《電磁場、微波技術與天線》課件-第9章

第9章簡單線天線9.1引言9.2水平對稱天線9.3直立天線9.4引向天線

9.1引言

在LH~UHF頻段廣泛應用線天線(WireAntenna),它們的輻射主體部分通常由線狀導體構成。線天線的形式有很多,本章主要介紹得到廣泛應用的一些典型線狀天線,如雙極天線、鞭狀天線、引向天線等。

9.2水平對稱天線在通信、電視或其他無線電系統(tǒng)中,常使用水平天線(HorizontalAntenna)。水平架設天線的優(yōu)點是:(1)架設和饋電方便;(2)地面電導率對水平天線方向性的影響較垂直天線的小;(3)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。

9.2.1雙極天線

雙極天線(DipoleAntenna)即水平對稱振子,如圖9-2-1所示,又稱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,導線的直徑根據(jù)所需的機械強度和功率容量決定,一般為3~6mm。天線臂與地面平行,兩臂之間有絕緣子。天線兩端通過絕緣子與支架相連,為降低天線感應場在附近物體中引起的損耗,支架應距離振子兩端2~3m。為了降低絕緣子介質損耗,絕緣子宜采用高頻瓷材料。支架的金屬拉線中亦應每相隔小于λ/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。圖9-2-1雙極天線結構示意圖

由圖9-2-1可見,這種天線結構簡單,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1000Ω左右,饋線使用h=10m長的雙導線,饋線特性阻抗為600Ω。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0.3λ,向高空方向(仰角90°)輻射最強,宜作300km范圍內通信用天線。

1.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,電波射線以一定仰角入射到電離后層又被反射回地面,從而構成甲、乙兩地的無線電通信,通信距離與電波射線仰角有密切關系。為了便于描繪場強隨射線仰角Δ和方位角φ的變化關系,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9-2-2中的幾何關系,可得

利用該式可得圖9-2-2雙極天線的坐標系統(tǒng)

在分析天線的方向性時,可以把地面看作理想導電地,因為短波以上波段在大多數(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。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

根據(jù)該表達式,可以畫出雙極天線的立體方向圖,圖9-2-3表示雙極天線在不同臂長情況下的方向圖,圖9-2-4表示雙線天線在不同架高時的方向圖。圖9-2-3雙極天線方向圖隨臂長l的變化(h=0.25λ)圖9-2-4雙極天線方向圖隨高度h的變化(l=λ/4)

所謂鉛垂平面,就是與地面垂直且通過天線最大輻射方向的垂直平面,鑒于實際天線的臂長l<0.7λ,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,在圖9-2-2中xOz平面就是雙極天線的垂直平面。水平平面是指對應一定的仰角Δ,固定r(OP),觀察點P繞z軸旋轉一周所在的平面,在該平面上P點場強隨φ變化的相對大小即為雙極天線的水平平面方向圖。

下面分別討論天線的垂直平面和水平平面方向圖。

1)垂直平面方向圖圖9-2-2中φ=0°的xOz面即為雙極天線的垂直平面。將φ=0°代入式(9-2-3)可得

由于單元天線的xOz面方向圖是圓,故雙極天線的垂直平面方向圖形狀僅由地因子決定。地因子方向圖可以參考第8章中的圖88。垂直平面方向圖也可從立體圖9-2-4按垂直于振子軸(即xOz面)進行切割獲得。

垂直平面方向圖具有下列特點:

(1)垂直平面方向圖只與h/λ有關,而與l/λ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方向圖恒為一個圓。故可用改變天線架設高度h/λ來控制垂直平面內的方向圖。

(2)無論h/λ為何值,沿地面方向(即Δ=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。所以,這種天線不能用作地波通信。

(3)當h/λ≤0.25或放寬到h/λ≤0.3時,最大輻射方向在Δ=90°,在Δ=60°~90°范圍內場強變化不大,即在此條件下天線具有高仰角輻射性能,我們稱這種天線為高射天線。這種架設不高的雙極天線,通常應用在0~300km內的天波通信中。

(4)當h/λ>0.3時,最強輻射方向不止一個,h/λ越高,波瓣數(shù)越多,靠近地面的第一波瓣Δm1越低。

(5)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。不同地質對水平振子方向性影響不大。

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,天線輻射場強隨方位角φ的變化關系圖。顯然這時的場強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(9-2-3)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

