【正文】 第 2章 簡單線天線 第 2章 簡單線天線 水平對稱天線 直立天線 環(huán)形天線 引向天線與背射天線 第 2章 簡單線天線 水平對稱天線 在短波通信、電視或其它無線電系統(tǒng)中，常使用水平天線 (Horizontal Antenna)。水平架設(shè)天線的優(yōu)點(diǎn)是： （ 1）架設(shè)和饋電方便； （ 2）地面電導(dǎo)率對水平天線方向性的影響較垂直天線的小； （ 3）可減小干擾對接收的影響。因?yàn)樗綄ΨQ天線輻射水平極化波，而工業(yè)干擾大多為垂直極化波，故可以減少干擾對接收的影響，這對短波通信是有實(shí)際意義的。 第 2章 簡單線天線 雙極天線 雙極天線即水平對稱振子 (Horizontal Symmetrical Dipole)，如圖 2―1―1 所示，又稱 π型天線。天線的兩臂可用單根硬拉黃銅線或銅包鋼線做成，也可用多股軟銅線，導(dǎo)線的直徑根據(jù)所需的機(jī)械強(qiáng)度和功率容量決定，一般為 3～ 6mm。天線臂與地面平行，兩臂之間有絕緣子。天線兩端通過絕緣子與支架相連，為降低天線感應(yīng)場在附近物體中引起的損耗，支架應(yīng)距離振子兩端 2～ 3m。 為了降低絕緣子介質(zhì)損耗，絕緣子宜采用高頻瓷材料。支架的金屬拉線中亦應(yīng)每相隔小于 λ/4的間距加入絕緣子，這樣使拉線不至于引起方向圖的失真。 第 2章 簡單線天線 圖 2―1―1 雙極天線結(jié)構(gòu)示意圖 2 ～ 3 m雙饋線饋 線 絕 緣子絕緣子llH第 2章 簡單線天線 由圖 2― 1― 1可見 ， 這種天線結(jié)構(gòu)簡單 ， 架設(shè)撤收方便 ，維護(hù)簡易 ， 因而是應(yīng)用廣泛的短波天線 ， 適用于天波傳播 。 當(dāng)天線一臂的長度 l=12m或 22m時(shí) ， 天線特性阻抗通常為1000Ω左右 ， 饋線使用 H=10m長的雙導(dǎo)線 ， 饋線特性阻抗為600Ω。 這就是移動通信常用的 44m（ 即 2H+2l長度 ） 或 64m雙極天線 。 當(dāng)其架設(shè)高度小于 ， 向高空方向 （ 仰角 90176。 ） 輻射最強(qiáng) ， 宜作 300km范圍內(nèi)通信用天線 。 當(dāng)天線距離較遠(yuǎn)時(shí) ，這種天線增益較低 ， 方向性不強(qiáng) ， 且工作頻段較窄 。 第 2章 簡單線天線 由于雙極天線主要用于天波傳播 ，而天波傳播時(shí) ， 電波射線以一定仰角入射到電離層后又被反射回地面 ，從而構(gòu)成甲乙兩地的無線電通信 ，通信距離與電波射線仰角有密切關(guān)系 。 為了便于描繪場強(qiáng)隨射線仰角 Δ和方位角 φ的變化關(guān)系 ， 一般直接用Δ、 φ作自變量表示天線的方向性 ，而不使用射線與振子軸之間的夾角 θ作方向 (2―1―1) ?? s i nc osc os ??????? POOAOP POOPOAyAxOH???PP ′z函數(shù)的自變量。按圖 2―1―2 中的幾何關(guān)系，可得 圖 2―1―2 第 2章 簡單線天線 在分析天線的方向性時(shí) ， 可以把地面看作是理想導(dǎo)電地 ，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下水平極化波地面反射系數(shù)都接近 1， 可用地面下的負(fù)鏡像天線來代替地面對輻射的影響 。 利用該式可得 22s i n 1 co s s i n??? ? ?(2―1―2) 無限大導(dǎo)電地面的影響可用水平振子天線的鏡像來替代 , 因此 , 架設(shè)在理想導(dǎo)電地面上的水平振子天線的輻射場可以用該天線及其鏡像所構(gòu)成的二元陣來分析； 但應(yīng)注意該二元陣的兩天線元是同幅反相的 , 如果地面上的天線相位為零 , 則其鏡像的相位就是 π, 如圖 所示 。 zxy??rHHI I?2 l1r2rr??