第二章简单线天线

方向系数可按下式计算
D 120 f 2 (m1,)
Rr
18
（8）尺寸选择
①臂长l的选择
保证在工作频率范围内，天线的最大辐射方 向不发生变动； 保证在工作频率范围内，天线的增益不下降 太多。
0 .2 max l 0 .7 min
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②天线架高H的选择
保证工作波段内通信仰角方向上辐射较强。
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分支笼形天线
结构示意图
等效电路
笼形构造的双锥天线
24
2.1.3 V形对称振子
直线式对称振子 l / 0.635 时，Dmax 3.296 ，继 续增大l，振子臂反向电流辐射，方向系数下降；
对称振子两臂张开一定角度， 形成V形对称振子，可提高方向 系数；
V形天线设计任务是选择适当
2 0
的张角 2 0 ，使得两根直线段
为提高效率，也可在环内插入高磁导率铁氧体磁芯， 增加磁场强度，提高辐射电阻，称磁棒天线。
46
2.3.2 电流非均匀分布的大环天线
（1）大环天线 单匝环上电流振幅与相位分布：
Kb=0.1,近似均匀分布；
Kb>0.2,不能认为是小环； Kb=1，即环周长为一个波长时：
①在 00 和1800 为电流波腹点， ②在 900和2700 为电流波节点，
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2.2 直立天线
长波和中波波段，波长较长，天线架设高度 受到限制，若采用水平悬挂天线，受地面镜 像作用辐射能力弱，而且此波段主要采用地 面波传播；
地面波传播时，水平极化波的衰减远大于垂 直极化波，因此在长波和中波波段主要使用 垂直接地的直立天线。
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直立天线
直立天线是垂直于地面或导电平面架设的天 线，广泛应用与长/中/短波及超短波波段， 也称单极天线或鞭状天线。
324
0.5 l 1.5
2 opt
11.5( l )2
70.5 l
162
1.5 l 3.0
26
V形对称振子
V形对称振子角平分线上方向系数为
D 2.94 l 1.15 0.5 l 3.0
一般将臂长小于0.5λ的V形天线称为角形天线， 其特点是水平平面的方向性很弱，在短波通信 中应用较广，其天线臂可做成笼形，以增大阻 抗工作频带宽度。
38
（4）容性加载（加顶负载）
T形加载
倒T形加载
天线 顶端加 小球、 圆盘或 辐射叶。
伞形加载
带辐射叶鞭天线
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容性加载（加顶负载）的计算
加顶负载加大了垂直部分
顶端对地的分布电容，使
顶端电流不为零；
当 h / 很小时，有效高
度约为 he
h (1 2
h
h
'
h
'
)
，可
见加顶负载可提高有效高
ຫໍສະໝຸດ Baidu
度，进而提高辐射特性。
1）通信距离在300km以内，采用高射天线， 取架设高度H=0.1～0.3λ；
2）通信距离较远，应使天线的最大辐射方向
m1与所需的射线仰角 0 一致。
H 4 sin 0
20
2.1.2 笼形天线
由于双极天线的臂有单根导线构成，特性阻抗 较高，输入阻抗在工作频段内变化较大，很难与 馈线的特性阻抗匹配，馈线上的行波系数很低。 可采用加粗振子直径的办法来降低天线的特性阻 抗，改善输入阻抗特性，展宽其工作频带。
13
双极天线架设的重要结论
远距离通信时，应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。
为保证天线在 00 方向辐射最强，应使天线
一臂的电长度l/λ<0.7。
14
（5）立体方向图
双极天线方向图随架高的变化（l=λ/4） 15
双极天线方向图随臂长的变化（h=λ/4） 16
36
c.输入阻抗
R 输入电阻包括两部分： in
Rr 0
Rl 0
Rr0 29.5(khe )2 Rr0 20.4(khe )2
h ,地质为湿地 h ,地质为干地
Rl0
A
4h
A是取决于地面导电性的常数，干地约为7，
湿地约为2。
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d.效率及增益 当天线高度低于λ/4时，辐射电阻较低，损耗 电阻不能忽略，如果没有一个良好的接地系统， 其效率不超过10%。 提高效率的方法：加载（提高辐射电阻）和接 地（减小损耗电阻）
