天线6.2_简单线天线

2015.3.20主要内容水平对称天线水平偶极天线笼形天线垂直天线垂直天线－单极天线如何提高单极天线效率对振天线的平衡馈电平衡馈电的必要性平衡馈电的方法水平对称天线1水平对称天线在通信、电视或其它无线电系统中，常使用水平天线(HorizontalAntenna)。水平架设天线的优点是：架设和馈电方便；地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天线小；可减小干扰对接收的影响。因为水平对称天线辐射水平极化波，而工业干扰大多为垂直极化波，故可以减少干扰对接收的影响，这对短波通信是有实际意义的。水平对称振子(HorizontalSymmetricalDipole)，也叫偶极天线。如图1―1所示，又称π型天线。天线的两臂可用单根硬拉黄铜线或铜包钢线做成，也可用多股软铜线，导线的直径根据所需的机械强度和功率容量决定，一般为3～6mm。天线臂与地面平行，两臂之间有绝缘子。天线两端通过绝缘子与支架相连，为降低天线感应场在附近物体中引起的损耗，支架应距离振子两端2～3m。为了降低绝缘子介质损耗，绝缘子宜采用高频瓷材料。支架的金属拉线中亦应每相隔小于λ/4的间距加入绝缘子，这样使拉线不至于引起方向图的失真。图1-1水平天线结构示意图2～3m双馈线馈线绝缘子绝缘子llH电台支杆拉线这种天线结构简单，架设撤收方便，维护简易，因而是应用广泛的短波天线，适用于天波传播。当其架设高度小于0.3λ，向高空方向（仰角90°）辐射最强，宜作300km范围内通信用天线。这种天线增益较低，方向性不强，且工作频段较窄。介质损耗，绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失，简称介损。理想介质电压和电流是正交的，没有损耗，但实际介质存在介质极化电流和电导电流，所以电流和电压夹角小于90°，会产生损耗。良好介质这个损耗角是很小的，当介质受潮，内部有杂质时，损耗会增大，运行时发热，温度升高，又加剧了损耗，长久下去绝缘老化严重。电介质损耗也可用作一种电加热手段，即利用高频电场（一般为0.3～300兆赫）对电介质损耗大的材料进行加热。这种加热由于热量产生在介质内部，比外部加热的加热速度快、热效率高，且加热均匀。1.偶极水平天线的方向性由于偶极天线主要用于天波传播，而天波传播时，电波射线以一定仰角入射到电离层后又被反射回地面，从而构成甲乙两地的无线电通信，通信距离与电波射线仰角有密切关系。为了便于描绘场强随射线仰角Δ和方位角φ的变化关系，一般直接用Δ、φ作自变量表示天线的方向性，而不使用射线与振子轴之间的夹角θ作方向函数的自变量。按图中的几何关系，可得sincoscosPOOAOPPOOPOAyAxOHPP′z在分析天线的方向性时，可以把地面看作是理想导电地，因为在大多数情况下水平极化波地面反射系数都接近-1，可用地面下的负镜像天线来代替地面对辐射的影响。由自由空间对称振子方向函数和负镜像阵因子按方向图乘积定理得利用该式可得22sin1cossin(1―2)22cos(cossin)cos(,)2sin(sin)1cossinklklfkH(1―3)无限大导电地面的影响可用水平振子天线的镜像来替代,因此,架设在理想导电地面上的水平振子天线的辐射场可以用该天线及其镜像所构成的二元阵来分析；但应注意该二元阵的两天线元是同幅反相的,如果地面上的天线相位为零,则其镜像的相位就是π,如图所示。zxyrHHI-I2l1r2rrzxyrHHI-I2l1r2rr122sinrrrH(,)12cos22cos2sin22sinsinjakkeHHfm()2sinEkrkH,1m此二元阵阵因子：阵元122cos(cos)coscos(cossin)cos,sin1cossinklklklklf图1―3图1―4为了便于分析，我们在研究天线方向性时，通常总是研究两个特定平面内的方向性:在研究自由空间天线方向性时，往往取两个相互垂直的平面即E面和H面作特定平面。