第 2章 簡單線天線 zxy??rHHI I?2 l1r2rr???12 2 sinr r r H? ? ? ? ? ?? ?( , ) 1 2 c o s22 c o s 2 si n22 si nsi njakkeHHfm ???????? ? ??? ?( ) 2 sinE k r k H? ? ? ?? ? ? ? ? ?,1m????于是此二元陣陣因子： 陣元 ? ?122c os( c os ) c os,si nc os( c os si n ) c os1 c os si nk l k lfk l k l?????????????第 2章 簡單線天線 根據(jù)該表達(dá)式 ， 可以畫出雙極天線的立體方向圖 ，圖 2― 1― 3表示雙極天線在不同臂長情況下的方向圖 ，圖 2― 1― 4表示在不同架高時(shí)的方向圖 。 觀察立體動畫方向圖 22c o s( c o s sin ) c o s( , ) 2 sin( sin )1 c o s sink l k lf k H?????? ? ??? 由自由空間對稱振子方向函數(shù)和負(fù)鏡像陣因子按方向圖乘積定理得 (2―1―3) 第 2章 簡單線天線 圖 2―1―3 第 2章 簡單線天線 圖 2―1―4 第 2章 簡單線天線 為了便于分析 ， 我們在研究天線方向性時(shí) ， 通常總是研究兩個(gè)特定平面的方向性 ， 例如： 自由空間天線： 在研究自由空間天線方向性時(shí) ， 往往取兩個(gè)相互垂直的平面 ， 即 E面和 H面作特定平面 。 地面上的天線： 但在研究地面上的天線方向性時(shí) ， 一方面要考慮地面的影響 ， 另一方面要結(jié)合電波傳播的情況選取兩個(gè)最能反映天線方向性特點(diǎn)的平面 ， 通常選取鉛垂平面和水平平面 ， 這兩個(gè)平面具有直觀方便的特點(diǎn) 。 第 2章 簡單線天線 所謂 鉛垂平面 ，就是與地面垂直且通過天線最大輻射方向的垂直平面。 鑒于實(shí)際天線的臂長 l，單元天線最大輻射方向垂直于對稱振子，故取振子的 H面為垂直平面，在圖 2―1―2 中，xOz平面就是雙極天線的垂直平面。 yAxOH???PP ′z 水平平面 是指對應(yīng)一定的仰角 Δ，固定 r（ OP），觀察點(diǎn) P繞 z軸旋轉(zhuǎn)一周所在的平面，在該平面上 P點(diǎn)場強(qiáng)隨 φ變化的相對大小即為雙極天線的水平平面方向圖。 下面分別討論天線的垂直平面和水平平面方向圖。 r 常數(shù) 第 2章 簡單線天線 1） 垂直平面方向圖 （ ） 圖 2―1―2 中， 的 xOz面即為雙極天線的垂直平面。將 代入式（ 2―1―3 ） ,可得 yAxOH???PP ′z22c os ( c os si n ) c os( , ) 2 si n( si n )1 c os si nk l k lf k H?????? ? ???0o??( , 0 ) 1 c os 2 sin( sin )ox o zf k l k H?? ? ? ? ?(2―1―4) 0o??0o??由于單元天線的 xOz面方向圖是圓 （與 仰角無關(guān)） ，故雙極天線的垂直平面 方向圖形狀僅由地因子決定。 地因子方向圖可以參考第 1章圖 1―7―4 。垂直平面方向圖也可從立體圖圖2―1 ― 4 按垂直于振子軸（即 xOz面）進(jìn)行切割獲得。 0o?? 180176。150176。120176。90176。60176。30176。0176。H ＝ 0 . 3?H ＝ 0 . 5?180176。150176。120176。90176。60176。30176。0176。H ＝ 0 . 3?H ＝ 0 . 5?圖 1― 7― 4 鏡像時(shí)的陣因子隨天線架高的變化 (a)正鏡像； (b)負(fù)鏡像 第 2章 簡單線天線 第 2章 簡單線天線 第 2章 簡單線天線 第 2章 簡單線天線 垂直平面方向圖具有下列特點(diǎn)： (1)垂直平面方向圖 （ ） 只與 H/λ有關(guān) ， 而與 l/λ無關(guān) 。 