因為地因子與方位角φ無關,所以水平平面內的方向圖形狀僅由元因子f1(Δ,φ)決定。圖9-2-5和圖9-2-6分別給出了l/λ固定、Δ變化和Δ固定、l/λ變化時雙極天線在理想導電地面上的水平平面方向圖。圖9-2-5l/λ=0.25、Δ變化時雙極天線水平平面方向圖圖9-2-6Δ=45°、l變化時雙極天線水平平面方向圖

由上面兩圖可以看出:

(1)雙極天線水平平面方向圖與架高h/λ無關。因為當仰角一定、φ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/λ,方向圖的變化規(guī)律與自由空間對稱振子的相同,l/λ越小,方向性越不明顯。當l/λ<0.7時,最大輻射方向在φ=0°方向;當l/λ>0.7時,在φ=0°方向很少或沒有輻射。因此,一般應選擇天線長度l/λ≤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cosΔsinφ,當仰角越大時,φ的變化引起的場強變化越小。因此,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。

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。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/λ≤0.3)時,在高仰角方向輻射最強,因此這種天線可作300km距離內的接收或通信。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,這種天線通常稱為高射天線。

(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φ=0°方向輻射最強,應使天線一臂的電長度l/λ≤0.7。

2.雙極天線的輸入阻抗

為了使天線能從發(fā)射機或饋線獲得盡可能多的功率,要求天線必須與發(fā)射機或饋線實現(xiàn)阻抗匹配,為此,必須了解天線的輸入阻抗。

計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,然后用耦合振子理論來計算。應當說明的是,由于實際地面的電導率為有限值,因此用鏡像法和耦合振子理論所得的結果誤差較大,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。圖9-2-7所示是一副雙極天線的輸入阻抗隨頻率的變化曲線。圖9-2-7l=20m、h=6m的雙極天線輸入阻抗

由圖可見,雙極天線的輸入阻抗在波段內的變化比較激烈,如果不采取匹配措施,饋線上的行波系數(shù)將有明顯變化,傳輸線的傳輸效率將受到明顯影響。這也是欲在寬頻帶內使用雙極天線時應當注意的問題。

3.方向系數(shù)

天線的方向系數(shù)可由下式求得

式中,f(Δm1,φ)為天線在最大輻射方向的方向函數(shù);Δm1按式(9-2-5)計算;Rr為天線的輻射阻抗;f(Δm1,φ)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。

圖9-2-8表示天線架高h>λ/2,且地面為理想導電地時的方向系數(shù)與l/λ的關系曲線。當h較低或地面不是理想導電地面時,天線的方向系數(shù)低于圖中的數(shù)值。

圖9-2-8雙極天線的D~l/λ關系曲線

4.雙極天線的尺寸選擇

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,天線的最大輻射方向不發(fā)生變動,應選擇振子的臂長l<0.7λmin,其中λmin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φ=0°)的平面上。

(2)從天線及饋電的效率考慮。若l/λ太短,天線的輻射電阻較低,使得天線效率ηA降低。同時,當l/λ太短時,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)很低。若要求饋線上的行波系數(shù)不小于0.1,由圖9-2-9可見,通常要求滿足

圖9-2-9

考慮電臺在波段工作,則應滿足

綜合以上考慮,天線長度應為圖9-2-9

2)天線架高h的選擇

選擇原則是保證在工作波段內通信仰角方向上輻射較強。

如果通信距離在300km以內,可采用高射天線,通常取架設高度h=(0.1~0.3)λ。對中小功率電臺,雙極天線的高度在8~15m范圍內,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Δm1與所需的射線仰角Δ0一致,根據(jù)式(9-2-6)計算天線架設高度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。但其主要缺點是波段性能差,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。

9.2.2籠形天線

如前所述,雙極天線的臂由單根導線構成,它的特性阻抗較高,輸入阻抗在波段內變化較大,饋線上的行波系數(shù)很低。為了克服這個缺點,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,展寬工作波段。然而,單純用加粗導線直徑的辦法,往往不實用。例如,64m(即2×10(高)+2×22(長)=64m)雙極天線,其導線直徑為4mm時,特性阻抗約為1000Ω,若用增加直徑的辦法,使特性阻抗為350Ω,根據(jù)天線的特性阻抗公式有

實際工作中常用幾根導線排成圓柱形組成振子的兩臂,這樣既能有效地增加天線的等效直徑,又能減輕天線重量,減少風的阻力,節(jié)約材料,這就是籠形天線(CageAntenna),其結構如圖9-2-10所示。其天線臂通常由6~8根細導線構成,每根導線直徑為3~5mm,籠形直徑約為1~3m,其特性阻抗約為250~400Ω。因特性阻抗較低,天線輸入阻抗在波段內變化較平緩,故可以展寬使用的波段。圖9-2-10籠形天線結構示意圖

