《電磁波-傳輸.輻射.傳播》課件第5章

第5章天線5.1喇叭天線

5.2拋物面天線

5.3雙反射面天線(卡塞格倫天線)*5.4天線陣方向性計(jì)算

5.5同相水平天線

5.6引向天線

5.7螺旋天線

5.8旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線(電視發(fā)射天線)

5.9垂直天線

5.10微帶天線

5.11智能天線

5.12衛(wèi)星天線

5.13移動(dòng)天線

實(shí)際使用的天線可能有各種形狀和結(jié)構(gòu)，但從最基本的輻射器來(lái)說(shuō)，都可看成是傳輸線終端開(kāi)放的結(jié)果，如圖5－1所示。平行雙導(dǎo)線打開(kāi)之后成為最基本的線天線。波導(dǎo)開(kāi)口處張開(kāi)之后則成為最基本的面天線。面天線主要用于微波頻段，線天線則主要用于微波以下的頻率。

圖

5-1天線的形成

天線就其尺寸來(lái)說(shuō)，最長(zhǎng)的線天線有用于極低頻通信的長(zhǎng)達(dá)一兩百千米的天線；面天線有用于射電天文的直徑達(dá)100m的拋物面天線；短的有用于微波系統(tǒng)的探針和小環(huán)，其尺寸數(shù)量級(jí)只有1cm左右。但不論其尺寸如何，都是對(duì)應(yīng)于一定頻率的天線。

5.1喇

叭天

線把激勵(lì)了的波導(dǎo)在其終端開(kāi)口就有電磁波輻射出去，如圖5-2所示，它就是一種簡(jiǎn)單的天線。但是波導(dǎo)截面電尺寸很小，不能得到大的增益；而且這種開(kāi)口使傳播條件突變，引起很強(qiáng)的反射，使波源(非TEM波)與空間(TEM波)的匹配不好，使輻射系統(tǒng)的效率很低，因此，要將波導(dǎo)尺寸逐漸均勻擴(kuò)展使波導(dǎo)與空間匹配良好，于是形成了各種形式的喇叭天線。喇叭天線的最典型形式如圖5-3所示。矩形波導(dǎo)終端的H面漸變地張開(kāi)，則稱為H面扇形喇叭天線。E面漸變地張開(kāi)，則稱為E面扇形喇叭天線。H面和E面都張開(kāi)，則稱為塔形喇叭天線。圓波導(dǎo)開(kāi)口終端漸變地張開(kāi)，則稱為圓錐喇叭天線。

圖

5-2開(kāi)口波導(dǎo)

圖

5-3各種喇叭天線

當(dāng)波導(dǎo)管終端開(kāi)口逐漸張開(kāi)以形成喇叭天線時(shí)，它的特性阻抗從內(nèi)到外逐漸趨于自由空間的特性阻抗(波阻抗)，使終端反射大大降低，其他高階波型也很少了。這時(shí)，喇叭內(nèi)電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和與其相連的波導(dǎo)波型相同，只是場(chǎng)的分布有些變形，以適應(yīng)橫截面的漸變。喇叭內(nèi)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。

圖

5–4

E面扇形喇叭內(nèi)場(chǎng)結(jié)構(gòu)

設(shè)喇叭口面尺寸為a×b,a為寬邊，b為窄邊。或者更確切地說(shuō)，當(dāng)矩形波導(dǎo)傳輸TE10波時(shí),a邊與面H平行，b邊與E面平行。這時(shí)，我們可以認(rèn)為在口面上各點(diǎn)的場(chǎng)同相，而振幅沿a邊依TE10波的場(chǎng)變化，即E=E0cos(πx/a)。因此，喇叭天線的方向圖就可由下式來(lái)決定：(5-1)相應(yīng)的半功率波瓣寬度為

(5-2)(5-3)而方向系數(shù)(也就是增益)為

式中，Ae為天線的有效面積。

由上述結(jié)果可知，喇叭口面電尺寸越大，波瓣越窄，方向系數(shù)越大。如果口面上的縱橫尺寸相同，即a=b，則E面的波瓣比H面的要窄些。這是因?yàn)樵诳诿嫔涎豣邊場(chǎng)的分布均勻。式(5-4)中的有效面積Ae在口面上場(chǎng)完全均勻分布時(shí)就是口面的幾何面積A。如口面上的場(chǎng)相位相同而振幅不均勻，或振幅和相位都不均勻，則口面的有效面積Ae和幾何面積A之間的關(guān)系為(5-5)其中，g稱為口面利用系數(shù)，它說(shuō)明口面的有效面與幾何面之比。對(duì)于喇叭天線而言，g的數(shù)值大約為0.5。

事實(shí)上，由于喇叭由波導(dǎo)壁逐漸擴(kuò)展而成，場(chǎng)結(jié)構(gòu)與原來(lái)在波導(dǎo)內(nèi)的不同，使口面上場(chǎng)的相位不均勻。由圖5-5可知，口面場(chǎng)的相位從口面中心向邊緣逐漸滯后，距口面中心s處的相位滯后值Δ￠s為由于喇叭口徑的尺度總比喇叭長(zhǎng)度L小許多，

因此上式可以化簡(jiǎn)為

因此，設(shè)喇叭口面沿s的寬度為a，則從中心到邊緣的最大相位滯后值為(5-6)圖

5-5口面場(chǎng)相位計(jì)算

一般說(shuō)來(lái)，不應(yīng)使喇叭過(guò)長(zhǎng)，但又要保證其方向特性，可取Δ￠max=π/2。這時(shí)，當(dāng)口面尺寸a定下之后，喇叭的長(zhǎng)度應(yīng)保證滿足下式：(5-7)在微波通信技術(shù)中，有時(shí)就采用大的喇叭天線作為獨(dú)立工作的天線；但在微波雷達(dá)技術(shù)中，

常常采用小的喇叭天線用作反射面天線的照射器(初級(jí)饋源)。

5.2拋

物

面

天

線

拋物面天線由照射器和拋物面反射器組成。在本書(shū)1.5節(jié)講述波的反射時(shí)曾經(jīng)介紹過(guò)拋物面的特性。它能將置于其焦點(diǎn)處的源所發(fā)射的球面波，經(jīng)過(guò)拋物面反射之后變成平面波。平面波出現(xiàn)在拋物面的口面上表明口面上的場(chǎng)各點(diǎn)大小相同，相位相等。在這種情形下可以獲得更尖銳的方向性。當(dāng)然，實(shí)際的口面場(chǎng)并不完全等同于平面波，但能量集中于窄的波束發(fā)射則是完全肯定的。圖5-6為拋物反射面改善方向圖的示意。圖5-7表示拋物面中的有關(guān)幾何參數(shù)。

圖

5-6拋物面天線

圖

5-7拋物面中的幾何參數(shù)

各幾何參數(shù)的意義如下：

(1)拋物面口徑——以拋物面的邊緣為周界的平面。口徑直徑為D，半徑以R0表示，口徑面積以A表示。

(2)拋物面軸線——與口徑平面垂直，并通過(guò)其中心的直線。

(3)拋物面的焦距——由焦點(diǎn)到頂點(diǎn)的距離，用f表示。

(4)拋物面口徑張角——由焦點(diǎn)對(duì)拋物面邊緣相對(duì)兩點(diǎn)所張的夾角稱為口徑張角，用2Ψ0表示。

圖5-7實(shí)際上是通過(guò)拋物面軸線的平面與拋物面相截而得的平面曲線。這一曲線是拋物線。在圖上所示的極坐標(biāo)中它的方程式可寫(xiě)為

(5-8)由此不難得到拋物面的口徑、

焦距與口徑張角之間的關(guān)系為

(5-9)拋物反射鏡的形式很多，有旋轉(zhuǎn)拋物面、拋物柱面、剖截旋轉(zhuǎn)拋物面等。它們的分析方法是一樣的。如果在拋物面天線的口面上電磁場(chǎng)是均勻的，則它的方向圖與圓口面輻射場(chǎng)的方向圖基本上是一樣的。但實(shí)際的照射是不均勻的，考慮到這種不均勻性的計(jì)算結(jié)果表明，不論在H面還是在E面，它的方向圖和口面半徑R0與焦距之比R0/f有關(guān)。這個(gè)比值越小，方向圖的主瓣越尖銳。這就是說(shuō)，長(zhǎng)焦距拋物面有更尖銳的主瓣。不過(guò)這時(shí)副瓣也較強(qiáng)。所以，要權(quán)衡兩方面取適當(dāng)?shù)腞0/f比值。當(dāng)R0/f=1.3時(shí)可由下式估算其半功率波瓣寬度：(5-10)例如，設(shè)工作頻率為6GHz，則λ=5cm，采用直徑為3m的拋物面時(shí)，可由上式算出：2θ0H≈1.15°,

2θ0E≈1.24°

拋物面天線的方向系數(shù)仍由式(5-4)計(jì)算。但是在確定口面利用系數(shù)g時(shí)和喇叭天線不一樣。它不僅決定于口面上場(chǎng)的分布是否均勻，而且也決定于口面對(duì)初級(jí)饋源照射能量截獲的多少。由于初級(jí)饋源發(fā)射的電磁波的方向圖有一定的寬度，能量不可能完全投射到拋物面上去反射，因而總有一部分泄漏，如圖5-8所示。

這種泄漏相當(dāng)于拋物面的口面利用系數(shù)下降。這兩個(gè)方面因素的影響使口面利用系數(shù)g和比值R0/f有如圖5-9所示的關(guān)系。從圖上可知，當(dāng)R0/f為某值時(shí)，拋物面口徑的面積利用系數(shù)g具有最大值。這是由于R0/f變化(增大或減小)時(shí)，有兩種相反的趨向。當(dāng)R0/f減小時(shí)，越過(guò)拋物面的泄漏能量增加，使方向系數(shù)減小，從而引起方向系數(shù)下降；但是當(dāng)R0/f下降時(shí)，由于照射器對(duì)拋物面口徑的照射更均勻，方向系數(shù)會(huì)增大。因此，這兩種相反的趨向使口面利用系數(shù)大約在R0/f=1.3時(shí)達(dá)到最大值。這也是公式(5-10)提出的依據(jù)。圖

