天线理论课件：第三章典型线天线

(b) 便携式鞭状天线
2.1.2 鞭状天线的辐射场
假设鞭状天线高为 h ，输入端电流为 I0 ，其上电 流分布可表示为：
I z I0 sin kh z
sin kh
远区场表达式为：
E ( )
j
60I0e jkr r sin kh
h
cos sin k(h z)e jkzsin dz
0
j 60I0e jkr cos(khsin ) cos(kh)
1.1.2 双极天线的方向性
下图为一架设于地面上的双极天线，架设高度为 H ，天线臂长为 l 。坐标原点到观察点射线的仰角（与
地面夹角）为 ，与 y 轴夹角 ，方位角 。
z
P
H
O
A
y
P'
x
图3.1 双极天线示意图
由图可以得到：
cos
OA OP
OP ' OP
OA OP '
cos sin
则有：
sin 1 cos2 sin2
~ 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。
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
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：
2.1.4 顶端加载
在天线顶端加小球、圆盘或辐射叶等以改变天线 顶端的电流分布，称为顶端加载。顶端加载后，天线
的顶端增大了顶端的电流，从而增强了天线的辐射能 力，改善了性能。
h' Ca
h
~
~
~
(a) 顶端加栽的鞭状天线
~
(b) 等效形式
顶负载的作用相当于在天线的顶端引入了一个电
容 Ca ，该电容可以用一段长为 h ' 的延长线来等效。如
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
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。
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。
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。
H 4 sin 0
可见，通信距离越远，0 越小，要求架设高度越高。 （2） 水平平面方向图
水平平面方向图是在辐射仰角 一定的平面上， 天线辐射场强随方位角 的变化关系图。方向函数为：
fh , f1, fg coskl cos sin coskl 2 sinkH sin
1 cos2 sin 2
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
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。
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
h
而 he I 0 0 I z dz
可得加顶负载天线的有效高度为：
he
1 I0
h 0
I zdz
2 sin
k
h 2h' k sin k h
2 sinkh
h'
2
当天线的高度很小时，上式可简化为：
he
h 2
1
h' h h'
可见，鞭状天线加载后有效高度增加，辐射能力增强。
加顶负载后鞭状天线的方向图在水平面内仍然是个
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。
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
2.1 鞭状天线（Whip Antenna）
鞭状天线结构简单，携带方便，广泛应用于无线 移动通信中。
2.1.1 结构
鞭状天线相当于将对称阵子天线从中间馈电点处 分成两部分，在金属臂和地之间进行馈电。常见的鞭 状天线是一根金属棒，金属可做成便携式，即将棒分 成数节，节间采取螺接或拉伸等方式连接。
~
(a) 鞭状天线示意图
其中
Байду номын сангаас
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。
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。
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'
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。
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
2) 方向图及方向系数 鞭状天线上的电流分布与对应的对称阵子上半部
分相同，地面对鞭状天线的影响可以用其正镜像代替， 地面上半空间辐射场的方向图与相应的自由空间中对 称阵子的方向图相同。
理想导电地情况下，鞭状天线辐射的功率是对应 对称阵子辐射功率的一半，假设电流分布相同的对称 阵子的辐射功率为 P，在观察点处，二者的功率密度 Wm ax 相同，由方向系数定义可得：
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。
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。
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。
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。