天線與電波傳播_第一章

1、天線基礎(chǔ)知識課程簡介2天線與電波天線與電波傳播傳播微波技術(shù)微波技術(shù)基礎(chǔ)基礎(chǔ)電磁場理論應(yīng)用應(yīng)用3天線將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。無線電系統(tǒng)4無線電設(shè)備無線電設(shè)備5各種無線電系統(tǒng) 一切無線電設(shè)備無線電設(shè)備(包括無線電通訊、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等系統(tǒng))都是利用無線電波來進(jìn)行工作的，而從幾KHz的超長波到四十多GHz的毫米波段電磁波的發(fā)射和接收都要通過天線天線來實(shí)現(xiàn)。 在我們的日常生活中天線已隨處可見。 例如，收聽無線電廣播的收音機(jī)，電視機(jī)，手機(jī)、汽車、艦船、飛機(jī)上等。 收音機(jī)、電視機(jī)使用的天線一般是接收天線，廣播電視臺的天線則

2、為發(fā)射天線。而手機(jī)天線則收發(fā)共用，但須經(jīng)過移動通信基站天線轉(zhuǎn)收和轉(zhuǎn)發(fā)。6天線發(fā)展簡史一、1886, 赫茲（Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894）1839年法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）發(fā)現(xiàn)、1873年麥克斯韋(James Clerk Maxwell, 1831-1879)完成的電磁理論，在1886年由海因里希魯?shù)婪蚝掌澖⒘说谝粋€(gè)無線電系統(tǒng)，首次在實(shí)驗(yàn)室證實(shí)。赫茲實(shí)驗(yàn)的無線電系統(tǒng)Hertz ，KIT的教授無線電之父7二、1901, 馬可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937，1909 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)） 1901

3、年馬可尼成功實(shí)現(xiàn)橫穿大西洋（英國加拿大）的無線電通信。位于英國（Poldhu, England）的發(fā)生天線由50根斜拉導(dǎo)線組成，用懸于60米高的木塔間的鋼索支撐。位于加拿大（Newfoundland, Canada）的接收天線是200米長的導(dǎo)線，由風(fēng)箏牽引。天線發(fā)展簡史馬可尼，意大利人，當(dāng)時(shí)年僅20歲。8三、1980, 超大陣列（VLA）拋物面天線（Very Large Array Steerable Parabolic Dish Antennas）位于美國新墨西哥州（Socorro, New Mexico）的超大陣列天線由27面直徑為25米的拋物面按Y型方式排列組成，是世界第一個(gè)射電天文望遠(yuǎn)

4、鏡。其分辨率相當(dāng)于36千米跨度的天線，而靈敏度相當(dāng)于直徑為130米的碟型天線。天線發(fā)展簡史9五、2000, 移動/手持天線（Mobile/Hand - held Antenna）o 工作于800MHz的手持蜂窩電話天線隨處可見。o 從馬可尼時(shí)代直到20世紀(jì)40年代，天線主要是以導(dǎo)線為輻射單元，工作頻率也提高到UHF。進(jìn)入二戰(zhàn)期間，隨著1GHz以上微波源（如調(diào)速管、磁控管）的發(fā)明，天線開始了一個(gè)新的紀(jì)元。波導(dǎo)口徑天線、喇叭天線和反射面天線等如雨后春筍般出現(xiàn)。天線發(fā)展簡史10o 數(shù)值方法，如矩量法（Method of Moment, MoM）、有限差分法（Finite-Difference Met

5、hod, FDM）、有限元法（Finite-Element Method, FEM）、幾何繞射理論（Geometrical Theory of Diffraction, GTD）和物理繞射理論（Physical Theory of Diffraction, PTD）等的引入大大推進(jìn)了天線技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了天線分析和設(shè)計(jì)技術(shù)的逐漸成熟?，F(xiàn)在天線的設(shè)計(jì)不再是修修補(bǔ)補(bǔ)（cut and try）的方法，已經(jīng)跨入了一個(gè)整體系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)階段。o 天線正朝小型化、寬頻帶、多頻段和高頻率等方向發(fā)展。天線發(fā)展簡史電磁頻譜與無線電頻段12天線概念天線是無線系統(tǒng)的重要部件，它是現(xiàn)代信息社會的電子眼、電子耳。定義 用

6、來輻射或接收無線電波的裝置，導(dǎo)行波與自由空間波互相轉(zhuǎn)換區(qū)域的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換器件或換能器 能量轉(zhuǎn)換。 電路的觀點(diǎn) 從傳輸線看向天線這一段等效于一個(gè)電阻 ，是從空間耦合到天線終端的電阻，與天線結(jié)構(gòu)自身的任何電阻無關(guān)。rR13天線基本參數(shù)輻射方向圖方向圖函數(shù) 天線方向圖是指天線輻射特性與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)。而輻射特性包括輻射場強(qiáng)、輻射功率、相位和極化。 方向圖與天線輻射特性o 場強(qiáng)方向圖o 功率方向圖o 相位方向圖o 極化方向圖14 方向圖與坐標(biāo)系o 二維方向圖 極坐標(biāo)方向圖和直角坐標(biāo)方向圖（幅度、分貝）o 三維方向圖 球坐標(biāo)三維方向圖和直角坐標(biāo)三維方向圖（幅度、分貝） 天線方向圖獲取：理論分析、仿真計(jì)