5-8拋物面天線的能量泄漏

圖

5-9口面利用系數(shù)的變化

上述討論是在照射器的方向性函數(shù)大約為F(θ)=cosθ(-90°≤θ≤90°)的前提下進(jìn)行的。當(dāng)照射器的方向圖變化時(shí)，最佳的R0/f值也應(yīng)跟著作相應(yīng)的變化。但計(jì)算表明，不管在什么情況下，最佳口面利用系數(shù)值幾乎相同，即為g≈0.83;并且，此時(shí)照射器對(duì)口面邊緣的照射比對(duì)中心的照射約低10dB電平。考慮到拋物面加工的誤差問(wèn)題以及整個(gè)天線系統(tǒng)的安裝誤差問(wèn)題，口面利用系數(shù)的實(shí)際數(shù)值一般在0.4～0.5左右。表5－1是微波通信用的旋轉(zhuǎn)拋物面天線性能舉例。表

5-1微波通信用的旋轉(zhuǎn)拋物面天線性能舉例

對(duì)拋物面天線的照射器通常有下列幾點(diǎn)要求：

(1)照射器在反射面的相反方向應(yīng)盡量不輻射能量。

(2)照射器的方向圖應(yīng)盡可能使反射面得到均勻照射，以便得到最大的方向系數(shù)。

(3)照射器在整個(gè)工作頻帶和饋線匹配。

(4)照射器的結(jié)構(gòu)應(yīng)不妨礙能量由天線口徑向自由空間輻射，并要求與天線組合時(shí)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以保證整個(gè)天線結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固和正常工作。

在要求方向圖擺動(dòng)的雷達(dá)中，常常利用讓照射器離開(kāi)焦點(diǎn)作橫向移動(dòng)來(lái)得到波束掃描。由于照射器在拋物面反射后的電磁波傳播路徑上，因此反射后的一部分能量又將被照射器截獲。對(duì)于這一部分能量，照射器成了接收天線。照射器接收的能量在饋線內(nèi)形成反射波，由照射器傳向電源，結(jié)果與電源輸出的電磁波合成了駐波，使照射器與饋線匹配不良。為了消除反射波對(duì)照射器的影響，可以在旋轉(zhuǎn)拋物面上割取一部分做反射體，如圖5－10所示。此時(shí)照射器在反射波的有效作用范圍之外。圖

5-10照射器在有效反射區(qū)外

另一種消除反射波對(duì)照射器影響的方法是采用喇叭拋物面天線。如圖5-11所示。在這種天線中，作為初級(jí)饋源的照射器喇叭不是正對(duì)拋物反射面的頂點(diǎn)輻射，而是把喇叭的照射方向轉(zhuǎn)移一個(gè)角度，并使喇叭壁延伸出去與拋物面相連。這種結(jié)構(gòu)大大地降低了返回照射器的能量。這種天線的增益與普通拋物面天線差不多，但能量泄漏少，副瓣電平低，匹配良好，工作頻帶寬?？梢杂镁匦位驁A形波導(dǎo)饋電?？梢酝瑫r(shí)有相互垂直的兩種極化波，甚至可以傳送兩類(lèi)高頻信道。這些特性對(duì)于微波通信中發(fā)射與接收共用一副天線以及寬帶的要求來(lái)說(shuō)是必不可少的。

圖

5-11喇叭拋物面天線

5.3雙反射面天線(卡塞格侖天線)雙反射面天線的基本工作原理如圖5-12(a)所示，它的幾何參數(shù)表示在圖5－12(b)中。它由三個(gè)部件組成：主反射面(旋轉(zhuǎn)拋物面)、次反射面(旋轉(zhuǎn)雙曲面)和饋源。雙曲面有兩個(gè)焦點(diǎn)，一個(gè)是實(shí)焦點(diǎn)Fp，一個(gè)是虛焦點(diǎn)F。饋源位于雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)Fp處，而雙曲面的虛焦點(diǎn)F則與拋物面的焦點(diǎn)重合。從雙曲面的幾何關(guān)系可知，位于雙曲面實(shí)焦點(diǎn)的饋源發(fā)出的波，經(jīng)過(guò)雙曲面反射以后變成以雙曲面的虛焦點(diǎn)(也是拋物面的焦點(diǎn))為中心發(fā)出的波，

然后經(jīng)拋物面反射。

圖

5-12雙反射面天線這樣，

一個(gè)天線系統(tǒng)的各幾何參數(shù)之間的關(guān)系由下列三個(gè)方程表示(參照?qǐng)D5-12(b))：

(5-11)(5-12)(5-13)其中：f為主反射器拋物面的焦距；D為拋物面的口面直徑；Ψ0為拋物面的張角之一半；Fc為雙曲面虛實(shí)兩焦點(diǎn)間的距離；θ0′為雙曲面張角的一半；d為雙曲面直徑；Lv為雙曲面頂點(diǎn)到拋物面焦點(diǎn)之間的距離。這七個(gè)參數(shù)中，如果已知四個(gè)，則其他三個(gè)參數(shù)可由上列三式確定。此三式的證明過(guò)程從略。下面我們進(jìn)一步討論這種天線的原理。分析一個(gè)面天線，主要問(wèn)題之一是如何由口面場(chǎng)分布來(lái)確定其電參數(shù)，例如增益系數(shù)、波束寬度及旁瓣電平等。但這必然涉及到如何由照射器方向圖來(lái)求得口面場(chǎng)分布。這種天線比普通拋物面天線多了一個(gè)雙曲反射面，這就使求口面場(chǎng)的問(wèn)題復(fù)雜化。我們利用“等效拋物面法”可將此雙反射面天線等效為普通拋物面天線。

“等效拋物面法”的實(shí)質(zhì)是將拋物面與雙曲面構(gòu)成的系統(tǒng)視為一個(gè)整體，用一個(gè)等效拋物面來(lái)代替它?？梢宰C明此等效拋物面的焦距比原來(lái)的長(zhǎng)，而拋物面口徑尺寸相同。參閱圖5-13，此等效拋物面的作圖步驟如下：由目標(biāo)來(lái)的信號(hào)為平行于拋物面的射線束，經(jīng)拋物面反射向雙曲面，然后再由雙曲面反射向位于雙曲面實(shí)焦點(diǎn)上的饋源。將射向饋源的波束向相反方向延伸且與平行于軸線的射線相交，這些交點(diǎn)的軌跡即為等效拋物面。

圖

5-13等效拋物面

由圖5-13可知：

(5-14)其中，ρ′是由饋源所在的實(shí)焦點(diǎn)Fp至等效拋物面上任意點(diǎn)的距離；θ′為相應(yīng)的射線與軸線間的夾角；fe為等效拋物面的焦距，稱為等效焦距?？梢宰C明，雙反射面天線的原拋物面焦距f與其等效拋物面焦距fe之間的關(guān)系為(5-15)上式右方的第一個(gè)因子可用M代表，即

(5-16)它稱為雙反射面天線的焦距放大率。由于Ψ0＞θ0，

故M必然大于1。

由上所述可知，如果此天線的主反射面的口徑尺寸和焦距分別等于一個(gè)普通拋物面天線的口徑尺寸和焦距，則此天線的性能就相當(dāng)于有一個(gè)等效焦距的拋物面天線的性能，而此等效焦距比原來(lái)的大M倍。如需要在這兩個(gè)天線口徑上得到相同的照射，則雙反射面天線允許有較大的饋源口徑尺寸，這樣有利于改善電性能。對(duì)于這種雙反射面天線的設(shè)計(jì)，可歸結(jié)于對(duì)其等效拋物面天線的設(shè)計(jì)。*5.4天線陣方向性計(jì)算

天線陣的方向函數(shù)是各天線元的方向函數(shù)和無(wú)方向陣列的方向函數(shù)之積。我們主要計(jì)算后者，它又常稱為陣因子。如圖5-14所示，沿x軸依等距離d排列了n個(gè)天線元，計(jì)算它在xy平面內(nèi)與y軸成β角的方向圖。圖

5-14陣因子計(jì)算

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)各天線元的激勵(lì)是等幅的，各天線元至觀察點(diǎn)的距離在振幅方面的差異可以忽略，在相位方面的影響不可忽視。又設(shè)各天線元從左至右的激勵(lì)電流相位依次滯后￠角。這樣一來(lái)，如果第一天線元的輻射場(chǎng)為E1=Ke-jαr1

式中，K=E0F1(θ),E0為天線元最大輻射方向的場(chǎng)強(qiáng)值，F(xiàn)1(θ)為天線元的方向函數(shù)。這樣，

第二天線元的輻射場(chǎng)為

兩者之和為其中，ψ=αdsinβ+￠。這是兩個(gè)天線元輻射場(chǎng)疊加的結(jié)果。如為n個(gè)天線元，則有但

由此得到合成場(chǎng)的振幅為

(5-17)式中,即為陣因子，如把它記為F2(β),則有

(5-18)此式表明，

陣因子F2(β)的最大值出現(xiàn)在

的時(shí)候，命此時(shí)的β角為β0，

則有

(5-19)

若各振子間的距離是半個(gè)波長(zhǎng)，即d=λ/2，這時(shí)，式(5-18)成為

(5-20)而最大發(fā)射方向的條件式(5-19)成為

(5-21)若天線元為半波振子且振子沿圖5-14的y軸放置，則其方向函數(shù)為

(5-22)下面我們分別介紹幾種由半波振子排成的天線陣。

1.邊射陣最大發(fā)射方向在振子所在平面的兩邊亦即垂直于此平面的稱為邊射陣，如圖5-15所示。獲得邊射的方法是使各振子的激勵(lì)電流同相，這時(shí)￠=0，于是式(5-20)成為

(5-23)圖

5-15邊射陣

1)H面方向圖這時(shí)，半波振子的方向函數(shù)為式(5-22)中命θ=90°的結(jié)果，即而陣因子則可令式(5-23)中的β=Δ而得到

(5-24)其中，

Δ稱為仰角(或俯仰角)。兩者之積為

(5-25)

