第2章 簡單線天線.ppt

BEAConfidential 1 第2章簡單線天線 制作 唐慧主講 唐慧 電波與天線 本章內(nèi)容 2 1水平對稱天線2 2直立天線2 3環(huán)形天線2 4引向天線與背射天線 2 1水平對稱天線 水平架設天線的理由 架設和饋電方便 地面電導率對水平天線方向性的影響較垂直天線的小 可減小干擾對接收的影響 因為水平對稱天線輻射水平極化波 而工業(yè)干擾大多為垂直極化波 故可以減少干擾對接收的影響 這對短波通信是有實際意義的 雙極天線即水平對稱振子 HorizontalSymmetricalDipole 又稱 型天線 2 1 1雙極天線 結構 雙極天線結構簡單 架設撤收方便 維護簡易 因而是應用廣泛的短波天線 適用于天波傳播 當天線一臂的長度l 12m或22m時 天線特性阻抗通常為1000 左右 饋線使用H 10m長的雙導線 饋線特性阻抗為600 這就是移動通信常用的44m 即2H 2l長度 或64m雙極天線 當其架設高度小于0 3 向高空方向 仰角90 輻射最強 宜作300km范圍內(nèi)通信用天線 當天線距離較遠時 這種天線增益較低 方向性不強 且工作頻段較窄 在分析天線的方向性時 可以把地面看作是理想導電地 因為在大多數(shù)情況下水平極化波地面反射系數(shù)都接近 1 可用地面下的負鏡像天線來代替地面對輻射的影響 1 雙極天線的方向性 根據(jù)電磁場的鏡像原理 討論一個電流元在無限大理想導電平面上的輻射場時 應滿足在該理想導電平面上的切向電場處處為零的邊界條件 為此 可在導電平面的另一側(cè)設置一鏡像電流元 該鏡像電流元的作用就是代替導電平面上的感應電流 使得真實電流元和鏡像電流元的合成場在理想導電平面上的切向值處處為零 天線的鏡像 水平電流元 負鏡像 垂直電流元 正鏡像 傾斜電流元 負鏡像 電流元的鏡像 電流分布不均勻的實際天線 分解成許多電流元 所有電流元的鏡像集合起來即為整個天線的鏡像 水平線天線的鏡像一定為負鏡像 垂直對稱線天線的鏡像為正鏡像 對稱振子的鏡像 天線的鏡像 以等幅同向和等幅反向二元陣來處理 以實際天線的電流I為參考電流 當天線的架高為H時 鏡像天線相對于實際天線之間的波程差 2kHsin 由實際天線與鏡像天線構成的二元陣的陣因子為Fa sin kHsin 天線的鏡像 雙極天線的坐標系統(tǒng) XOY平面為地面 由自由空間對稱振子方向函數(shù)和負鏡像陣因子按方向圖乘積定理得 雙極天線在不同臂長情況下的方向圖 在不同架高時的方向圖 鉛垂平面與地面垂直且通過天線最大輻射方向的垂直平面 鑒于實際天線的臂長l 0 7 單元天線最大輻射方向垂直于對稱振子 故取振子的H面為垂直平面 水平平面對應一定的仰角 固定r OP 觀察點P繞z軸旋轉(zhuǎn)一周所在的平面 在該平面上P點場強隨 變化的相對大小即為雙極天線的水平平面方向圖 1 垂直平面方向圖 0 的xOz面即為雙極天線的垂直平面 fxOz 0 1 coskl 2sin kHsin 1 垂直平面方向圖只與架設高度H 有關 而與l 無關 這是因為 不管單元振子有多長 元因子在垂直于振子軸的平面內(nèi)方向圖恒為一個圓 故可用改變天線架設高度H 來控制垂直平面內(nèi)的方向圖 2 無論H 為何值 沿地面方向 即 0 方向 均無輻射 這是由于天線與其鏡像在該方向的射線行程差為零 且兩者電流反相 因而輻射場互相抵消 雙極天線不能用作地波通信 垂直平面方向圖的特點 3 當H 0 25 0 3時 最大輻射方向在 90 在 60 90 范圍內(nèi)場強變化不大 即此時天線具有高仰角輻射性能 稱之為高射天線 通常應用在0 300km內(nèi)的天波通信中 4 當?shù)孛娌皇抢硐雽щ姷貢r 不同架設高度的天線在垂直平面內(nèi)的方向圖的變化規(guī)律與理想導電地基本相同 只是場強最大值變小 最小值不為零 最大輻射方向稍有偏移 不同地質(zhì)對水平振子方向性影響不大 垂直平面方向圖的特點 在架設天線時 應使天線的最大輻射仰角 