HAM业余无线电简单线天线制作

第2章 简单线天线
所谓铅垂平面，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l<0.7λ， 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2―1―2中，xOz平面就是双极天 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双极天线的水 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。
f ( ∆ ) = 2 sin(kH sin ∆ ) f1 ( ∆ , ϕ ) = cos(kl cos ∆ sin ϕ ) − cos kl 1 − cos ∆ sin ϕ
2 2
(2―1―7)
(2―1―8)
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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 2―1―5 和 图 2―1―6 分 别给 出 了 l/λ=0.25 及 l/λ=0.50 时 双极天线 在 理想 导电地面 上 不同仰角 时 的水平平面方向图。由 图可以看出： (1) 双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。
f ( ∆, ϕ ) =
cos(kl cos ∆ sin ϕ ) − cos kl 1 − cos2 ∆ sin 2 ϕ
2sin(kH sin ∆ )
(2―1―3)
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根据该表达式，可以画出双极天线的立体方向图， 图2―1―3表示双极天线在不同臂长情况下的方向图， 图2―1―4表示在不同架高时的方向图。
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4000 3000 Rin, Xin / Ω 2000 1000 0 3 4
Rin
Xin
5
6
7
8
9
10
－1000 －2000
f / MHz
图2―1―7 l=20m、H=6m的双极天线输入阻抗
第2章 简单线天线
由 图可 见 ，双极天线的 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 使用双极天线时应当 注 意的问题 。
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2～3 m
l
l
绝缘子
H
双馈线 馈线绝缘子
图2―1―1 双极天线结构示意图
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由 图 2―1―1可见，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。 当天线一臂的长度l=12m或22m时，天线特性阻抗 通常为 1000Ω 左右 ，馈线使用 H=10m 长 的双导线，馈 线特 性阻抗为600Ω 。这 就 是移动通信常用的44m（即 2H+2l 长 度 ） 或 64m 双 极 天 线 。 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。 当 天线 距离 较 远 时 ，这 种 天线增益较低，方向性不强，且工作频段较窄。
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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（2―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:
第2章 简单线天线
第2章 HAM
简单线天线
2.1 水平对称天线 2.2 直立天线 2.3 环形天线 2.4 引向天线与背射天线
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2.1 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(Horizontal Antenna)。水平架设天线的优点是： （1）架设和馈电方便； （2）地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天 线的小； （3）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。
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2.双极天线的输入阻抗 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 双极天线 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2―1―7即是一副双极天线的输入 阻抗随频率的变化曲线。
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2.1.1 双极天线 双极天线即水平对称振子(Horizontal Symmetrical Dipole)，如图2―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。
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(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/λ<0.7时，最大辐射方向在φ=0°方向；当 l/λ>0.7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。 (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 用双极天线作 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。
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1）垂直平面方向图 图2―1―2中，φ=0°的xOz面即为双极天线的垂直 平面。将φ=0°代入式（2―1―3）,可得 fxOz(Δ,φ=0°)=|1-coskl|·|2sin(kHsinΔ)| (2―1―4)
由于单元天线的xOz面方向图是圆，故双极天线的 垂直平面方向图形状仅由地因子决定。地因子方向图 可以参考第1章图1―7―4。垂直平面方向图也可从立 体图图2―1 ― 4按垂直于振子轴（即xOz面）进行切割 获得。
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(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/λ>0.3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 （ 2―1―4 ） 求出，令 sin(kHsinΔm1)=1
OA OP′ OA cosθ = = ⋅ = cos ∆ sin ϕ OP OP OP′
(2―1―1)
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z
P
H O ϕ x
θ ∆ P′
A y
图 2―1―2
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利用该式可得
sin θ = 1 − cos2 ∆ sin 2 ϕ
(2―1―2)
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
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得
λ ∆ m1 = arcsin 4H
(2―1―5)
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
λ H= 4sin ∆ 0
(2―1―6)
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当双极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。 (5) 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。
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1.双极天线的方向性 由于 双极天线 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2―1―2中的几 何关系，可得
第2章 简单线天线
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。
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(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。
第2章 简单线天线
(a )
(b )
(c )
(d )
(e )
(f)
图 2―1―3
第2章 简单线天线
(a )
(b )
(c)
(d )
(e )
(f)
图 2―1―4
第2章 简单线天线
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 平面的方向性， 例 如在研究自由 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。但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 铅 垂平面和水平平面，这两 个 平面具有直 观 方便 的特点。
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O
y
O
y
O
y
x (a ) (b )
x
x (c )
图2―1―5 l/λ=0.25时双极天线水平平面方向图
第2章 简单线天线
O
y
O
y
O
y
x (a )
x (b )
x (c )
图2―1―6 l/λ=0.5时双极天线水平平面方向图
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第2章 简单线天线
综 合 双极天线 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。