天线工程设计基础 第3章
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移常数； Z CA 为对称振子的特性阻抗。
当对称振子的长度约为半个工作波长时，称其为半波振 子，此时天线的输入阻抗为73Ω ，可以产生具有良好对称性 的辐射方向图。半波振子是应用最为广泛的基本天线形式。
利用电磁软件对对称振子进行仿真时，其基本结构如图 3.2 所示。由图 3. 2 可以看出，天线由矩形片构成的馈电端 口和两个圆柱形辐射臂构成。由于振子末端的缩短效应，天 线的长度会略小于半波波长。图 3.3 给出对称振子产生的三 维辐射方向图，图 3. 4 给出对称振子的 E 面和 H 面方向图， 图 3.5 给出对称振子的输入阻抗和 S11 参数。
本章基于实际的设计需求，重点介绍对称振子天线(包 括笼形对称振子天线)、单极子天线(包括套筒单极子天线)、 八木天线、环形天线和螺旋天线。而对数周期天线等其他线 天线将在后续的章节中结合宽频带设计技术进行介绍。
3. 1 对称振子天线
图 3.1 所示的对称振子天线是较为常见的最基本的天线 形式之一。它由等长的两臂构成，在两臂中间进行馈电。其 单臂长度可记为 L 。对称振子的振子截面通常为圆形，半 径可记为 a 。
为适应不同的需求，由上述基础类型发展出各种线天线:以 增大带宽为目标的领结形对称振子天线、笼形天线、套筒天 线 等；以提高增益为目标的八木天线、对数周期天线、线天线 阵列等；以易于集成为目标的平面印刷天线，如印刷对称振 子、印刷八木天线、印刷对数周期天线等。上述这些天线从 机理 上来讲都可以归入线天线的类别。另外，根据巴俾涅等效原 理，有时缝隙天线也可以被等效为线天线来进行分析。
图 3.7 对称振子与 U 型巴伦的连接
为了进一步增强辐射，单极子天线演化为折合偶极天线 (也称折合振子)，如图 3.8 所示。它是由两根平行的非常靠 近的半波振子在末端相连构成的，其中一根振子导体在中央 断开，并与传输线相连。由于两根靠得很近的导体之间存在 很强的互耦合，在近似为半波长的谐振长度上，两根导体上 的电流相同，又由于两根导体的间距相对波长很小，所以两 根导体辐射场的相位差可以忽略。因此，折合偶极天线的辐 射场是单根导体的两倍，而辐射功率是单根导体的四倍。
图 3.9 单极子天线结构示意图
垂直接地的单极子天线的激励电压是等效的对称振子天 线激励电压的一半时，它们存在于上半空间的辐射场与对称 振子天线的辐射场相等，所以单极子天线和等效的偶极天线 的上半空间方向函数和方向图、主瓣宽度、极化特性、频带 特性等都相同，并且单极子天线的输入阻抗是对应的对称振 子天线的一半，这是因为激励电压减半而激励电流不变。单 极子天线的方向系数是双极天线的两倍，这是因为场强不变 而辐射功率减半，只在半空间辐射。但由于在低频段地面损 耗增大，因此实际应用环境下，单极子天线比对称振子天线 损耗电阻大，辐射效率低。
当振子长度变大时，天线在 E 面的方向图波瓣会逐步 变窄，并最终产生裂瓣，如图 3.6所示。
上面的仿真过程未考虑馈电中的平衡问题，实际的加工 过程中，由同轴线馈电的对称振子需要加入巴伦以实现平衡 馈电。图 3.7 给出一个 U 型巴伦。
图 3.6 2 l =0. 25 λ ， 0. 5 λ ， 0. 625 λ ， 0. 75 λ 时的 E 面方向图
图 3.2 对称振子仿真模型结构 图 3.3 对称振子的三维辐射方向图
图 3.4 对称振子的 E 面和 H 面方向图
图 3.5 对称振子的输入阻抗和 S11 参数
由图 3.3 和图 3. 4 可以看出，对称振子产生对称的“面 包圈”形式的辐射方向图，其 H面辐射方向图呈对称圆形， E 面辐射方向图呈“8 ”字形。
由传输线提供的输入电流与单根导体一样，所以折合偶 极天线归于输入电流的辐射电阻是一般半波偶极天线的四倍， 即近似为 73.1×4=292≈300Ω ，因此它适合于与标称特性阻 抗为 300Ω 的传输线连用。折合偶极天线具有等效调谐短截 传输线的特性，在一定程度上能够补偿天线输入阻抗随频率 的变化，因此，折合偶极天线的有效工作频带比相等粗细的 普 通半波偶极天线要宽。这种折合振子被广泛用于八木天线的 有源振子。
