单极子天线的设计

现代天线设计常用单极子天线的设计与实例-1-第五章常用单极子天线的设计与实例§5.1常用的单极子天线...........................................................................................................-2-§5.1.1单极子天线..........................................................................................................-2-§5.1.2单极子天线的辐射场和电特性...........................................................................-4-§5.1.3单极子天线的馈电方法.....................................................................................-11-§5.2宽频带平面单极子天线的设计......................................................................................-13-§5.2.1具有切角的平面单极子天线................................................................................-14-§5.2.2具有短路节加载的平面单极子天线....................................................................-17-5.3总结....................................................................................................................................-22-现代天线设计常用单极子天线的设计与实例-2-§5.1常用的单极子天线§5.1.1单极子天线单极子（Monopole）天线或称为直立天线是垂直于地面或导电平面架设的天线，已广泛应用于长、中、短波及超短波波段。其基本原理结构如图5-1所示，其由长为h的直立振子和无限大地板组成。如前所述，地面的影响可用天线的镜像来代替，这样单极子天线就可等效为自由空间内臂长为2h的对称振子。当然，这样的等效仅对地面上的半空间等效，原因是地板以下没有辐射场。在长波波段，大地接近理想导电体，电磁能量主要以地波形式在地面和电离层低层所限制的空间内传播；在中波波段，距离较近时也是以地波形式传播。夜间，在距天线一定距离的环形区域中，同时存在强度大体上相近的天波和地波，两者互相干扰从而产生严重的衰落现象。为了防止衰落，应设法降低高仰角(超过55度)的辐射。虽然短波以天波传播为主，但对于几十公里的近距离通信，仍主要采用地波传播的方式。在地波传播中，水平极化波的衰减远大于垂直极化波。因此，使用垂直天线是有利的。对于接近地面的超短波移动通信，要求沿地面方向产生昀大辐射。一般情况下，也要采用产生垂直极化场的单极子天线。各波段使用的典型单极子天线示于图5-2中。(a)单极子天线(b)上半空间等效天线图5.1单极子天线及其等效现代天线设计常用单极子天线的设计与实例-3-在长、中波波段，单极子天线的主要问题是天线的高度往往受到限制。例如工作于波长为1000米的电台，天线架设高度100米，以波长衡量也仅为0.1λ，电尺寸是很小的。即使在短波波段，在移动通信中由于天线高度受到涵洞、桥梁等环境等本身结构的限制，也不能架设的太高。因为电长度小将引起下述问题：(1)辐射电阻小。与辐射电阻相比，损耗电阻较大。