所产生的波瓣指向同一方向。
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V形对称振子
若希望V形天线的最大辐射方向位于V形平面的角
平分线上，张角的最佳值是单根直线天线轴与其
主瓣夹角的两倍；
对应于最大方向系数的张角称最佳张角 2opt ，
一般l/λ愈大，2opt 愈小，对于 0.5 l / 3
的V形天线
2 opt
152( l )2
388 l
等效
40
（5）感性加载（加电感线圈）
在单极天线中部某点加入 一定的感抗，可以部分抵 消该点以上线段在该点所 呈现的容抗，从而使该点 以下线段电流增大。 加感点的位置一般选择在 距天线顶端（1/3～1/2）h 处，h为天线实际高度。
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（6）接地
接地是一种降低损耗电阻的有效方法，可以通 过铺设地网来提高地面的电导率，从而降低损耗 电阻，达到提高直立天线辐射效率的目的。
（6）双极天线的输入阻抗
计算双极天线输入阻抗不仅要考虑振子本身 的辐射，还要考虑地面的影响； 由于实际地面电导率为有限值，用镜像法和 耦合振子理论计算其输入阻抗误差较大，一般 通过实际测量得出天线的输入阻抗随频率的变 化曲线； 双极天线输入阻抗在波段内变化比较激烈， 使用中要采用匹配措施。
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（7）双极天线的方向系数
鞭状天线
单极天线
铁塔天线 29
直立天线存在的问题
（1）辐射电阻小，与之相比损耗电阻大， 则天线的效率较低；
（2）输入电阻小，输入电抗大，工作频 带窄；
（3）易产生过压。输入功率一定时，由 于输入电阻小而输入电抗高，天线顶端 的电压更高，易产生过压现象。
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（1）辐射场
天线导体上 的电流：
I (z) I0 sin k(h z) sin kh
当传输距离较远时，增益较低，方向性不强， 且工作频段较窄。
4
（1）辐射场
主要用于天波传播，
电波以一定仰角入射到
电离层又被反射回地面，
通信距离与电波仰角有
密切关系。
cos
OA OP
OP' OP
OA OP'
cos sin
方向函数为
sin 1 cos2 sin2
f (,) cos(klcos sin) coskl 2sin(kH sin )
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笼形天线
笼形天线，工程中常用几根导线排成圆柱形组成 振子的两臂，这样既能有效的增加天线的等效直 径，又能减轻天线的重量，减小风的阻力，节约 材料。
n=6～8,a=1.5～2.5mm,b=0.5～1.5m,等效半径：ae b
na b
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笼形天线
笼形天线特性阻抗可降为250～400Ω，且在波段 内变化较平缓，故可展宽使用的波段； 为减小馈电点附近端电容，保证天线与馈线良好 匹配，振子半径应逐渐减小，至馈电处集合一起； 笼形天线的方向性、尺寸选择都与双极天线相同。 改善天线的阻抗特性，展宽频带宽度。
地网 俯视 图
鞭状天线地线的埋设
平衡器架设 42
2.3 环形天线
环形天线是一种结构简单的天线，有许多不同 形式，如矩形、方形、三角形、菱形、椭圆形 和圆形等，分为小环天线与大环天线。
小环天线：如果圆环的半径b很小，周长 C=2πb≤0.2λ。小环天线上沿线电流的振幅 和相位变化不大，近似均匀分布。
m1越低。
m1 arcsin 4H
H
4sin 0
用作天波通信时，工作距离愈远，通信辐射
仰角 0 愈低，要求天线架设高度越高。
（5）不同地质对水平振子方向性影响不大。
9
（3）水平平面
水平平面，就是在辐射仰角△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：
水平对称振子的水平平面 （△等于常数） 10
2
2.1.1 双极天线
双极天线即水平对称振子，又称π形天线。两 臂用单根硬拉铜线、铜包钢线构成。天线臂与支 架用高频绝缘子隔开，在离振子臂终端2～3m处 另加一绝缘子，每段拉线不长于λ/4。
3
双极天线特点
结构简单，架设撤收方便，维护容易，广泛应 用于短波，适用于天波传播；