由于籠形天線的直徑很大,振子兩臂在輸入端有很大的端電容,這樣將使天線與饋線間的匹配變差。為了減小在饋電點附近的端電容,以保證天線與饋線間的良好匹配,振子的半徑應從距離饋電點3~4m處逐漸縮小,至饋電處集合在一起。為了減小天線的末端效應,便于架設,振子的兩端也應逐漸縮小。

籠形天線的等效半徑ae可按下式計算

其中,a為導線半徑;b為籠形半徑;n為構成籠的導線根數(shù)。若取a=2mm,b=1.5m,n=8,則ae=0.85m,上述64m雙極天線的特性阻抗為353.6Ω。

為了進一步展寬籠形天線的工作頻帶,可將籠形天線改進為分支籠形天線,如圖9-2-11(a)所示,其等效電路如圖9-2-11(b)所示。開路線35、46與短路線374(分支)有著符號相反的輸入阻抗,調節(jié)短路線的長度,即改變3和4在籠形上的位置,可以改善天線的阻抗特性,展寬頻帶寬度。

除了采用加粗振子臂直徑的方法來展寬阻抗帶寬,還可以將雙極天線的臂改成其他形式,例如圖9-2-12所示的籠形構造的雙錐天線、圖9-2-13所示的扇形天線等。在米波波段可應用平面片形臂,如圖9-2-14所示。圖9-2-11分支籠形天線圖9-2-12籠形構造的雙錐天線圖9-2-13扇形天線圖9-2-14平面片形對稱振子

9.2.3V形對稱振子

在第8章中我們學習了自由空間對稱振子,這種直線式對稱振子當l/λ=0.635時,方向系數(shù)達到最大值Dmax=3.296。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θ=90°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,而是張開2θ0,構成如圖9-2-15所示的V形對稱振子(VeeDipole),則可提高方向系數(shù)。V形天線的設計任務是選擇適當?shù)膹埥?θ0,使得兩根直線段所產生的波瓣指向同一方向。如果希望V形天線的最大輻射方向位于V形平面的角平分線上,則張角的最佳值是單根直線天線軸與其主瓣夾角的兩倍。圖9-2-15V形對稱振子

仿照由電基本振子的場通過積分求對稱振子場的方法,可求得這一駐波單導線的遠區(qū)場為

式中,Im為電流的波腹值;l為導線長度;r為坐標原點到觀察點的距離;θ為射線與導線軸之間的夾角。

V形振子的另一個臂的輻射場也可用上述方法求出。在V形振子張角平分線方向上,即上式中θ=θ0,兩臂的輻射場振幅相等、相位相同,疊加可得V形振子角平分線上的輻射場為

相應地,可求出V形振子角平分線方向上的方向系數(shù),如圖9-2-16所示。對圖9-2-16V形振子的方向系數(shù)

對應于最大方向系數(shù)的張角稱為最佳張角2θopt。一般來說,l/λ值越大,2θopt值也就越小。對0.5≤l/λ≤3.0的V形天線有如下的經驗公式:

上述2θopt的單位以度表示,對應的角平分線上的最大方向系≤數(shù)l為

對稱振子的兩臂還可以是其他曲線的形狀。振子臂的幾何形狀由直線改變成曲線后,可以取消振子可使用的長度受到2l≤λ的限制。同時,若曲線選擇恰當,還可以降低旁瓣電平,提高增益。以增益最大為出發(fā)點進行優(yōu)化可得出最佳形式的曲線,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雜,加工不便,增益對振子形狀敏感。

9.2.4電視發(fā)射天線

1.電視發(fā)射天線的特點和要求

電視所用的1~12頻道是甚高頻(VHF)48.5~223MHz;13~68頻道是特高頻(UHF)470~958MHz。由于電波主要以空間波傳播,所以電視臺的服務范圍直接受到天線架設高度的限制。為了擴大電視臺的服務區(qū)域,一般天線要架設在高大建筑物的頂端或專用的電視塔上。這樣一來,就要求它在結構、防雷、防冰凌等方面滿足一定的要求。

從極化考慮,為減小天線受垂直放置的支持物和饋線的影響,減小工業(yè)干擾,并且架設方便,應采用水平極化波。因此,電視發(fā)射天線都是與地面平行水平架設的對稱振子及其變形。

