【正文】 相對的概念，沒有嚴格的定義，習慣上認為就是寬帶天線。若同時對幾項電指標都有具體要求時，則以其中最嚴格的要求作為確定天線帶寬的依據(jù)。理論和實驗證明，輻射場與環(huán)的面積、匝數(shù)和環(huán)上的電流成正比，與工作波長的平方和距離成反比；與環(huán)的形狀關系不大。短接環(huán)的半徑較大時，環(huán)上電流為駐波分布。根據(jù)無源天線收、發(fā)的互易性，同一付天線作為發(fā)射或接收時，電特性是相同的。（3）增益天線增益G是一個實際參量，該參量因天線或天線罩的歐姆損耗而小于定向性，增益與定向性之比是天線的效率，這種關系可表示為： （23）具體可表述天線增益為：天線輸入功率相同的情況下，某天線在其最大輻射方向上的場強平方，與一理想的無方向性的電源在相同處產(chǎn)生的場強平方之比。例如發(fā)射天線的效率定義為：天線的輻射功率與輸入功率之比。定義為：在總輻射功率相同的情況下，天線在其最大輻射方向上某處的場強的平方，與一無方向性的點源在相同處產(chǎn)生的場強的平方之比。E面是平行于電場矢量的平面，H面是平行于磁場矢量的平面，也可以令E面表示垂直于地平面的平面、而H面表示平行于地平面的平面來觀測天線的方向性。長期以來，許多作者對天線的輻射性能與天線尺寸的關系進行了深入的研究，而且這種研究迄今還在繼續(xù)。車載寬帶短波NVIS半環(huán)鞭天線的研制對于我軍通信系統(tǒng)現(xiàn)代化建設具有廣泛的實際需求背景和重要的實際意義。所以NVIS天線研制需要突破的關鍵技術之一是：合理設計天線結構以便在整個工作頻帶內實現(xiàn)合理的阻抗特性分布和盡可能高的輻射效率。分析表明，環(huán)天線具有結構緊湊可靠、建立通信快、盲區(qū)覆蓋質量好等優(yōu)點。同時，國內學術屆對短波天線研制也未給予足夠的重視，使我國在該領域的技術水平與先進國家的距離不斷加大。因此，研制和發(fā)展體積小、重量輕、安裝和撤收均方便的寬帶短波環(huán)形NVIS通信天線，對復雜地域通信以及軍用通訊是非常有意義的。（2）需克服笨重的體積另一方面，由于天線設計與其工作波長的關系，使得短波波段的天線的尺寸與體積比較大，限制了天線應用的場合及靈活性。目前解決該盲區(qū)問題的最實用而且性能優(yōu)良的的方法是對這一區(qū)域的通信采用近垂直入射天波（NVIS，Near Vertical Incidence SKY wave）通信方式。 短波天波通信跳躍距離與通信盲區(qū)示意圖，跳躍區(qū)：發(fā)射站與無線電波首次由電離層返回地面的地點之間的距離。隨著無線電通信新技術的不斷涌現(xiàn)，天波傳播弱點對短波通信的影響，正在逐步被克服。（2）天波傳播　 天波是指由天線向高空輻射的電磁波受到天空電離層反射或折射后返回地面的無線電波。其傳播途徑主要取決于地面的電特性。短波通信愈來愈受到重視。美國重新把短波信道作為戰(zhàn)略的和戰(zhàn)術主干線和二級線路。連美軍1976年制定的綜合戰(zhàn)術通信計劃中，僅把短波通信列為補充和備用手段。由于衛(wèi)星通信的出現(xiàn)和發(fā)展，使短波通信受到了較長時間的冷落。 課題研究的意義 短波通信短波通信是歷史最為久遠的無線電通信。在現(xiàn)代通信技術中，為了實現(xiàn)保密通信，消除干擾，將廣泛應用多頻段、多功能電臺和寬帶跳頻電臺，跳頻速率越來越高，跳頻范圍也越來越寬。寬帶短波環(huán)形天線項目設計方案第一章 課題研究的背景及意義 寬帶短波環(huán)形天線的研究背景近幾十年來，科學技術的飛速發(fā)展和人們生活日益現(xiàn)代化與社會化，對電子技術的應用提出了更高的要求。原有的窄帶天線已無法滿足要求，即使可調諧天線也無法滿足快速的跳頻速率。它是戰(zhàn)略通信網(wǎng)的重要組成部分。和衛(wèi)星通信比較，短波信道是隨機參量信道，穩(wěn)定性和可靠性差，通信速率低。由于短波通信技術的進步，其可靠性、穩(wěn)定性、通信質量與通信速率提高到新的水平。