第3章 行波天线

信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天线。 2、在人造卫星和弹道导弹的空间遥测系统中，信号穿过电离层
传播后，产生极化畸变，这也要求地面上安装圆极化天线作 发射或接收天线。 3、为了干扰和侦察对方的通信或雷达目标，需要应用圆极化天 线。 4、在电视中为了克服杂乱反射所产生的重影，也可采用圆极化 天线，因为它只能接收旋向相同的直射波，抑制了反射波传 来的重影信号。
第3章 行波天线
2、 菱形天线方向函数
过长轴的垂直平面的方向函数为:
f( ) 1 s 8 in c o s0 c 0 o s s in 2 [k 2 l(1 s in 0 c o s )]s in (k H s in )
Φ0 为菱形的半钝角；Δ为仰角；H为天线的架设高度。 当Δ=Δ0时（Δ0为最大辐射方向仰角）。 水平平面的方向函数为：
第3章 行波天线
菱形天线的辐射场：四根导线在空间的合成场。
通过适当选择 菱形锐角2θ0、边长 l 来获得最强的方向性， 并使最大辐射方向指向负载方向。
0
marc
c1os
2l
即菱形四根导线各有一最大辐射方向指向长对角线方向。
2
1
m
20
负载
4 3
在长对第角3章线行方波向天，线1、2两根行波导线合成电场矢量的总相位差应
终端 吸收 铁线 回授 线
回授 线长 度调 节器
回授式菱形天线
第3章 行波天线
三、行波V形天线（Traveling Wave Vee Antenna）
V 形斜天线，仅有一根支杆和两根载有行波电流的导线组成，架 设很简单，适用于移动的台站中。
馈线
Rl Rl
第3章 行波天线
第二节
螺旋天线
D
提高天线的有效高度之一——分布 式加载，其典型天线之一即为螺旋鞭天 线 （Helical Whip Antenna）。
j60I0ejkr sin sin[kl[1cos]ejk2l(1cos) r 1cos 2
方向函数为:
sin[kl (1cos)]
F() sin
2
kl (1cos)
2
第3章 行波天52.线5°
m ＝0°
z
40.5°
m
＝0°
z
29°
m
＝0°
z
(a)
(b)
(c)
(a)l=λ; (b)l=1.5λ; (c)l=3λ
第3章 行波天线
第3章
行波天线
行波天线与驻波天线的差别及优缺点： 驻波天线工作在驻波状态，工作频带较窄，效率高于行波天线； 行波天线工作在行波状态，工作频带较宽，但效率低于驻波天线。
3.1 行波单导线及菱形天线 3.2 螺旋天线
第3章 行波天线
第一节 行波单导线及菱形天线
一、 行波单导线
行波单导线：天线上电流按行波分布的单导线天线。
~
螺旋鞭天线
第3章 行波天线
螺旋天线的辐射特性取决于螺旋线直径D与波长的比值 D/λ， 此类天线具有三种辐射状态。
(a )
(b )
(c )
螺旋天线的三种辐射状态
(a) 边射型 (b) 端射型 (c)圆锥型
第3章 行波天线
螺旋柱直径 D=(0.25~0.46)λ 的端射型螺旋天线， 又称为轴向模螺旋天线，简称为螺旋天线，
第3章 行波天线
3、 菱形天线的尺寸选择及其变形天线
当通信仰角Δ0 确定以后，选择主瓣仰角等于通信仰角。 使 f(Δ0) 最大，分别取各个因子分别最大：
f( ) 1 s 8 in c o s0 c 0 o s s in 2 [k 2 l(1 s in 0 c o s )]s in (k H s in )
1
l/
400 200 0 1.5
对称振子
R /
r
240
200
160
120
80
40
00
1
2
3
4
5
6
l /
行波单导线天线 辐射阻抗
第3章 行波天线
F()sin[kl(1cos)]
2
sin kl(1cos)
2
变化快
最大辐射角
sin[k2l(1cos)]m
1
m
a
rc
co1s
2l