在研究地面上的天线方向性时，一方面要考虑地面的影响，另一方面要结合电波传播的情况选取两个最能反映天线方向性特点的平面，通常选取垂直平面和水平平面，这两个平面具有直观方便的特点。垂直平面，就是与地面垂直且通过天线最大辐射方向的垂直平面。鉴于实际天线的臂长l0.7λ，单元天线最大辐射方向垂直于对称振子，故取振子的H面为垂直平面，在图1―2中，xOz平面就是偶极天线的垂直平面。水平平面是指对应一定的仰角Δ，固定r（OP），观察点P绕z轴旋转一周所在的平面，在该平面上P点场强随φ变化的相对大小即为偶极天线的水平平面方向图。下面分别讨论天线的垂直平面和水平平面方向图。1）垂直平面方向图图1―2中，φ=0°的xOz面即为偶极天线的垂直平面。将φ=0°代入式（1―3）,可得fxOz(Δ,φ=0°)=|1-coskl|²|2sin(kHsinΔ)|(1-4)由于单元天线的xOz面方向图是圆，故偶极天线的垂直平面方向图形状仅由地因子决定。垂直平面方向图也可从立体图图1-4按垂直于振子轴（即xOz面）进行切割获得。180°150°120°90°60°30°0°H＝0.3H＝0.5180°150°120°90°60°30°0°H＝0.3H＝0.5(a)正镜像；(b)负镜像镜像时的阵因子随天线架高的变化哪一个波瓣对应远距离通信？如何实现定向辐射?垂直平面方向图具有下列特点：(1)垂直平面方向图只与H/λ有关，而与l/λ无关。这是因为，不管单元振子有多长，元因子在垂直于振子轴的平面内方向图恒为一个圆。故可用改变天线架设高度H/λ来控制垂直平面内的方向图。(2)无论H/λ为何值，沿地面方向（即Δ=0°方向）均无辐射。这是由于天线与其镜像在该方向的射线行程差为零，且两者电流反相，因而辐射场互相抵消。所以，这种天线不能用作地波通信。(3)当H/λ≤0.25或放宽到H/λ≤0.3时，最大辐射方向在Δ=90°，在Δ=60°～90°范围内场强变化不大，即在此条件下天线具有高仰角辐射性能，我们称这种天线为高射天线。这种架设不高的双极天线，通常应用在0～300km内的天波通信中。(4)当H/λ0.3时，最强辐射方向不止一个，H/λ越高，波瓣数越多，靠近地面的第一波瓣Δm1越低。第一波瓣的最大辐射仰角Δm1可根据式（1―4）求出，即令sin(kHsinΔm1)=1在架设天线时，应使天线的最大辐射仰角Δm1等于通信仰角Δ0。根据通信仰角Δ0就可求出天线架设高度H，即得1arcsin4mH(1―5)04sinH(1―6)当地面不是理想导电地时，不同架设高度的天线在垂直平面内的方向图的变化规律与理想导电地基本相同，只是场强最大值变小，最小值不为零,最大辐射方向稍有偏移。不同地质对水平振子方向性影响不大。当水平天线用作天波通信时，工作距离愈远，通信仰角Δ0愈低，则要求天线架设高度越高。2）水平平面方向图水平平面方向图就是在辐射仰角Δ一定的平面上，天线辐射场强随方位角φ的变化关系图。显然这时的场强既不是单纯的垂直极化波，也不是单纯的水平极化波。方向函数如式（1―3）所示（式中Δ固定），即方向函数是下列地因子与元因子的乘积:122()2sin(sin)cos(cossin)cos(,)1cossinfkHklklf(1―7)(1―8)因为地因子与方位角φ无关，所以水平平面内的方向图形状仅由元因子f1(Δ，φ)决定。图1―5和图1―6分别给出了l/λ=0.25及l/λ=0.50时偶极天线在理想导电地面上不同仰角时的水平平面方向图。图1―5l/λ=0.25时水平面方向图Oyx(a)Oyx(b)yxO(c)图1―6l/λ=0.5时水平面方向图xyOxyOxOy(a)(b)(c)20;40;60oooabc(1)偶极天线水平平面方向图与架高H/λ无关。