短波天线概述

HF Antenna Overview 短波天线概述
云南监测站业务室
2011年4月
Introduction
介绍
Block Diagram of a Radiocommunication Link
无线电通信连接框图
An antenna is an important element in a communication,DF,monitoring or measurement system,like a link of a chain.
天线在通信系统、测向系统、监测或测量系统中是一个关键的部分，它就像一个环路（把发射和接收连接起来）
The R&S antenna department is developing,marketing and selling antennas for various applications.
R&S公司的天线部正在开发和销售各种应用天线。

Antenna Design Depending on Application
天线的设计取决于我们的应用
Antenna Design Depending on Operational Frequency Range
天线设计还取决于工作频率范围
Types of wave propagation:
Ground wave,sky wave and free-space communication 电磁波的传播类型：
地波，天波和自由空间波
Polarization and Antenna Pattern
极化和天线方向图
Fundamentals of Wave Propagation
电磁波传播基础
Polarization Types
极化方式
Linear polarization:
线极化
Plane wave
平面波
(E vector varies in amplitude only)
电场矢量只在幅度上发生改变（电场方向不变）Sinusoidal shape
正弦波形状
Vertically polarized/horizontally polarized
垂直极化/水平极化
Easiest solution of the wave equation
最简单的电磁波方程解
Circular polarization
圆极化
Circular polarization(RHC and LHC)
圆极化（左旋极化和右旋极化）Special case of elliptical polarization
圆极化是椭圆极化的特殊情况
(E vector varies in amplitude and direction)电场矢量在幅度和方向上都发生改变Right hand circular
右旋极化
Left hand circular
左旋极化
Source
信号源
Loss by Polarization Mismatch
极化方式不匹配引起的损耗
Antenna polarization
天线极化方式
E vector of incoming signal
来波信号的电场矢量方向
Linear polarized antennas can cover circular polarized signals with reasonable losses.线极化天线可以覆盖圆极化信号，但是会有一定的损耗。

Circular polarized antennas can cover both linear planes with reasonable losses.
圆极化天线可以覆盖线极化信号，但是也会有一定的损耗。

Usage of Different Polarization
不同极化方式的应使用
Low frequencies(10KHz to approx5MHz)
低频（10KHz到约5MHz）
Mainly vertical polarization(ground wave propagation)
在这个频率范围内主要采用垂直极化（地波传播）
Middle and upper HF bands(below5MHz to30MHz)
中高频段（5MHz到30MHz）
Mainly horizontal polarization(sky wave propagation)
在这个频段内主要采用水平极化（天波传播）
Vertical polarization(for ground wave and large distance sky wave propagation)在这个频率范围使用垂直极化时（用于地波传播和长距离的天波传播）VHF/UHF/SHF
甚高频/超高频/特高频
No preferred polarization-depending on application
在这个频段内没有特定的极化方式选择，需要根据应用而定
Radiation pattern(1)
辐射图（1）是不是方向图？
Radiation patterns are derived from the spatial radiation characteristics by looking at a cut-plane--usually through the origin and the maximum of radiation.
辐射图是通过电磁波的空间辐射特性的切面而派生出来的，通常由辐射源到最大辐射点组成
（方向从0°到360°）
The horizontal pattern shows the field strength as a function of the azimuth angle
φwith a fixedθ(usuallyθ=90°).
水平切面图反映了场强与方位角φ的函数变化关系（通常此时θ取固定角度90°）如上图所示
The vertical pattern shows the field strength as a function ofθfor a fiedφ(usually φ=+-90°or0°/180°)
垂直切面图反映了场强与θ的函数关系（此时方位角φ固定不变，通常φ取±90°或者0°、180°）如上图所示
R&S HF Antennas
R&S短波天线
HF Antennas
短波天线
HF Rod Antenna HA175
高频拉杆天线HA175
(1.5MHz to30MHz)
(频率范围1.5MHz到30MHz)
Vertical radiation pattern ofλ/4vertical antenna and transmission path for high-angle Radiation
高仰角辐射的传播路径和λ/4垂直天线的垂直辐射图
蓝色部分表示短波覆盖盲区
Not suitable for HF reception over short to medium distances!!!不适合于中短距离的高频接收
Causes"Skip Zone"in shortwave coverage with vertical antenna
垂直天线引起的短波覆盖盲区
Causes"Skip Zone"in shortwave coverage with vertical antenna
垂直天线引起的短波覆盖盲区
Area covered by sky waves
天波覆盖区域
Skip zone
盲区
Area covered by ground waves
地波覆盖区域
Distance d
距离d（这里标出了盲区的距离为100到500km，这个距离只能做参考，具体情况可能跟天线周围的地形环境有关）
Propagation Basics-Coverage of All Distances
电磁波传播基础-全覆盖
δAngle of elevation of the radiation
辐射仰角δ
Reflection on the F2layer
在F2层上的反射
Dual-hop reflection on the F2layer
在F2层上的两跳反射
Layer of ionosphere 电离层
1KW HF Dipole HX002
(2MHz to30MHZ)
1KW高频偶极天线HX002
频率范围：2MHz到30MHz
With integrated Antenna Tuning Unit 使用了集成的天线调谐单元
150W HF Dipole HX002A1 (1.5MHz to30MHz)
150W高频偶极天线HX002A1
(适用频率范围：1.5MHz到30MHz)
With integrated Antenna Tuning Unit 使用了集成的天线调谐单元
Gain Comparison of HX002…
短波天线HX002的增益比较
上图中蓝色线表示5米天线塔架设高度时的天线增益，红色线表示15米天线塔假设高度时的天线增益。

