天线第7章 简单线天线

Z c 120(ln
2l 1) 2 1 13 a
可算得天线的导线直径为1.75m，式中a为导线半径。显然，用这样粗的铜管 作天线是不现实的。
l 3m A l1 l l2 l1 ＝3 ～4 m l2 ＝1 m
绝缘子
金属环
A 馈线
2b
截面A-A′
2b
除了采用加粗振子臂直径的方法来展宽阻抗带宽外，还可以将双极天线的臂
2 ～3 m
l
l
绝缘子
H
双馈线 馈线绝缘子
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。
回顾
• 水平架设对称振子的地面因子 fa(Δ)=2sin(kHsinΔ) •最靠近导电平面的第一最大辐射方向对应的波束仰角 Δm1所满足的条件为
(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。
O
y
O
y
O
y
O
y
O
y
O
y
x (a )
x
x
x
x
x (c) 60
20
(2) 从天线及馈电的效率考虑。
0 .8 0 .7 0 .6 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0 0 0 .1 0 .2 Z0 ＝1 00 0 0 .3 0 .4 l / 0 .5 0 .6 0 .7 Z0 ＝5 60 Z0 ＝4 60
若l/λ太短，天线的辐射电阻较低， 使得天线效率ηA降低。同时当l/λ太短时， 天线输入电阻太小，容抗很大，故与馈 线匹配程度很差，馈线上的行波系数很 低。若要求馈线上的行波系数不小于 0.1，由图2―1―9可见，通常要求 l≥0.2λ
0
D 2.94
l

1.15 0.5
l

3 2 1 18
图2―1―16 V形振子的方向系数
作业 有一架设在地面上的水平振子天线，其工 作波长λ=40m。若要在垂直于天线的平面 内获得最大辐射仰角为30度，则该天线应 架设多高？
7.2 直立天线
• 也称单极天线(Monopole Antenna) • 一种应用相当广泛的水平平面全向天 线 • 结构简单，使用简易、携带方便 • 这种天线还广泛应用于短波和超短波 段的移动通信电台中。 • 在长波和中波波段，天线的几何高度 很高，除用高塔（木杆或金属）作为 支架将天线吊起外，也可直接用铁塔 作辐射体，称为铁塔天线或桅杆天线。
2
8 7 6 5
方向系数D
l / ＝3.0 2.75 2.5 2.25 2.0 1.75 1.5 1.25 1.0 0.75 l / ＝0.5 1.25 20 40 60 80 100 20 / (° ) 120 140 160 180
l
l
4 3 2 1
0.75 1.0
上述2θopt的单位以度表示，对应的角平分线 上的最大方向系数为
4sin 0
综上所述，双极天线是一种结构简单、架设维护方便的弱方向性天线，特 别适用于半固定式短波电台。但其主要缺点是工作频带窄，馈线上行波系数很低， 特别是在低频端尤为严重。因此，不宜在大功率电台或馈线很长的情况下使用。 必要时为了改善馈线上的行波系数，应在馈线上加阻抗匹配装置
7.1.2 笼形天线 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 宽工作频带。然而，单纯用加粗导线直径的办法，往往不实用。 例如，64m（即2×10（高）＋2×22（长）=64m）双极天线，其导线直径为 4mm时，特性阻抗约为1kΩ，若用增加直径的办法，使特性阻抗为350Ω，根 据天线的特性阻抗公式
考虑电台在波段工作，则应满足 l≥0.2λmax (2―1―10) 综合以上考虑，天线长度应为
图2―1―9 馈线上行波系数K~l/λ关系曲线
0.2λmax≤l≤0.7λmin (2―1―11)
若工作波段过宽，一副天线不易满足要求时，宜选用长度不同的两副天线。 例如,某单边带电台的工作频率为2～30MHz，由于波段较宽，就配备两副双极 天线，在2～10MHz时,使用2l=2×22m的双极天线；在10～30MHz时，使用 2l=2×12m的双极天线
4.双极天线的尺寸选择 1) 臂长l的选择原则 (1)从水平平面方向性考虑。 为保证在工作频率范围内，天线的最大辐射方向不发生变动，应选择振子 的臂长l<0.7λmin，其中λmin为最短工作波长，满足此条件时，最大辐射方向始 终在与振子垂直(即φ=0°)的平面上。
1 .0 0 .9 Z0 ＝3 40
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。
(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。
H
H
这种架设高度较低的水平振子天线 , 广泛使用在300km以内
的天波通信中。 ③ 随着 H 的增大, 波瓣增多, 第一波瓣（最靠近地面的波瓣） 最强辐射方向的仰角Δm1越小。在短波通信中, 应使天线最大