图 3.8 折合振子
由对称振子演化而来的天线包括借助地面镜像而减小一 半尺寸的单极子天线和借助引向振子与反射振子形成的八木 天线。下面介绍这两种天线。
3. 2 单 极 子Leabharlann Baidu天 线
单极子天线也是常见的一种结构简单的线天线，在各个 领域尤其是短波、超短波等低频段通信领域得到了广泛的应 用。
垂直接地的单极子天线结构如图 3.9 所示。假设地为理 想导体，地的影响可以用其镜像代替，此时仅在地面上半空 间存在电磁场。单极子天线可以等效为直立对称振子。由于 镜像效应，其本身的物理尺寸比对称振子缩小了 1 / 2 ，但 具有与对称振子相似的辐射特性，因此采用单极子天线也是 天线小型化的一种重要措施。
单极子天线的仿真模型中最重要的是如何考虑地面的影 响。在 HFSS 软件仿真中，仿真模型如图 3.10 所示。该模 型由竖直放置的金属单极子和根部的馈电端口以及用于模拟 无限大地面的底面构成(在算法处理中将该地面等效为无限 大理想导电平面)。
第3章 线天线
3.1 对称振子天线 3.2 单极子天线 3.3 八木天线 3.4 环形天线 3.5 螺旋天线 3.6 角反射器天线及背射天线
天线的分类方法很多，按天线的主体结构形式可分为线 天线和面天线。通常，当天线辐射体的截面半径远小于波长 时，可将该天线归类于线天线。相对而言，线天线是较为简 单的天线形式，因此很多教材对天线辐射机理和主要参数的 讲述都会以最原始的线天线——电基本振子作为出发点。常 用的作为基础类型的线天线包括对称振子天线、单极子 天线、环形天线、螺旋天线、行波线天线( V 形、菱形)等。
图 3.1 对称振子天线
对称振子产生的辐射场是两个臂上由馈源激励的电流叠 加构成的，其表达式为
其中: I m 表示馈电电流对应的峰值(并不一定对应于馈电电 流)；l 表示天线长度； r 为对称振子距观察点的距离；β 0为 衰减常数，其对应的方向函数为
输入阻抗为
其中： I m 、 l 、β 0的意义同式(3 1 )； α 表示对称振子的相
当对称振子的长度约为半个工作波长时，称其为半波振 子，此时天线的输入阻抗为73Ω ，可以产生具有良好对称性 的辐射方向图。半波振子是应用最为广泛的基本天线形式。
利用电磁软件对对称振子进行仿真时，其基本结构如图 3.2 所示。由图 3. 2 可以看出，天线由矩形片构成的馈电端 口和两个圆柱形辐射臂构成。由于振子末端的缩短效应，天 线的长度会略小于半波波长。图 3.3 给出对称振子产生的三 维辐射方向图，图 3. 4 给出对称振子的 E 面和 H 面方向图， 图 3.5 给出对称振子的输入阻抗和 S11 参数。
本章基于实际的设计需求，重点介绍对称振子天线(包 括笼形对称振子天线)、单极子天线(包括套筒单极子天线)、 八木天线、环形天线和螺旋天线。而对数周期天线等其他线 天线将在后续的章节中结合宽频带设计技术进行介绍。
3. 1 对称振子天线
图 3.1 所示的对称振子天线是较为常见的最基本的天线 形式之一。它由等长的两臂构成，在两臂中间进行馈电。其 单臂长度可记为 L 。对称振子的振子截面通常为圆形，半 径可记为 a 。
为适应不同的需求，由上述基础类型发展出各种线天线:以 增大带宽为目标的领结形对称振子天线、笼形天线、套筒天 线 等；以提高增益为目标的八木天线、对数周期天线、线天线 阵列等；以易于集成为目标的平面印刷天线，如印刷对称振 子、印刷八木天线、印刷对数周期天线等。上述这些天线从 机理 上来讲都可以归入线天线的类别。另外，根据巴俾涅等效原 理，有时缝隙天线也可以被等效为线天线来进行分析。
图 3.7 对称振子与 U 型巴伦的连接
为了进一步增强辐射，单极子天线演化为折合偶极天线 (也称折合振子)，如图 3.8 所示。它是由两根平行的非常靠 近的半波振子在末端相连构成的，其中一根振子导体在中央 断开，并与传输线相连。由于两根靠得很近的导体之间存在 很强的互耦合，在近似为半波长的谐振长度上，两根导体上 的电流相同，又由于两根导体的间距相对波长很小，所以两 根导体辐射场的相位差可以忽略。因此，折合偶极天线的辐 射场是单根导体的两倍，而辐射功率是单根导体的四倍。