另外,因為人們的視覺要比聽覺靈敏得多(人眼對光的延遲和相位失真的感覺要比耳朵對聲音靈敏得多),所以對電視在電特性方面的要求比一般電聲廣播要高,因而要求天線要有足夠帶寬,并要滿足對駐波比的要求,以保證天線與饋線處于良好的匹配狀態(tài)。此外,在饋電時還要考慮到“零點補充”問題,以免臨近電視臺的部分地區(qū)的用戶收看不好。

2.旋轉場天線

對電視及調頻廣播發(fā)射天線,要求它為水平平面全向天線,即水平平面的方向圖近似一個圓,從而保證各個方向都接收良好。為得到近似于圓的水平方向圖,可以采用旋轉場天線(TurnstileAntenna)。

下面先以電基本振子組成的旋轉場天線為例,說明它的工作原理。

設有兩個電基本振子在空間相互垂直放置,如圖9-2-17所示,饋給兩個振子的電流大小相等,相位相差90°,則在振子組成的平面內的任意點上,兩個振子產生的場強分別為

其中,A是與傳播距離、電流和振子電長度有關而與方向性無關的一個因子。為簡單起見,式(9-2-19)中忽略了滯后位kr。圖9-2-17相互垂直的電基本振子

在兩振子所處的平面內,兩振子輻射電場方向相同,所以總場強就是兩者的代數(shù)和,即

由式(9-2-20)可見,在某一瞬間(如t=0),在振子所在平面內的方向圖為一個8字形,而在任一點處(θ一定),E又是隨時間而變化的,變化周期為ω。也就是說,在任何瞬間,天線在該平面內的方向圖為8字形,但這個8字形的方向圖隨著時間的增加,圍繞與兩振子相垂直的中心軸以角頻率ω旋轉,故這種天線稱為旋轉場天線。從長時間效果看,天線的方向圖為一個圓,如圖9-2-18(a)所示。圖9-2-18由電基本振子和半波振子組成的旋轉場天線的方向圖

在與兩個振子相垂直的中心軸上,場強是一個常數(shù),因為此時電場為

而且在該中心軸上電場是圓極化場。

如果把基本振子用兩個半波振子來代替,就是實際工作中常用的一種旋轉場天線。其方向圖與前者相比略有不同,與一個圓相比約有±5%的起伏變化,如圖9-2-18(b)所示。在半波振子組成的平面內,合成場為

在與兩個振子相垂直的軸上,電場仍為圓極化波。

這種天線可以架設在一副支撐桿上,桿子與兩振子軸垂直。因8字形的方向圖圍繞桿子旋轉,故又稱繞桿天線。

為了提高天線的增益系數(shù),可以在同一根桿子上安裝幾層相同的天線。

3.蝙蝠翼天線

電視發(fā)射天線的種類很多,目前在VHF頻段廣泛采用的一種是蝙蝠翼天線(BattyWingAntenna)。它是由半波振子逐步演變而來的,如圖9-2-19所示,為了滿足寬頻帶的要求,要求用粗振子天線;為了減輕天線重量,用平板代替圓柱體;為了減少風阻,用鋼管或鋁管做成的柵板來代替金屬板;為了防雷擊,還加入接地鋼管,在E-E處短路,并在中央鋼管中間饋電。圖9-2-20為蝙蝠翼天線結構示意圖。9-2-19圖9-2-20蝙蝠翼天線結構示意圖

實際應用時,為了在水平平面內獲得近似全向性,可將兩副蝙蝠翼面在空間呈正交。為了增加天線的增益,可增加蝙蝠翼的層數(shù),兩層間距為一個波長,如圖9-2-21所示。

蝙蝠翼天線的優(yōu)點有以下三點:

(1)頻帶很寬,在駐波比s≤1.1時,相對帶寬可達20%~25%;

(2)不用絕緣子,可很牢固地固定在支柱上;

(3)功率容量大。圖9-2-21多層旋轉場蝙蝠翼天線

9.3直立天線

在長波和中波波段,由于波長較長,天線架設高度h/λ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。此外,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。所以,在長波和中波波段主要使用垂直接地的直立天線(VerticalAntenna),如圖9-3-1所示,也稱單極天線(MonopoleAntenna)。

這種天線還廣泛應用于短波和超短波段的移動通信電臺中。在長波和中波波段,天線的幾何高度很高,除用高塔(木桿或金屬)作為支架將天線吊起外,也可直接用鐵塔作輻射體,稱為鐵塔天線或桅桿天線。在短波和超短波波段,由于天線并不長,外形像鞭,故又稱為鞭狀天線。圖9-3-1直立天線示意圖

這類天線的共同問題是,因結構所限而不能做得太高,即使短波波段在移動通信中,由于天線高度h受到涵洞、橋梁等環(huán)境和本身結構的限制,也不能架設太高。這樣,直立天線電高度就小,從而產生下列問題:

(1)輻射電阻小,損耗電阻與輻射電阻相比,相應地就比較大。這樣,天線的效率低,一般只有百分之幾;

(2)天線輸入電阻小,輸入電抗大(類似于短的開路線)。也就是說,天線的Q值很高,因而工作頻帶很窄;

(3)易產生過壓。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=RinIin2/2),輸入電壓Uin=Iin(Rin+jXin)≈jIinXin就很高,天線頂端的電壓更高,易產生過壓現(xiàn)象,這是大功率電臺必須注意的問題。所以電高度小,使得天線允許功率低。天線端電壓和天線各點的對地電壓不應超過允許值。

下面主要介紹鞭狀天線(WhipAntenna)。鞭狀天線是一種應用相當廣泛的水平平面全向天線,最常見的鞭狀天線就是一根金屬棒,在棒的底部與地之間進行饋電,如圖9-3-1所示。為了攜帶方便,可將棒分成數(shù)節(jié),節(jié)間可采取螺接、拉伸等連接方法,如圖9-3-2所示。

這種天線結構簡單、使用簡易、攜帶方便、比較堅固,因而特別適合運動中的無線電臺使用,例如便攜式電臺、車輛、飛機、艦船等電臺上均配有這種天線。圖9-3-2鞭狀天線的幾種連接方法

1.鞭狀天線電性能

1)極化

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。

2)方向圖及方向系數(shù)

根據(jù)第8.8節(jié)的分析,地面對鞭狀天線的影響可以用天線的正鏡像代替,鞭狀天線的方向圖與自由空間對稱振子的一樣,但只取上半空間。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2倍。當天線很短h/λ<0.1時,方向系數(shù)近似等于3。

3)有效高度

在第8.3.8節(jié)中已經介紹了天線有效長度的概念,對直立天線而言即為有效高度,是直立天線的一個重要指標,可以定義如下:

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。圖9-3-3鞭狀天線的有效高度

由此可見,當鞭狀天線高度h?λ時,其有效高度近似等于實際高度的一半。這是顯然的,因為振子很短時,電流近似直線分布,圖9-3-3中兩面積相等時有he=h/2。

有效高度表征直立天線的輻射強弱,即輻射場強正比于he。

4)輸入阻抗

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。但在實際計算輸入阻抗的電阻部分時,采用自由空間對稱振子的方法,誤差很大,因為此時輸入到天線的功率,除一部分輻射外,大部分將損耗掉。除天線導線、附近導體及介質等引起的損耗外,還有相當大的功率損耗在電流流經大地的回路中,參見圖9-3-4,傳導電流和位移電流構成廣義的電流回路概念。因此輸入電阻包括兩部分,即

其中,Rr0和Rl0分別為歸算于輸入端電流的輻射電阻和損耗電阻,其計算公式如下:

式中,A是取決于地面導電性的常數(shù),干地約為7,濕地約為2。圖9-3-4鞭狀天線的電流回路

5)效率

從效率的定義可知,要提高鞭狀天線的效率,不外乎從兩方面著手,一種是提高輻射電阻,另一種是減小損耗電阻。

提高輻射電阻的常用方法有加頂負載或加電感線圈。如圖9-3-5所示,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。天線加頂負載后,使天線頂端的電流不為零,如圖9-3-6所示。這是由于加頂負載加大了垂直部分頂端對地的分布電容,使頂端不是開路點,頂端電流不再為零,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。圖9-3-5加頂負載的鞭狀天線圖9-3-6加頂負載改善了天線上電流分布

如圖9-3-7所示,加電感線圈是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。從理論上說,感抗越大,則加感點以下的電流增加得越大,這對提高有效高度有利。但是當電感過大時,不僅增加了重量,而且線圈的電阻損耗也加大,反而會使天線效率降低。加感點的位置似乎距頂端越近越好,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。

如上所述,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。

圖9-3-7加電感線圈改善天線電流分布

無論是加頂負載還是加電感線圈,統(tǒng)稱為對鞭狀天線的加載,前者稱為容性加載,后者稱為感性加載。實際上對天線的加載并不限于用集中元件加載,也可用分布在整個天線線段的電抗來加載,例如用一細螺旋線來代替鞭形天線的金屬棒,作成螺旋鞭狀天線;再如在天線外表面涂覆一層介質,制成分布加載天線。