這是因?yàn)?， 不管單元振子有多長 ， 元因子在垂直于振子軸的平面內(nèi)方向圖恒為一個(gè)圓 。 故可用改變天線架設(shè)高度 H/λ來控制垂直平面內(nèi)的方向圖 。 (2)無論 H/λ為何值 ， 沿地面方向 （ 即 Δ=0176。 方向 ） 均無輻射 。 這是由于天線與其鏡像在該方向的射線行程差為零 ， 且兩者電流反相 ， 因而輻射場互相抵消 。 所以 ， 這種天線不能用作地波通信 。 0o??(3)當(dāng) H/λ≤ H/λ≤，最大輻射方向在 Δ=90176。 ，在 Δ=60176。 ～ 90176。 范圍內(nèi)場強(qiáng)變化不大，即在此條件下天線具有高仰角輻射性能，我們稱這種天線為高射天線。這種架設(shè)不高的雙極天線，通常應(yīng)用在 0～ 300km內(nèi)的天波通信中。 ( , 0 ) 1 c os 2 sin( sin )ox o zf k l k H?? ? ? ? ?yAxOH???PP ′z（ H/λ為 參變量） 0o??同時(shí) 即 x方向 第 2章 簡單線天線 (4)當(dāng) H/λ ， 最強(qiáng)輻射方向不止一個(gè) ， H/λ越高 ， 波瓣數(shù)越多 ， 靠近地面的第一波瓣 Δm1越低 。 即越靠近地面 。 第一波瓣的最大輻射仰角 Δm1可根據(jù)式 （ 2― 1― 4） 求出 ，令 sin(kHsinΔm1)=1 ( , 0 ) 1 c os 2 sin( sin )ox o zf k l k H?? ? ? ? ? 在架設(shè)天線時(shí) ， 應(yīng)使天線的最大輻射仰角 Δm1等于通信仰角 Δ0。 根據(jù)通信仰角 Δ0就可求出天線架設(shè)高度 H， 即 得 1 arcs i n 4m H??? (2―1―5) 04 s i nH ???(2―1―6) 第 2章 簡單線天線 當(dāng)雙極天線用作天波通信時(shí) ， 工作距離愈遠(yuǎn) ， 通信仰角 Δ0愈低 ， 則要求天線架設(shè)高度越高 。 (5)當(dāng)?shù)孛娌皇抢硐雽?dǎo)電地時(shí) ， 不同架設(shè)高度的 天線在垂直平面內(nèi)的方向圖的變化規(guī)律與理想導(dǎo)電地基本相同，只是場強(qiáng)最大值變小，最小值不為零 ,最大輻射方向稍有偏移。不同地質(zhì)對水平振子方向性影響不大。 第 2章 簡單線天線 2） 水平平面方向圖 水平平面方向圖就是在輻射仰角 Δ一定的平面上 ， 天線輻射場強(qiáng)隨方位角 φ的變化關(guān)系圖 。 顯然這時(shí)的場強(qiáng)既不是單純的垂直極化波 ， 也不是單純的水平極化波 。 方向函數(shù)如式 （ 2― 1― 3） 所示 （ 式中 Δ固定 ） ， 即方向函數(shù)是下列地因子與元因子的乘積 : 122( ) 2 s i n ( s i n )c o s ( c o s s i n ) c o s( , )1 c o s s i nf k Hk l k lf???? ? ???????(2―1―7) (2―1―8) 22c os ( c os si n ) c os( , ) 2 si n( si n )1 c os si nk l k lf k H?????? ? ???yAxOH???PP ′z因?yàn)榈匾蜃优c方位角 φ無關(guān)，所以水平平面內(nèi)的方向圖形狀僅由元因子 f1(Δ,φ)決定。 第 2章 簡單線天線 圖 2― 1― 5和圖 2― 1― 6分別給出了 l/λ= l/λ=線在理想導(dǎo)電地面上不同仰角時(shí)的水平平面方向圖 。 圖 2― 1― 5 l/λ= O yx( a )O yx( b )yxO( c )圖 2―1―6 l/λ= xyOxyOxO y( a ) ( b ) ( c )? ? ? ? ? ?2 0 。 4 0 。 6 0o o oabc? ? ?