10-环天线与螺旋天线 天线原理

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IS j r sin e r 2 IS 1 j r H 2 sin e E r
E
场只与环的面积有关
a
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有三种椭圆极化波的情况：
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E 0, AR ，辐射垂直极化波 E 0, AR 0 ，辐射水平的线极化波 E E ，圆极化波，条件为
D 2S
对于法向模螺旋天线，由于 D
造成180o的疑惑，若加一个接地平面，则会消除 这个疑惑。 [例10-2]将λ/10直径的环置于足够大的接地平面 λ/10处，可得如下的场方向图，在无耗情况下试 求该环的方向性及附有接地平面时的方向性.
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馈电电路。 【例10-1】 设计合适的馈电系统，使得下面两种不 同直径的环天线具有同相电流: 圆环直径 (a)；(b)0.212 (a) 同相且幅度按正弦 规律变化（近似均匀） 的电流，所有偶 极子 具有一对公共馈点。
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第10讲内容
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10.1 圆环天线
前面的分析已经得到电小环的辐射场
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螺旋天线的辐射取决于直径与波长的比值（电直径）
E j
IS sin e j r 2 r
两个相互垂直、相差900、具有相同方向图的场组
成椭圆极化波，轴比为
| E | 2S AR 2 2 | E | D
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将螺旋鞭天线看成
N个单元组成，每 个单元由一个小环 （磁流元）和一个 电流元组成。
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环上的电流均匀同相 时，不同直径的圆环 天线的辐射方向图。 注意：极化与电偶极 子垂直。
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为了保证大环上电流均匀同相，需要适当地设计
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1阶贝塞尔函数曲线
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对于一定尺寸的环，假设环上的电流均匀同相。 根据矢量磁位，可以求得均匀同相的环电流在远
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区的辐射电场与磁场为
E
aI 0
2r 1 H E
e j r J1 ( a sin )

方向图函数
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螺旋天线的接地面可以有效地减小旁瓣和后瓣辐射
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，故轴比很
大，辐射近似为垂直极化波。
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小环的辐射电场只有 E
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I 2 D 2 j r E sin e 4r 2 电流元的辐射电场只有 E
了圆环、等效方环、 /2折合振子。所有这些天线 接近谐振，辐射电阻为200~300欧，将环置于接地 平面前 /10处，辐射电阻为50欧，电抗为0，采用 50欧同轴馈电，试求这些环天线的方向性。
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10.2 螺旋天线
将导线绕制成螺旋形线圈而构成的天线称为螺旋
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天线(helical antenna)。通常它带有金属接地板, 由同轴线馈电, 同轴线的内导体与螺旋线相接, 外 导体与接地板相连。
D:螺旋直径，C：螺旋周长，S：节距
L：每圈的长度，α：节距的升角
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D 12.45，或 11dBi
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[例10-3]考虑直径为/、周长为1 的环,下图列出
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天线 Antennas
第10讲 环天线与螺旋天线
褚庆昕
华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所 qxchu@scut.edu.cn
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绕制螺旋的导体的直径尺寸并不重要，可从
0.005~0.05波长或更大， 螺旋可用少量的绝缘子固定 在轴向介质或金属杆上
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1.5 D 2 R /( R R ) sin(2 /10) r r m
2
Rr=197欧，Rm=1.6欧，
D 10.2，或 10.1dBi
跟上例相比，增益约低
1dB，但其辐射电阻要大 很多，从而得到较小的Q 值、较宽的频带。
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(b) 同相且幅度有 ±25%起伏的近 似均匀电流。 当直径小于0.1 时可视为基本同 相均匀的电流。
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环天线的辐射电阻
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n a Rr 31171 2 , C 5 Rr 3720a / , C 5
2
2
n为环的圈数
对周长为10倍波长的
圆环辐射电阻近似为 6000欧。
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F ( ) J1 ( sin ) J1 (C sin )
C 2 a /
环周长的电长度
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解：对于孤立的环，D=1.5或1.76dBi
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对附有接地Fra Baidu bibliotek的环
1.5 D 2 R /( R R ) sin(2 /10) r r m
2
Rr为环的自电阻，Rm为两个环间的互电阻
4 Rr 197C 1.92, Rm 1.6
10.2.1 螺旋天线-法向模
细螺旋天线工作于法向模，方向图类似于单极子
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天线，因此也成为螺旋鞭天线。
螺旋鞭天线也可以看成是分布加载电感的单极子
天线。与单极子相比，螺旋鞭天线的长度可以缩 短2/3以上。因此，常用于车载天线和手机的外置 天线。
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小环通常可用于测向，但方向图有2个零方向，会
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方向性D
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D
2C [ J12 (C sin )]max

2 C
0
J 2 ( y )dy
在小环的情况下
3 3 D sin 2 ，C 1 / 3 2 2
在大环情况下
D 0.68C，C 2