減少地面損耗的辦法是改善地面的電性質。對大型電臺常采用埋地線的辦法,一般是在地面以下采用向外輻射線構成的地網(wǎng),如圖9-3-8所示。地網(wǎng)不應埋得太深,因為地電流集中在地面附近,地網(wǎng)埋設的深度一般為0.2~0.5m,導線的根數(shù)可以從15根到150根,導線直徑約為3mm,導線長度有半波長就夠了,若加頂負載,由于加頂部分與地面的耦合作用,則地網(wǎng)導線必須伸出水平橫線在地面上的投影。一般h/λ越小,地網(wǎng)效果越明顯。例如,某工作于λ=300m的直立天線,高15m,不鋪地網(wǎng)時ηA≈6.5%,架設120根直徑3mm、長90m的地網(wǎng)后,效率提高到93.3%。圖9-3-8鞭狀天線地線的埋設

但是埋設地線對于移動電臺不方便,這時可在地面上架設地網(wǎng)或平衡器,如圖9-3-9所示。地網(wǎng)或平衡器的高度一般為0.5~1m,導線數(shù)目為3~8根,長度為0.15λ~0.2λ。圖9-3-9平衡器的架設

值得一提的是如果直立天線頂負載加長或傾斜架設,就成T形(見圖9-3-10)、Γ形(見圖9-3-11)及斜天線(見圖9-3-12)。它們也屬于直立天線的范疇,只不過效率高一些或者在水平平面具有一定的方向性。而將感性加載均勻分布于直立天線上就形成了螺旋鞭天線(HelicalWhipAntenna)。螺旋線是空心的或繞在低耗的介質棒上,圈的直徑遠小于工作波長,圈間的距離可以是等距的或變距的,如圖9-3-13所示。這種天線廣泛地應用于短波及超短波的小型移動通信電臺中。它和單極振子天線相比,最大的優(yōu)點是天線的長度可以縮短2/3或更多。圖9-3-10T形天線圖9-3-11Γ形天線圖9-3-12斜天線架設圖圖9-3-13螺旋鞭天線

9.4引向天線

引向天線(Yagi-UdaAntenna)最早由日本的宇田(Uda)用日文(1926年),八木(Yagi)用英文(1927年)先后做了介紹,故常稱“八木—宇田”天線。它是一個緊耦合的寄生振子端射陣,結構如圖9-4-1所示,由一個(有時由兩個)有源振子及若干個無源振子構成。有源振子近似為半波振子,主要作用是提供輻射能量;無源振子的作用是使輻射能量集中到天線的端向。

其中,稍長于有源振子的起反射能量的作用,稱為反射器;較有源振子稍短的無源振子起引導能量的作用,稱為引向器。無源振子起引向或反射作用的大小與它們的尺寸及離開有源振子的距離有關。

通常有幾個振子就稱為幾單元或幾元引向天線,圖9-4-1共有8個振子,就稱八元引向天線。

圖9-4-1引向天線

9.4.1引向天線的工作原理

1.引向器(Director)與反射器(Reflector)

應用二元陣方向圖乘積定理,可以得出圖9-4-2所示的二元陣的陣因子平面方向圖。

從圖9-4-2可知,相對于振子1來說,在特定的陣間距離條件下,調整振子2與振子1的電流相位關系,振子2可以起到引向或反射的作用。一般來說,針對圖9-4-2所示的二元陣結構,當E(δ=0°)>E(δ=180°)時,稱振子2為振子1的引向器;當E(δ=0°)<E(δ=180°)時,稱振子2為振子1的反射器。圖9-4-2引向天線原理

在d/λ≤0.4的前提下,振子2作為引向器或反射器的電流相位條件是

2.二元引向天線(TwoElementYagi-UdaAntenna)

實用中為了使天線的結構簡單、牢固、成本低,在引向天線中廣泛采用無源振子作為引向器或反射器,如圖9-4-3所示。因為一般只有一個振子有源,在引向天線中無源振子的引向或反射作用都是相對于有源振子而言的。調整無源振子的自身的尺寸以及與有源振子的相對關系,就可以調整無源振子上的感應電流I2的大小和相位,進而獲得引向或反射功能。圖9-4-3二元引向天線

回顧第8章,二元引向天線的振子的電壓與電流的關系如下

解上式易得

式中

其中,Z21為兩振子間的互阻抗;Z22為無源振子自阻抗,其值與相同尺寸的對稱振子的一樣。由上式可以看出,只要適當改變間距d(可以改變互阻抗Z21)或適當改變無源振子的長度2l2(可以主要改變自阻抗Z22)都可以調整I2的振幅和相位,使無源振子2起引向器或反射器的作用。

