天线理论课件：第三章典型线天线

D 120 f m1,
Rr
f m1,--最大辐射方向的方向函数
Rr --天线的辐射电阻 图 3.5 给 出 了 地 面 为 理 想 导 电 平 面 、 架 设 高 度 H 0.5 时，天线方向系数 D 与臂长 l 的关系曲线。
1.2 笼形天线（Cage Antenna）
双极天线的输入阻抗随频率变化较大，是一种窄 频带天线。为了展宽带宽，可采用加粗天线阵子直径 的办法。通常将几根导线排成圆柱形组成阵子的两臂， 这种天线称为笼形天线，结构如图 3.5 所示。
e) H 0.3 时，出现多个最大辐射方向，H 越高， 波瓣数越多，靠近地面的第一波瓣 m1 越低。第 一波瓣最大辐射仰角 m1 可由下式求出：
sinkH sin m1 1
得到：
m1 arcsin 4H
天线架设时，应使第一波瓣的最大仰角等于通信仰
角 0 。由通信仰角 0 就可确定天线的架设高度，即：
~ 平面片形对称阵子
§2.直立天线（Vertical Antenna）
地面波通信，通常采用垂直极化波，使用垂直接 地的直立天线（或称单极天线）。长波和中波波段，直 立天线很长，需用支架架起，也可直接用铁塔做辐射 体，称为铁塔天线或桅杆天线。在短波和超短波波段， 天线尺寸较小，采用外形象鞭的鞭状天线。
的输入端电流，在最大辐射方向的场强与鞭状天线的
相等，则该天线的长度就称为鞭状天线的有效高度，
以 he 表示。
z
h he
~
鞭状天线的有效高度
依据有效高度定义，则有：
he I 0
h I zdz
0
I0 1 coskh k sin kh
I0 tan kh k2
即有效高度 he 为：
he
1 k
tan
kh 2
圆；在垂直平面内方向函数为：
F
,
cos kh'
coskhsin sinkh' sin sinkhsin coskh' coskh h' cos
coskh
h'
2.2 双锥天线（Biconical Antenna）
双锥天线是两臂为锥体的偶极天线，两臂由中间 向两端直径逐渐增大，圆锥的张角保持不变。
笼形天线两臂通常由 6~8 根细导线构成，每根导 线直径为 3~5mm，笼形直径约为 1~3m，特性阻抗 为 250~400Ω。笼形天线的输入阻抗在频段内变化较
为平缓，工作带宽较宽。 笼形天线两臂的直径较大，在输入端引入很大的
端电容，使得天线与馈线的匹配变差。为减小馈电处 的端电容，阵子的半径从距馈电点 3~4m 处逐渐缩 小，至馈电处汇集在一起。天线的两端采取同样的方 法以减小末端效应。
Dwhip
1
Wm a x P 4r 2
2Wm a x P 4r 2
2Ddipole
2
可见，鞭状天线的方向系数是对称阵子方向系数的 2
倍。同样可推得，鞭状天线的辐射阻抗是相应对称阵
子辐射阻抗的一半，即 Rwhip Rdipole 2 。
3) 有效高度
假设有一直立天线，均匀分布的电流是鞭状天线
式中地因子 fg 与 无关，当天线的仰角 一定时， fg 只影响合成场的大小，不影响方向图的形状，水 平面内的方向图形状完全由元函数 f1,决定。下图 给出了 l 0.25 及 H 0.25 时，水平面方向图随仰角 的变化。
水平面方向图特点： a) 与架设高度 H 无关。 b) 与自由空间对称阵子相同，水平平面内方向图形 状取决于 l 。当 l 0.7 时，最大辐射方向在 0 方向；当 l 0.7 时，在 0 方向辐射很小 或无辐射。一般取 l 0.7 。 c) 仰角 越大，方向性越弱。
如果组成笼形天线的导线有 n 根，单根导线的半
径为 a ，笼形半径为 b ，则笼形天线的等效半径 ae 可
由下式计算：
ae b na b1 n
笼形天线的方向性和天线尺寸的选择与双极天线 相同。
为展宽双极天线的带宽，也可将其双臂改成其它 形式，构成笼形双锥天线、平面片形对称阵子天线等。
~ 双锥天线
在分析水平天线的辐射场时，常将地面看成是理 想导电地，地面对天线辐射性能的影响可用天线的负 镜像来替代。双极天线的方向函数为对称阵子元函数 和其负镜像阵函数的乘积，即为：
f , f1, fg cosklcossin coskl 2sinkH sin
1 cos2 sin 2
根据上式，可以画出双极天线的立体方向图。固定天 线架设高度 H 4 ，改变双极天线的臂长得到的立体 方向图见图 3.2（1）；固定双极天线的臂长，改变天 线的架设高度得到的方向图如图 3.2（2）所示。