7、算、測量 一般我們關(guān)心的是功率方向圖和場強(qiáng)方向圖天線基本參數(shù)輻射方向圖18方向圖函數(shù)定義：天線位于坐標(biāo)原點(diǎn)，在距天線等距離的球面上，天線在各點(diǎn)產(chǎn)生的功率通量密度或場強(qiáng)隨空間方向 的變化曲線。天線基本參數(shù)輻射方向圖,0freEEjkr,1,0ErH60cos(cos )cossinjkrmIllEjer0,AEf,一般天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射電磁場表示為如下形式 場強(qiáng)方向圖函數(shù)sincoscoscos,llf19天線基本參數(shù)輻射方向圖mmffF, 歸一化場強(qiáng)方向圖函數(shù)其中 天線最大輻射方向， 天線方向圖函數(shù)最大值。mmf,mm,由方向圖函數(shù) 和歸一化方向圖函數(shù) 表示的方向圖統(tǒng)稱為天線的輻射場強(qiáng)方向圖。,f

8、,Fsincoscoscos,llfmmf,mm,m,90lcos1lllFcos1sincoscoscos,20天線基本參數(shù)輻射方向圖o 歸一化功率方向圖o 歸一化功率方向圖與歸一化場強(qiáng)方向圖關(guān)系功率通量密度（坡印廷矢量的幅值）功率通量密度的最大值,mmSmm,mmSPS 2,PF 通常方向圖用分貝（dB）表示，則10,20log,dBFF 10,10log,dBPP ,dBdBPF 21o 三維方向圖&二維方向圖天線基本參數(shù)輻射方向圖22天線基本參數(shù)輻射方向圖o E面方向圖&H面方向圖E面：天線最大輻射方向和電場矢量方向構(gòu)成的平面。H面：天線最大輻射方向和磁場矢量方向構(gòu)成的平面。23天線基

9、本參數(shù)輻射方向圖E面H面對陣振子方向圖24天線基本參數(shù)輻射方向圖o 主瓣 包含最大輻射方向的波瓣o 副瓣 除主瓣外的所有波瓣o 后瓣 位于主瓣反方向的副瓣o 半功率波瓣寬度 o 副瓣電平 25天線基本參數(shù)輻射方向圖o 零點(diǎn) 輻射為零的方向角度o 第一零點(diǎn)波瓣寬度 在包含主瓣的平面內(nèi)，主瓣兩側(cè)第一零點(diǎn)間的夾角o 前后比 主瓣最大值和后瓣最大值之比26天線基本參數(shù)輻射方向圖o 主瓣寬度(半功率波束寬度、3dB波束寬度)定義：方向圖主瓣上兩個(gè)半功率點(diǎn)(即場強(qiáng)下降到最大值的0.707倍處或分貝值從最大值下降3dB處所對應(yīng)的兩點(diǎn))之間的夾角。極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)幅度方向圖極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)幅度方向圖極坐標(biāo)和直

10、角坐標(biāo)分貝方向圖極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)分貝方向圖27天線基本參數(shù)輻射方向圖o 副瓣電平定義：指副瓣最大值模值與主瓣最大值模值之比，通常用分貝表示。dBEESLLiimaxmaxlog20maxiEmaxE為第 個(gè)副瓣的場強(qiáng)最大值i為主瓣最大值SLL28天線基本參數(shù)輻射方向圖對不同的用途，要求天線有不同的方向圖。廣播電視發(fā)射天線，移動通訊基站天線等，要求在水平面內(nèi)為全向方向圖。微波中繼通訊、遠(yuǎn)程雷達(dá)、射電天文、衛(wèi)星接收等用途的天線，要求為筆形波束方向圖。對搜索雷達(dá)、警戒雷達(dá)天線則要求天線方向圖為扇形波束。 水平全向方向圖筆形波束方向圖余割平方波束方向圖29天線基本參數(shù)輸入阻抗o 輸入阻抗傳輸線特性阻抗

11、輸入阻抗0ZinininZRjX00inininZZZZ11ininVSWR30天線基本參數(shù)輸入阻抗o 對稱振子的輻射電阻和輸入電阻,radsPSds 21,21,212SEHEHrE 22radradPRI0I波腹電流歸算于波腹電流的輻射電阻inI輸入電流歸算于輸入電流的輻射電阻 -輸入電阻輻射電阻半波振子的輸入阻抗為：73.142.5inZj33天線基本參數(shù)天線效率o 天線（輻射）效率定義：定義：天線輻射的總功率與天線從饋線獲得的凈功率（即輸入功率）之比radAinPPinradLPPP天線的輸入功率等于輻射功率和損耗功率之和考慮到天線的輸入電阻等于輻射電阻和損耗電阻，則天線效率又可表示為