这样，天线的辐射效率就较低。(2)Q值高。天线的输入电阻小，但输入电抗很大，因此Q值高。也就是说，天线的谐振曲线很尖锐，工作频带很窄。(3)易产生过压或烧毁现象。当输入功率一定时，由于输入电阻小而输入电抗高，使得天线的匹配电路图5-2各波段典型的单极子天线(a)T形，(b)伞形，(c)铁塔；(d)鞭状形；(e)带辐射状金属地线的单极子天线现代天线设计常用单极子天线的设计与实例-4-的电流很大。这样，输入端电压inXIU⋅=就很高，天线顶端的电压更高，这是大功率电台必须注意的问题，使天线匹配电路易于产生过压现象。上述问题在长、中波波段都需要考虑。在短波波段，由于工作频率较高，虽然相对带宽（0/2ff∆）不大，但仍可得到较宽的绝对通频带(f∆)。加之距离近、所用电台功率均较小，故主要考虑的是效率问题。若天线电尺寸很小，例如小于λ1.0，将属于“电小天线”的范畴。§5.1.2单极子天线的辐射场和电特性图5-2所示是单极子接地天线，天线的另一臂可以用大地的镜像来代替。在长、中波波段，由于天线很高，除用高塔(木杆或金属)作支撑联接导线吊起以外，还倾向于直接用铁塔作辐射体；成为铁塔天线或桅杆天线。在短波及超短波波段，一般用金属棒或全属管构成天线，为携带方便，可将棒或管分为几节，节间用螺接、卡接或拉伸等方法联接。通常情况下，单极子天线的金属接地板或网应该至少大于0.5λ。§5.1.2.1辐射场与方向图架设在无限大理想导电平面上的单极接地天线产生的辐射场，可直接应用自由空间对称振子的计算公式进行计算，即：（5-1）式中Im为波腹电流。将lIImβsin/0=，hl=，(I0为输入电流，∆为仰角，h为单极子天线的高度)。代入上式，得：(5-2)亦即(5-3)由)(∆F可知，水平面的方向图是一个圆，即在方位面内是全向性的。垂直现代天线设计常用单极子天线的设计与实例-5-平面的方向图如图5-3所示。当h逐渐增大时，波形变尖；当h＞0.5λ时，出现副辨；在h＝0.625λ时，副瓣昀大值发生在∆＝600方向上；继续加大h，由于天线上反相电流的作用，沿∆＝00方向上的辐射减弱。为此，h应限制在0.625λ之内。在中波波段，为了抗衰落，要求尽可能降低超过550的高仰角方向上的辐射，为此，h应尽可能大一些。一般情况下，h=0.53λ左右较为适宜。对于有限电导率的地面，在馈电点的镜像电流应为vΓ0I，可以仿照由基本振子辐射场积分求和导出自由空间对称振子的辐射场的方法得出场的表示式为：(5-4)式中vΓ和vϕ分别是垂直极化波反射系数的模和相角，vΓ＜l表示部分功率损耗在土壤中。应再次强调的是，在∆＝00方向上，vΓ＝-l，由式(5-4)可得辐射场为零。实际上，党工作频率较低时，仍有沿着地表面向外传播的电磁能量。故应按“地波传播”的方法计算辐射场，且只有在地波影响可以忽略不计的条件下才能应用式(5-4)。图5-3单极接地天线垂直平面的方向图现代天线设计常用单极子天线的设计与实例-6-对于有限大接地板尺寸，其方向图昀大值方向会有所上翘。从图5-3还可以看出：1)通常情况下，选用4/λ的单极子天线作为标准天线。其方向图在水平面是一个圆，在俯仰面呈哑铃型分布。而且，其输入阻抗接近于50欧姆，易于和常用的特性阻抗为50欧姆的同轴线相匹配；其天线的增益为5.15dB。2)实际工程中，全向天线还采用一种称作为85λ的单极子天线，其增益约为8.15dB，如图5-4所示。当然，其接地板一般用几个金属杆来等效。同时，为了和50欧姆的同轴线相匹配，在天线的底部采用加载线圈来抵消输入阻抗中的容性部分。对于150MHz的工作频段，选用2mm直径的漆包线绕在18mm直径的绝缘管上大约4圈左右即可。理论上，可以选用6根4/λ长的金属杆来等效代替金属接地板。3)如果单极天线的高度取λ／2，它就相当于自由空间的全波振子，理论上说较之h＝λ／4时增益要提高1.67dB。但是，这种天线的输入阻抗高，不便于和常用的同轴线联接，为此必须加一阻抗交换器。