图 3.9 单极子天线结构示意图
垂直接地的单极子天线的激励电压是等效的对称振子天 线激励电压的一半时，它们存在于上半空间的辐射场与对称 振子天线的辐射场相等，所以单极子天线和等效的偶极天线 的上半空间方向函数和方向图、主瓣宽度、极化特性、频带 特性等都相同，并且单极子天线的输入阻抗是对应的对称振 子天线的一半，这是因为激励电压减半而激励电流不变。单 极子天线的方向系数是双极天线的两倍，这是因为场强不变 而辐射功率减半，只在半空间辐射。但由于在低频段地面损 耗增大，因此实际应用环境下，单极子天线比对称振子天线 损耗电阻大，辐射效率低。
当振子长度变大时，天线在 E 面的方向图波瓣会逐步 变窄，并最终产生裂瓣，如图 3.6所示。
上面的仿真过程未考虑馈电中的平衡问题，实际的加工 过程中，由同轴线馈电的对称振子需要加入巴伦以实现平衡 馈电。图 3.7 给出一个 U 型巴伦。
图 3.6 2 l =0. 25 λ ， 0. 5 λ ， 0. 625 λ ， 0. 75 λ 时的 E 面方向图
图 3.2 对称振子仿真模型结构 图 3.3 对称振子的三维辐射方向图
图 3.4 对称振子的 E 面和 H 面方向图
图 3.5 对称振子的输入阻抗和 S11 参数
由图 3.3 和图 3. 4 可以看出，对称振子产生对称的“面 包圈”形式的辐射方向图，其 H面辐射方向图呈对称圆形， E 面辐射方向图呈“8 ”字形。
由传输线提供的输入电流与单根导体一样，所以折合偶 极天线归于输入电流的辐射电阻是一般半波偶极天线的四倍， 即近似为 73.1×4=292≈300Ω ，因此它适合于与标称特性阻 抗为 300Ω 的传输线连用。折合偶极天线具有等效调谐短截 传输线的特性，在一定程度上能够补偿天线输入阻抗随频率 的变化，因此，折合偶极天线的有效工作频带比相等粗细的 普 通半波偶极天线要宽。这种折合振子被广泛用于八木天线的 有源振子。
图 3.8 折合振子
由对称振子演化而来的天线包括借助地面镜像而减小一 半尺寸的单极子天线和借助引向振子与反射振子形成的八木 天线。下面介绍这两种天线。
3. 2 单 极 子Leabharlann Baidu天 线
单极子天线也是常见的一种结构简单的线天线，在各个 领域尤其是短波、超短波等低频段通信领域得到了广泛的应 用。
垂直接地的单极子天线结构如图 3.9 所示。假设地为理 想导体，地的影响可以用其镜像代替，此时仅在地面上半空 间存在电磁场。单极子天线可以等效为直立对称振子。由于 镜像效应，其本身的物理尺寸比对称振子缩小了 1 / 2 ，但 具有与对称振子相似的辐射特性，因此采用单极子天线也是 天线小型化的一种重要措施。
单极子天线的仿真模型中最重要的是如何考虑地面的影 响。在 HFSS 软件仿真中，仿真模型如图 3.10 所示。该模 型由竖直放置的金属单极子和根部的馈电端口以及用于模拟 无限大地面的底面构成(在算法处理中将该地面等效为无限 大理想导电平面)。
第3章 线天线
3.1 对称振子天线 3.2 单极子天线 3.3 八木天线 3.4 环形天线 3.5 螺旋天线 3.6 角反射器天线及背射天线
天线的分类方法很多，按天线的主体结构形式可分为线 天线和面天线。通常，当天线辐射体的截面半径远小于波长 时，可将该天线归类于线天线。相对而言，线天线是较为简 单的天线形式，因此很多教材对天线辐射机理和主要参数的 讲述都会以最原始的线天线——电基本振子作为出发点。常 用的作为基础类型的线天线包括对称振子天线、单极子 天线、环形天线、螺旋天线、行波线天线( V 形、菱形)等。
图 3.1 对称振子天线
对称振子产生的辐射场是两个臂上由馈源激励的电流叠 加构成的，其表达式为
其中: I m 表示馈电电流对应的峰值(并不一定对应于馈电电 流)；l 表示天线长度； r 为对称振子距观察点的距离；β 0为 衰减常数，其对应的方向函数为
输入阻抗为
其中： I m 、 l 、β 0的意义同式(3 1 )； α 表示对称振子的相