12、radAradLRRR輻射電阻輻射電阻損耗電阻損耗電阻34天線基本參數(shù)方向系數(shù)定義：天線方向系數(shù)是定量表示天線輻射的電磁能量集中程度以描述方向特性的一個(gè)參數(shù)，也稱方向性系數(shù)。在相同輻射功率情況下，天線在給定方向的輻射強(qiáng)度 與理想點(diǎn)源天線在同一方向的輻射強(qiáng)度 之比。天線輻射強(qiáng)度：某方向單位立體角的輻射功率,raddPUd ,SdsUd ,U 0,U 0,UDU 35天線基本參數(shù)方向系數(shù)平均輻射強(qiáng)度：理想電源在某單位立體角的輻射功率2,sinradMssPSdsUFd d dsd2sindsdd dr 2,USr 2,MUU F 是立體角元 對應(yīng)的球面面元20,sin,44MradsUFd dPU

13、 ，224,sinsFDFd d 方向方向系數(shù)系數(shù)24,sinsDFd d 最大方向系數(shù)最大方向系數(shù)radPUD,4,36天線基本參數(shù)方向系數(shù)工程中，方向系數(shù)還常用分貝（dB）表示：1010logdBDD例3：自由空間半波振子的方向系數(shù)。計(jì)算得 。例1：無方向性理想天線的方向系數(shù)。此時(shí)， ，計(jì)算得 。,1F 1 0DdB例2：電基本振子的方向系數(shù)。電基本振子的方向函數(shù)是 ，計(jì)算得 。,sinF 1.5 1.76DdB1.64 2.15DdB37天線基本參數(shù)方向系數(shù)定義：在相同輸入功率條件下，某天線在給定方向上的輻射強(qiáng)度 與理想點(diǎn)源天線在同一方向的輻射強(qiáng)度 的比值。,U 0,U inPUUUG,

14、4,0AinradradDPPPUG,4,最大輻射方向的增益為ADGGGdB10log1042天線基本參數(shù)極化電磁波的極化：在空間某位置上，沿電磁波的傳播方向看去，其電場矢量在空間的取向隨時(shí)間變化所描繪出的軌跡。天線極化：o 發(fā)射天線 天線在某方向所輻射電波的極化；o 接收天線 天線在該方向接收獲得最大接收功率（極化匹配）時(shí)入射平面波的極化。軌跡是一條直線 線極化軌跡是一個(gè)圓 圓極化軌跡是橢圓 橢圓極化43天線基本參數(shù)極化o 極化失配一般而言，接收天線的極化與來波方向的極化不同，這就是所謂的極化失配。因此，天線從來波中截獲的功率達(dá)不到最大。線極化圓極化或者橢圓極化44天線基本參數(shù)帶寬所有參數(shù)正

15、常工作的交集：極化增益駐波方向圖半功率波瓣寬度噪聲溫度等頻率工作帶寬45天線基本參數(shù)有效面積定義：天線的有效面積（或有效口徑）表征天線截獲來波能量的能力。天線的有效面積定義為“天線接收的功率與入射功率密度之比”iTTiTeSRISPA2212222TALradTTiociTeXXRRRRSVSPATiociTeRSVSPA82當(dāng)滿足最大功率傳輸條件（即共軛匹配）時(shí)，若不考慮損耗有效面積達(dá)到最大，稱為最大有效面積。46天線基本參數(shù)有效面積最大方向系數(shù)和最大有效面積emAD24如果考慮天線的輻射效率，上式進(jìn)一步可寫出emAAADG24當(dāng)接收天線和負(fù)載不匹配，以及天線和來波極化也不匹配，并且考慮到天

16、線的損耗的一般情況下，接收天線的最大有效面積可寫出22214iaAemDA48天線的互易特性收發(fā)互易49天線的互易特性收發(fā)互易#1處于發(fā)射狀態(tài)，而天線#2處于接收狀態(tài)兩天線和負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)的傳輸導(dǎo)納同理，將天線#2作為發(fā)射天線而天線#1作為接收天線在互易條件 之下2112YY21PP 天線收發(fā)互易Antenna Geometries 天線構(gòu)型n1. Wire radiators 線天線水平對稱天線水平對稱天線雙極天線雙極天線 雙極天線即水平對稱振子(Horizontal Symmetrical Dipole)，如圖所示，又稱型天線。天線的兩臂可用單根硬拉黃銅線或銅包鋼線做成，也可用多股軟銅線，導(dǎo)線

17、的直徑根據(jù)所需的機(jī)械強(qiáng)度和功率容量決定，一般為36mm。天線臂與地面平行，兩臂之間有絕緣子。天線兩端通過絕緣子與支架相連，為降低天線感應(yīng)場在附近物體中引起的損耗，支架應(yīng)距離振子兩端23m。為了降低絕緣子介質(zhì)損耗，絕緣子宜采用高頻瓷材料。支架的金屬拉線中亦應(yīng)每相隔小于/4的間距加入絕緣子，這樣使拉線不至于引起方向圖的失真。2 3 m雙 饋 線饋 線 絕 緣 子絕 緣 子llH由圖1可見，這種天線結(jié)構(gòu)簡單，架設(shè)撤收方便，維護(hù)簡易，因而是應(yīng)用廣泛的短波天線，適用于天波傳播。 當(dāng)天線一臂的長度l=12m或22m時(shí)，天線特性阻抗通常為1000左右，饋線使用H=10m長的雙導(dǎo)線，饋線特性阻抗為600。這就