5-m mast
5米天线塔
…to loop antennas and loaded broadband dipoles
环形天线和加载偶极子
HX002/HX002A1-influence of Mast Height
HX002/HX002A1-天线塔高度的影响
Vertical radiation pattern of HF Dipole HX002A1over ideal conducting plane; Left:installed on a15-m mast at3MHz(continous blue line),10MHz(dotted blue line)and20MHz(continous red line);
Right:installed on a5-m mast(on a large area roof)at2MHz(continous blue line), 10MHz(dotted blue line)and30MHz(continous red line);
高频偶极天线HX002A1在理想导电面上的垂直辐射图；
左边的图：天线HX002A1安装在15米天线塔上。

频率分别为3MHz（蓝色连续线），10MHz(蓝色点线）和20MHz（红色连续线）的天线垂直辐射图。

右边的图：天线HX002A1安装在5米天线塔上（在一个面积较大的屋顶上）。

图中蓝色实线表示频率为2MHz时的垂直辐射图，蓝色虚线表示频率为10MHz 的天线垂直辐射图，红色实线表示频率为30MHz时的天线垂直辐射图
Azimuth Pattern of Horizontal Dipole for Different Elevation Anglesδ'
不同仰角δ'水平偶极子天线的方位图
图中黑色实线表示仰角δ'为0°时的方位图，红色实线表示仰角δ'为50°时的方位图，蓝色实线表示仰角δ'为65°时的方位图。

对天线方向图的理解参照天线手册30页。

Mobile HF Antenna system AK503
移动高频天线系统AK503
Polarization and switching network
极化和交换网络
Vertical radiator or feeder line
垂直辐射体或者馈线
Horizontal radiator(switched off for vertical polarization)水平辐射体（关闭水平极化）
HF Receiving Antenna HA230
高频接收天线HA230
(1.5MHz to30MHz)
(频率范围：1.5MHz到30MHz)
Features
特点
1、vertical monopole
垂直单极子
2、horizontal dipoles
水平偶极子
→three independent RF outputs
三个独立的射频输出
Components of an active antenna
有源天线的组成
Electrically short radiators
带电的短辐射体
Impedance conversion&"some"amplification 阻抗变换与部分放大
50Ωoutput
50Ω输出阻抗
Practical Use
实际使用
无源天线HA230
有源天线HE010
Advantage:
Large frequency band
Small dimension
优点：
大频段（9KHz到80MHz）小尺寸
Active Rod Antenna HE010 (10KHz to80MHz)
有源拉杆天线HE010
(频率范围：10KHz到80MHz)
Key Features
主要特点：
Wide frequency range
Optimized for maximum dynamic range High sensitivity
Low in size
频率范围宽
最佳动态范围
灵敏度高
尺寸小
Balance between electronic noise of Active Antenna HE010and external noise according to CCIR Reports258(A-D)and322(E-F)
根据CCIR报告258（A-D）和322（E-F）均衡外部噪声和有源天线HE010的电子噪声
CCIR：国际无线电咨询委员会
Active Antenna System HE016有源天线系统HE016
Vertical polarized:
9KHz to80MHz
垂直极化：
9KHz到80MHz
Horizontal polarized:
600KHz to40MHz
水平极化：
600KHz到40MHz
Turnstile Principle
十字准则（这里应该是指HE016是由一个水平偶极子和一个垂直偶极子构成，这两个偶极子的电压矢量和就等于HE016的电压）
Omnidirectional radiation pattern when receiving horizontally polarized waves!
当接收到水平极化波时的全向辐射图
(requires electrically short radiators!!!)
要求带电的短辐射体
以上讲的都是全向天线，下面将介绍一个方向性天线——对数周期天线
Rotatable Log.Periodic Antenna system AK451可旋转对数周期天线
Receive:
2MHz to30MHz
Transmit:
5MHz to30MHz
接收频率范围：
2MHz到30MHz
发射频率范围：
5MHz到30MHz
Log.Periodic Antennas (1.5MHz to30MHz)
对数周期天线
(1.5MHz到30MHz)
HF Antenna system AK610A3
高频天线系统AK610A3
(1.5MHz to30MHz)
g=8dB...12dB
η>90%
(频率范围：1.5MHz到30MHz)
天线增益：g=8dB...12dB
天线效率：η>90%
HF Antenna system AK610A3Radiation patterns of single antenna elements
高频天线系统AK610A3单个天线单元的辐射图
-31
-Customer tailored HF monitoring antenna system (based on AK610&AK451system components)客户定制的高频天线系统
(基于AK610和AK451系统组件
)。