圖5-16(a)表示n=4的結(jié)果。

2)E面方向圖這時(shí)，圖5-15中的方位角用α表示，則半波振子的方向函數(shù)應(yīng)為式(5-22)中命θ=90°-α

的結(jié)果，即陣因子可由式(5-23)中命β=0°而得出，即

(5-26)兩者之積為

(5-27)圖5-16四元邊射陣(a)H面；

(b)E面

2.直線陣當(dāng)各振子不是平行地排列在同一平面上而是首尾相接地排成一直線，則稱為直線陣，如圖5-17所示。設(shè)各振子同相激勵(lì)，

即￠=0，

研究其在H面和E面的方向圖。

圖

5-17直線陣

1)H面方向圖在此面內(nèi)，半波振子的方向函數(shù)為式(5-22)中命θ=90°的結(jié)果，即

F1(θ=90°)=1陣因子為式(5-23)中命β=0°的結(jié)果，即

F2(β=0°)=n兩者之積即為同相直線陣在H面的方向函數(shù)：

FH(Δ)=n圖5-18四元同相直線陣(a)H面；

(b)E面

2)E面方向圖在此面內(nèi)，半波振子的方向函數(shù)為式(5-22)中命θ=90°-α的結(jié)果，即陣因子由式(5-23)中命β=α而得出，即(5-29)兩者之積即為同相直線陣在E面的方向函數(shù)：

圖5-18(b)是n=4的結(jié)果。

(5-30)

3.端射陣端射陣是最大發(fā)射方向在振子排列所在的平面上，且指向振子排列方向的天線陣，如圖5-19所示。若振子之間相距d=λ/2，且各振子反相激勵(lì)，則由式(5-21)可知其最大發(fā)射方向決定于

即θ0=±90°，如圖5-19所示。陣因子由式(5-20)中命￠=π而得到，即為

(5-31)圖5-19表示n=4的端射陣在垂直振子的平面和包含振子的平面內(nèi)的方向圖。在圖(a)的情況下，半波振子本身的方向函數(shù)為F1=1，因此合成方向圖為圖

5-19四元端射陣

在圖(b)的情況下，半波振子本身的方向圖由式(5-31)計(jì)算，因此合成方向函數(shù)為

事實(shí)上，端射陣并不一定兩端都有最大發(fā)射方向。如果兩平行的半波振子相距λ/4，兩者激勵(lì)電流相位差90°，也可以成為端射陣。

4.相控陣從式(5-19)可以看出，如果天線陣中各天線元間的距離d一定，工作波長(zhǎng)一定，則改變各振子之間激勵(lì)電流的相對(duì)相位就能改變最大發(fā)射方向β0。因此，只要連續(xù)改變各振子的電流相位就可以使主波束在空間掃描。這樣的天線陣稱為相控陣。相控陣天線對(duì)于跟蹤快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是有利的，因?yàn)樗恍枰炀€本身有機(jī)械運(yùn)動(dòng)。所以，這種天線又叫電掃描天線。v5.5同相水平天線

米波雷達(dá)和短波遠(yuǎn)程干線通信都廣泛使用同相水平天線。它是一個(gè)天線陣，陣中每一天線元都是中心饋電的半波振子。各振子之間相距λ/2，依一定的行列數(shù)在平面上排陣，如圖5-20所示。這種天線要求每一振子都是同相饋電。為了使發(fā)射集中到一個(gè)方向上，還附加有金屬反射網(wǎng)。這種天線的振子由導(dǎo)體構(gòu)成，為使其工作頻帶加寬，在米波波段常使用銅管或鋁管，在短波波段常使用籠形振子，如圖5-21所示。圖

5-20同相水平天線

圖5-21單振子結(jié)構(gòu)(a)管形；

(b)籠形

天線面共有2n列和2m行振子，每一振子都是水平放置的。輻射場(chǎng)是水平極化波。振子間距為λ/2。配電饋線要交叉連接，如圖5-22所示，這樣就可以利用傳輸線每隔λ/2就使電流反相以達(dá)到同相饋電的目的。為了完全對(duì)稱饋電，振子的行數(shù)和列數(shù)都應(yīng)為偶數(shù)。在米波雷達(dá)天線中，振子用λ/4短路線固定在有反射網(wǎng)的構(gòu)架上。在短波通信天線中，振子和反射網(wǎng)都是懸掛在鐵塔之間的金屬幕。圖

5-22饋線與振子的連接

反射網(wǎng)的緯線平行于振子軸，應(yīng)當(dāng)比較密集，使導(dǎo)線間距遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)。這樣，可視它為理想導(dǎo)體，而用鏡像原理來(lái)計(jì)算反射的作用(可參考圖5-23)。網(wǎng)的尺寸(高和寬)應(yīng)該比天線面大一些。從鏡像原理可知，反射波相當(dāng)于在網(wǎng)后對(duì)稱位置有一反相激勵(lì)源，如圖5-24所示，鏡像源與真實(shí)源有λ/2的波程差。這樣就可以補(bǔ)償反相激勵(lì)，而在所需要的發(fā)射方向上使輻射場(chǎng)同相相加。這就使能量集中到一個(gè)方向去發(fā)射。

圖

5-23反射網(wǎng)

圖

5-24反射網(wǎng)的原理

發(fā)射機(jī)通過(guò)主饋線，第一配電饋線(列饋線)和第二配電饋線(行饋線)向天線各振子饋電。第二配電饋線使每行振子的電流同相且等幅。第一配電饋線應(yīng)設(shè)計(jì)成使每列振子電流同相。至于振幅則可以相等，也可以依一定的比例(例如依契比雪夫多項(xiàng)式的系數(shù)，或其他規(guī)律)分配以便抑制副瓣。同相水平天線的方向圖從概念上觀察可以判定為圖5-25中沿z軸方向。因?yàn)閦軸是垂直于天線陣平面的軸。在各天線元都是同相饋電時(shí)，在此軸方向上，天線元都有相同的波程，因而各天線元的輻射在z軸上同相相加，由此形成沿z軸的最大發(fā)射方向。具體的方向函數(shù)可由以下的計(jì)算結(jié)果得出。圖

5-25同相水平天線的方向圖

在同相水平天線中，參考圖5-25可知，沿x軸相當(dāng)于邊射陣，沿y軸是直線陣。在H面上，這兩個(gè)陣的陣因子由式(5-24)和式(5-28)之積決定。前者為在式(5－24)中以2m代替n的結(jié)果；后者為在式(5-28)中以2n代替n的結(jié)果。在此面上，半波振子本身的方向因子均為1，故同相水平天線在H面的方向函數(shù)為在E面上，半波振子的方向函數(shù)為

陣因子為式(5-26)與式(5-29)之積，但前者應(yīng)將n換為2m，后者應(yīng)將n換為2n，

即

于是同相水平天線在E面的方向圖函數(shù)為

最后的結(jié)果為

(5-32)H面：

E面：

考慮到反射網(wǎng)的作用，根據(jù)第4章式(4-49)和式(4-50)可知，當(dāng)H=λ/4時(shí)還應(yīng)乘以下列因子：在H面：

在E面：

因此，

總方向函數(shù)為

(5-33)(5-34)可見(jiàn)，在H面的方向圖只與兩個(gè)方向函數(shù)有關(guān)，它們是列方向函數(shù)和反射網(wǎng)方向函數(shù)，而與單振子和行方向函數(shù)無(wú)關(guān)。在E面的方向圖只與單振子方向函數(shù)、行方向函數(shù)和反射網(wǎng)方向函數(shù)有關(guān)，而與列方向函數(shù)無(wú)關(guān)。同相水平天線的方向系數(shù)D可由下式來(lái)計(jì)算：

(5-35)即(2.5～3)倍行列數(shù)之積。表5-2列舉了幾個(gè)同相水平天線的性能以供參考。把其中一些參數(shù)和表5-1的微波天線相比較可以看出，同相水平天線的增益要比微波天線低得多，半功率波瓣寬度也比微波天線大。但是在線天線中它仍然是高增益、

銳方向性天線。

表

5-2幾個(gè)同相水平天線的性能參數(shù)

5.6引向天

線引向天線或稱波道天線、八木天線，它廣泛用于分米波和米波雷達(dá)以及米波通信設(shè)備中。這種天線的結(jié)構(gòu)如圖5-26所示。它由一個(gè)中心饋電的有源半波振子(或稱主振子)、一個(gè)反射振子(稍長(zhǎng)于半波長(zhǎng))和若干引向振子(稍短于半波長(zhǎng))構(gòu)成。引向器的數(shù)目通常為一個(gè)以上。各引向振子可以是一樣長(zhǎng)，也可以是離有源主振子越遠(yuǎn)的越短。反射振子和引向振子都是無(wú)源振子，它們的中點(diǎn)是短路的，不接電源，所以又稱為寄生振子。各振子之間的間距一般小于λ/4。所有振子在一個(gè)平面內(nèi)，軸互相平行，中點(diǎn)在一條連線上并固定于金屬桿上。振子所在的平面是天線發(fā)射的電場(chǎng)振動(dòng)平面，所以稱為E面。通過(guò)振子中心的金屬桿與振子所在平面相垂直的平面是H面。

圖

5-26引向天線結(jié)構(gòu)

在第4章4.7節(jié)討論二元振子的方向性時(shí)曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，如有兩振子相距λ/4，其中振子1的激勵(lì)電流超前于振子290°，且兩者振幅相等，則天線的最大發(fā)射方向在振子1→振子2的方向。這是因?yàn)?，振?的超前90°激勵(lì)會(huì)被D=λ/4距離引起的相位滯后90°所抵消，而在振子1→振子2方向上發(fā)射的電波同相相加，故形成最大發(fā)射方向，如圖5－27所示。在與之相反的方向上，振子2的輻射場(chǎng)除激勵(lì)電流滯后于振子190°外，又有λ/4的程差相移，所以，在相反方向上兩者的輻射場(chǎng)處處反相抵消，形成零發(fā)射方向。在這種情形下，如果振子2是主振子，則振子1相當(dāng)于反射器；如果振子1是主振子，則振子2相當(dāng)于引向器。這就是引向天線的基本作用原理。圖