18、是移動通信常用的44m（即2H+2l長度）或64m雙極天線。當(dāng)其架設(shè)高度小于0.3，向高空方向（仰角90）輻射最強(qiáng)，宜作300km范圍內(nèi)通信用天線。當(dāng)天線距離較遠(yuǎn)時(shí)，這種天線增益較低，方向性不強(qiáng)，且工作頻段較窄。 2 3 m雙 饋 線饋 線 絕 緣 子絕 緣 子llH圖11.雙極天線的方向性雙極天線的方向性 由于雙極天線主要用于天波傳播，而天波傳播時(shí)，電波射線以一定仰角入射到電離層后又被反射回地面，從而構(gòu)成甲乙兩地的無線電通信，通信距離與電波射線仰角有密切關(guān)系。為了便于描繪場強(qiáng)隨射線仰角和方位角的變化關(guān)系，一般直接用、作自變量表示天線的方向性，而不使用射線與振子軸之間的夾角作方向函數(shù)的自變量。

19、按圖2中的幾何關(guān)系，可得2290cossincoscoscos2 1 1sin1 coscos2 1 2ryaa 在分析天線的方向性時(shí)，可以把地面看作是理想導(dǎo)電地，因?yàn)樵诖蠖鄶?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(fù)鏡像天線來代替地面對輻射的影響。由自由空間對稱振子方向函數(shù)和負(fù)鏡像陣因子按方向圖乘積定理得 22cos(cos)cos ( , )1.4.5,2 sinsin1.7.12 1 3sincos(cossin )cos( , )2sin(sin) 2 1 31 cossinallffkHklklfkH yAxOHPzP圖2(a)(b)(c)(d )(e)( f )根據(jù)21

20、3表達(dá)式，可以畫出雙極天線的立體方向圖，圖3表示雙極天線在相同架設(shè)高度不同臂長情況下的方向圖，圖4表示在相同臂長不同架高時(shí)的方向圖。0.25H0.25l0.5l0.75l0.65l1l1.2l圖3表示雙極天線在相同架設(shè)高度不同臂長情況下的方向圖 (a)(b)(c)(d )(e)( f )0.25l0.25H0.5HH0.75H1.75H1.25H根據(jù)213表達(dá)式，可以畫出雙極天線的立體方向圖，圖213表示雙極天線在相同架設(shè)高度不同臂長情況下的方向圖，圖4表示在相同臂長不同架高時(shí)的方向圖。圖4表示在相同臂長不同架高時(shí)的方向圖。 為了便于分析，我們在研究天線方向性時(shí)，通?？偸茄芯績蓚€(gè)為了便于分析，

21、我們在研究天線方向性時(shí)，通?？偸茄芯績蓚€(gè)特定平面的方向性，例如在研究自由空間天線方向性時(shí)，往往取特定平面的方向性，例如在研究自由空間天線方向性時(shí)，往往取兩個(gè)相互垂直的平面即兩個(gè)相互垂直的平面即E面和面和H面面作特定平面。但在研究作特定平面。但在研究地面上的地面上的天線方向性天線方向性時(shí)，一方面要考慮地面的影響，另一方面要結(jié)合電波時(shí)，一方面要考慮地面的影響，另一方面要結(jié)合電波傳播的情況選取兩個(gè)最能反映天線方向性特點(diǎn)的平面，通常選取傳播的情況選取兩個(gè)最能反映天線方向性特點(diǎn)的平面，通常選取鉛垂平面和水平平面鉛垂平面和水平平面，這兩個(gè)平面具有直觀方便的特點(diǎn)。，這兩個(gè)平面具有直觀方便的特點(diǎn)。 所謂所謂鉛

22、垂平面鉛垂平面，就是與地面垂直且通過天線最大輻射方向的垂，就是與地面垂直且通過天線最大輻射方向的垂直平面。鑒于實(shí)際天線的臂長直平面。鑒于實(shí)際天線的臂長l0.3時(shí)，最強(qiáng)輻射方向不止一個(gè)，時(shí)，最強(qiáng)輻射方向不止一個(gè)，H/越高，波瓣數(shù)越多，靠近地越高，波瓣數(shù)越多，靠近地面的面的第一波瓣第一波瓣m1越低越低。第一波瓣的最大輻射仰角。第一波瓣的最大輻射仰角m1可求出，令可求出，令110sin(sin)1arcsin1 72,2 1 54mmkHH 在架設(shè)天線時(shí)，應(yīng)使天線的在架設(shè)天線時(shí)，應(yīng)使天線的最大輻射仰角最大輻射仰角m1等于通信仰角等于通信仰角0。根據(jù)通信仰角。根據(jù)通信仰角0就可求出天線架設(shè)高度就可求出