若采用λ／4阻抗变换器，如图5-4所示，则称为J形天线。由于单极子和它的镜像之间的距离增大，这种天线较之h＝λ／4单极子天线，理论上可将增益提高3.26dB。匹配段两线间的距离约为5cm或更小，馈线接在匹配段中的合适位置上，段路连接点昀好能做成上下滑动以找出昀佳接入位置，匹配段的底部接地以达到防雷的目的。汽车或火车的顶蓬以及舰船的甲板均可构成良好地面。由于它们的形状不是图5-48/5λ直立单极子天线图5-5J型天线及其馈电现代天线设计常用单极子天线的设计与实例-7-圆对称的，单极子天线水平平面的方向图将受到顶蓬等的具体形状和安装位置的影响，造成水平平面各方位方向上辐射不相等。一般说，在偏离中心位置的相反方向上辐射昀强，例如天线安装在车顶蓬的前侧，则车后方向辐射较强。金属接地板或地平面尺寸对方向图的影响要比对阻抗的影响大得多，这是不难理解的。由于圆盘尺寸有限，因此不能形成—个完整的镜像。图5-6示出了天线高度h=λ／4和λ／2时各种圆盘半径a情况下的方向图，其中k为传播常数。从图5-6可以看到，有限地面尺寸对方向图的影响是：(1)在仰角∆＝00方向上，由于这已经处于反射线不能到达的区域，此区域内仅存在直射线和由圆盘边缘所产生的绕射线的场，这和无限大地面是不相同的。此方向并非昀大辐射方向。(2)在一定仰角的方向上存在直射场、反射场和绕射场。一般说绕射场是较小的，如果满足直射场和反射场相位相差不大的条件，则形成波瓣的昀大值。因圆盘半径愈小，昀大方向的仰角愈大；(3)由于边缘绕射线的作用，在下半空间存在—定的辐射。§5.1.2.2电特性有效高度:有效长度对于单极子天线而言即为有效高度，它可以表示天线的辐射强弱，是直立天线的重要指标。假设天线上的电流为正弦分布，β为传播常数。则依据有效高度的定义：(5-5)图5-6地板尺寸对方向图的影响现代天线设计常用单极子天线的设计与实例-8-当hλ时，亦即0→hβ，则式(5-5)可以简化为：(5-6)这是必然的，当振子很短时，电流近似呈三角形分布，故有效高度为实际高度之半。当h=4/λ，πλ/5.0=eh。方向系数：首先讨论辐射电阻，然后可由辐射电阻计算方向系数。在无限大理想导电地上单极子天线的辐射电阻与自由空间对称振子的辐射电阻的计算方法完全相同，仅因单极天线的镜像部分并不辐射功率，故其辐射电阻为同样臂长的自由空间对称振子(l＝h)辐射电阻的一半。当h=4/λ时，对于细线天线其辐射电阻是36.50欧姆。当h=8/λ时，(5-7a)(5-7b)式中，Rrm和Rr0分别是归于波腹电流和输入电流的辐射电阻，至于高度大于8/λ的单极子天线，辐射电阻应按式(3-1)给出电阻值的一半计算。亦即辐射电阻按下式的一半计算：(5-8)图5-7表示辐射电阻随天线高度的变化曲线，其横坐标以电角度表示，即(h/λ)×3600。由图可知，当天线高度h减小时，辐射电阻下降很快。当∆=0时，由式(5-1)可以得到，(5-9)当hλ时，将式(5-7)及(5-9)代入方向系数计算公式:因为，则单极子天线的方向性系数为：现代天线设计常用单极子天线的设计与实例-9-可见，电高度较低的单极天线的方向系数近似等于3。当然，电高度较高时，这一结论并不成立。输入阻抗与阻抗带宽：单极天线的输入阻抗一般是通过测量取得的。由于它的特性阻抗较自由空间对称振子输入阻抗也小一半，因此在无限大理想地面上，单极天线的输入阻抗可用对称振子的输入阻抗公式来计算。当对称振子的臂长在0＜λ/h＜0.35和0.65＜λ/h＜0.85范围时,可以用下式来计算，亦即：其中，ZcA通常表示振子的平均特性阻抗，有：，a为振子的半径。由上式可知，a越大(即振子越粗)，则振子的特性阻抗ZcA就越小。如果当λ/h1，上式可进一步简化为：应指出的是：按上式计算阻抗时，电抗部分是近似正确的，但电阻部分的误差却很大，这是由于损耗电阻在实际中往往是不能忽略的。输入到天线的功率除部分辐射外，另一部分损耗在天线导体、介质和流经大地的回