综合垂直面和水平面方向图特点，得到如下结论： A) 控制 l ，可控制水平面方向图；控制 H ，可 控制垂直面方向图。 B) 架设高度 H 0.3时，在高仰角方向辐射最强， 可用作 300km距离内的通信。 C) 远距离通信时，根据通信距离确定通信仰角 0 ， 再由 0 确定 H 。 D) 臂长应取 l 0.7 ，确保 0 方向辐射最强。
果鞭状天线的高度为 h ，加载后天线的高度相当于
(h h') 。假设垂直线段的特性阻抗为 Z0 ，导线半径 a，
等效长度 h ' 可由下式计算：
Z 0ctgkh'
1 Ca
即：
h'
1 k
arc tanZ 0C a
式中，
Z0
60 ln
2h a
1
设加载后鞭状天线上的电流分布为：
Iz
I0
sinkh h' z sinkh h'
r sin kh
cos
方向函数为：
F() cos(khsin ) cos(kh) sin khcos
下图为鞭状天线随高度 h 变化的方向图。
h 0.5
h 0.65
h 0.70
h 0.75
鞭状天线方向图随h的变化
2.1.3 鞭状天线的性能
1) 极化 鞭状天线的辐射场垂直于地面，属于垂直极化波。
其中
Rr 0
29.5k 20.4k
he he
2 2
h ,地质为湿地 h ,地质为干地
Rlo
A 4h
对于干地， A 7 ；对于湿地， A 2 。
5) 天线效率
鞭状天线的辐射阻抗较小，因此辐射效率很低，
如短波鞭状天线的效率只有百分之几。要提高鞭状天
线的效率，可采用提高辐射电阻和减小损耗电阻的办
法，如天线加载和埋设地网等。
l 0.25
l 0.5
l 0.65
l 0.75
l 1.0
l 1.2
图3.2（1）方向图随臂长的变化
H 0.25
H 0.5
H 0.75
H 1.0
H 1.25
H 1.75
图3.2（2）方向图随架高H的变化
双极天线的方向特性的分析： （1） 垂直平面方向图
垂直平面是指垂直于地面并通过天线最大辐射方
第三章 线天线
线天线的尺寸都接近于工作波长的整数倍或半整 数倍，也称谐振天线。由于其电特性对于频率的变化 很敏感，因而大多为窄带天线。线天线形式有很多， 本章主要介绍一些应用较为广泛的几种典型的线天 线。
§1. 水 平 对 称 天 线 （ Horizontal
Antenna）
1.1 双极天线
双极天线是水平架设的对称阵子天线，其结构简 单，架设方便，易于维护，广泛用做短波天线，用于 天波的传播。
向的平面，即图 3.1 中 0 的 xoz 平面。
当 0 时，双极天线的方向函数变成：
fv 1 coskl 2sinkHsin
将 0 代入双极天线的方向函数，可得
fxoz 1 coskl 2sinkHsin
垂直平面的方向图如上图所示（ l 4 ）。 垂直面方向图特点：
a) 阵元的方向图是圆，天线的方向图形状仅由地因 子决定。
b) f xoz 只是 H 的函数，与 l 无关。改变架设高度 可控制垂直平面的方向图。
c) 沿地面方向（ 0）无辐射，双极天线不能用做 地波通信。
d) H 0.3 时 ， 最 大 辐 射 方 向 为 90 ， 在 60 ~ 90 范围内场强变化不大。适用于 300km 以内的天波通信。
1.1.2 输入阻抗与方向系数
理论计算天线输入阻抗的方法一般误差较大，通 常采用实际测量来确定天线的阻抗。双极天线的输入 阻抗随频率变化关系曲线如图 3.4 所示。
在图示的频带内，双极天线的输入阻抗对频率变 化较为敏感，因此要使天线在宽频带内工作，必须在 天线与馈线之间采取阻抗匹配措施。
双极天线的方向系数可由下式求得：
当 h 0.1时，tankh 2 kh 2 ，此时 he h 2 。也就是说，
当鞭状天线的高度 h 时，天线的有效高度是实际高
度的一半。
4) 输入阻抗
如果将大地看成理想导电地，鞭状天线的输入阻
抗是相应对称阵子输入阻抗的一半。实际上，输入到
天线的功率只有一部分辐射出去了，大部分被损耗掉
了。因此天线的输入电阻 Rin 应包括辐射电阻 Rr0 和损耗 电阻 Rlo 两部分，即： Rin Rr0 Rl0
1.1.1 双极天线的结构
水平架设于地面上的双极天线，由对称双臂、支 架和绝缘子构成，结构如下图所示。两臂与地面平行， 由单根或多股金属导线构成，导线的直径一般为 3 ~ 6mm。两臂之间由绝缘子固定，并通过绝缘子与支 架相连，支架距离阵子两端 2 ~ 3m 。支架的金属拉线 每隔小于 4 的间距加入绝缘子，减小方向图失真。
2.2.1 无限双锥天线
无限双锥天线是由两臂两个顶点靠拢、形状相同 的无限长锥形导电面组成，如下图(a)所示。高频震荡 电压Vi 通过两顶点之间的缝隙馈入，该电压产生球面