23、天線架設(shè)高度H，即，即當(dāng)雙極天線用作天波當(dāng)雙極天線用作天波通信通信時(shí)，工作時(shí)，工作距離愈遠(yuǎn)距離愈遠(yuǎn)，通信仰角，通信仰角0愈低，則要求天線愈低，則要求天線架架設(shè)高度越高設(shè)高度越高。(5)當(dāng)?shù)孛娌皇抢硐雽?dǎo)電地時(shí)，不同架設(shè)高度的天線在垂直平面內(nèi)的方向圖的變當(dāng)?shù)孛娌皇抢硐雽?dǎo)電地時(shí)，不同架設(shè)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(dǎo)電地基本相同，只是場強(qiáng)最大值變小，最小值不為零化規(guī)律與理想導(dǎo)電地基本相同，只是場強(qiáng)最大值變小，最小值不為零,最大輻射最大輻射方向稍有偏移。方向稍有偏移。不同地質(zhì)對水平振子方向性影響不大不同地質(zhì)對水平振子方向性影響不大。02 1 64sinH 2）水平平面方向圖）水平平面

24、方向圖 水平平面方向圖就是在輻射仰角水平平面方向圖就是在輻射仰角一定的平面上，天線輻射一定的平面上，天線輻射場強(qiáng)隨方位角場強(qiáng)隨方位角的變化關(guān)系圖。顯然這時(shí)的場強(qiáng)既不是單純的垂直極化波，也不的變化關(guān)系圖。顯然這時(shí)的場強(qiáng)既不是單純的垂直極化波，也不是單純的水平極化波。方向函數(shù)如式（是單純的水平極化波。方向函數(shù)如式（213）所示（式中）所示（式中固定），即方向固定），即方向函數(shù)是下列地因子與元因子的乘積函數(shù)是下列地因子與元因子的乘積:122cos(cossin )cos( )2 sin(sin)( , )2 1 81 cossinklklfkHf 地； 因?yàn)榈匾蜃优c方位角因?yàn)榈匾蜃优c方位角無關(guān)，所以

25、無關(guān)，所以水平平面內(nèi)的方向圖形狀僅由元因子水平平面內(nèi)的方向圖形狀僅由元因子f1(，)決定決定。圖。圖5和圖和圖6分別給出了分別給出了l/=0.25及及l(fā)/=0.50時(shí)雙極天線在理想導(dǎo)電地面上不時(shí)雙極天線在理想導(dǎo)電地面上不同仰角時(shí)的水平平面方向圖。同仰角時(shí)的水平平面方向圖。圖圖5和圖和圖6分別給出了分別給出了l/=0.25及及l(fā)/=0.50時(shí)雙極天線在理想導(dǎo)電地面上不同仰角時(shí)雙極天線在理想導(dǎo)電地面上不同仰角時(shí)的水平平面方向圖。時(shí)的水平平面方向圖。圖5 l/=0.25時(shí)雙極天線水平平面方向圖Oyx(a)Oyx(b)yxO(c)圖6 l/=0.5時(shí)雙極天線水平平面方向圖 xyOxyOxOy(a)(b

26、)(c)20 40 60 20 40 60 由圖可以看出：由圖可以看出： (1) 雙極天線水平平面方向圖與架高雙極天線水平平面方向圖與架高H/無關(guān)。因?yàn)楫?dāng)仰角一定而無關(guān)。因?yàn)楫?dāng)仰角一定而變化時(shí)，直變化時(shí)，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。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，方向圖的變化規(guī)律與自由空間對稱振子的相同相同,l/越小越小,方向性越不明顯。當(dāng)方向性越不明顯。當(dāng)l/0.7時(shí)，在時(shí)，在=0方向輻射很少或沒有輻射。因此方向輻射很少或沒有輻射。因此,一

27、般應(yīng)選擇一般應(yīng)選擇天線長度天線長度l/0.7。 (3)仰角越大時(shí)，水平平面方向性越不顯著仰角越大時(shí)，水平平面方向性越不顯著。因?yàn)榉较蛐詻Q定于。因?yàn)榉较蛐詻Q定于cossin，當(dāng)，當(dāng)仰角越大時(shí)，仰角越大時(shí)，的變化引起的場強(qiáng)變化越小。因此，當(dāng)用雙極天線作高仰角輻射的變化引起的場強(qiáng)變化越小。因此，當(dāng)用雙極天線作高仰角輻射時(shí)，時(shí)，振子架設(shè)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(qiáng)振子架設(shè)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(qiáng)的信的信號。號。圖5 l/=0.25時(shí)雙極天線水平平面方向圖Oyx(a)Oyx(b)yxO(c)xyOxyOxOy(a)(b)(c)圖6 l/=0.5