架高小于0.3λ时，向高空方向（仰角90º）辐 射最强，宜作300km范围内通信天线；
第二章 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
1
2.1 水平对称天线
水平架设天线的优点：
（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
称天线为水平极化，而工业干扰大多为垂直极 化。
由 f (,) E cos(kh sin ) cos kh
60Im / r
cos
在Δ=0º的地面方向上
f () 1 cos kh (kh)2 / 2
根据方向系数的计算公式：
120 f 2 ( ,)
D
3
Rr
35
c.输入阻抗
对理想导电地或良好的接地系统，鞭状天线 的输入阻抗等于相应对称振子输入阻抗的一 半。但在实际计算输入阻抗电阻部分时，采 用自由空间对称振子法误差很大，此时输入 到天线的效率，除一部分辐射外，大部分将 损耗掉。除天线导线、附近导体及介质等引 起的损耗外，还有很大的功率损耗在电流流 经大地的回路中。
1 cos2 sin 2
5
（2）垂直平面
垂直平面，就是与地面垂直且通过天线最大辐 射方向的垂直平面。 XOZ平面方向函数为：
单元天线的xOz平面方 向图是圆，垂直平面方 向图形状仅有地因子决 定。
600
垂直平面方向图XOZ平面
7
垂直平面方向性特点
（1）垂直平面方向性只与H/λ有关，与l/λ 无关，可用改变天线架高H/λ来控制垂直平面 内的方向图；
31
辐射场
辐射场 表达式：
E 60I0 cos(kh sin ) cos kh
r sin kh
cos
60I0 (1 cos kh)F () r sin kh
归一化方向函数：
F() cos(khsin ) cos kh (1 cos kh) cos
32
（2）方向图
方向图
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（3）电参数
大环天线：环的周长可以和波长相比拟。此时 必须考虑导线上电流的振幅和相位的变化，近 似地将电流看成驻波分布。
43
2.3.1 小环天线
辐射场
E
120 2I
r
S
2
sin
H
E
120
辐射电阻
Rr
20(k 2 S )2
320 4
S2
4
44
小环天线电性能
辐射效率
A
Rr Rr
Rl
Rl
b a
Rs
b a
0 / 2
小环天线辐射电阻小，效率低，常用作接收天线， 因为接收情况下信噪比更重要。
小环天线的方向系数D=1.5。
有效接收面积
Se
3
8
2
45
小环天线应用
小环天线的有效接收面积相当于它几何面积的24倍。
为提高辐射电阻，可采用多匝小环结构，N匝小环天 线辐射电阻为单匝值的N2倍。多匝小环天线具有电尺 寸小、较隐蔽、相对尺寸而言增益较高、结构简单等 优点，在背负或车载电台、船舶中的高频电台、地震 遥测系统中都有使用，使用的范围为2～300MHz。
a.有效高度
I (z) I0 sin k(h z) sin kh
he
1 I0
h
I (z)dz
0
1 1 cos kh 1 tan kh k sin kh k 2
当h
/
0.1时，tan
kh 2
kh 2
, 故he
h 2
34
b.方向系数
当h≤λ/8时，辐射电阻为相
应振子的一半：Rrm 10(kh)2
（2）沿地面方向（△=0°方向）均无辐射， 不能用于地波通信；
（3）H / 0.3 时，最大辐射方向在
△=90°，在△=60°～90°范围内场强变化不 大，天线具有高仰角辐射性能；
8
垂直平面方向性特点
（4） H / 0.3 时，最强辐射方向不止一个，
H / 越高，波瓣越多，靠近地面的第一波瓣
射。 （3）与仰角有关，仰角越大，水平平面方 向性越不显著。
12
（4）双极天线架设的重要结论
天线长度只影响水平平面方向图，架设高度只 影响垂直平面方向图；控制天线长度可控制水 平面方向图，控制天线架高，可控制垂直面方 向图。
天线架设不高（h/λ<0.3）时，在高仰角辐射 方向最强，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。
方向图
△=45°时随臂长l变 化的水平平面方向图
h=0.25λ,l=0.25λ时随仰 角△变化的水平平面方向图11
水平平面方向性特点
（1）水平平面方向图与架高H/λ无关；
（2）水平平面方向的形状取决于l/λ，也 就是与臂长有关，l/λ越小，方向性越不明显。
l/λ<0.7时，最大辐射方向在 0 0 方向； l/λ>0.7时，在 0 0方向辐射很小或没有辐