在引向天線中,有源振子和無源振子的長度基本上都在λ/2附近,此時方向函數(shù)及互阻抗隨l的變化不太大,所以在近似計算時可以把單元天線的方向函數(shù)及單元間的互阻抗均按半波振子處理。至于自阻抗則因其對l/λ、a/λ的變化敏感,需要按振子的實際尺寸計算。

表9-4-1給出了(按嚴格計算)有源振子長度2l1=0.475λ,當振子半徑a為0.0032λ時,三種不同無源振子長度對應于各種間距d的電流比I2/I1=mejα。

圖9-4-4是根據(jù)該表作出的無源振子2l2/λ=0.450及0.500,d/λ分別是0.1,0.25及0.50時的二元引向天線H面方向圖,無源振子的位置在有源振子的右方。分析圖9-4-4可以看出:圖9-4-4二元引向天線H方向圖

(1)當有源振子2l1/λ一定時,只要無源振子長度2l2/λ及兩振子間距d/λ選擇得合適,無源振子就可以成為引向器或反射器。對應于合適的d/λ值,通常用比有源振子小百分之幾的無源振子作引向器,用比有源振子大百分之幾的無源振子作反射器。

(2)當有源及無源振子長度一定時,d/λ值不同,無源振子所起的引向或反射作用不同。例如,對于2l2/λ=0.450,當d/λ=0.1時有較強的引向作用。而當d/λ≥0.25以后就變成了反射器。所以為了得到較強的引向或反射作用應正確選擇或調整無源振子的長度及兩振子的間距。

(3)為了形成較強的方向性,引向天線振子間距d/λ不宜過大,一般d/λ<0.4。

3.多元引向天線(MultipleElementAntenna)

為了得到足夠的方向性,實際使用的引向天線大多數(shù)是更多元數(shù)的,圖9-4-5(a)就是一個六元引向天線,其中的有源振子是普通的半波振子。圖9-4-5某六元引向天線及其方向圖

通過調整無源振子的長度和振子間的間距,可以使反射器上的感應電流相位超前于有源振子(滿足式(9-4-1));使引向器1的感應電流相位落后于有源振子;使引向器2的感應電流相位落后于引向器1;引向器3的感應電流相位再落后于引向器2……,如此下去便可以調整得使各個引向器的感應電流相位依次落后下去,直到最末一個引向器落后于它前一個為止。這樣就可以把天線的輻射能量集中到引向器的一邊(z方向,通常稱z方向為引向天線的前向),獲得較強的方向性。圖9-4-5(b)、(c)、(d)示出了某六元引向天線(2lr=0.5λ,2l0=0.47λ,2l1=2l2=2l3=2l4=0.43λ,dr=0.25λ,d1=d2=d3=d4=0.30λ,2a=0.0052λ)的E面、H面和立體方向圖。

由于已經有了一個反射器,再加上若干個引向器對天線輻射能量的引導作用,在反射器的一方(通常稱為引向天線的后向)的輻射能量已經很弱,再加多反射器對天線方向性的改善不是很大,通常只采用一個反射器就夠了。至于引向器則一般來說數(shù)目越多,其方向性就越強。但是實驗與理論分析均證明當引向器的數(shù)目增加到一定程度以后,再繼續(xù)加多,對天線增益的貢獻相對較小。圖9-4-6給出了包括引向器、反射器在內所有相鄰振子間距都是0.15λ,振子直徑均為0.0025λ的引向天線增益與元數(shù)的關系曲線。圖9-4-6典型引向天線的增益與總元數(shù)的關系(d0=d1=d2=…=0.15λ,2a/λ=0.0025)

9.4.2引向天線的電特性

雖然實際應用的引向天線不一定是等間距的,引向器也不一定是等長的。為了大致了解引向天線的電特性,還是通過表9-4-2給出了等間距、引向器等長的一些引向天線的典型數(shù)據(jù),包括不同元數(shù)、不同振子長度以及不同間距時引向天線的增益、輸入阻抗、E面和H面方向圖的波束寬度、副瓣電平以及前后輻射比。所謂前后輻射比是指方向圖中前向與后向的電場振幅比,它在引向天線中具有一定的實際意義。

如表9-4-2所示,由于存在著互耦,在無源振子的影響下,有源振子的輸入阻抗數(shù)值下降并且?guī)捫阅茏儾?帶寬一般只有百分之幾。方向圖的半功率角可以按式(9-4-5)近似計算,即

