第三章行波天线

（3）当圆极化波入射到一个平面上或球面上，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。
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圆极化波应用

第一，使用一幅圆极化天线可以接收任意取向 的线极化波； 第二，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；


第三，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。
第三章 行波天线

天线上的电流按行波分布的天线称为行波 天线。当频率变化时，行波天线的输入阻 抗近似不变，方向图随频率的变化比较缓 慢，为宽频带天线。 天线上的电流按驻波分布的天线称为驻波 天线（谐振天线），其输入阻抗具有明显 的谐振特性，工作频带较窄。
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行波天线

驻波天线（谐振天线）的输入阻抗具有明显的谐 振特性，因此天线的工作频带较窄，相对带宽约 百分之几到百分之十几 。 行波天线工作于行波状态，频率变化时，输入阻 抗近似不变，方向图随频率的变化也较慢，因此 频带较宽，绝对带宽可达（2～3）：1，是宽频 带天线。但行波天线的宽频带特性是用牺牲效率 （或增益）来换取的，因为有部分能量被负载吸 收，故其效率低于谐振式驻波天线。
（2）副瓣多，副瓣电平较高； （3）负载电阻吸收能量，效率为50-80%左右。
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（2）菱形天线的工作原理
菱形天线的辐射场相当于4根行波单导线的合成场，即图中
4个带阴影波瓣在长对角线方向同相叠加，最大辐射方向位 于通过两锐角顶点的垂直平面内，指向终端负载方向，具有 单向辐射特性，其方向性可通过选择菱形锐角 2 0 、边长l 来实现。
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（4）菱形天线的尺寸选择及其变形天线
通信仰角 0
确定以后，选择主瓣仰角等于通信仰 角。由其垂直平面方向函数可知应使 f ( ) 最大。
0
架高
半钝角
8cos 0 d ( )0 d 0 1 sin 0 cos 0
边长
l

0 90 0
0
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2(1 sin 0 cos 0 )
最大优点是天线长度可缩短2/3或 更多。这种天线广泛应用于短波
及超短波的小型移动通信电台中。
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螺旋线可以是空心的或绕在 低耗的介质棒上，圈的直径 可以是相同的，也可以随高 度逐渐变小，圈间的距离可 以是等距的或变距的。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。
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j 60 I 0 dz jk ( r z ' cos ) dE sin e r
（2）方向函数
kl sin[ (1 cos )] 2 F ( ) sin kl (1 cos ) 2
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（3）行波单导线方向性特点
（1）沿导线轴线方向没有辐射，这是由于
基本振子沿轴线方向无辐射缘故；
（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，即天线方向性具有宽频带特性。
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kl (1 cos )] 当l/λ 很大时，方向函数中 sin[ 2 sin cot 项快得多， 项随 的变化比起 1 cos 2 因此行波单导线的最大辐射方向可由前一个因 子决定，即 sin[ kl (1 cos )] 1 m 2
（3）在过角平分线的垂直平面内，电波为水平
极化波，在其它平面内为椭圆极化波，但当射线 仰角 较低时，主要辐射的是水平极化波。 23
3.2 螺旋天线
螺旋天线是一种分布式的加载天
线，相当于将加载的电感分布在 鞭状天线的整个线段中，目的是 提高天线上的电流分布，增加天
线的效率。它和单振子天线相比，
螺旋鞭天线的增益比等高度的普通鞭状天线高，但 其带宽比较窄，驻波比小于1.5的相对带宽约为5%。
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（二）D/λ =0.25～0.46螺旋天线
D/λ
=0.25～0.46的螺旋天线为端射型螺旋天 线，又称为轴向模螺旋天线，主要特点如下：
（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）具有宽频带特性。
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回授式菱形天线
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，剩余的能量就能辐射 出去，从而提高天线效率。
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（三）行波V形天线
菱形天线占地面积大，结构和架设比较复杂，
因此只能在固定台站中使用。
V形天线仅有一根支杆和
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圆极化波性质