行波单导线的方向系数的近似计算公式：
D 1 0 lg l 5 .9 7 1 0 lg (lg l 0 .9 1 5 )d B
第3章 行波天线
二、 菱形天线
1、 菱形天线的结构和工作原理 增加行波单导线天线的增益的方法：排阵 —— 用4根行波单导线构成菱形天线。
l
20
H
接特性
阻抗
接馈线
两线之间的距离变 化，故菱形线上各 点的特性阻抗不等， 从锐角端的600～ 700Ω变化到钝角 处的1000Ω。引起 天线上局部的反射， 从而破坏行波状态。 为了使特性阻抗变 化较小，菱形的各 边通常用2～3根导 线并在钝角处分开 一定距离，使天线 导线的等效直径增 加，
f()[1sic no ( s( 0 0 )c)os01sic no ( s( 0 0 )c)os0 g sin{k 2 l[1sin( 0)cos0]}sin{k 2 l[1sin(( 0)cos0]}
第3章 行波天线
菱形天线每边的电长度愈长，波瓣愈窄，仰角变小，副瓣增多。
(a)
(b)
(a)水平平面方向图；(b)过长轴的垂直平面方向图
使第三个因子最大，则 sin(kHsinΔ0)=1，即选择天线架高：
H
4 sin 0
第3章 行波天线
使第二个因子为最大，则:
sin［kl(1-sinΦ0cosΔ0)/2］=1，即天线每边长度：
l
2(1sin0cos0)
使第一个因子为最大，则：
d ( 8cos0 )0 d0 1sin0cos0
由此得到半钝角 Φ0 和仰角 Δ0 应满足如下关系：
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A
B
l0＝ C
C
D
D
y
螺旋天A 线工作在圆 极化状态的原B因： A
I xA I xB
I xC
I
xD
B
x
l0＝
C
t1时刻 C
t1 时刻x 轴向辐射场 只D有Ey 分量。
D
A
B
x
l0＝
C
D
将圆环展成
(a)
(b)
直线时线上
的电流分布
y
I y A I y B
B
A
I yC
I
yD
x
C
D
t1 +T/4 时刻
（1）沿轴线方向有最大辐射； （2）辐射场是圆极化波； （3）天线导线上的电流按行波分布； （4）输入阻抗近似为纯电阻； (5 螺旋天线是一种最常用的典型的圆极化天线(Circular
Polarized Antenna)。
第3章 行波天线
一、 圆极化波的应用
使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。 1、通信的一方或双方处于方向、位置不定的状态，为了提高通
0 90o0
在通信方向的仰角 Δ0 和工作波长λ确定以后， 便可直接算出 H、l 和 Φ0。
第3章 行波天线
菱形天线的主要优点是： （1）结构简单，造价低， （2）方向性强，增益系数可达100 （3）频带宽，工作带宽可达（2～3）∶1 （4）可应用于较大的功率，因为天线上驻波成分很小，因此
不会发生电压或电流过大的问题。 菱形天线的主要缺点是： （1）结构庞大，场地大，只适用于大型固定电台作远距离通
T场(b1) 只＋有T/E4x时分刻量轴。向辐射
经过一个周期T的时间间 隔，电场矢量将旋转 360°。 由于线上电流振幅值是 不变的，故轴向辐射的 场值也不会变。 所以，周长为一个波长 的载行波圆环沿轴线方 向辐射的是圆极化波。
驻波 行波
第3章 行波天线
总结： 螺旋天线上的电流是行波电流，是圆极化波。 按右手螺旋方式绕制的螺旋天线，在轴向只能辐射或接收右
接终端负载
双菱天线
第3章 行波天线
为了提高菱形天线的效率，可采用回授式菱形天线结构。 回授式菱形天线没有终端吸收电阻，它是将终端剩余能量送回输
入端，再激励天线“2”。如果回授至输入端的电流相位与输 入端的馈源电流相位相同，那么剩余的能量也就能辐射出去， 从而提高了天线的效率。
主菱 形
回授 菱形
1 2
