天线第八讲-同相直立天线与八木天线

ResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering天线Antennas第8讲同相直立天线与八木天线褚庆昕华南理工大学电子与信息学院天线与射频技术研究所[e-mail]TechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering第8讲内容同相直立天线八木-宇田天线SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering从对称振子的分析可知，当臂长小于0.65时，天线的增益随着臂长增加。但是，臂长大于0.65时，由于反向电流的抵消作用，出现了旁瓣，增益反而下降。为了提高天线增益，可以采取抑制反向电流或使反向电流翻转的方法。这样，振子长度越长，垂直面的方向图越窄，增益越高。8.1同相直立天线SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering早在1920年，富兰克林提出了经典的以其名字命名的天线。这一天线的原理很简单：把单极子天线上具有反向电流的部分折叠起来，使其不辐射。也可以采用利用电感线圈替代反向电流的线段。在450MHz，测得3/2和7/2长的富兰克林天线的半功率波瓣宽度分别是280和120，增益分别为3.2dBd和7.2dBd。富兰克林天线SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering利用同轴线外导体周期性的环形缝隙对带扼流套的半波振子馈电。扼流套既是振子臂又对同轴线外壁上电流起扼制作用。串馈同轴对称振子阵SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering为了同相馈电，环形缝隙的间距是g（填充有介质的同轴线的波导波长），如果填充相对介电常数为r的电介质，则为了满足增益或旁瓣电平的要求，相邻对称振子在空间的间距d也有要求，设d=A，则2,1/grdA/grSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering交叉馈电同轴共线天线交叉馈电同轴共线（coaxialcollinear，COCO）天线是利用结构上的交叉馈电方法实现各同轴段的外导体外表面上电流同相，从而形成一个共线同相阵，以压缩垂直面的方向图，提高天线增益。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering共线折合振子阵SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering我们已经知道，天线阵可用于增加方向性，前面讨论的天线阵的所有阵元都是有源的（称为激励元），需要通过馈电网络直接连接每个阵元。如果仅有少量阵元是直接馈电的，馈电网络将大大简化，这样的阵列称为寄生阵。非直接激励的阵元（寄生元）通过耦合从有源元处获得激励。八木-宇田天线，简称八木天线是一种平行振子的寄生直线阵，非常流行，结构简单、增益高。八木-宇田天线最早由日本仙台的东北大学的宇田（Uda）讲师于1926年完成。1928年，宇田所在的实验室的八木（Yagi）教授在Proc.IRE发表了详细讨论八木天线原理的文章。8.2八木-宇田天线SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering反射器激励元引向器支撑杆SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering八木天线由三部分组成：激励元、引向元和反射元。考虑用一个半波振子作为激励元，如果一个寄生元放得很靠近激励元，激励元将以几乎相等的幅度激励寄生元。设寄生元上的入射场为，寄生元上的总电场为感应场与入射场之和。因为寄生元为导体，总电场为零，因此，寄生元的感应场为因此，寄生元被激发与激励元等幅反相的电流。incidentdriverEEparasiteincidentdriverEEESouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering由阵列理论可知，两个靠得很近且等幅反相的阵元具有端射方向图。下图为间距为0.04的二元半波寄生阵的方向图。阵结构H面方向图SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering通过加长寄生元可以揭示八木天线的妙处。激励元长度为0.4781，寄生元长为0.49，间距0.04，由数值方法可得H面的方向图，寄生元比激励元长的一般趋势：出现了沿端射方向、且是由寄生元指向有源元的单一主瓣，这种寄生元称为反射器。阵结构H面方向图SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering如果寄生元比激励元短，但置于激励元的另一边，从增强同一方向的主瓣的角度看，它对方向图的影响与反射器类似，该寄生元称为引向器，把辐射从激励元引向引向器的方向。阵结构H面方向图SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering在激励元两边同时加反射器和指向器，会加强辐射效应。下图为一个三元八木天线的例子，方向图比二元阵大为改善，这些方向图的阵元间距离为0.04λ。阵结构H面方向图E面方向图SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering一般的八木天线由一个激励元、一个反射元和若干引向元组成。最大方向性的反射器间距SR在0.15~0.25个波长之间，增益比孤立振子高出2.5dBd，如果用平板取代简单的导线状阵元，增益将高出3dBd。三元八木天线的最大方向性为9dBi或7dBd。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering引向器间的距离一般为0.2~0.35个波长，长阵多用长间距，短阵多用短间距。典型的反射器长度是0.5λ，激励元的长度为无寄生元时的谐振长度，引向器的长度一般比谐振长度短10%~20%。实际中，当引向器增加至5-6个时,增益增加明显，若指向器增至9-10个时，增益基本保持不变。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering增加更多反射器阵元，增益只会增加零点几dB，通常只有一个反射器，反射器主要影响馈点的输入阻抗，以及天线阵的后瓣。由方向图知道，增益主要由引向器阵元控制，引向器长度与间距是相互关联的，最敏感的还是引向器的长度。八木天线的增益还与支撑杆长度(LB=SR+h)有关。Viebicke在美国国家标准局（NIST，NationalBureauofStandard）进行了大量的实验研究，给出了有关八木天线设计的丰富信息。对特定长度支撑杆，确定了最优设计。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineeringSouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering八木天线设计曲线SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering寄生元分布在阵元中心的电压为零，故可以采用金属支持杆。但实际尺寸的金属支撑杆还是会有影响，需进行补偿。SouthChinaUniversityofTechnologyResearchInstituteofAntennas&RFTechniquesSchoolofElectronic&InformationEngineering具有几个引向器的八木天线是端射行波天