5-27引向天線原理

但以上是兩振子都接入電源，并能控制各振子的電流大小和相位的結(jié)果。如果只有一個(gè)振子接入電源，而另一振子在中心短路，則此無(wú)源振子上的電流大小和相位將依賴于有源振子電磁場(chǎng)對(duì)它的感應(yīng)。這種感應(yīng)而生的電流將產(chǎn)生一個(gè)輻射場(chǎng)。如能調(diào)整振子的長(zhǎng)度和它與有源振子的距離，就有可能使其輻射場(chǎng)在一個(gè)方向與有源振子的相加而增強(qiáng)；在相反的方向上相抵而減弱。和兩者都接電流時(shí)的不同之處在于，這種感應(yīng)而產(chǎn)生的反射或引向作用并不一定發(fā)生在相距λ/4和長(zhǎng)度為λ/4的情況下。由理論的估計(jì)和實(shí)際的測(cè)量表明，用作引向器的無(wú)源振子長(zhǎng)度應(yīng)短于有源振子；用作反射器的無(wú)源振子長(zhǎng)度應(yīng)比有源振子長(zhǎng)些。兩者之間的距離也不是λ/4而是小于λ/4。圖5-28(a)、(b)分別是三元和五元引向天線尺寸舉例。圖(c)是有6個(gè)引向器的天線方向圖，其中實(shí)線是H面方向圖，

虛線是E面方向圖。

圖5-28實(shí)際引向天線舉例(a)三元引向天線尺寸；

(b)五元引向天線尺寸；

(c)八元引向天線方向圖

由一個(gè)有源半波振子、一個(gè)反射器或一個(gè)引向器構(gòu)成的引向天線，它的方向系數(shù)最大可達(dá)6。為了進(jìn)一步加大方向系數(shù)，可以同時(shí)使用一個(gè)反射器和若干個(gè)引向器。為了加強(qiáng)反射作用，有時(shí)可以加反射網(wǎng)。當(dāng)引向器數(shù)目加多時(shí)，反射器的作用變?nèi)?，天線的方向性基本上決定于引向器。但引向器的數(shù)目也有一個(gè)限度，增加太多對(duì)提高方向系數(shù)的作用將不顯著，而結(jié)構(gòu)上卻變得笨重。所以很少有十幾個(gè)或幾十個(gè)單元的引向器。引向天線也是一種天線陣，從天線陣的分類(lèi)來(lái)說(shuō)，它是端射陣。有時(shí)，在引向天線的終端放一個(gè)平面反射器可使電磁波反射回去，造成與端射式相反的最大發(fā)射方向。這種天線稱為背射式天線。這種天線比原來(lái)端射式天線的增益高，副瓣電平低，是衛(wèi)星通信地面站所使用的天線之一。

引向天線的方向系數(shù)可由下式計(jì)算：

(5-36)其中：L為有源振子至最末一個(gè)引向器之間的距離；g是一個(gè)與振子數(shù)目有關(guān)的比例系數(shù)。從上式看，它相當(dāng)于L等于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)天線的方向系數(shù)。圖5-29是D和g隨L/λ變化的曲線。圖

5-29計(jì)算方向系數(shù)的曲線圖

引向天線的方向系數(shù)還可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)：

(5-37)其中，n為引向器數(shù)目。引向天線的半功率波瓣寬度2θ0與L/λ有關(guān)，圖5-30是兩者關(guān)系的大概變化情況。這種天線的效率較高可達(dá)90%以上，除單獨(dú)使用外，也可以組成引向天線陣以獲得更高的增益。

圖

5-30半功率波瓣寬與L/λ的關(guān)系

1.折合振子

為了有效地將電磁能量饋送到天線而發(fā)射出去，要求有源振子設(shè)計(jì)成諧振波長(zhǎng)(還要計(jì)及無(wú)源振子的影響)，使天線輸入阻抗為純電阻，同時(shí)還必須考慮天線輸入阻抗與饋線匹配問(wèn)題。半波振子的輸入阻抗為73Ω，為純電阻。但是在它附近放置幾根無(wú)源振子之后，由于耦合作用可使輸入阻抗降低到60Ω以下，甚至低到15～20Ω。引向天線是同軸電纜饋電的。標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的特性阻抗一般在50～100Ω之間。為了提高天線的阻抗使其能補(bǔ)償無(wú)源振子引起的下降而與同軸電纜匹配，以提高饋電效率，引向天線的有源主振子一般均采用折疊式半波振子，簡(jiǎn)稱折合振子。

折合振子是在一個(gè)有源振子的兩端接上一個(gè)無(wú)源振子而構(gòu)成的，如圖5-31所示。兩振子的距離D遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ。在這種情形下，兩振子上的電流I0相同。這一點(diǎn)可由圖5-32看出?？梢园颜酆险褡涌醋鲝闹悬c(diǎn)橫向拉開(kāi)的λ/2短路傳輸線。拉開(kāi)之后，原來(lái)反相分布的電流變?yōu)橥喾植?。由于折合振子的兩振子間的距離遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，故對(duì)外部空間來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于電流為2I0的一個(gè)單振子。那么，其輻射功率為圖

5-31折合振子

圖

5-32折合振子的形成

若天線為理想結(jié)構(gòu)(即無(wú)耗天線)，

則輻射功率P就等于輸入功率P0,而天線的輸入功率為

從上兩式相等不難看出，在折合振子情況下，輸入電阻Rin為4Rr，即折合振子的輸入電阻為單振子的四倍。單振子的輸入電阻為73Ω，現(xiàn)在變?yōu)榇蠹s300Ω，這樣就提供了足夠的輸入阻抗儲(chǔ)備量使其降低之后仍能與同軸線匹配。由于兩振子電流同向，且距離極近，因此折合振子的方向圖和半波單振子的方向圖沒(méi)有什么區(qū)別。

2.平衡饋電對(duì)稱振子天線的兩臂相對(duì)于地而言是對(duì)稱的。但是同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體對(duì)地而言不是對(duì)稱的。因此，如將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體與對(duì)稱振子的一臂相接，外導(dǎo)體與另一臂相接，就會(huì)引起振子上的電流分布不平衡。這種情況可由圖5-33看出。這時(shí)，外導(dǎo)體內(nèi)壁的電流I1在開(kāi)口處分為兩路：一路I2沿外導(dǎo)體外壁流出；一路I1-I2流到振子左臂。中心導(dǎo)體的電流和外導(dǎo)體流過(guò)的總電流I1是相等的。這樣一來(lái)，振子上左右兩臂電流的分布就不平衡了，如圖5-33中右側(cè)的電流分布曲線所示。這種不平衡饋電的后果主要有三：①使天線方向圖不對(duì)稱，發(fā)生扭轉(zhuǎn)；②電纜外殼有輻射且為垂直極化振動(dòng)，如用作接收天線，則振子不僅能受到水平極化波的干擾，還可能受到垂直極化波的干擾；③改變了天線的輸入阻抗，使天線與饋線失配。圖

5-33不平衡饋電的結(jié)果

采用平衡裝置可以改正不平衡饋電的情況。一種方法是加裝一個(gè)λ/4的短路扼流套筒，或在同軸線接天線端開(kāi)一個(gè)λ/4的短路縫隙，如圖5-34所示。這種裝置在開(kāi)口端呈很大的阻抗(理論上是無(wú)限大阻抗)，使向同軸線外導(dǎo)體外壁流的電流受阻，于是可達(dá)到振子兩臂平衡饋電的目的。

圖

5-34扼流筒與縫隙

另一種裝置是采用U形管，如圖5-35所示。在這種裝置中，對(duì)稱振子的兩臂都接在同軸電纜的中心導(dǎo)體上，但相距λ/2。由傳輸線的理論可知，相距λ/2處阻抗不變，電流反相。所以，將這兩點(diǎn)接入振子兩臂就能夠滿足兩臂對(duì)電流相位的需要。這時(shí)由于外導(dǎo)體只用作屏蔽，因而不存在上述的外表皮電流問(wèn)題。但是，U形管的裝置，不僅能達(dá)到平衡饋電的目的，還會(huì)起到阻抗變換作用

圖

5–35

U形管

5.7螺

旋天

線

螺旋天線是將導(dǎo)線繞成螺旋狀而構(gòu)成的天線。在一定的結(jié)構(gòu)尺寸下，它稱為端射式天線。它通常使用在500～2000MHz范圍，用于產(chǎn)生圓極化波。它的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)如圖5-36所示。它由同軸線饋電；外導(dǎo)體展開(kāi)為反射板，也是地線；中心導(dǎo)體延伸出來(lái)制成螺旋線。螺旋線的終端可以懸空，也可以把它和同軸線外導(dǎo)體相接。在圖5-36中，A表示天線長(zhǎng)，螺旋一圈的直徑用D表示，S是旋距，C是圓周長(zhǎng)，即C=πD，L代表螺旋一圈的長(zhǎng)度。由圖上的幾何關(guān)系可知： 。螺旋的旋距角α則由tanα=S/C來(lái)決定。圖

5-36螺旋天線

圖

5-37方向圖舉例

可以把螺旋天線的每一圈當(dāng)作一個(gè)天線元，然后把它們排成直線陣以計(jì)算其方向函數(shù)。所得的結(jié)果為

(5-38)由實(shí)際測(cè)量得到的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)公式為

增益

(5-39)

半功率角

(5-40)這兩個(gè)公式成立的條件為

(5-41)現(xiàn)在研究圓極化波的形成。取螺旋天線的一圈，把它看作平面線圈，它的長(zhǎng)度正好是一個(gè)波長(zhǎng)，如圖5-38所示。在此線圈中，電流是行波。在時(shí)刻t1，它的電流分布如圖5-38(a)所示。取A、B、C、D四個(gè)單元來(lái)看，在此時(shí)刻，它們的x方向電流分量的輻射場(chǎng)是互相抵消的。在所有相對(duì)于y軸的對(duì)稱點(diǎn)上都是如此。于是在t1時(shí)刻產(chǎn)生輻射場(chǎng)的有效電流分量只有Iy成分。它相當(dāng)于y軸平行分布在圓周上的許多電流元，它們合起來(lái)將在軸線z方向上產(chǎn)生最大場(chǎng)強(qiáng)，并且也是y分量，即Ey。再過(guò)1/4周期之后，上述圓電流圈上的電流將如圖5-38(b)所示。圖