辐射方向的仰角Δm 1 等于通信仰角Δ 0 , 由此可以确定天线的
架设高度H。
• 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υ的变化关系图。 • • 因为地因子与方位角υ无关，所以水平平面内的 方向图形状仅由元因子f1(Δ，υ)决定。
V形振子的方向系数
相应地,可求出V形振子角平分线方向上的方
向系数
在角平分线上方向性系数与电尺度l/λ、张角 2θ0有关，对应于最大方向系数的张角称为最佳 张角2θopt，一般来说，l/λ值愈大，2θopt值也 就愈小。对于0.5≤l/λ≤3.0的V形天线,有如下的 经验公式：
2 opt 2 opt 152( ) 388 324 0.5 1.5 2 1 17 l 2 l l 11.5( ) 70.5 162 1.5 3.0 l
1
20
I1
7 6 5
方向系数D
2
I2
E2
E1
4 3 2 1 0
在V形振子张角平分线方向上，即θ=θ0方向上，
0.75 1.0
两臂的辐射场振幅相等、相位相同，叠加可得V
形振子角平分线上的辐射场为
60I m e jkl cos0 cos kl j cos 0 sin kl jkr E (r, , ) j e 2 1 16 r sin 0
(a )
(b )
(c)
(d )
(e)
(f)
H=0.25λ
(a )
(b )
(c)
(d )
(e)
(f)
l=0.25λ H=N×0.25λ
垂直平面方向图
① 垂直平面方向图形状取决于 , 但不论 为多大, 沿 地面方向（即Δ=0°）辐射始终为零。 ②H 时 , 在Δ= 60 ° ~90 ° 范围内场强变化不大 , 并在 4 Δ=90°方向上辐射最大, 这说明天线具有高仰角辐射特性, 通 常将这种具有高仰角辐射特性的天线称为高射天线。
第七章 简单的线天线
在LF～UHF频段广范应用线天线（Wire Antenna），在UHF高端及微波
波段主要使用面天线（Aperture Antenna）。
一．天线的结构、结构参数、架设方法
二．天线的电参数，及其特点
三．天线的用途及尺寸选取方法 四．天线的优缺点 五．天线的改进方法
第一节 双极天线
Dipole)，则可提高方向系数。
l
1
20
1
2
2
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。这种天线在短波通信中应用亦较广，天线臂可做成笼形，以增大 阻抗工作频带宽度。
l
8
l / ＝3.0 2.75 2.5 2.25 2.0 1.75 1.5 1.25 1.0 0.75 l / ＝0.5 1.25 20 40 60 80 100 20 / (° ) 120 140 160 180
h
~
图2―2―1 直立天线示意图
7.2.1 鞭状天线（单极天线）
1）极化 垂直极化天线 2）方向图及方向系数 在理想导电地上，鞭状天线的辐射电阻是相同臂长自 由空间对称振子的一半，而方向系数则是 2 倍。当天 线很短h/λ<0.1时，方向系数近似等于3。 3）有效高度
z
h he
有效高度表征直立天线的辐射强弱，即辐射场强正比 于he。
(b)
40
(c)
60
(a )
20
40
(b )
图2―1―5 l/λ=0.25时双极天 线水平平面方向图
图2―1―6 l/λ=0.5时双极天线水平平面方向 图
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。
4)效率 由于损耗电阻大，同时又由于受到天线高度 h 的限制， 辐射电阻通常很小，故短波鞭状天线的效率很低，一 般情况下仅为百分之几甚至不到1%。
~
O
• 假设鞭状天线上的电流分布为
其中,I0是天线输入端电流;h为鞭状天线的高度。 依据有效高度定义，得
K
2) 天线架高H的选择
选择原则是保证在工作波段内通信仰角方向上辐射较强。 如果通信距离在300km以内，可采用高射天线,通常取架设高度H=(0.1～0.3)λ。 对中小功率电台，双极天线的架设高度在8～15m范围内，此时对天线的架设方位 要求不严。 如果通信距离较远，则应当使天线的最大辐射方向Δm1与所需的射线仰角Δ0 2 1 6 一致，根据式（2―1―6）计算天线架设高度H，即 H
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。 (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。
改成其它形式:笼形构造的双锥天线、扇形天线等。在米波波段可应用平面片
形臂。
图2―1―12 笼形构造的双锥天线
l
绝缘 子 馈线
l
Байду номын сангаас电台
图2―1―13 扇形天线
图2―1―14 平面片形对称振子
7.1.3 V形对称振子（终端开路传输线张开2θ0 ）
对称振子的两臂不排列在一条直线上，而是张开2θ0，构成V形对称振子(Vee
第二节 直立天线
第三节 引向天线 第四节 螺旋天线 第五节 对数周期天线
第七章 简单的线天线 7.1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，阻抗可调； （2）地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天线的小；
m1 arcsin

4H
• 双极天线的方向性
f ( ) 2 sin( kH sin ) f1 ( , )
• 垂直平面
cos( kl cos sin ) cos kl 1 cos2 sin 2
f xoz (, 0) 1 coskl . 2 sin(kH sin )
（3）可减小干扰对接收的影响。
7.1水平对称天线
7.1.1 双极天线 π型天线
2 ～3 m l l 绝缘子
H
双馈线 馈线绝缘子
水平振子天线又称π形天线。振子的两臂由单根或多股铜线构成, 为了避免在拉线上产生 较大的感应电流, 拉线的电长度应较小, 臂和支架采用高频绝缘子隔开, 天线与周围物体要 保持适当距离