28、時(shí)雙極天線水平平面方向圖 20 40 60 20 40 60 綜合雙極天線垂直平面和水平平面方向圖的分析，綜合雙極天線垂直平面和水平平面方向圖的分析，可得如下重要結(jié)論：可得如下重要結(jié)論： (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。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(shè)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。因此控制天架設(shè)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?？刂铺炀€架設(shè)高度，可控制垂直平面的線的長度，可控制水平平面的方向圖。控制天線架設(shè)高度，可控制垂直平面的方向圖。方向圖

29、。 (2)天線架設(shè)不高（天線架設(shè)不高（H/0.3）時(shí)）時(shí),在高仰角方向輻射最強(qiáng)在高仰角方向輻射最強(qiáng),因此這種天線可因此這種天線可作作0300km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(shè)方位要求不嚴(yán)格。顯，因此對天線架設(shè)方位要求不嚴(yán)格。 (3)當(dāng)遠(yuǎn)距離通信時(shí)，應(yīng)該根據(jù)通信距離選擇通信仰角，再根據(jù)通信仰角當(dāng)遠(yuǎn)距離通信時(shí)，應(yīng)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(shè)高度，以保證天線最大輻射方向與通信方向一致。確定天線架設(shè)高度，以保證天線最大輻射方向與通信方向一致。 (4)為保證天線在為保證天線在

30、=0方向輻射最強(qiáng)，應(yīng)使天線一臂的電長度方向輻射最強(qiáng)，應(yīng)使天線一臂的電長度l/0.7。2.雙極天線的輸入阻抗雙極天線的輸入阻抗 為了使天線能從發(fā)射機(jī)或饋線獲得盡可能多的功率，要求天線必須與發(fā)為了使天線能從發(fā)射機(jī)或饋線獲得盡可能多的功率，要求天線必須與發(fā)射機(jī)或饋線實(shí)現(xiàn)射機(jī)或饋線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配阻抗匹配，為此，必須了解天線的，為此，必須了解天線的輸入阻抗輸入阻抗。 計(jì)算雙極天線輸入阻抗不僅要考慮到振子本身的輻射，還要考慮地面的計(jì)算雙極天線輸入阻抗不僅要考慮到振子本身的輻射，還要考慮地面的影響。地面對天線輸入阻抗的影響，可用天線的鏡像來代替，然后用耦合振子影響。地面對天線輸入阻抗的影響，可用天線的鏡像來代

31、替，然后用耦合振子理論來計(jì)算。應(yīng)當(dāng)說明的是理論來計(jì)算。應(yīng)當(dāng)說明的是,由于實(shí)際地面的電導(dǎo)率為有限值，因此用鏡像法和由于實(shí)際地面的電導(dǎo)率為有限值，因此用鏡像法和耦合振子理論所得的結(jié)果誤差較大，一般往往通過耦合振子理論所得的結(jié)果誤差較大，一般往往通過實(shí)際測量實(shí)際測量來得出天線的輸入來得出天線的輸入阻抗隨頻率的變化曲線。圖阻抗隨頻率的變化曲線。圖7即是一副雙極天線的即是一副雙極天線的輸入阻抗隨頻率輸入阻抗隨頻率的變化曲線。的變化曲線。345678910XinRin2000100001000200030004000f / MHzRin, Xin / 圖7 l=20m、H=6m的雙極天線輸入阻抗 由圖可見

32、，雙極天線的輸入阻抗在波段由圖可見，雙極天線的輸入阻抗在波段內(nèi)的變化比較激烈，如果不采取匹配措內(nèi)的變化比較激烈，如果不采取匹配措施，饋線上的行波系數(shù)將有明顯變化，施，饋線上的行波系數(shù)將有明顯變化，傳輸線的傳輸線的傳輸效率傳輸效率將受到明顯影響。這將受到明顯影響。這也是欲在也是欲在寬頻帶內(nèi)使用雙極天線時(shí)應(yīng)當(dāng)寬頻帶內(nèi)使用雙極天線時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的問題注意的問題。怎樣展寬頻帶？怎樣展寬頻帶？3.方向系數(shù)方向系數(shù)天線的方向系數(shù)可由下式求得： 21120(, )2 1 9mrfDR 式中式中,f(m1,)為天線在最大輻射方向的方向函為天線在最大輻射方向的方向函數(shù)，數(shù)，m1 按式（按式（2 15）計(jì)算）計(jì)算;R

33、r為天線的輻為天線的輻射阻抗。射阻抗。f(m1,)和和Rr二者應(yīng)歸算于同一電流。對雙極天二者應(yīng)歸算于同一電流。對雙極天線而言，線而言，Rr=R11-R12，R11是振子的自輻射電阻，是振子的自輻射電阻，R12是振子與其鏡像之間（相距是振子與其鏡像之間（相距2H）的互輻射阻）的互輻射阻抗。圖抗。圖8表示天線架高表示天線架高H/2，且地面為理想導(dǎo)，且地面為理想導(dǎo)電地時(shí)的方向系數(shù)與電地時(shí)的方向系數(shù)與l/的關(guān)系曲線。當(dāng)?shù)年P(guān)系曲線。當(dāng)H較低較低或地面不是理想導(dǎo)電地面時(shí)，天線的方向系數(shù)或地面不是理想導(dǎo)電地面時(shí)，天線的方向系數(shù)低于圖中的數(shù)值。低于圖中的數(shù)值。 024681012D0.100.20.30.40

