天线设计

第五章 常用单极子天线的设计与实例

§5.1常用的单极子天线...........................................................................................................- 2 - §5.1.1单极子天线..........................................................................................................- 2 - §5.1.2单极子天线的辐射场和电特性...........................................................................- 4 - §5.1.3单极子天线的馈电方法.....................................................................................- 11 - §5.2宽频带平面单极子天线的设计......................................................................................- 13 - §5.2.1 具有切角的平面单极子天线................................................................................- 14 - §5.2.2 具有短路节加载的平面单极子天线....................................................................- 17 - 5.3 总结....................................................................................................................................- 22 -

§5.1常用的单极子天线

§5.1.1单极子天线

单极子（Monopole ）天线或称为直立天线是垂直于地面或导电平面架设的天线，已广泛应用于长、中、短波及超短波波段。其基本原理结构如图5-1所示，其由长为h 的直立振子和无限大地板组成。如前所述，地面的影响可用天线的镜像来代替，这样单极子天线就可等效为自由空间内臂长为2h 的对称振子。当然，这样的等效仅对地面上的半空间等效，原因是地板以下没有辐射场。

在长波波段，大地接近理想导电体，电磁能量主要以地波形式在地面和电离层低层所限制的空间内传播；在中波波段，距离较近时也是以地波形式传播。夜间，在距天线一定距离的环形区域中，同时存在强度大体上相近的天波和地波，两者互相干扰从而产生严重的衰落现象。为了防止衰落，应设法降低高仰角(超过55度)的辐射。虽然短波以天波传播为主，但对于几十公里的近距离通信，仍主要采用地波传播的方式。

在地波传播中，水平极化波的衰减远大于垂直极化波。因此，使用垂直天线是有利的。对于接近地面的超短波移动通信，要求沿地面方向产生最大辐射。一般情况下，也要采用产生垂直极化场的单极子天线。各波段使用的典型单极子天线示于图5-2中。

(a) 单极子天线 (b) 上半空间等效天线 图5.1 单极子天线及其等效

在长、中波波段，单极子天线的主要问题是天线的高度往往受到限制。例如工作于波长为1000米的电台，天线架设高度100米，以波长衡量也仅为0.1λ，电尺寸是很小的。即使在短波波段，在移动通信中由于天线高度受到涵洞、桥梁等环境等本身结构的限制，也不能架设的太高。因为电长度小将引起下述问题：

(1)辐射电阻小。

与辐射电阻相比，损耗电阻较大。这样，天线的辐射效率就较低。

(2) Q 值高。

天线的输入电阻小，但输入电抗很大，因此Q 值高。也就是说，天线的谐振曲线很尖锐，工作频带很窄。

(3)易产生过压或烧毁现象。

当输入功率一定时，由于输入电阻小而输入电抗高，使得天线的匹配电路图5-2 各波段典型的单极子天线

(a) T 形，(b)伞形，(c)铁塔；(d)鞭状形；(e)带辐射状金属地线的单极子天线

的电流很大。这样，输入端电压in X I U ⋅=就很高，天线顶端的电压更高，这是大功率电台必须注意的问题，使天线匹配电路易于产生过压现象。

上述问题在长、中波波段都需要考虑。在短波波段，由于工作频率较高，虽然相对带宽（0/2f f ∆）不大，但仍可得到较宽的绝对通频带(f ∆)。加之距离近、所用电台功率均较小，故主要考虑的是效率问题。若天线电尺寸很小，例如小于λ1.0，将属于“电小天线”的范畴。

§5.1.2单极子天线的辐射场和电特性

图5-2所示是单极子接地天线，天线的另一臂可以用大地的镜像来代替。在长、中波波段，由于天线很高，除用高塔(木杆或金属)作支撑联接导线吊起以外，还倾向于直接用铁塔作辐射体；成为铁塔天线或桅杆天线。在短波及超短波波段，一般用金属棒或全属管构成天线，为携带方便，可将棒或管分为几节，节间用螺接、卡接或拉伸等方法联接。

通常情况下，单极子天线的金属接地板或网应该至少大于0.5λ。

§5.1.2.1辐射场与方向图

架设在无限大理想导电平面上的单极接地天线产生的辐射场，可直接应用自由空间对称振子的计算公式进行计算，即：

（5-1）

式中I m 为波腹电流。

将l I I m βsin /0=，h l =，(I 0为输入电流，∆为

仰角，h 为单极子天线的高度)。代入上式，得：

(5-2)

亦即

(5-3)

由)(∆F 可知，水平面的方向图是一个圆，即在方位面内是全向性的。垂直