圖9-4-7為半功率角的估算曲線。上式及圖中的L為引向天線的長度,是由反射器到最后一個引向器的幾何長度;λ為工作波長。按照式(9-4-5)或圖9-4-7得到的半功率角是個平均值。實際上引向天線的H面的方向圖比E面的要寬一些,因為單元天線在H面內沒有方向性,而在E面卻有方向性。圖9-4-7半功率角的估算曲線

引向天線的副瓣電平一般也只有負幾個到負十幾個分貝,H面的副瓣電平一般總是較正面的高(參看表9-4-2)。由表9-4-2還可以看出,引向天線的前后輻射比往往不是很高,即是說引向天線往往具有較大的尾瓣,這也是不夠理想的。為了進一步減小引向天線的尾瓣,可以將單根反射器換成反射屏或“王”字形反射器等形式。圖9-4-8為帶“王”字形反射器的引向天線。圖9-4-8帶“王”字形反射器的引向天線

引向天線的方向系數(shù)可由圖9-4-9中所示的曲線進行估算。一般的引向天線長度L/λ不是很大,它的方向系數(shù)只有10左右。當要求更強的方向性時,可通過將幾副引向天線排陣獲得。圖9-4-9D~L/λ的關系

有源振子的帶寬對引向天線的工作帶寬有著重要影響。為了寬帶工作,可以采用直徑粗的振子,還可以采用扇形振子、“X”形振子以及折合振子等。圖9-4-10為扇形振子及“X”形振子。有關折合振子的介紹將在下面給出。圖9-4-10扇形和“X”形振子

9.4.3半波折合振子(Half-WaveFoldedDipole)

前面已經指出由于振子間的相互影響,引向天線輸入阻抗往往會比半波振子的降低較多,很難與50Ω的傳輸線直接匹配,因而工程上常常采用折合振子,因為它的輸入阻抗可以變?yōu)槠胀ò氩ㄕ褡拥腒倍(K>1)。

半波折合振子的結構如圖9-4-11所示,振子長度2l≈λ/2,間隔D?λ。圖9-4-11(a)為等粗細的形式,圖9-4-11(b)為不等粗細的形式。圖9-4-11半波折合振子

粗略地說,可以把半波折合振子看作是一段λ/2的短路線從其中點拉開壓扁而成,如圖9-4-12所示。折合振子的兩個端點為電流節(jié)點,導線上電流同相,當D?λ時,折合振子相當于一電流為IM=IM1+IM2的半波振子,故方向圖將和半波振子的一樣。圖9-4-12半波折合振子的構成及電流分布

為什么半波折合振子能夠具有較高的輸入電阻呢?這與它的特殊結構有關。對于等粗細的半波折合振子,IM1=IM2,折合振子相當于具有波腹電流IM=IM1+IM2=2IM1的一個等效半波振子。所以不僅它的方向性與半波振子的相同,而且它的輻射功率也可以寫成

其中,Rr為以波腹電流計算的輻射電阻也剛好是等效半波振子的輸入電阻,一般為70Ω左右。

由微波技術基礎知識可以證明,此時半波折合振子的輸入電阻與半波振子輸入電阻之間滿足以下關系:

式中,D及a1、a2的意義見圖9-4-12(b)。

9.4.4平衡器(Balun)——對稱天線的饋電

線天線總要通過傳輸線饋電,常用的傳輸線有平行雙導線和同軸線,前者為平衡傳輸線,后者為不平衡傳輸線,因平行雙導線對“地”是對稱的,故是平衡的。實際工作中,許多天線本身是“平衡”的,例如對稱振子、折合振子以及而后將要介紹的等角螺旋天線等都是對稱平衡的,因而這些天線要求平衡饋電。用平行雙導線饋電,不存在問題,但用同軸線饋電時,就存在“平衡”與“不平衡”之間的轉換問題。另外,在平衡傳輸線與非平衡傳輸線之間連接時,也同樣存在這種問題。為了解決這一問題,就需要采用平衡與不平衡轉換器,簡稱為平衡器,英文直譯“巴侖(Balun)”。

為什么由非平衡傳輸線給對稱振子等平衡負載饋電時會出現(xiàn)問題呢?圖9-4-13對此作了說明:如果用平行雙導線饋電,對稱振子兩臂上的電流等幅、對稱(見圖9-4-13(a))。但用同軸線饋電時,假如直接把同軸線的內外導體分別端接振子的左右兩臂,則由于同軸線外導體外表面與右臂間的分布電容,使得它成為相當于左臂的一部分,起到分流(存在I4)的作用,如圖9-4-13(b)所示。這種現(xiàn)象有時稱為電流“外溢”。根據(jù)電流連續(xù)性定