m1等于通信仰角 0 根據(jù)通信仰角 0就可求出天線架設高度H 即 當雙極天線用作天波通信時 工作距離愈遠 通信仰角 0愈低 則要求天線架設高度越高 5 當H 0 3時 最強輻射方向不止一個 H 越高 波瓣數(shù)越多 靠近地面的第一波瓣 m1越低 第一波瓣的最大輻射仰角 m1 垂直平面方向圖的特點 2 水平平面方向圖 水平平面方向圖就是在輻射仰角 一定的平面上 天線輻射場強隨方位角 的變化關系圖 方向函數(shù)是地因子與元因子的乘積 1 雙極天線水平平面方向圖與架高H 無關 因為當仰角一定而 變化時 直射波與反射波的波程差不變 鏡像的存在只影響合成場的大小 2 水平平面方向的形狀取決于l 方向圖的變化規(guī)律與自由空間對稱振子的相同 一般應選擇天線長度l 0 7 3 仰角越大時 水平平面方向性越不顯著 因為方向性決定于cos sin 當仰角越大時 的變化引起的場強變化越小 當用雙極天線作高仰角輻射時 振子架設的方位對工作影響不大 甚至順著天線軸線方位仍能得到足夠強的信號 水平平面方向圖的特點 雙極天線方向圖隨架高的變化 l 4 雙極天線方向圖隨臂長的變化 H 4 雙極天線方向圖隨視角的變化 l 0 75 H 0 65 雙極天線的動態(tài)方向圖 1 天線的長度只影響水平平面方向圖 而對垂直平面方向圖沒有影響 架設高度只影響垂直平面方向圖 而對水平平面方向圖沒有影響 因此控制天線的長度 可控制水平平面的方向圖 控制天線架設高度 可控制垂直平面的方向圖 2 天線架設不高 H 0 3 時 在高仰角方向輻射最強 因此這種天線可作0 300km距離內(nèi)的偵聽 干擾或通信 又由于高仰角的水平平面方向性不明顯 因此對天線架設方位要求不嚴格 雙極天線的輻射特點 3 當遠距離通信時 應該根據(jù)通信距離選擇通信仰角 再根據(jù)通信仰角確定天線架設高度 以保證天線最大輻射方向與通信方向一致 4 為保證天線在 0 方向輻射最強 應使天線一臂的電長度l 0 7 一般往往通過實際測量來得出天線的輸入阻抗隨頻率的變化曲線 輸入阻抗 l 20m H 6m的雙極天線輸入阻抗 雙極天線的輸入阻抗在波段內(nèi)的變化比較激烈 欲在寬頻帶內(nèi)使用雙極天線時應當注意 3 方向系數(shù) 天線的方向系數(shù)可由下式求得 f m1 和Rr二者應歸算于同一電流 對雙極天線而言 Rr R11 R12 R11是振子的自輻射電阻 R12是振子與其鏡像之間 相距2H 的互輻射阻抗 4 尺寸設計 1 臂長l的選擇原則 1 從水平平面方向性考慮 為保證在工作頻率范圍內(nèi) 天線的最大輻射方向不發(fā)生變動 應選擇振子的臂長l 0 7 min 其中 min為最短工作波長 滿足此條件時 最大輻射方向始終在與振子垂直 即 0 的平面上 2 從天線及饋電的效率考慮 為保證饋電效率 通常要求 l 0 2 考慮電臺在波段工作 則應滿足l 0 2 max0 2 max l 0 7 min 2 天線架高H的選擇選擇原則 保證在工作波段內(nèi)通信仰角方向上輻射較強 如果通信距離在300km以內(nèi) 可采用高射天線 通常取架設高度H 0 1 0 3 對中小功率電臺 雙極天線的架設高度在8 15m范圍內(nèi) 此時對天線的架設方位要求不嚴 如果通信距離較遠 則應當使天線的最大輻射方向 m1與所需的射線仰角 0一致 天線架設高度H 即 綜上所述 雙極天線是一種結構簡單 架設維護方便的弱方向性天線 特別適用于半固定式短波電臺 主要缺點是工作頻帶窄 饋線上行波系數(shù)很低 特別是在低頻端尤為嚴重 因此 不宜在大功率電臺或饋線很長的情況下使用 必要時為了改善饋線上的行波系數(shù) 應在饋線上加阻抗匹配裝置 籠形天線 為了克服雙極天特性阻抗較高 輸入阻抗在工作頻段內(nèi)變化較大 饋線上的行波系數(shù)很低的缺點 可采用加粗振子直徑的辦法來降低天線的特性阻抗 改善輸入阻抗特性 展寬工作頻帶 5 性能改善 籠形構造的雙錐天線 平面片形對稱振子 扇形天線 蝙蝠翼天線的演變過程及其結構示意圖 