第四章--偶极子天线

第四章偶极子天线（对称振子）第一节偶极子天线上的电流分布•赫芝偶极子，电流元：•短偶极子：•有限长度偶极子：偶极子天线，对称振子偶极子天线是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波偶极子可简单地独立使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波偶极子天线组成天线阵。标准半波偶极子天线实际偶极子天线用于电视接收用于宽带通信一、偶极子天线1.偶极子天线（对称振子）：中点断开并接以馈电源的线性导体。2.半波偶极子天线（对称振子）：每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的天线。3.辐射源：在馈电电源作用下，在偶极子天线振子上所建立的电流。2alZIz二、偶极子天线上的电流分布假设：•，这时可忽略端面电流，即只有纵向电流；•，忽略间隙内的位移电流所产生的辐射场。laazI结论：•当时，偶极子天线上的电流分布接近于正弦函数分布；•当时，偶极子天线上的电流分布近似为：0a1.0ka0sin0sinzzlkIzzlkIImmz几种典型偶极子天线上的电流分布偶极子天线上电流分布的特点•振子的终端始终是电流的波节；•离终端/4处为电流的波腹，再经/4处为电流波节，依次重复；•在振子上的电流经过零值时，电流相位改变1800；•振子输入端的电流值由电长度l/决定；•振子两臂相对应点的电流相等。第二节偶极子天线的辐射场和方向性函数一、偶极子天线的辐射场jkrzerdzIjdEsin60dz在天线振子上取一小段，认为上电流分布是均匀的，则所产生的场为：dzdzM2012r0r1rdzdzzzZ天线在M点产生的场是无数在M点产生的场的积分：dzlljkrzerdzIjEsin60代入：0sin0sinzzlkIzzlkIImmz得：02201121sinsin60sinsin60ljkrmljkrmdzerzlkIjdzerzlkIjEM点离振子很远，021021,1111rrrrM2012r0r1rdzdzzzZ0cosz0201rrkrrk但不成立，coscoscoscos0201zrzrrzrzrr又jkrmlljkzjkzjkrmeklklrIjdzezlkdzezlkerIjEsincoscoscos60sinsinsin6000coscos振幅值：sincoscoscos60klklrIEmm上式的适用条件：151laka二、偶极子天线的方向性函数mE由可知:sincoscoscos,klklf1）与无关，因此偶极子天线在赤道面内轴向对称，方向性图为一圆；2）与有关，说明偶极子天线在子午面内的方向性与有关；其方向性取决于;l),(f),(fsincos2cosf当时，4lsin1coscosf当时，2lsin1cos2cosf当时，l半波偶极子天线（）和电流元的方向性图比较25.0l半波偶极子天线（）在子午面内的方向性图25.0l偶极子天线（）在子午面内的方向性图625.0l各种不同长度的偶极子天线在子午面内的方向性图3）任何长度的偶极子天线在轴向无辐射；4）当时，随着增大，波瓣越来越尖锐，且只有主瓣，主瓣垂直于振子轴；5）当后，出现旁瓣；时，主瓣消失；6）当继续增大时，主瓣将变得更窄，并且旁瓣的数目将波浪式地增多。0l5.0l5.0l1ll1）时，天线振子上下两臂的电流同相。但行程差引起的相位差却存在，这使电场叠加后产生方向性；2），相位差为0，同相叠加得到更大值；3）当时，振子上出现反向电流。场强叠加时，不仅要考虑行程差，还要考虑电流的相位差所引起的场强的相位差，其结果出现旁瓣；905.0l5.0l方向性的变化归根到底是由电流分布的变化引起的:4）当继续增大时，振子上有反向电流的线段增加，主瓣相对减小，旁瓣相对增大；5）时，正向电流与反向电流都占据一个波长，主瓣消失。