若通信的一方或双方处于方向、位置不定的状态，为 了提高通信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天 线，圆极化波的重要性质：
（1）圆极化波是一等幅旋转场，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， 对右旋圆极化波也有相对应的结论；
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双菱天线
kd cos sin ) d 0.8 ， f 2 (, ) f1 (, ) cos( 2
由两个水平菱形天线组成，双菱天线旁瓣电平比单菱天线
低，增益系数约为单菱天线的1.5～2倍。为进一步改善菱 形天线方向性，可将两幅双菱天线并联同相馈电，它的增 益和天线效率可比双菱天线增加1.7～2倍。
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发射天线极化
垂直极化
接收天线极化
垂直极化 水平极化 斜极化（45°/135°）
功率损失（dB）
0 ∞ 3
圆极化（左/右）
水平极化 垂直极化 水平极化 斜极化（45°/135°）
3
∞ 0 3
圆极化（左/右）
左旋圆极化 垂直/水平极化 斜极化（45°/135°） 左旋圆极化
3
3 3 0
右旋圆极化
右旋圆极化 垂直/水平极化 斜极化（45°/135°） 左旋圆极化
0 m
2l
行波导线1、4合成场分析
1、4两根行波导线在长对角线方向上射线行程差引起的
相位差
，电流相位差 ，电场极化 0 r 相位差 ，因此总相位差 2 。
i
E
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菱形天线方向性缺点
构成菱形天线的四条边的辐射场在长对角线方
向上都是同相的，因此菱形天线在水平平面内的 最大辐射方向是从馈电点指向负载的长对角线方 向。而在其它方向上，一方面并不是各边行波导 线的最大辐射方向，而且不一定能满足各导线的
辐射场同相的条件，因此形成副瓣，且副瓣多，
副瓣电平较大，这也正是菱形天线的缺点。
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（3）菱形天线方向函数
过长轴的垂直平面方向函数
当
平面方向函数为
0 时（ 0 为最大辐射方向仰角），水平
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水平平面方向图
工作频率变化时，由于l/λ
过长轴的垂直平面方向图
较大，基本没有多大变化， 故自由空间菱形天线的方向图是很宽的。然而，实际天 线是架设在地面上的，天线在垂直平面上的最大辐射方 向的仰角与架设点高度H/λ 直接相关，频率的改变将引 起垂直平面方向图的变化，这限制了天线方向图的带宽， 一般绝对带宽能做到2:1或3:1。菱形天线载行波，其输 入阻抗带宽很宽，通常可达5:1。
两根载有行波电流的导线 构成，架设简单，适用于 移动台站中使用。
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V形天线特点
（1）最大辐射方向在过角平分线的垂直平面内，
与地面有一夹角 ，具有单向辐射特性，天线 可宽频带工作，带宽通常可达2:1。
（2）终端接匹配负载，其阻值等于天线的特性
阻抗，通常为400Ω 左右。由于终端负载上要吸 收部分功率，故天线效率为60%。
菱形天线尺寸选择
在通信仰角
和 0 ； 将边长缩为最佳的（1～1.5）/2，可得到满意结果；
菱形天线一般有30%
0和工作波长λ 确定后，可直接算出H、l
～40%的功率损耗在终端电阻中， 特别是作为大功率电台的发射天线，终端电阻必须能承 受足够大的功率。
为改善菱形天线的方向性，常采用双菱天线； 为提高菱形天线的效率，可采用回授式菱形天线。
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30 I D 小环辐射场： E sin 2 r 60 I l 电基本振 sin 子辐射场： E j r
2 2
椭圆极化波的长轴与短轴之比称为轴比
2l AR 2 E ( D ) E
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细螺旋天线一圈的总辐射场为 E 和 E 的矢量和， 两相互垂直的分量均具有 sin 的方向图，并且相位 差为90°，合成电场为椭圆极化波。 沿螺旋线的轴线方向的电流分布仍接近正弦分布， 它是一种慢波结构，电磁波沿轴线传播的相速比沿 直导线传播的相速小。
（4）最大辐射角的求解
m arccos(1
当l/λ

2l
)
很大时， m 随l/λ 变化很小，即最大辐
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射方向随波长变化很小，具有宽频谱特性。
（5）方向系数
行波单导线的方向系数可以用下列近似公式
计算：
D 10 lg
l

5.97 10 lg(lg
l

0.915 )dB
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边射型（D/λ <0.18） 端射型（D/λ =0.25～0.46） 圆锥型（D/λ >0.46）
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（一）D/λ <0.18
D/λ
<0.18细螺旋天线，最大辐射方向在垂直于天线轴
的法向，又称法向螺旋天线。
将法向螺旋天线看成由N个
单元组成，每个单元又有一个
小环和一电基本振子构成。由
于环的直径很小，合成单元上 的电流可认为是等幅同相。
螺旋天线的几何参数
D--螺旋的直径
a--旋线导线的半径 s--螺距，即每圈之间的距离 s --螺距角， arctan D l0 --圈的长度，l ( D) 2 s 2 s / sin 0
∞
3 3 ∞
右旋圆极化
0

根据螺旋天线直径D的不同 可分为圆柱形螺旋天线和圆 锥形螺旋天线，圆锥天线可 增大带宽。螺旋天线通常用
同轴线馈电，一端与同轴线 的内导体相连接，另一端处 于自由状态或与同轴线的外导体相连接。同轴线的外 导体一般与垂直于天线轴线的金属板相连接，该板即 为接地板。接地板可以减弱同轴线外表面的感应电流， 改善天线的辐射特性，同时又可以减弱后向辐射，圆 形接地板的直径约为（0.8～1.5）λ 。 34
用于中、远距离的短波通信。
（1）菱形天线特点
优点： （1）可以在2：1或3：1的频率范围内使用，频带宽；
（2）结构简单，架设经济，维护方便； （3）方向性较强，适合短波远距离定点通信；
（4）驻波成分小，电压和电流不会过大，可应用于较
大的功率。 缺点： （1）结构庞大，占地面积大，适应于大型固定电台作 远距离通信用；
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（二）菱形天线
为了增加行波单导线的增益，用4根行波单导线
构成菱形天线（排阵的方法）。
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菱形天线
菱形天线水平地悬挂在四根支柱上，从菱形天线
的一只锐角端馈电，另一只锐角接一个与菱形天线 特性阻抗相等匹配负载，使导线上形成行波电流。
天线间距变化，导致各点特性阻抗不等，从锐角
端的600～700Ω 到钝角的1000Ω ，各点特性阻抗不 均匀引起天线上局部反射，破坏了行波状态，采用 各边并上2～3根导线并在钝角处分开一定距离，增 加其等效直径，以减小各对应线段特性阻抗的变化。
0 m arccos(1
2l
)
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行波导线1、2合成场分析
1、2两根行波导线合成电场矢量总相位差由三部分组成：
r i E 射线行程差引起的相位差 r kl cos 0 电场极化相位差 电流相位差 kl E i kl cos 0 kl kl (1 ) kl 0
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3.1 行波单导线及菱形天线
（一）行波单导线

行波单导线是指天线上电流按行波分布的单 导线天线，各点振幅相等，相位连续滞后。
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（1）辐射场
电流分布：
I ( z ) I 0e
'
'
jkz '
l j 60 I 0 dz ' jkz ' jk ( r z ' cos ) ' E sin e e dz 0 r kl j (1 cos ) j 60 I 0 jkr sin kl e sin[ (1 cos )]e 2 r 1 cos 2