5-38圓極化波的形成

螺旋天線的工作波段寬。在軸向發(fā)射最強(qiáng)的條件下，它的方向圖、輸入阻抗和極化情況可以在1.7∶1的頻率范圍內(nèi)保持不變。它的這一優(yōu)點(diǎn)，正好克服了引向天線的缺點(diǎn)。但它的缺點(diǎn)——制造和調(diào)整具有高增益的大螺旋天線比較困難及副瓣電平較高，又是引向天線的優(yōu)點(diǎn)。

5.8旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線(電視發(fā)射天線)這種天線是利用非全向方向圖在空間繞垂直軸旋轉(zhuǎn)而獲得全向方向圖的。通常電視發(fā)射天線就采用這種旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線。它是在空間水平面上互相垂直放置的兩個(gè)對(duì)稱振子(半波振子)，并以90°的相位差分別對(duì)它們饋電。為了說(shuō)明旋轉(zhuǎn)的原理，我們先用基本振子的方向圖來(lái)討論。如圖5-39所示，兩基本振子互相垂直地放在水平面上。

圖5-39旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線振子①的方向函數(shù)為sinθ，振子②在同一點(diǎn)P觀察時(shí)，它的方向函數(shù)應(yīng)為cosθ。對(duì)圖上所標(biāo)的激勵(lì)電流正方向來(lái)說(shuō)，它們?cè)赑點(diǎn)的電場(chǎng)同方向相加。在距振子r處觀察電場(chǎng)的振動(dòng)，考慮到激勵(lì)電流的90°相移，則兩者的振動(dòng)式應(yīng)為式中：sinωt和cosωt反映激勵(lì)電流的相移在P點(diǎn)產(chǎn)生的兩個(gè)輻射電場(chǎng)的相移;系數(shù)A包括了一切在距離、電流振幅、振子長(zhǎng)度等給定后的不變量。由于兩振子是完全相同的，因此系數(shù)A也都一樣。兩天線在P點(diǎn)的合成場(chǎng)為(5-42)這一結(jié)果表示一個(gè)旋轉(zhuǎn)著的電場(chǎng)振幅分布。因?yàn)?，如命θ?θ-ωt,則(5-43)它表示在θ′坐標(biāo)中的電場(chǎng)分布是不變的，而在θ坐標(biāo)中卻以ω為角速度在空間旋轉(zhuǎn)。

換言之，如果觀察者在隨著場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，他將看到如式(5-43)所示的方向圖。如果觀察者相對(duì)于旋轉(zhuǎn)場(chǎng)靜止，則將看到如式(5-42)所示的方向圖。這種情況如圖5-40(a)所示。

這種旋轉(zhuǎn)著的方向圖在水平面內(nèi)將形成無(wú)方向性的圓。

圖

5-40旋轉(zhuǎn)方向圖

實(shí)際的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線采用半波振子。

這時(shí)在P點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為

這也是一個(gè)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。它轉(zhuǎn)出來(lái)的水平面方向圖如圖5-40(b)所示。為了使兩振子的電流有90°相移，可采用兩種饋電方法。一種方法是用短路同軸線構(gòu)成電感，串接在饋線與振子之間，如圖5-41(a)所示。另一種方法是使兩振子的饋線長(zhǎng)度差λ/4以得到90°相移，如圖5-41(b)所示。圖

5-41旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線的饋電

為了適應(yīng)寬頻帶的需要，應(yīng)加粗振子導(dǎo)體的直徑以降低輸入阻抗。為了減輕重量，把粗導(dǎo)體改為導(dǎo)體板。為了架高之后減小風(fēng)阻，把導(dǎo)體板改為用鋼管做成的柵板來(lái)代替金屬板。為了防雷，還要加入接地的鋼管。這樣一來(lái)，電視發(fā)射天線就演變?yōu)樗^的蝙蝠翼天線。其過(guò)程如圖5-42所示。最后形成了圖5-42(b)、(c)所示的天線。

圖

5-42蝙蝠翼天線圖5-42(b)中所示的天線，由于兩端DD短路，故在AD上形成駐波，A-A有最高電壓。但A-A點(diǎn)的振子最短，阻抗很大，因此振子上的電流小。從B到D的幾個(gè)振子，由于逐漸變長(zhǎng)，阻抗減小，因此雖然電壓逐漸減小，但振子上的電流仍然增大。電流的最大值在AD中間。因此，在垂直于振子的平面內(nèi)，它的方向圖近似于相隔半波距離的兩個(gè)半波振子所產(chǎn)生的方向圖。另一方面，B-B、C-C各點(diǎn)，短路線BD、CD呈電感性，而各振子呈電容性，有對(duì)消作用，所以有寬波段特性。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，這種蝙蝠翼天線的輸入阻抗約為150Ω的純電阻，在30%的頻帶內(nèi)，駐波比小于1.1。

若在與上述蝙蝠翼面垂直的方向上再加一副振子，饋給90°相移的電流，則在水平面內(nèi)可得到旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。為了增強(qiáng)垂直平面內(nèi)的方向性，可增加蝙蝠翼天線的層數(shù)。每層天線的中心距離約為一個(gè)波長(zhǎng)。圖5-43是一個(gè)四層和六層天線在垂直平面的水平極化電場(chǎng)的方向圖。橫坐標(biāo)表示仰角。在振子放置的水平平面內(nèi)，該天線發(fā)射水平極化波。離開(kāi)此平面，則不是水平極化波而成為橢圓極化波。在垂直于振子平面的軸線上。亦即在天線鋼桿所指的方向上是圓極化波。表5-3是多層蝙蝠翼天線的增益數(shù)據(jù)，

可供讀者參考。

圖

5-43多層天線的方向圖

表

5-3多層蝙蝠翼天線的增益數(shù)據(jù)

5.9垂

直天

線

垂直天線是垂直(例如相對(duì)于地面，或相對(duì)于大導(dǎo)體平面)放置的振子。它在水平面內(nèi)的方向圖是一個(gè)圓，因此，它也是全向天線。當(dāng)它放在理想導(dǎo)電平面上時(shí)，由于它的鏡像源上的電流方向相同，可以顯著地增強(qiáng)輻射，因此，這種天線總要伴隨一個(gè)導(dǎo)電性能良好的大平面。同時(shí)，為了使它在垂直平面的方向圖不發(fā)生裂瓣，天線不能太長(zhǎng)，一般說(shuō)來(lái)是λ/4或更短。因此，我們可以說(shuō)，所謂垂直天線，就是放在導(dǎo)電平面上的高度約為λ/4或更小的直立式天線。這種天線的應(yīng)用范圍極廣，從超長(zhǎng)波(波長(zhǎng)幾十到上百千米)到微波(幾個(gè)厘米)都要用它。這種天線一般是在其下部饋電，它在垂直面內(nèi)的方向圖相當(dāng)于被截去了一半的8字形。

雖然是底部饋電，但從鏡像原理來(lái)看，它和中間饋電的對(duì)稱振子性質(zhì)相同。如果天線的高度h正好相當(dāng)于λ/4，則它可認(rèn)為是半個(gè)半波振子。這時(shí)在底部是電流波腹，電壓波節(jié)(零電位)；上端是電壓波腹，電流波節(jié)。圖5-44給出了這種振子天線的基本特點(diǎn)。其中，圖(a)是與之相應(yīng)的鏡像；圖(b)表示當(dāng)它的高度h=λ/4時(shí)的電流電壓分布；圖(c)是它在水平面上的基本方向圖；圖(d)是它在垂直平面上的基本方向圖。圖上顯示了四種情況?？梢钥闯?，當(dāng)?shù)孛媸抢硐雽?dǎo)體時(shí)，

沿地面的場(chǎng)強(qiáng)最大。

圖

5-44垂直天線的基本特點(diǎn)

1.天線的有效高度在這種天線中，要想增強(qiáng)輻射可以增加天線的高度。但是不能無(wú)限制地增高。因?yàn)?，天線高了輻射的總功率固然有所增加，但產(chǎn)生了裂瓣，造成功率的分散，這是不利的。何況在某些情況下(例如波長(zhǎng)為2000m的長(zhǎng)波)，即使想把天線架高到λ/4的長(zhǎng)度也是相當(dāng)困難的。所以，對(duì)于這種天線，一個(gè)突出的問(wèn)題是如何在不太允許增加高度的條件下增強(qiáng)發(fā)射能力。

所謂天線的有效高度，是指把原來(lái)不均勻分布的電流振幅，依一定振幅的電流來(lái)均勻分布時(shí)應(yīng)有的高度。這個(gè)“一定振幅”的電流可以是輸入端的電流振幅，如圖5-45中的IF；也可以是波腹電流，如圖5-45中的I0。如果振子正好是λ/4，則兩者相等。圖5-45表示一段垂直天線，其實(shí)際高度為h，它的電流分布如斜線面積所示。如果把這個(gè)面積改為一個(gè)與之相等的矩形面積，它的一個(gè)底邊是輸入端電流IF，則另一邊就是相對(duì)于輸入電流IF的等效高度，用he表示。圖5-45有效高度設(shè)天線電流振幅依正弦函數(shù)分布。為方便起見(jiàn)，以終端為坐標(biāo)零點(diǎn)，于是由圖5-45可知，沿線電流振幅的分布為

(5-43)這里，I0是波腹電流，α=2π/λ是相移常數(shù)。由此，輸入端的電流振幅IF可寫(xiě)為

(5-44)根據(jù)有效高度的定義，兩個(gè)面積相等，則必然有

但由式(5-43)和式(5-44)可知，

把它代入積分式可算出

但因?yàn)?/p>

故

(5-45)這是以輸入端電流振幅IF為準(zhǔn)計(jì)算垂直天線有效高度的一般公式。下面說(shuō)明兩個(gè)特例。

(1)h<<λ。這時(shí)天線等于基本振子。由可知

(5-46)(2)h=λ/4。這時(shí)天線是半個(gè)半波振子。在式(5-45)中命h=λ/4即得

(5-47)

例如，波長(zhǎng)為400m，接地垂直振子的實(shí)際高度為h=20m，由式(5-45)可知其有效高度為

又從h<<λ的式(5-46)可算出

以上算的是半個(gè)振子的結(jié)果。如要算整個(gè)對(duì)稱振子的有效長(zhǎng)度Le，則應(yīng)把所得的分式乘以2，再將h換為振子一個(gè)臂的真實(shí)長(zhǎng)度l即可。

