行波天线

f2(,)f1(,)cos(k2 dcossin)
单菱形天线的 方向函数
d
~
双菱天线的旁瓣电平比 单菱形天线低，增益系 数约为单菱形天线的 1.5～2倍。
接终端负载
双菱天线
第3章 行波天线
为了提高菱形天线的效率，可采用回授式菱形天线结构。 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，那么剩余的能量也就能辐射出去， 从而提高了天线的效率。
四臂螺旋天线
天线沿线各点电流振幅相等，相位连续滞后，其馈电点 置于坐标原点。
输入端电流为 I0，忽略沿线电流的衰减，则线上电流分布为：
I(z)I0ejkz
r
kz ′cos
R
z
o
dz′ l
第3章 行波天线
分析方法：把天线分割成许多个电基本振子，取所有电基 本振子辐射场的总和，故:
E
j60I0sin r
l 0
ejkzejk(rzcos)dz
即长对角线方向上导线1、2的合成场同相叠加。
I1
0
E2 I2
E1
菱形天线(的a) 工作原理
I1
2
1
m
20
4
I4＝－ I1
3
(b)
E4 E1 负 载
第3章 行波天线
导线1和4：
在长对角线方向上射线行程差引起的相位差ΔΨr=0，
电流相位差 ΔΨi=π，
电场极化相位差 ΔΨE=π，
1
2 m
总相位差 ΔΨ=2π。
（1）天线的方向系数或增益
GD15(l0)2 Ns
（2）方向图的半功率角为
2 3dB l0
52
Ns /
为了提高增益，
（3）方向图零功率张角为
2 0
l0
115 Ns /
可采用螺旋天 线阵。
（4）输入阻抗为
Zin
Rin
140l0
（5）极化椭圆的轴比为 AR 2N 1
2N
圆 椭圆
第3章 行波天线
Φ0 为菱形的半钝角；Δ为仰角；H为天线的架设高度。 当Δ=Δ0时（Δ0为最大辐射方向仰角）。 水平平面的方向函数为：
f()[1sic no ( s( 0 0 )c)os01sic no ( s( 0 0 )c)os0 sin{k 2 l[1sin( 0)cos0]}sin{k 2 l[1sin(( 0)cos0]}
Polarized Antenna)。
第3章 行波天线
一、 圆极化波的应用
使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。 1、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。 2、在人造卫星和弹道导弹的空间遥测系统中，信号穿过电离层
传播后，产生极化畸变，这也要求地面上安装圆极化天线作 发射或接收天线。 3、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。 4、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3章 行波天线
第3章
行波天线
行波天线与驻波天线的差别及优缺点： 驻波天线工作在驻波状态，工作频带较窄，效率高于行波天线； 行波天线工作在行波状态，工作频带较宽，但效率低于驻波天线。
3.1 行波单导线及菱形天线 3.2 螺旋天线
第3章 行波天线
第一节 行波单导线及菱形天线
一、 行波单导线
行波单导线：天线上电流按行波分布的单导线天线。
第3章 行波天线
圆极化波的重要性质
（1）圆极化波是一等幅旋转场，它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，
（3）当圆极化波入射到一个平面上或球面上时，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。
第3章 行波天线
二、 螺旋天线的工作原理
第3章 行波天线
菱形天线每边的电长度愈长，波瓣愈窄，仰角变小，副瓣增多。
(a)
(b)
(a)水平平面方向图；(b)过长轴的垂直平面方向图
第3章 行波天线
3、 菱形天线的尺寸选择及其变形天线
当通信仰角Δ0 确定以后，选择主瓣仰角等于通信仰角。 使 f(Δ0) 最大，分别取各个因子分别最大：
f( ) 1 s 8 in c o s0 c 0 o s s in 2 [k 2 l(1 s in 0 c o s )]s in (k H s in )
主菱 形
回授 菱形
1 2
终端 吸收 铁线 回授 线
回授 线长 度调 节器
回授式菱形天线
第3章 行波天线
三、行波V形天线（Traveling Wave Vee Antenna）
V 形斜天线，仅有一根支杆和两根载有行波电流的导线组成，架 设很简单，适用于移动的台站中。
馈线
Rl Rl
第3章 行波天线
第二节
由此得到半钝角 Φ0 和仰角 Δ0 应满足如下关系：
0 90 0
在通信方向的仰角 Δ0 和工作波长λ确定以后， 便可直接算出 H、l 和 Φ0。
第3章 行波天线
菱形天线的主要优点是： （1）结构简单，造价低， （2）方向性强，增益系数可达100 （3）频带宽，工作带宽可达（2～3）∶1 （4）可应用于较大的功率，因为天线上驻波成分很小，因此
使第三个因子最大，则 sin(kHsinΔ0)=1，即选择天线架高：
H
4 sin 0
第3章 行波天线
使第二个因子为最大，则: sin［kl(1-sinΦ0cosΔ0)/2］=1，即天线每边长度：
l 2(1sin0cos0)
使第一个因子为最大，则：
d ( 8cos0 )0 d0 1sin0cos0
螺旋天线
D
提高天线的有效高度之一——分布 式加载，其典型天线之一即为螺旋鞭天 线 （Helical Whip Antenna）。
~