因为当仰角一定而φ变化时，直射波与反射波的波程差不变，镜像的存在只影响合成场的大小。由图可以看出：zxyrHHI-I2l1r2rr22cos(cossin)cos(,)2sin(sin)1cossinklklfkH仰角△一定，φ变化时地面因子是常数122sinrrrH(2)水平平面方向的形状取决于l/λ，方向图的变化规律与自由空间对称振子的相同,l/λ越小,方向性越不明显。当l/λ0.7时，最大辐射方向在φ=0°方向；当l/λ0.7时，在φ=0°方向辐射很少或没有辐射。因此,一般应选择天线长度l/λ≤0.7。0.20.40.60.813021060240902701203001503301800l/λ=0.7l/λ=0.8l/λ=0.1(3)仰角越大时，水平平面方向性越不显著。因为方向性决定于cosΔsinφ，当仰角越大时，φ的变化引起的场强变化越小。因此，当用偶极天线作高仰角辐射时，振子架设的方位对工作影响不大，甚至顺着天线轴线方位仍能得到足够强的信号。由于高仰角水平平面方向性不明显,因此在短波300km以内距离的通信时,常把它作全方向性天线使用。综合偶极天线垂直平面和水平平面方向图的分析，可得如下重要结论：(1)天线的长度只影响水平平面方向图，而对垂直平面方向图没有影响。架设高度只影响垂直平面方向图，而对水平平面方向图没有影响。因此控制天线的长度，可控制水平平面的方向图。控制天线架设高度，可控制垂直平面的方向图。(2)天线架设不高（H/λ≤0.3）时,在高仰角方向辐射最强,因此这种天线可作0～300km距离内的侦听、干扰或通信，又由于高仰角的水平平面方向性不明显，因此对天线架设方位要求不严格。(3)当远距离通信时，应该根据通信距离选择通信仰角，再根据通信仰角确定天线架设高度，以保证天线最大辐射方向与通信方向一致。(4)为保证天线在φ=0°方向辐射最强，应使天线一臂的电长度l/λ≤0.7。应该指出,上述分析仅当天线架设高度H≥0.2λ时是正确的。04sinH2.偶极天线的输入阻抗为了使天线能从发射机或馈线获得尽可能多的功率，要求天线必须与发射机或馈线实现阻抗匹配，为此，必须了解天线的输入阻抗。计算偶极天线输入阻抗不仅要考虑到振子本身的辐射，还要考虑地面的影响。地面对天线输入阻抗的影响，可用天线的镜像来代替，然后用耦合振子理论来计算。应当说明的是,由于实际地面的电导率为有限值，因此用镜像法和耦合振子理论所得的结果误差较大，一般往往通过实际测量来得出天线的输入阻抗随频率的变化曲线。图1―7即是一副偶极天线的输入阻抗随频率的变化曲线。由图可见，偶极天线的输入阻抗在波段内的变化比较激烈，如果不采取匹配措施，馈线上的行波系数将有明显变化，传输线的传输效率将受到明显影响。这也是欲在宽频带内使用偶极天线时应当注意的问题。图1―7l=20m、H=6m的偶极天线输入阻抗随频率变化曲线345678910XinRin－2000－100001000200030004000f/MHzRin,Xin/3.方向系数天线的方向系数可由下式求得：21120(,)mrfDR(1―9)式中,f(Δm1,φ)为天线在最大辐射方向的方向函数，Δm1按式（1―5）计算;Rr为天线的辐射阻抗。f(Δm1,φ)和Rr二者应归算于同一电流。对偶极天线而言，Rr=R11-R12，R11是振子的自辐射电阻，R12是振子与其镜像之间（相距2H）的互辐射阻抗。图1―8表示天线架高Hλ/2，且地面为理想导电地时的方向系数与l/λ的关系曲线。当H较低或地面不是理想导电地面时，天线的方向系数低于图中的数值。图1―8偶极天线的D~l/λ关系曲线024681012D0.100.20.30.40.50.60.70.80.9l/4.偶极天线的尺寸选择1)臂长l的