例如，

由式(5-45)可得

(5-48)

2.輻射電阻

當(dāng)電流沿有效高度均勻分布時(shí)，可把天線稱為長(zhǎng)度為he的電流元。它的輻射電阻計(jì)算公式已在第4章導(dǎo)出過(guò)，

即

其中，l是基本振子的長(zhǎng)。如果以對(duì)稱振子的有效長(zhǎng)度Le代替上式中的l，就能算出對(duì)稱振子的發(fā)射電阻。但對(duì)稱振子的有效長(zhǎng)度是垂直接地振子的兩倍，即Le=2he。這是自由空間的情形。實(shí)際上垂直接地振子的輻射只是地面上半空間。所以，它的發(fā)射電阻應(yīng)為對(duì)稱振子的一半。把這些討論結(jié)果代入上式就可計(jì)算出垂直振子發(fā)射電阻的公式為

(5-49)這是歸算于輸入端電流的發(fā)射電阻。在上例中我們已算出λ=400m,h=20m的垂直振子的有效高度he=10m，代入式(5-49)就可算出它的發(fā)射電阻為可見(jiàn)，發(fā)射電阻很小。

3.天線的加載(加頂負(fù)載)從有效高度可知，要想提高垂直振子的發(fā)射能力就必須提高它的有效高度。為了增大有效高度就必須使電流均勻分布。為此，通常要在垂直振子頂部加上水平的或傾斜的導(dǎo)線網(wǎng)。它們加大了振子終端的電容，使原來(lái)的終端電流波節(jié)移至導(dǎo)線網(wǎng)的末端，使垂直振子上的電流分布更加均勻。這種方法稱為天線的加載，就是增加一個(gè)頂負(fù)載。頂負(fù)載是水平導(dǎo)體，本身的輻射由于導(dǎo)體面下的反方向鏡像而變得很弱。所以，加頂負(fù)載以后，天線的基本發(fā)射部分仍為垂直部分。加頂好比把天線應(yīng)加長(zhǎng)的部分折轉(zhuǎn)，使電流波節(jié)移至水平部分的末端，如圖5-46所示。圖上顯示了天線和頂負(fù)載上電流分布的大致情況。

例如有一垂直接地天線，它的高度h<<λ。如果加頂負(fù)載之后，可使垂直部分電流變均勻，于是天線的有效高度會(huì)從h/2變?yōu)閔。由此從式(5-49)可知其發(fā)射電阻會(huì)增長(zhǎng)至原來(lái)的4倍。圖

5-46加頂負(fù)載的天線電流

4.接地和地網(wǎng)在多石與干燥土壤上或?qū)τ诓皇情L(zhǎng)期固定架設(shè)的電臺(tái)，可用架在地面上的地網(wǎng)來(lái)代替接地導(dǎo)體。圖5-48(b)是一個(gè)有地網(wǎng)的短波直立式天線。地網(wǎng)的高度與電臺(tái)功率有關(guān)，小功率和中功率短波電臺(tái)約為0.5～1m，大功率電臺(tái)更高些，可達(dá)5m。地面不良導(dǎo)電影響范圍約為0.35λ，所以接地導(dǎo)體和地網(wǎng)的范圍最好為0.3λ～0.5λ。接地和地網(wǎng)對(duì)提高天線效率有顯著影響。就長(zhǎng)波天線來(lái)說(shuō)，它的效率是很低的，一般為10%～20%，如果地線鋪張的面積小，甚至可降至0.1%以下。如果注意架設(shè)良好的地線，

可望提高效率到50%或更高。

圖

5-47接地和地網(wǎng)

圖

5-48接地導(dǎo)體和地網(wǎng)

5.常見(jiàn)的幾種垂直天線

1)長(zhǎng)中波天線在這一波段，最短的波長(zhǎng)約為150m，相應(yīng)的頻率為2MHz。如果要使天線架高，且達(dá)到諧振長(zhǎng)度，避免或減輕地面的影響是困難的。既然不能避免地面影響，則天線的發(fā)射問(wèn)題必然會(huì)伴隨電波沿地面的繞射。實(shí)際的地面不是理想導(dǎo)體也不是理想絕緣體，而是半導(dǎo)電介質(zhì)。在這種情況下，如果電波中的電場(chǎng)與地面平行，則相當(dāng)于平行于地面的兩點(diǎn)之間加上了電壓，會(huì)引起水平電流而消耗能量，所以采用水平極化波沿地面?zhèn)鞑ナ遣焕?。這類(lèi)天線的架設(shè)形式有兩種，一種是懸導(dǎo)線式，一種是桅桿或鐵塔式，如圖5-49所示。懸導(dǎo)線式的饋電方式在圖上容易看清。桅桿或鐵塔式的饋電方式需要做一些說(shuō)明。圖5-49(d)是有絕緣基座的鐵塔天線。圖5-49(e)、(f)、(g)的天線都有接地基座。圖(e)是通過(guò)可調(diào)電容饋電。圖(f)是頂饋式傘形天線。它把同軸線中心導(dǎo)體通過(guò)中空的桅桿內(nèi)部延伸上去和頂傘(即頂負(fù)載)相連，同軸線的外導(dǎo)體則與桅桿相連。這樣，相當(dāng)于電源接在頂傘和桅桿頂部之間，所以稱為頂饋式。圖(g)是通過(guò)環(huán)形線圈由磁感應(yīng)饋電，桅桿相當(dāng)于變壓器的次級(jí)。具有接地基座的天線結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，不用拉索，不必裝防雷裝置，可以豎得高些，

所以構(gòu)造成本較低。

圖5-49長(zhǎng)中波天線(a)T形；

(b)Γ形；

(c)傘形；

(d)、

(e)鐵塔；

(f)、

(g)桅桿

2)短波與超短波鞭形天線使用垂直接地振子由地面?zhèn)鞑ル姴ㄒ赃_(dá)到通信目的的短波和超短波天線，一般稱為鞭形天線。它們的長(zhǎng)度，在便攜式電臺(tái)最高為1.5～2m左右，在車(chē)載電臺(tái)一般最高為4～5m左右。鞭形天線由空心或?qū)嵭牡你~、鋼或硬鋁桿做成。其加載的方式，可以是把終端做成小球或小圓盤(pán)，也可以是加輻射狀的金屬片。其接地和地網(wǎng)，在便攜式電臺(tái)則為機(jī)架，在車(chē)輛電臺(tái)則為車(chē)身，或者引出掃帚式的地線。若為固定架設(shè)的，則采用圖5-48(b)所示的地網(wǎng)，一般由四根或更多股導(dǎo)線構(gòu)成。這種天線的水平面方向圖基本上是圓。但由于加頂?shù)那闆r不一樣，因而可以有些變化。圖5-50是幾個(gè)例子。應(yīng)用于這個(gè)波段的垂直天線由垂直極化的地表面波傳播的通信距離，一般為幾千米到幾十千米。

圖

5-50鞭形天線及其變形舉例

3)盤(pán)錐天線在垂直振子中，如圖5-44所示的方向圖只有在導(dǎo)體板尺寸為無(wú)限大的情況下才是對(duì)的。實(shí)際上電臺(tái)的機(jī)架、機(jī)殼和飛機(jī)的機(jī)身以及特意制造的導(dǎo)體板尺寸都是有限的。當(dāng)導(dǎo)體板是有限大時(shí)，最大發(fā)射方向?qū)⑴c接地板之間有一個(gè)角度。圖5-51分別給出了無(wú)限大導(dǎo)體板(實(shí)線)、尺寸為幾個(gè)波長(zhǎng)的導(dǎo)體板以及尺寸大約為一個(gè)波長(zhǎng)(點(diǎn)線)的導(dǎo)體板上λ/4垂直振子在垂直平面(E面)的方向圖。可以看出，當(dāng)導(dǎo)體板尺寸有限時(shí)，最大發(fā)射方向上翹。為了使最大發(fā)射方向不上翹，可以把與同軸線外導(dǎo)體相連的導(dǎo)體板向下折而成為錐形，然后再將內(nèi)導(dǎo)體延伸出的末端改為圓盤(pán)，就變成了如圖5-52所示的盤(pán)錐天線。圖5-52(a)是盤(pán)錐天線的尺寸與外形，(b)是圓盤(pán)直徑A與錐體大直徑D在不同比值情形下的垂直平面方向圖。由于這種天線常用于地面和空中移動(dòng)對(duì)象(飛機(jī))的通信，因此希望在垂直平面內(nèi)的最大發(fā)射方向上有一些上翹。

圖

5-51不同尺寸導(dǎo)體板對(duì)垂直平面方向圖的影響

圖

5-52盤(pán)錐天線

實(shí)際使用的盤(pán)錐天線，圓盤(pán)直徑A約為0.25λ；錐體大直徑D約為0.4λ；錐體的高B約為0.35λ；圓盤(pán)與錐體之間的間隙S的大小和天線的匹配關(guān)系較大。對(duì)于特性阻抗為50Ω的饋線，間隙的寬度為錐體小直徑的1/3，即S=d/3。錐體的角度θ通常的變化范圍為10°～45°。圓盤(pán)直徑A與錐體大直徑D之間的比值約為0.7,即A≈0.7D。使用這種天線的波長(zhǎng)范圍約為0.1～1.5m。這種天線工作時(shí)有一個(gè)截止頻率，低于此頻率，天線的匹配特性急速變壞，駐波系數(shù)急劇上升，如圖5-53所示。表5-4是兩種截止頻率的盤(pán)錐天線的尺寸(單位均為cm)。從圖5-53上也可看出這種天線的工作頻帶較寬。圖

