常用的估算公式，这些公式适用于螺距角=1216，圈数，圈数N3，每圈长度，每圈长度l0=(3/44/3)。 （1）天线的方向系数或增益）天线的方向系数或增益（2）方向图的半功率角为）方向图的半功率角为 （3）方向图零功率张角为）方向图零功率张角为（4）输入阻抗为）输入阻抗为（5）极化椭圆的轴比为）极化椭圆的轴比为为了提高增益，为了提高增益，可采用螺旋天可采用螺旋天线阵。线阵。椭圆椭圆圆圆第第3 3章章 行波天线行波天线 四臂螺旋天线四臂螺旋天线