在我國短波通信網(wǎng)是戰(zhàn)略通信網(wǎng)之一。短波傳播方式短波的基本傳播途徑有兩種：地波（表面波）傳播和天波傳播。地波在傳播過程中，由于部份能量被大地吸收，很快減弱，波長越短，減弱越快，因而傳播距離不遠。天波是短波的主要傳播途徑。短波通信盲區(qū)上面已介紹了地波和天波兩種傳播方式。盲區(qū)：在天波跳躍區(qū)內和地波傳播極限之間有一段距離，短波信號經(jīng)過電離層折射越過了此區(qū)，信號無法到達該區(qū)域，這段距離就是我們常說的短波通信盲區(qū)。短波“近垂直入射天波”通信指：短波傳播信號接近于垂直輻射，由電離層返回地面的短波信號正好可以覆蓋整個跳躍區(qū)（）。為解決天線尺寸及體積大、使用不靈活的問題，通常對天線進行加載設計：在天線結構上作適當改變，可以保持天線上的電流近似均勻分布，以滿足所要求的電性能，通過天線加載亦可改變天線的方向性。 車載寬帶短波NVIS半環(huán)鞭天線的意義在短波通信廣泛應用的早期，人們就對短波通信盲區(qū)效應有了較為深入的認識，并致力于研究解決這一問題的NVIS天線。近年來，隨著電磁場理論的發(fā)展，以及新技術新材料的采用，NVIS天線技術也獲得了長足進步。（3）采用環(huán)形NVIS天線有利于通過采用新技術、新材料和新器件改善天線整體性能。例如在車載短波通信領域，半環(huán)NVIS鞭天線是近年來發(fā)展起來的新型NVIS天線類型，其結構輕巧牢固、通過性好，天調智能化高、尺寸緊湊，系統(tǒng)響應快、魯棒性好，能夠在各種機動車輛上進行裝備，同時它能在整個頻帶上提供接近理想的全向輻射，能夠為機動部隊短波語音及數(shù)據(jù)通信突破盲區(qū)、實現(xiàn)全天候中距離通信提供有效保障，實踐證明車載環(huán)形天線的綜合性能比傳統(tǒng)車載鞭天線更加優(yōu)越。第二章 環(huán)形天線的寬帶化和集總加載技術環(huán)形天線一般是電小天線，所謂電小天線是指天線的最大幾何尺寸遠小于工作波長的天線，電小天線要求，其中是天線的最大尺寸，為與電磁場相關的波數(shù)。 環(huán)形天線（1）定向性 定向性幾乎是天線最重要的參量，描述天線定向性的參數(shù)有方向圖和方向系數(shù)等。描述天線方向圖的參數(shù)有：主瓣寬度（或稱半功率波瓣寬度）、副瓣電平（指副瓣中的最大值與最小值之比）、前后輻射比（指前向與后輻射場強之比）等。數(shù)學表達式為： （21）式中，為天線歸一化的方向函數(shù)。若天線的效率小于1，天線輸入功率一部分轉化為輻射功率，一部分為消耗功率。（4）阻抗特性天線的輸入阻抗是天線饋電點處的電壓與電流之比，通常它是一個復阻抗，而且是頻率的函數(shù)。顧名思義環(huán)形天線就是將導線彎成環(huán)形所構成的天線。當端接負載的阻抗等于環(huán)的特性阻抗時，環(huán)上的電流為行波分布。由于小環(huán)天線的周長遠遠小于一個波長，主要產(chǎn)生和響應電磁信號的磁分量，而大多數(shù)人造干擾源主要產(chǎn)生電場輻射，所以小環(huán)天線具有噪聲免疫特性，尤其適合用于干擾和抖動的工作環(huán)境。 天線帶寬通常有兩種表示方法：（1）相對帶寬；（2）倍頻帶寬。天線帶寬主要取決于各項電指標的頻率特性。（2）增益帶寬是指增益下降到允許值時的頻帶寬度。（3）輸入阻抗帶寬簡稱阻抗帶寬，輸入阻抗隨頻率變化，當天線輸入端電壓一定時，輸入端電流會隨頻率變化，因此可以通過天線輸入端電流的變化來計算天線的阻抗帶寬。根據(jù)設計這對電指標的要求，以駐波比低與規(guī)定值的頻率帶寬為天線的阻抗帶寬。（2）利用插入分布或者集總網(wǎng)絡來展寬天線的工作帶寬將電抗元件、阻抗元件、介質材料或有源器件置于天線的某一部分之中，其目的或是為了縮小天線尺寸、或是為了提高效率、或是為了增大帶寬，這種方式稱為天線加載加載元件可以是有源的或是無源的，可以是分布參數(shù)元件，也可以是集總參數(shù)元件。