直立天線的應用 在長波和中波波段 由于波長較長 天線架設高度H 受到限制 若采用水平懸掛的天線 受地的負鏡像作用 天線的輻射能力很弱 而且在此波段主要采用地面波傳播 由于地面波傳播時 水平極化波的衰減遠大于垂直極化波 因此在長波和中波波段主要使用垂直接地的直立天線 也稱單極天線 短波近距離通信和超短波段的極近距離移動通信也要采用表面波的傳播方式 因而直立天線還廣泛應用于短波和超短波段的移動通信電臺中 2 2直立天線 直立天線示意圖 結構 直立天線電高度小 從而產(chǎn)生下列問題 輻射電阻小 損耗電阻比較大 天線的效率低 輸入電阻小 輸入電抗大 類似于短的開路線 Q值很高 工作頻帶很窄 易產(chǎn)生過壓 當輸入功率一定時 由于輸入電阻小而輸入電抗高 使天線輸入端電流很大 Pin RinI2in 2 輸入電壓Uin Iin Rin jXin jIinXin很高 天線頂端的電壓更高 易產(chǎn)生過壓現(xiàn)象 特點 2 2 1鞭狀天線鞭狀天線 WhipAntenna 是一種應用相當廣泛的水平平面全向天線 a 螺接式 b 拉伸式 鞭狀天線是一種垂直極化天線 在理想導電地面上 其輻射場垂直于地面 在實際地面上雖有波前傾斜 但仍屬垂直極化波 電性能 1 極化 鞭狀天線的鏡像分析 鞭狀天線的方向圖取自由空間對稱振子的方向圖的上半空間 在理想導電地上 鞭狀天線的輻射電阻是相同臂長自由空間對稱振子的一半 而方向系數(shù)則是相同臂長自由空間對稱振子的2倍 2 方向圖及方向系數(shù) 對稱振子方向圖 只考慮上半空間 鞭狀天線方向圖 鞭狀天線E面方向圖 鞭狀天線隨天線高度變化的立體方向圖 對稱振子天線隨天線長度變化的立體方向圖 鞭狀天線立體方向圖 假想有一個等效的直立天線 其均勻分布的電流是鞭狀天線輸入端電流 它在最大輻射方向 沿地表方向 的場強與鞭狀天線的相等 則該等效天線的長度就稱為鞭狀天線的有效高度he 3 有效高度 時 對理想導電地來說 或在有良好的接地系統(tǒng)的情況下 鞭狀天線的輸入阻抗等于相應對稱振子輸入阻抗的一半 4 輸入阻抗 實際地面上天線的輸入電阻包括兩部分 即Rin Rr0 Rl0 由于損耗電阻大 同時又由于受到天線高度H的限制 輻射電阻通常很小 故鞭狀天線的效率很低 一般情況下僅為百分之幾甚至不到1 5 效率 提高鞭狀天線的效率 從兩方面著手 提高輻射電阻 減小損耗電阻 加頂負載 容性加載 在鞭狀天線的頂端加小球 圓盤或輻射葉 這些均稱為頂負載 TopLoading 天線加頂負載后 加大了垂直部分頂端對地的分布電容 使天線頂端不是開路點 頂端的電流不為零 電流的增大使遠區(qū)輻射場也增大了 只要頂線不是太長 天線距地面的高度不是太大 則水平部分的輻射可忽略不計 因此 天線加頂負載后比無頂負載時輻射特性得到了改善 原理 計算頂負載的作用時 可將頂端的電容等效為一段延長線h 設頂端電容為Ca 垂直線段的特性阻抗為Z0 則此等效長度h 可計算如下 容性加載的計算公式 加頂負載天線可以看成是高度為h0 h h 的無頂負載天線 當 h h 很小時 上式可簡化為 加頂負載后天線的有效高度 這樣在不增加天線實際高度的前提下 增加了天線的有效高度 從而達到提高天線輻射電阻的目的 h 2 加電感線圈 感性加載 加電感線圈改善天線電流分布 在短單極天線中部某點加入一定數(shù)值的感抗 就可以部分抵消該點以上線段在該點所呈現(xiàn)的容抗 從而使該點以下線段的電流分布趨于均勻 它對加感點以上線段的電流分布并無改善作用 原理 加感點的位置似乎距頂端愈近愈好 因為線圈僅對加感點以下線段上的電流分布起作用 但靠近頂端容抗很高 要能有效抵消容抗必須加大感抗 即加大線圈的匝數(shù) 這不僅增加了重量 也加大了損耗 由于線圈僅對加感點以下線段上的電流分布起作用 加感點的位置也不應選得太低 加感點的位置一般選擇在距天線頂端 1 3 1 2 h處 h為天線的實際高度 加感點的選擇 降低損耗電阻 鞭狀天線的損耗包括天線導體的銅耗 支架的介質(zhì)損耗