l1l第三节偶极子天线的辐射功率和辐射阻抗一、偶极子天线的辐射功率WdklklIdklklrIrdEdrPmmm022022202202sincoscoscos30sincoscoscos6022sin2把偶极子天线的辐射场的表达式代入求辐射功率的通式，即可得到对称振子的辐射功率：二、偶极子天线的辐射电阻klklklklklklcklklklcdklklR2si24si2sin2ci24ciln2cos2ci2ln230sincoscoscos6002根据辐射电阻的定义，有：RIPm221式中，c=0.5772欧拉常数辐射电阻与电长度有关，而与振子的半径无关。l420klRl时，当半波偶极子天线：1.73R全波偶极子天线：199R三、偶极子天线的辐射阻抗当考虑近区场时，辐射功率既有实部，又有虚部。实部产生辐射场，虚部产生储能场。对应地，辐射阻抗为：jXRZklklklklklklcklklklcR2si24si2sin2ci24ciln2cos2ci2ln230时，当0,0laaklklklklklklkacklX2si22si24si2cos2ci24ci1ln2sin30时，当4,0la1.73R5.42X第四节偶极子天线的输入阻抗输入阻抗:天线的输入电压与输入电流之比。AAAjXRZ一、输入阻抗的定义二、输入阻抗的求解1.测量得到2.由辐射阻抗求输入阻抗3.由等效传输线法求输入阻抗由辐射阻抗求输入阻抗振子的输入阻抗：辐射功率：设振子没有损耗，则AAZIP2021ZIPm221PPAAmZIZI202ZIIZmA20设天线振子上的电流近似按正弦规律分布，则klIImsin0klZZA2sin即：klRRA2sinklXXA2sin注：上式不适用的对称振子。这时，2nlAZI,00利用等效传输线法求输入阻抗步骤：1）求出电流按正弦分布并以波腹点为参考的辐射电阻：dklklR02sincoscoscos602）将辐射功率等效为振子上的欧姆损耗，这损耗均匀分布在振子上：RIPm221dzRIRIZlm22122112023）将振子等效为单位长度有损耗电阻的终端开路传输线，则：121R又，zlkIImzsinklkllRdzzlkRdzzlkRRll22sin122cos121sin101021klkllRR22sin12112ln1202ln12010aldzazlWla4）用计算传输线输入阻抗的方法求振子的输入阻抗：dzdzzza2l无损耗对称振子的平均阻抗为：kjWWaa1'所以，对称振子的等效特性阻抗为：aaWR2'1称为对称振子的等效衰减常数。1'1RR当不考虑导线本身的电阻时，偶极子天线的输入阻抗为：AAaaaaaaaaaaAjXRkllkljklllkjWljkkjWlkjWlWZ2cos2ch2sin2cos2ch2sh1cth1cth1cth'klllkklWXkllklklWRaaaaAaaaaA2cos2ch2sh2sin2cos2ch2sin2sh当和时，35.0l85.065.0lkljWklRZaActgsin2三、偶极子天线输入阻抗的特点总结1.当时，较小，呈容性；2.当时，；3.当时，呈感性；4.当时，最大；5.当l继续增大，对称振子的输入阻抗重复上述规律，只是和逐渐减小。25.0lARAXARARAXAX0AX25.0l5.025.0l5.0l第五节偶极子天线的谐振长度和通频带一、偶极子天线的谐振长度1.天线谐振：当天线的输入电抗为零时，称天线发生了谐振。2.偶极子天线的谐振长度：天线发生谐振时的长度。3.偶极子天线的缩短效应：对称振子的长度小于/4整数倍的现象。偶极子天线的缩短效应原因：天线的终端集中了过多的电力线。iiii二、偶极子天线的通频带定义：满足馈线上电压驻波比不超过某个值所对应的两个边界频率之差，称为通频带。21fff先求0f当天线发生谐振时，4,0lXAlcfclfclfWlkWXaaA42202ctgctg0000例:若规定与半波偶极子天线相连的馈线中的电压驻波比不超过5.83，求此天线的通频带。解：21707.01183.52vpvvvvSSSAR设发生谐振时，天线的输入电阻为，驻波比为5.83时对应的输入电抗为，则'AARXAAAAAAAARRRRRIRIRIXI212121212121''20'202020AaAaRWarclcRWarclclcfff2tan2122tan220'越小，通频带越宽aW结论：要展宽偶极子天线的通频带，需加粗振子，即加大半径。12ln1202ln12010aldzazlWla图中分别为某一天线的-10dB带宽和-6dB带宽。