34、.50.60.70.80.9l / 圖圖8 雙極天線的雙極天線的Dl/關(guān)系曲線關(guān)系曲線4.雙極天線的尺寸選擇雙極天線的尺寸選擇 1) 臂長臂長l的選擇原則的選擇原則 (1)從水平平面方向性考慮。從水平平面方向性考慮。 為保證在工作頻率范圍內(nèi)，天線的為保證在工作頻率范圍內(nèi)，天線的最大輻射方向最大輻射方向不發(fā)生變動，應(yīng)選擇振子不發(fā)生變動，應(yīng)選擇振子的臂長的臂長l0.7min，其中，其中min為最短工作波長，滿足此條件時(shí)，最大輻射方向始為最短工作波長，滿足此條件時(shí)，最大輻射方向始終在與振子垂直終在與振子垂直(即即=0)的平面上。的平面上。 00.10.20.30.40.50.60.70.80.9K0

35、0.10.20.30.40.50.60.7l / Z0 1000 Z0 560 Z0 460 Z0 340 1.0 (2) 從天線及饋電的效率考慮從天線及饋電的效率考慮。 若若l/太短，天線的太短，天線的輻射電阻輻射電阻較低，較低，使得天線效率使得天線效率A降低。同時(shí)當(dāng)降低。同時(shí)當(dāng)l/太短時(shí)，太短時(shí)，天線輸入電阻太小，容抗很大，故與饋天線輸入電阻太小，容抗很大，故與饋線匹配程度很差，饋線上的行波系數(shù)很線匹配程度很差，饋線上的行波系數(shù)很低。若要求饋線上的行波系數(shù)不小于低。若要求饋線上的行波系數(shù)不小于0.1，由圖，由圖9可見，通常要求可見，通常要求l0.2考慮電臺在波段工作，則應(yīng)滿足考慮電臺在波段

36、工作，則應(yīng)滿足 l0.2max (2110)圖9 饋線上行波系數(shù)Kl/關(guān)系曲線綜合以上考慮，天線長度應(yīng)為綜合以上考慮，天線長度應(yīng)為 0.2maxl0.7min (2111) 若工作若工作波段過寬波段過寬，一副天線不易滿足要求時(shí)，宜選用長度不同的，一副天線不易滿足要求時(shí)，宜選用長度不同的兩副天線兩副天線。例如例如,某單邊帶電臺的工作頻率為某單邊帶電臺的工作頻率為230MHz，由于波段較寬，就配備兩副雙極天，由于波段較寬，就配備兩副雙極天線，在線，在210MHz時(shí)時(shí),使用使用2l=222m的雙極天線；在的雙極天線；在1030MHz時(shí)，使用時(shí)，使用2l=212m的雙極天線的雙極天線2) 天線架高天線

37、架高H的選擇的選擇 選擇原則是保證在工作波段內(nèi)選擇原則是保證在工作波段內(nèi)通信仰角方向上輻射較強(qiáng)通信仰角方向上輻射較強(qiáng)。 如果通信距離在如果通信距離在300km以內(nèi)，可采用以內(nèi)，可采用高射天線高射天線,通常取架設(shè)高度通常取架設(shè)高度H=(0.10.3)。對中小功率電臺，雙極天線的架設(shè)高度在對中小功率電臺，雙極天線的架設(shè)高度在815m范圍內(nèi)，此時(shí)對天線的架設(shè)方位范圍內(nèi)，此時(shí)對天線的架設(shè)方位要求不嚴(yán)。要求不嚴(yán)。 如果如果通信距離較遠(yuǎn)通信距離較遠(yuǎn)，則應(yīng)當(dāng)使天線的最大輻射方向，則應(yīng)當(dāng)使天線的最大輻射方向m1與所需的射線仰角與所需的射線仰角0一致，根據(jù)式（一致，根據(jù)式（216）計(jì)算天線架設(shè)高度）計(jì)算天線架設(shè)

38、高度H，即，即 實(shí)際工作中往往使用實(shí)際工作中往往使用寬波段寬波段，當(dāng)架設(shè)高度一定而頻率改變時(shí)，天線的最大輻射，當(dāng)架設(shè)高度一定而頻率改變時(shí)，天線的最大輻射仰角會隨之改變，所選定的架設(shè)高度對某些頻率可能不適用。因此，對一定頻段仰角會隨之改變，所選定的架設(shè)高度對某些頻率可能不適用。因此，對一定頻段內(nèi)工作的雙極天線架設(shè)高度應(yīng)作全面考慮，一方面架設(shè)要方便，另一方面要求各內(nèi)工作的雙極天線架設(shè)高度應(yīng)作全面考慮，一方面架設(shè)要方便，另一方面要求各個(gè)頻率在給定仰角上應(yīng)有足夠強(qiáng)的輻射。幸好對于中、短距離（個(gè)頻率在給定仰角上應(yīng)有足夠強(qiáng)的輻射。幸好對于中、短距離（r1000km），若），若工作波段不是過寬還是可以滿足的