D
D——螺旋的直径；
l0
s
h 2a
a——螺旋线导线的半径；
s——螺距，即每圈之间的距离；
α——螺距角，
arctan s D
l0——一圈D 的长度，l0 (D )2s2s/sin
s
N——圈l数0 ；
同 轴线D 输 入
(a )
l0
金 属 接 地 板 h——轴向长度，h=Ns
(b )
s
一圈展开图形
第3章 行波天线 y A
第3章 行波天线
圆极化波的重要性质
（1）圆极化波是一等幅旋转场，它可分解为两正交等幅、 相位相差90°的线极化波；
（2）辐射左旋圆极化波的天线，只能接收左旋圆极化波，
（3）当圆极化波入射到一个平面上或球面上时，其反射波 旋向相反，即右旋波变为左旋波，左旋波变为右旋波。
第3章 行波天线
二、 螺旋天线的工作原理
天线沿线各点电流振幅相等，相位连续滞后，其馈电点 置于坐标原点。
输入端电流为 I0，忽略沿线电流的衰减，则线上电流分布为：
I(z)I0ejkz
r
kz ′cos
R
z
o
dz′ l
第3章 行波天线
分析方法：把天线分割成许多个电基本振子，取所有电基 本振子辐射场的总和，故:
E
j60I0sin r
l 0
ejkzejk(rzcos)dz
旋圆极化波； 按左手螺旋方式绕制的螺旋天线，在轴向只能辐射或接收左
旋圆极化波。 若用螺旋天线作抛物面天线的初级馈源，如果抛物面天线接
收右旋圆极化波，则反射后右旋变成左旋，因此螺旋天线 必须是左旋的。
第3章 行波天线
三、 螺旋天线的电参数估算
工程上常用的估算公式，这些公式适用于螺距角
α=12°~16°，圈数N>3，每圈长度l0=(3/4~4/3)λ。
I1
2
1
m
20
4
I4＝－ I1
3
(b)
E4 E1 负 载
第3章 行波天线
导线1和4：
在长对角线方向上射线行程差引起的相位差ΔΨr=0，
电流相位差 ΔΨi=π，
电场极化相位差 ΔΨE=π，
1
2 m
总相位差 ΔΨ=2π。
20
负载
I1
I4＝－ I1 (b)
4 3
E4
E1
四条边上的天线在长对角
线上相位都是同相的。
四臂螺旋天线
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该由下列三部分组成： riE
射线行程差引
电流相位不同
电场的极化方向所
起的相位差
引起的相位差
引起的相位差
k lc o s00 m k l k l( 1 2 l) k l 0
I(z)I0ejkz
即长对角线方向上导线1、2的合成场同相叠加。
I1
0
E2 I2
E1
菱形天线(的a) 工作原理
行波单导线的方向性特点： （1）沿导线轴线方向没有辐射。 （2）导线长度愈长，最大辐射方向愈靠近轴线方向，同时主
瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣数增多。 （3）当 l/λ 很大时，主瓣方向随 l/λ 变化趋缓，即天线的方向
性具有宽频带特性。
第3章 行波天线
4 方 向 系 D数
2
辐 射 电 R阻r
0
0
0.05
（1）天线的方向系数或增益
GD15(l0)2 Ns
（2）方向图的半功率角为
2 3dB l0
52o
Ns /
为了提高增益，
（3）方向图零功率张角为
2 0
l0
115o Ns /
可采用螺旋天 线阵。
（4）输入阻抗为
Zin
Rin
140l0
（5）极化椭圆的轴比为 AR 2N 1
2N
圆 椭圆
第3章 行波天线
信使用； （2）副瓣多，副瓣电平较高； （3）效率低，由于终端有负载电阻吸收能量。
第3章 行波天线
为了改善菱形天线的特性参数，常采用双菱天线 菱形对角线之间的距离 d≈0.8λ，其方向函数表达式为:
f2(,)f1(,)cos(k2 dcossin)
单菱形天线的 方向函数
d
~
双菱天线的旁瓣电平比 单菱形天线低，增益系 数约为单菱形天线的 1.5～2倍。