（3）利用一付天線的多模工作方式來展寬工作頻帶一般天線在基模和高次模工作時，要求其電性能變化較小，但也有個別應用場合卻有不同的要求。分布加載通常是由導電介質按照一定規(guī)律涂敷到絕緣芯上形成無反射行波天線；而集總加載則是通過在天線上加載RLC集總電路元件來改變天線上電流分布的。根據(jù)傳輸線理論可知，若負載阻抗等于小環(huán)的平均特性阻抗，則加載圓環(huán)可看成是一行波天線，端接匹配負截的兩個半圓環(huán)起著向外輻射電磁波的作用。要注意到，由于線上電流的相位連續(xù)滯后，因而方向圖不具有軸對稱特點，故為的函數(shù)。由于環(huán)內接有負載電阻，故天線效率較低，當天線電尺寸較小時，效率可用下式估算： （210）由上式可知：當環(huán)的電尺寸一定時，環(huán)的平均特性阻抗愈小，天線效率愈高，因此，增大環(huán)天線直徑可適當提高加載環(huán)天線的效率。在接入電感元件后有： （213）式中是所加載的電感元件的電抗，為加感點與接地點之間天線線段的的折合長度。由小環(huán)天線加載實例分析可以看出，線天線集總加載可改變天線上電流分布，從而控制天線的輸入阻抗、增益、輻射特性等主要特性指標。 寬帶短波半環(huán)NVIS天線系統(tǒng)結構圖、RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡、終端加載電阻，天調系統(tǒng)，同軸線以及天線反射板。 寬帶短波NVIS半環(huán)鞭天線的原理在我們所研究的區(qū)域之外，可以用假想的電荷或電流來代替原來的邊界，只要這些電荷或電流和區(qū)域中原有的電荷或電流產(chǎn)生的場滿足原來的邊界條件，則根據(jù)電磁場唯一性定理，兩種情況在所研究的空間中有相同的解。而任意一線天線均可分成苦干首尾相接的電基本振子，因而可由每個電基本振子的鏡像得出整個天線的鏡像。因為等效環(huán)天線半徑小于工作波長，因此可以用電小環(huán)天線輻射特性來估這種天線的輻射方向圖。 寬帶短波NVIS半環(huán)鞭天線設計方案，其中：1是金屬（如特種鋼）鞭狀半環(huán)，被集中加載網(wǎng)絡2分成兩段，并通過集中加載網(wǎng)絡2固定連接實現(xiàn)電信號的連通，其作為天線的輻射器向外輻射電磁波，需合理設計金屬鞭導體的截面直徑d及金屬鞭環(huán)的半徑D以實現(xiàn)最佳輻射效率及方向圖特性；2是RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡。 a b 集中加載元件的等效電路圖集中加載天線是把加載元件集中地加在天線的一個或幾個部位上，包含電阻R，電感L和電容C，圖a采用的是RLC的并聯(lián)，圖b采用的是R和L先串聯(lián)再和C進行并聯(lián)，經(jīng)過多次理論計算與分析發(fā)現(xiàn)：該兩種網(wǎng)絡都可以達到改善天線帶寬性能的目的，但后者的頻率穩(wěn)定性更好，而且在達到優(yōu)化目標的同時，其使用的電感比前者更小，加載網(wǎng)絡體積便可相對縮小，這對于實際加載較為有利；然而RLC也有自身的優(yōu)點，即改善效果更明顯，R值對加載網(wǎng)絡總體影響小于后者，因而比較方便地控制加載網(wǎng)絡引起的損耗。該結構用以實現(xiàn)在天線工作頻帶內進行分頻段匹配（，將工作頻帶分為5段分別匹配），從而進一步降低天線輸入端的VSWR（電壓駐波比），減小向天線饋電的回波損耗。將表示成有限個展開函數(shù)之和，則有 （33）如果求出了未知系數(shù)，則能夠算出所感興趣的參數(shù)，包括輸入阻抗和輻射電場等。分段正弦基函數(shù)首先由Richmond和Gcary于1970引入，即 （34）式中，和分別是從到和到分段的長度。在用矩量法求(35)的數(shù)值解過程中，可以選用與式(34)相同的權函數(shù)，即伽遼金方法。階的阻抗矩陣，其中的各個元素可由Harrington給出的方法求得。、和分別為