螺旋鞭天线
第3章 行波天线
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。
(a )
(b )
(c )
螺旋天线的三种辐射状态
(a) 边射型 (b) 端射型 (c)圆锥型
不会发生电压或电流过大的问题。 菱形天线的主要缺点是： （1）结构庞大，场地大，只适用于大型固定电台作远距离通
信使用； （2）副瓣多，副瓣电平较高； （3）效率低，由于终端有负载电阻吸收能量。
第3章 行波天线
为了改善菱形天线的特性参数，常采用双菱天线 菱形对角线之间的距离 d≈0.8λ，其方向函数表达式为:
为了使特性阻抗变 化较小，菱形的各 边通常用2～3根导 线并在钝角处分开 一定距离，使天线 导线的等效直径增 加，
第3章 行波天线
菱形天线的辐射场：四根导线在空间的合成场。
通过适当选择 菱形锐角2θ0、边长 l 来获得最强的方向性， 并使最大辐射方向指向负载方向。
0
marc
c1os
2l
即菱形四根导线各有一最大辐射方向指向长对角线方向。
1
l/
400 200 0 1.5
对称振子
R /
r
240
200
160
120
80
40
00
1
2
3
4
5
6
l /
行波单导线天线 辐射阻抗
第3章 行波天线
F()sin[kl(1cos)]
2
sin kl(1cos)
2
变化快
最大辐射角
sin[k2l(1cos)]m
1
m
a
rc
co1s
2l
行波单导线的方向系数的近似计算公式：
20
负载
I1
I4＝－ I1 (b)
4 3
E4
E1
四条边上的天线在长对角
线上相位都是同相的。
第3章 行波天线
2、 菱形天线方向函数
过长轴的垂直平面的方向函数为:
f( ) 1 s 8 in c o s0 c 0 o s s in 2 [k 2 l(1 s in 0 c o s )]s in (k H s in )
2
1
m
20
负载
4 3
在长对第角3章线行方波向天，线1、2两根行波导线合成电场矢量的总相位差应
该由下列三部分组成： riE
射线行程差引
电流相位不同
电场的极化方向所
起的相位差
引起的相位差
引பைடு நூலகம்的相位差
k lc o s0 0 m k l k l( 1 2 l) k l 0
I(z)I0ejkz
旋圆极化波； 按左手螺旋方式绕制的螺旋天线，在轴向只能辐射或接收左
旋圆极化波。 若用螺旋天线作抛物面天线的初级馈源，如果抛物面天线接
收右旋圆极化波，则反射后右旋变成左旋，因此螺旋天线 必须是左旋的。
第3章 行波天线
三、 螺旋天线的电参数估算
工程上常用的估算公式，这些公式适用于螺距角 α=12°~16°，圈数N>3，每圈长度l0=(3/4~4/3)λ。
B
A
B
l0＝ C
C
D
D
y
螺旋天A 线工作在圆 极化状态的原B因： A
I xA I xB
I xC
I
xD
B
x
l0＝
C
t1时刻 C
t1 时刻x 轴向辐射场 只D有Ey 分量。
D
A
B
x
l0＝
C
D
将圆环展成
(a)
(b)
直线时线上
的电流分布
y
I y A I y B
B
A
I yC
I
yD
x
C
D
t1 +T/4 时刻
D 1 0 lg l 5 .9 7 1 0 lg (lg l 0 .9 1 5 )d B
第3章 行波天线
二、 菱形天线
1、 菱形天线的结构和工作原理 增加行波单导线天线的增益的方法：排阵 —— 用4根行波单导线构成菱形天线。
l
20
H
接特性
阻抗
接馈线
两线之间的距离变 化，故菱形线上各 点的特性阻抗不等， 从锐角端的600～ 700Ω变化到钝角 处的1000Ω。引起 天线上局部的反射， 从而破坏行波状态。
j60I0ejkr sin sin[kl[1cos]ejk2l(1cos) r 1cos 2
方向函数为:
sin[kl (1cos)]
F() sin
2
kl (1cos)
2
第3章 行波天52.线5°
m ＝0°
z
40.5°
m
＝0°
z
29°
m
＝0°
z
(a)
(b)
(c)
(a)l=λ; (b)l=1.5λ; (c)l=3λ
D
D——螺旋的直径；
l0
s
h 2a
a——螺旋线导线的半径；
s——螺距，即每圈之间的距离；
α——螺距角，
arctan s D
l0——一圈D 的长度，l0(D )2s2s/sin
s
N——圈l数0 ；
同 轴线D 输 入
(a )
l0
金 属 接 地 板 h——轴向长度，h=Ns
(b )
s
一圈展开图形
第3章 行波天线 y A
T场(b1) 只＋有T/E4x 时分刻量轴。向辐射
经过一个周期T的时间间 隔，电场矢量将旋转 360°。 由于线上电流振幅值是 不变的，故轴向辐射的 场值也不会变。 所以，周长为一个波长 的载行波圆环沿轴线方 向辐射的是圆极化波。
驻波 行波
第3章 行波天线
总结： 螺旋天线上的电流是行波电流，是圆极化波。 按右手螺旋方式绕制的螺旋天线，在轴向只能辐射或接收右
行波单导线的方向性特点： （1）沿导线轴线方向没有辐射。 （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，即天线的方向
性具有宽频带特性。
第3章 行波天线
4 方 向 系 D数
2
辐 射 电 R阻r
0
0
0.05
第3章 行波天线
螺旋柱直径 D=(0.25~0.46)λ 的端射型螺旋天线， 又称为轴向模螺旋天线，简称为螺旋天线，
（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 螺旋天线是一种最常用的典型的圆极化天线(Circular