39、。例如，工作波段為工作波段不是過寬還是可以滿足的。例如，工作波段為310MHz，所需仰角，所需仰角0=47.5，按，按10MHz時(shí)的工作條件選擇時(shí)的工作條件選擇H=10m，該高度對于，該高度對于3MHz來講只有來講只有0.1，雖然此時(shí)天線的最大輻射方向指向雖然此時(shí)天線的最大輻射方向指向=90，但在，但在=47.5方向上的輻射仍能達(dá)到方向上的輻射仍能達(dá)到最大方向的最大方向的0.76，即，即0仍處于天線的半功率角之內(nèi)，能夠滿足工作需要。實(shí)際上，仍處于天線的半功率角之內(nèi)，能夠滿足工作需要。實(shí)際上，雙極天線也主要工作于中、短距離。雙極天線也主要工作于中、短距離。 綜上所述，雙極天線是一種結(jié)構(gòu)簡單、架設(shè)

40、維護(hù)方便的弱方向性天線，特綜上所述，雙極天線是一種結(jié)構(gòu)簡單、架設(shè)維護(hù)方便的弱方向性天線，特別適用于半固定式短波電臺。但其主要缺點(diǎn)是工作頻帶窄，饋線上行波系數(shù)很低，別適用于半固定式短波電臺。但其主要缺點(diǎn)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(yán)重。因此，不宜在大功率電臺或饋線很長的情況下使用。特別是在低頻端尤為嚴(yán)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(shí)為了改善饋線上的行波系數(shù)，應(yīng)在饋線上加必要時(shí)為了改善饋線上的行波系數(shù)，應(yīng)在饋線上加阻抗匹配阻抗匹配裝置裝置02 1 64sinH V形對稱振子（終端開路傳輸線張開形對稱振子（終端開路傳輸線張開20 ） 在第在第1章我們學(xué)

41、習(xí)了自由空間對稱振子。對于這種直線式對稱振子，當(dāng)章我們學(xué)習(xí)了自由空間對稱振子。對于這種直線式對稱振子，當(dāng)l/=0.635時(shí)，其方向系數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，其方向系數(shù)達(dá)到最大值Dmax=3.296。 如果繼續(xù)增大如果繼續(xù)增大l，由于振子臂上的反相電流的輻射，削弱了，由于振子臂上的反相電流的輻射，削弱了=90方向上方向上的場，使該方向的方向系數(shù)下降。如果對稱振子的兩臂不排列在一條直線上，的場，使該方向的方向系數(shù)下降。如果對稱振子的兩臂不排列在一條直線上，而是張開而是張開20，構(gòu)成如圖，構(gòu)成如圖2115所示的所示的V形對稱振子形對稱振子(Vee Dipole)，則，則可提高方可提高方向系數(shù)。向系數(shù)。 V形

42、天線的形天線的設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)是選擇適當(dāng)?shù)膹埥鞘沁x擇適當(dāng)?shù)膹埥?0，使得兩根直線段所產(chǎn)生的波瓣指向同，使得兩根直線段所產(chǎn)生的波瓣指向同一方向。一般來說如果希望一方向。一般來說如果希望V形天線的最大輻射方向位于形天線的最大輻射方向位于V形平面的形平面的角平分線角平分線上，上，則張角的最佳值是單根直線天線軸與其主瓣夾角的則張角的最佳值是單根直線天線軸與其主瓣夾角的兩倍兩倍。20l1212 一般將臂長小于一般將臂長小于0.5的的V形天線稱為形天線稱為角形天線角形天線，其特點(diǎn)是水平平面的方向，其特點(diǎn)是水平平面的方向性很弱。這種天線在短波通信中應(yīng)用亦較廣，天線臂可做成籠形，以增大性很弱。這種天線在短波通

43、信中應(yīng)用亦較廣，天線臂可做成籠形，以增大阻抗工作頻帶寬度。阻抗工作頻帶寬度。 對稱振子的兩臂除上述介紹的不排列在一條直線上的外，兩臂還可以是對稱振子的兩臂除上述介紹的不排列在一條直線上的外，兩臂還可以是其它其它曲線的形狀曲線的形狀。振子臂的幾何形狀由直線改變成曲線后，可以取消振子。振子臂的幾何形狀由直線改變成曲線后，可以取消振子可使用的長度受到可使用的長度受到2l的限制；同時(shí)的限制；同時(shí),若曲線選擇得恰當(dāng)，則還可以降低旁若曲線選擇得恰當(dāng)，則還可以降低旁瓣電平，提高增益。以增益最大為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化可得出最佳形式的曲線，瓣電平，提高增益。以增益最大為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化可得出最佳形式的曲線，高斯曲線高斯曲線就是其中的一種。但優(yōu)化曲線振子的曲線形狀復(fù)雜，加工不便，就是其中的一種。但優(yōu)化曲線振子的曲線形狀復(fù)雜