5-53匹配特性舉例

表

5-4除用金屬板構(gòu)成盤(pán)錐外，也可用金屬桿構(gòu)成盤(pán)錐，如圖5-54所示。

圖

5-54金屬桿盤(pán)錐

問(wèn)題由垂直振子和低架水平振子的方向性來(lái)研究圖5-55所示的幾個(gè)天線在水平面內(nèi)的方向圖。

圖

5-555.10微

帶天

線

微帶天線是在一片薄介質(zhì)基片的一面貼上薄金屬層作為接地板，而在介質(zhì)基片的另一面形成特定形狀的金屬帶狀線。它利用微帶線或同軸線饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場(chǎng)，并通過(guò)貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。通常，介質(zhì)基片的厚度與波長(zhǎng)相比很小，因而實(shí)現(xiàn)了一維小型化，屬低面型天線。微帶天線的形式是靈活多樣的，按其結(jié)構(gòu)可分為微帶貼片天線、微帶陣天線、微帶線性天線以及微帶縫隙天線等。通常采用空腔模型來(lái)對(duì)微帶天線進(jìn)行分析。它是將貼片與地板之間的空間處理成上下為電壁、四周為磁壁的TM模諧振空腔。

天線輻射場(chǎng)由空腔四周的等效磁流得出。

圖

5-56微帶天線和介質(zhì)基片中的電場(chǎng)

微帶天線的基本原理可通過(guò)考察矩形微帶貼片來(lái)理解。如圖5-56(上)所示，切片尺寸為L(zhǎng)×W，介質(zhì)基片厚度為h，介電常數(shù)為ε，其中λ0為自由空間波長(zhǎng)。微帶貼片可看作為長(zhǎng)L寬W的一段微帶傳輸線，其終端處因?yàn)槌尸F(xiàn)開(kāi)路，所以將形成電壓波腹。此時(shí)，切片與接地板間的電場(chǎng)分布如圖5-56(下)所示。在空腔中，電場(chǎng)垂直于貼片，也就是說(shuō)電場(chǎng)沿著z方向，貼片的四周邊緣切向?yàn)榱?。沿著輻射單元的長(zhǎng)度方向，場(chǎng)分布按余弦規(guī)律變化；而沿寬度方向，場(chǎng)分布是均勻的。最低模次時(shí)(假設(shè)λ≥W)，有其中，H0=-jE0/η，它們滿足邊界條件Hy(x)=0(x=±L/2時(shí))。響應(yīng)頻率為

其中, εr為介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)。圖5-57所示為計(jì)算微帶天線的輻射場(chǎng)的兩個(gè)簡(jiǎn)單模型。左邊模型中，貼片尺寸小于介質(zhì)基片尺寸，離貼片距離為a的電場(chǎng)用Ea表示，貼片的四個(gè)邊緣是有效的輻射孔徑；右邊模型中，貼片尺寸大于介質(zhì)基片尺寸，這時(shí)介質(zhì)基片就成了有效的輻射孔徑，在這些壁上，切向電場(chǎng)為 ；根據(jù)邊界條件，切向磁場(chǎng)為零。圖

5-57微帶天線的孔徑模型

對(duì)于上面所述的兩種模型而言，孔徑的等效磁流為 ，那么輻射模式就由孔徑磁流來(lái)確定。對(duì)于面1和面3：

對(duì)于面2和面4：

因此，表面磁流 為

對(duì)于面1和面3:

對(duì)于面2和面4：

則由四個(gè)有效孔徑產(chǎn)生的電場(chǎng)為

其中，F(xiàn)m為基于孔徑的二維傅立葉變換。

所以，對(duì)于面1、面3，dS=ady，它們產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為

其中，vx,vy分別為歸一化的波數(shù)，且有

相似地，對(duì)于面2、面4，dS=adx，它們產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為

所以，由面1、面3得到的歸一化增益為

而由面2、面4得到的增益為

通常，工程中關(guān)心的是E面(￠=0°)和H面(￠=90°)的方向圖，如圖5-58所示。其中，εr=2.2,W=L=0.3371λ。圖

5-58微帶天線E、H平面增益(W=L=0.3371λ)5.11智

能天

線

1.自適應(yīng)陣列天線系統(tǒng)自適應(yīng)陣列天線系統(tǒng)將持續(xù)監(jiān)控其覆蓋的范圍，以適應(yīng)不斷變化的無(wú)線環(huán)境(包括移動(dòng)用戶和干擾信號(hào))。在最簡(jiǎn)單的情況(即一個(gè)用戶、無(wú)干擾)下，系統(tǒng)將提供有效的天線模式來(lái)跟蹤用戶，為用戶所在的方向提供最大的增益，從而適應(yīng)用戶的位置移動(dòng)?？辗侄嘀返幕窘M件就是一種先進(jìn)的自適應(yīng)陣列系統(tǒng)。

自適應(yīng)陣列天線技術(shù)利用基帶數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束即最大增益點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)的方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)的方向，從而給有用信號(hào)帶來(lái)最大增益，有效地減少多徑效應(yīng)所帶來(lái)的影響，同時(shí)達(dá)到對(duì)干擾信號(hào)刪除和抑制的目的，如圖5-59(a)所示。使用自適應(yīng)陣列天線技術(shù)能帶來(lái)很多好處，如擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋區(qū)域，提高系統(tǒng)容量，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提高頻譜利用效率，降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號(hào)間干擾與電磁環(huán)境污染等。

圖

5-59自適應(yīng)陣列天線基本原理圖

自適應(yīng)陣列天線技術(shù)最重要的部分還在于基帶處理部分?；鶐Р糠謱⒆赃m應(yīng)天線陣接收到的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)和合并，從而使信號(hào)與干擾加噪聲比最大?；鶐幚聿糠植捎昧藦?fù)雜的自適應(yīng)算法。目前已經(jīng)有多種有關(guān)時(shí)域和空域的算法提出。如通過(guò)時(shí)域獲得天線最優(yōu)加權(quán)的算法有：最小均方算法(LMS)、取樣協(xié)方差矩陣的直接求逆(DMI)、遞歸最小均方誤差(RLS)算法和恒模(CM)算法等。通過(guò)在空域?qū)︻l譜進(jìn)行分析以獲得信號(hào)到達(dá)方位角(DOA)估計(jì)的算法有：多信號(hào)分類(lèi)(MUSIC)算法、旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)信號(hào)參數(shù)估計(jì)(ESPRIT)算法等。

圖5-60為自適應(yīng)智能天線實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單原理圖。

圖

5-60自適應(yīng)智能天線實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單原理圖

2.智能天線能提高頻譜利用率如何采取新技術(shù)高效使用頻率資源已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的課題。隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，智能天線技術(shù)作為有效解決這一問(wèn)題的新技術(shù)已成功應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)，它通過(guò)對(duì)無(wú)線數(shù)字信號(hào)的高速時(shí)空處理，極大地改善了無(wú)線信號(hào)的傳輸，成倍地提高了系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍，從而極大地改善了頻譜的使用效率。就移動(dòng)通信而言，為了更有效地利用有限的無(wú)線頻率資源，時(shí)分多址技術(shù)(TDMA)、頻分多址技術(shù)(FDMA)和碼分多址技術(shù)(CDMA)都得到了廣泛的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上建立了GSM和CDMA兩大主要的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。就技術(shù)而言，現(xiàn)有的這三種多址技術(shù)已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用，頻譜的使用效率已經(jīng)發(fā)揮到了極限。

空分多址技術(shù)(SDMA)則突破了傳統(tǒng)的三維思維模式，在傳統(tǒng)的三維技術(shù)的基礎(chǔ)上，在第四維空間上極大地拓寬了頻譜的使用方式，使得移動(dòng)用戶僅僅由于空間位置的不同而復(fù)用同一個(gè)傳統(tǒng)的物理信道，將移動(dòng)通信技術(shù)引入了一個(gè)更為嶄新的領(lǐng)域。而實(shí)現(xiàn)它的技術(shù)核心則是自適應(yīng)智能天線技術(shù)。自適應(yīng)智能天線技術(shù)是一種軟件技術(shù)，是當(dāng)今軟件無(wú)線電技術(shù)的基礎(chǔ)。它使用了自適應(yīng)陣列信號(hào)處理軟件，對(duì)所有用戶的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行高速時(shí)空處理，從而實(shí)時(shí)地調(diào)整無(wú)線信號(hào)的傳輸，為每位用戶提供優(yōu)質(zhì)的上行鏈路信號(hào)和下行鏈路信號(hào)。即使基站在充滿噪聲和干擾的環(huán)境中，也能監(jiān)測(cè)并保持與多個(gè)不同用戶的通信連接，從而實(shí)現(xiàn)空分多址(SDMA)的效果。在網(wǎng)絡(luò)中，這種先進(jìn)的基站性能可以用來(lái)增加基站覆蓋范圍，從而降低網(wǎng)格成本，

提高系統(tǒng)容量，

最終達(dá)到提高頻率使用效率的目的。

SDMA可以與任何空間調(diào)制方式或頻段兼容，因此具有巨大的實(shí)用價(jià)值。從自適應(yīng)智能天線技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理可以看出，自適應(yīng)智能天線的核心在于基帶的數(shù)字處理部分，它由數(shù)個(gè)軟件功能模塊組成。自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)針對(duì)不同的通信標(biāo)準(zhǔn)以及不同的應(yīng)用環(huán)境有不同的解決方案，基站系統(tǒng)只需通過(guò)軟件置換即可實(shí)現(xiàn)基站設(shè)備的重新配置，而基站系統(tǒng)的射頻結(jié)構(gòu)及其他硬件結(jié)構(gòu)則不需作任何調(diào)整?？辗侄嘀返幕窘M件就是一種先進(jìn)的自適應(yīng)陣列天線系統(tǒng)。自適應(yīng)陣列天線系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控其覆蓋的范圍，針對(duì)不斷變化的無(wú)線環(huán)境(包括移動(dòng)用戶和干擾信號(hào)),系統(tǒng)將提供有效的天線發(fā)送和接收模式來(lái)跟蹤用戶，為用戶所在的方向提供最大的增益，同時(shí)抑制其他用戶的干擾，以適應(yīng)用戶的位置移動(dòng)。

3.智能天線的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)提高系統(tǒng)容量。

(2)擴(kuò)大小區(qū)覆蓋距離和范圍。

(3)減少多徑干擾影響。

(4)降低系統(tǒng)的成本。

(5)提供新服務(wù)。

(6)更好的安全性。

(7)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管理能力。

(8)解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題和越區(qū)切換問(wèn)題。

4.智能天線的組成和關(guān)鍵技術(shù)

