天線原理與設(shè)計(jì)3.1.1-雙極天線

3.1.1雙極天線

雙極天線即水平對(duì)稱(chēng)振子(HorizontalSymmetricalDipole)，如圖3-1-1所示，又稱(chēng)π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3～6mm。天線臂與地面平行，兩臂之間有絕緣子。

圖3-1-1雙極天線結(jié)構(gòu)示意圖雙極天線是水平架設(shè)的對(duì)稱(chēng)陣子天線，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，架設(shè)方便，易于維護(hù)，廣泛用做短波天線，用于天波的傳播。1.雙極天線的方向性

為了便于描繪場(chǎng)強(qiáng)隨射線仰角Δ和方位角φ的變化關(guān)系，一般直接用Δ、φ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θ作方向函數(shù)的自變量。按圖2-1-2中的幾何關(guān)系，可得

(3-1-1)圖3-1-2雙極天線的坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)振子方向函數(shù)為：大家需要格外注意的是這里的角度

這是指場(chǎng)點(diǎn)與天線軸的夾角

由自由空間對(duì)稱(chēng)振子方向函數(shù)和負(fù)鏡像陣因子按方向圖乘積定理得：圖3-1-3雙極天線方向圖隨臂長(zhǎng)l的變化(H=0.25λ)(a)l=0.25λ;(b)l=0.5λ;(c)l=0.65λ;(d)l=0.75λ;(e)l=1.0λ;(f)l=1.2λ根據(jù)該表達(dá)式，可以畫(huà)出雙極天線的立體方向圖，圖2-1-3表示雙極天線在不同臂長(zhǎng)情況下的方向圖，圖2-1-4表示在不同架高時(shí)的方向圖。圖3-1-4雙極天線方向圖隨架高H的變化(l=λ/4)(a)H=0.25λ;(b)H=0.5λ;(c)H=0.75λ;(d)H=1.0λ;(e)H=1.25λ;(f)H=1.75λ

1)垂直平面方向圖

第一波瓣的最大輻射仰角Δm1可根據(jù)式(3-1-4)求出，令

sin(kHsinΔm1)=1

得

Δm1=arcsin

(3-1-5)

在架設(shè)天線時(shí)，應(yīng)使天線的最大輻射仰角Δm1等于通信仰角Δ0。根據(jù)通信仰角Δ0就可求出天線架設(shè)高度H，即

H=(3-1-6)因?yàn)榈匾蜃优c方位角φ無(wú)關(guān)，所以水平平面內(nèi)的方向圖形狀僅由元因子f1(Δ，φ)決定。圖3-1-5和圖3-1-6分別給出了l/λ=0.25及l(fā)/λ=0.50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。由圖可以看出：yz面內(nèi)水平振子的方向圖隨架高H的變化

2)水平平面方向圖

水平平面方向圖就是在輻射仰角Δ一定的平面上，天線輻射場(chǎng)強(qiáng)隨方位角φ的變化關(guān)系圖。顯然這時(shí)的場(chǎng)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(2-1-3)所示(式中Δ固定)，即方向函數(shù)是下列地因子與元因子的乘積:

f地(Δ)=2|sin(kHsinΔ)|(3-1-7)

(3-1-8)圖3-1-5

l/λ=0.25時(shí)雙極天線水平平面方向圖(a)Δ=20°;(b)Δ=40°;(c)Δ=60°圖3-1-6

l/λ=0.5時(shí)雙極天線水平平面方向圖(a)Δ=20°;(b)Δ=40°;(c)Δ=60°水平面方向圖特點(diǎn)：

2.雙極天線的輸入阻抗

地面對(duì)天線輸入阻抗的影響，可用天線的鏡像來(lái)代替，然后用耦合振子理論來(lái)計(jì)算。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是,由于實(shí)際地面的電導(dǎo)率為有限值，因此用鏡像法和耦合振子理論所得的結(jié)果誤差較大，一般往往通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)得出天線的輸入阻抗隨頻率的變化曲線。圖3-1-7即是一副雙極天線的輸入阻抗隨頻率的變化曲線。圖3-1-7

l=20m、H=6m的雙極天線輸入阻抗

3.方向系數(shù)

天線的方向系數(shù)可由下式求得：

(3-1-9)

式中,f(Δm1,φ)為天線在最大輻射方向的方向函數(shù)，Δm1按式(3-1-5)計(jì)算;Rr為天線的輻射阻抗。f(Δm1,φ)和Rr二者應(yīng)歸算于同一電流。對(duì)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。圖3-1-8表示天線架高H>λ/2，且地面為理想導(dǎo)電地時(shí)的方向系數(shù)與l/λ的關(guān)系曲線。當(dāng)H較低或地面不是理想導(dǎo)電地面時(shí)，天線的方向系數(shù)低于圖中的數(shù)值。圖3-1-8雙極天線的D~l/λ關(guān)系曲線

4.雙極天線的尺寸選擇

1)臂長(zhǎng)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(dòng)，應(yīng)選擇振子的臂長(zhǎng)l<0.7λmin，其中λmin為最短工作波長(zhǎng)，滿(mǎn)足此條件時(shí)，最大輻射方向始終在與振子垂直(即φ=0°)的平面上。圖3-1-9饋線上行波系數(shù)K~l/λ關(guān)系曲線(饋線特性阻抗為600Ω)(2)從天線及饋電的效率考慮。

若要求饋線上的行波系數(shù)不小于0.1，由圖3-1-9可見(jiàn)，通常要求l≥0.2λ考慮電臺(tái)在波段工作，則應(yīng)滿(mǎn)足

l≥0.2λmax

(3-1-10)

綜合以上考慮，天線長(zhǎng)度應(yīng)為

(3-1-11)

2)天線架高H的選擇

如果通信距離較遠(yuǎn)，則應(yīng)當(dāng)使天線的最大輻射方向Δm1與所需的射線仰角Δ0一致，根據(jù)式(3-1-6)計(jì)算天線架設(shè)高度H，即