智能天線主要分為天線陣列、接收通道及數(shù)據(jù)采集、信息處理這三部分。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，天線陣列通常采用直線陣列和平面陣列兩種方式。在確定天線陣列的形式后，天線單元的選擇就十分關(guān)鍵。天線單元不僅要達(dá)到本身的性能指標(biāo)，還必須具有單元之間的互耦小、一致性好以及加工方便等特點(diǎn)。目前，微帶天線使用較多。接收通道及數(shù)據(jù)采集部分主要完成信號(hào)的高頻放大、變頻和A/D轉(zhuǎn)換，以形成數(shù)字信號(hào)。目前，受A/D器件抽樣速率的限制，不能直接對(duì)高射頻信號(hào)和微波信號(hào)進(jìn)行采樣，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，降低采樣速率。

信息處理部分是智能天線的核心部分，主要完成超分辨率陣列處理和數(shù)字波束形成這兩方面的功能。進(jìn)行超分辨率陣列處理的目的是獲得空間信號(hào)的參數(shù)，這些參數(shù)主要包括信號(hào)的數(shù)目、信號(hào)的來(lái)向、信號(hào)的調(diào)制方式及射頻頻率等。其中，信號(hào)的來(lái)向?qū)τ趯?shí)現(xiàn)空分多址和自適應(yīng)抑制干擾有著重要的作用。在眾多的超分辨率測(cè)向算法中，MUSIC算法及其改進(jìn)算法一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，它不受天線陣排陣方式的影響，只需經(jīng)過(guò)一維搜索就能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)來(lái)向的無(wú)偏估計(jì)，并且估計(jì)的方差接近CRLB。此外，使用ESPRIT算法來(lái)解決移動(dòng)通信中的測(cè)向問(wèn)題也得到了廣泛的研究。數(shù)字波束形成主要通過(guò)調(diào)整加權(quán)系數(shù)來(lái)達(dá)到增強(qiáng)有用信號(hào)和抑制干擾的作用，它需要收斂速度快、精度高的算法支持。根據(jù)所需先驗(yàn)知識(shí)的不同，目前的波束形成算法主要有三類(lèi)：以信號(hào)來(lái)向?yàn)橄闰?yàn)知識(shí)，如LCMV算法；以參考信號(hào)為先驗(yàn)知識(shí)，包括LMS算法及其改進(jìn)算法NLMS、RLS等；不需要任何先驗(yàn)知識(shí)，

如CMA算法。

5.12衛(wèi)

星天

線

1.衛(wèi)星通信天線的發(fā)展變化

而從技術(shù)方面看，星載天線從采用1枚反向鏡天線發(fā)展到采用多枚來(lái)完成使命，還從成形波束向多波束天線發(fā)展，展開(kāi)型網(wǎng)狀天線技術(shù)也得到了深入的發(fā)展。地球站天線從最初的大型軸對(duì)稱天線到降低干擾的偏置天線，現(xiàn)已發(fā)展到可同時(shí)與多個(gè)衛(wèi)星通信的多波束天線。最近，伴隨著小型化趨勢(shì)，可移動(dòng)的簡(jiǎn)單地球站正在興起。移動(dòng)終端天線除船舶通信用船載站天線外，還發(fā)展了車(chē)載終端站天線及傳送數(shù)據(jù)等的便攜式天線。另外，隨著低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的實(shí)用化，一些企業(yè)正在開(kāi)發(fā)各種類(lèi)型的便攜式終端天線。

2.近期發(fā)展的各類(lèi)天線的結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能

1)喇叭天線喇叭天線是諸種天線中最簡(jiǎn)單的一種。與拋物面天線相比較，喇叭天線的波導(dǎo)口面積很小，因此天線的增益和方向效應(yīng)也很小。喇叭天線若用作接收衛(wèi)星信號(hào)，要求其天線增益至少是34dB/11.3GHz。據(jù)計(jì)算，為達(dá)到該增益要求，喇叭天線所需邊緣長(zhǎng)度為52cm×52cm，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為80cm。由于喇叭天線的加工費(fèi)用較高，把它用于接收衛(wèi)星信號(hào)顯然很不實(shí)用，因此人們常將它用于定向無(wú)線電測(cè)試或用作反射面天線的饋源系統(tǒng)。喇叭天線用作反射面天線的饋源時(shí)，

有多種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，

但多數(shù)是環(huán)形、

錐形或圓錐形。

2)平面天線平面天線亦稱平板天線，它的特點(diǎn)是接收性能好，外形尺寸小，特別適合家庭使用。平面天線的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，制作時(shí)技術(shù)和精度要求亦很高。其整體結(jié)構(gòu)呈多層三明治狀，主要包含兩塊面板、兩塊帶孔薄板、一塊介電載體膜片和一塊反射板。

天線主體部分由許多根偶極子天線及分配網(wǎng)絡(luò)組成。制作時(shí)，采用蝕刻工藝將幾百根λ/4的單根偶極子天線置入介電載體膜片上。這些單偶極子在膜片呈有規(guī)則的橫行狀和縫隙狀。之后，將介電載體膜片置放在兩塊多孔的薄板之間。制作時(shí)，板與板之間的間距要求非常精確。最后將反射板以λ/4的間距置放在膜片后面，而平板天線對(duì)各個(gè)單偶極子天線的控制是由分配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，在這個(gè)分配網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)的振幅和相位準(zhǔn)確地聚集，這對(duì)于平板天線相當(dāng)重要。

一般來(lái)說(shuō)，平面天線的分配網(wǎng)絡(luò)有一定的損耗，這種損耗相應(yīng)減少了天線的總效率。擴(kuò)大天線表面積不會(huì)提高天線增益，因?yàn)槊娣e擴(kuò)大后，單偶極子天線的數(shù)量增加，分配網(wǎng)絡(luò)的損耗也相應(yīng)變大。平面天線的最佳外形尺寸為：邊緣長(zhǎng)度50cm。平面天線的優(yōu)點(diǎn)是線路增益相對(duì)較小，

天線增益可達(dá)33dB/11.3GHz。

3)主聚焦型反射面天線典型的反射面天線由饋源喇叭和旋轉(zhuǎn)拋物面組成。饋源置于金屬反射面的焦點(diǎn)中，它將聚焦的高頻能量經(jīng)波導(dǎo)管饋至接收設(shè)備中。這種天線的特點(diǎn)是：可根據(jù)頻率范圍需要，做成任意大小的尺寸。一般來(lái)說(shuō)，反射面的品質(zhì)和等場(chǎng)強(qiáng)線的精度可左右天線增益和效率，特別是等場(chǎng)強(qiáng)線的精度不允許有任何偏差，否則會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)移動(dòng)。對(duì)于接收天線，焦點(diǎn)偏移意味著主反射面反射的高頻能量不能全部到達(dá)饋源系統(tǒng)。高頻能量損失后，即引起天線效率和增益變差。

反射面天線直徑為55cm時(shí)，

天線增益可達(dá)34dB。

4)卡塞格倫(Cassegrain)天線卡塞格倫天線是根據(jù)卡塞格倫原理設(shè)計(jì)的。這種天線除了有一個(gè)大家熟知的拋物狀反射面外，在其光路中又增加了一個(gè)雙曲線狀副反射面。饋源喇叭則處在主聚焦的前面，在第二反射面的焦點(diǎn)處。這種反射結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是焦距變大，光聚焦可達(dá)到拋物面天線的兩倍，有很好的聚焦作用。該天線結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)反射面，雖具有相應(yīng)的損耗，但它仍可改善天線效率。據(jù)介紹，該天線效率高達(dá)65%，可產(chǎn)生較高的天線增益。

5)卡塞格倫偏距天線人們根據(jù)卡塞格倫原理又設(shè)計(jì)出一種新的偏距天線，它由饋源系統(tǒng)、主反射面、凸?fàn)罡狈瓷涿娼M成。偏距天線的特點(diǎn)是：天線截面同旋轉(zhuǎn)軸偏斜，不存在軸平衡；天線的寬度小于其高度；天線主反射面是旋轉(zhuǎn)拋物面，來(lái)自衛(wèi)星的電磁波首先在焦點(diǎn)F1上聚焦，而副反射面則置于焦點(diǎn)F1前面，它將射入的電磁波在焦點(diǎn)F2聚焦。

設(shè)計(jì)和制造偏距天線的關(guān)鍵在于精確計(jì)算兩個(gè)反射面的場(chǎng)強(qiáng)線，同時(shí)應(yīng)盡可能減少主反射面的陰影通過(guò)副反射面到達(dá)饋源系統(tǒng)。目前的解決辦法是將陰影限制在最小，同時(shí)根據(jù)天線尺寸相應(yīng)減少結(jié)構(gòu)高度和厚度。比如天線尺寸為85cm時(shí)，其結(jié)構(gòu)厚度約減少一半，主反射面寬度約為74cm。這種天線的效率可達(dá)60%，天線增益為37dB/11.3GHz。天線的方向特性在方位截面中僅為2.2°，半值寬度很小。

6)格雷果里(Gregory)天線該天線是根據(jù)格雷果里反射原理設(shè)計(jì)的，其主體結(jié)構(gòu)由主反射面、凹狀副反射面(凹鏡)、饋源系統(tǒng)組成(如圖5-61所示)。

圖

5-61格雷果里天線原理圖

根據(jù)天線拋物面的定向，該天線又分為兩種類(lèi)型：

(1)中心調(diào)節(jié)天線：即該天線拋物面同旋轉(zhuǎn)軸垂直，是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，天線饋源置于主聚焦的后面，在副反射面的焦點(diǎn)處。

(2)偏置天線：即天線截面同旋轉(zhuǎn)軸偏斜。該天線的凹狀副反射面對(duì)電磁波具有很強(qiáng)的會(huì)聚作用，它可以把平行主軸的電磁波會(huì)聚到焦點(diǎn)。副反射面的面積越大，能夠會(huì)聚的電磁波就越多。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，副反射面面積不可能很大，應(yīng)與主反射面相對(duì)應(yīng)。該天線的性能同上述卡塞格倫天線。

7)數(shù)字多波束天線

(1)多波束形成的兩類(lèi)方法。