【正文】 第 7章 天線 。 (4)天波傳播 :電波通過高空電離層的反射傳播到接收點(diǎn) 。 (2)自由空間傳播 :忽略地面的效應(yīng) ,電波由發(fā)射天線直接傳播到接收點(diǎn) ,由于媒質(zhì)的不均勻性 ,傳播路線可以有某些彎曲 。 大氣層和地表面的各種情況對(duì)于電波的傳播產(chǎn)生著各種不同的影響 。 大氣媒質(zhì)的情況 ,和討論天線時(shí)情況并不一樣 。 它是由一個(gè)薄的介質(zhì)片 (厚度 kλ)上用金屬沉積法沉積成矩形 ,圓形或其他幾何形狀的輻射元 ,而背面貼以金屬薄層作接地板而構(gòu)成的 ,圖 7― 9― 14(a)和 (b)給出了常用的矩形和圓形的微帶線的結(jié)構(gòu)示意圖 。 卡塞格倫天線是利用卡塞格倫天文望遠(yuǎn)鏡的幾何光學(xué)原理演變而來的 ,故由此而得名 。 初級(jí)照射器所發(fā)出的球面波束 ,首先射向前方的旋轉(zhuǎn)雙曲面 ,再經(jīng)旋轉(zhuǎn)雙曲面的反射后投射到旋轉(zhuǎn)拋物面上 ,最后由拋物面再次反射成為平行光束輻射出去 ,如圖 7― 9― 13所示 。 故有較強(qiáng)的方向性和較高的增益 。 初級(jí)照射器與饋線相聯(lián) ,其作用是向反射面上輻射電磁波 ,其位置崐在拋物面的焦點(diǎn)上 。 前者本身的定向性 f0較差 ,經(jīng)過反射器反射后得到方向性 f尖銳得多 ,如圖 7― 9― 12所示 。 而且口徑場(chǎng)的振幅和相位無法調(diào)節(jié) 。 這種喇叭天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,效率高且有較寬的頻帶特性 。 第 7章 天線 喇叭天線的主要形式有 :扇形喇叭 ,角錐形喇叭 ,圓錐形喇叭以及雙圓錐形喇叭 。 (一 )喇叭天線 傳輸導(dǎo)行波的波導(dǎo)開口面口徑上的電磁場(chǎng)能輻射成電磁波 。 圖 7― 9― 10是十字形蝙蝠翼天線的一個(gè)振子 ,饋電點(diǎn)在 A―A 兩端 ,D―D 兩端短路 ,因此在 DA上形成駐波 。 第 7章 天線 圖 7―9―9 第 7章 天線 (二 )蝙蝠翼振子天線 蝙蝠翼振子天線是一種寬頻帶旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線 ,可應(yīng)用于彩色電視機(jī)的發(fā)射天線 ,它由兩個(gè)互相垂直的 ,相位相差 90176。 其中 1為支撐桿 ,2為反射器 ,3為有源振子 ,4為饋線 ,5為三元引向器 。 缺點(diǎn)是 :占地面積大 ,副瓣多而且終接電阻會(huì)消耗一部分功率 ,效率不高 ,約 60～ 70%。 其最大輻射方向在通過菱形兩銳角頂點(diǎn)的垂直平面內(nèi) 。 它是由一個(gè)水平菱形導(dǎo)線懸掛在四根支柱上形成的 。 第 7章 天線 圖 7―9―7 第 7章 天線 (三 )菱形天線 菱形天線是現(xiàn)代短波通信中使用最廣 ,最主要的定向天線 。 第 7章 天線 圖 7―9―5 第 7章 天線 圖 7―9―6 第 7章 天線 (二 )同相水平天線 在短波遠(yuǎn)距離通信中 ,常需要方向性很強(qiáng)的天線 ,故采用天線陣來提高其方向性 ,同相水平天線是最常采用的一種 ,它的優(yōu)點(diǎn)是方向性圖主瓣尖銳 ,副瓣少而小 ,天線效率在 95%以上缺點(diǎn)是只能用于很窄的頻帶 ,裝置復(fù)雜 ,維護(hù)費(fèi)用較多 ,故一般用于高質(zhì)量的通信主干線上 。 對(duì)于寬波段或大功率的對(duì)稱振子 ,常采用多根導(dǎo)線組成的籠形結(jié)構(gòu)作為振子臂 ,以降低振子的特性阻抗 ,如圖 7― 9― 6所示 。 大多數(shù)短波天線為水平天線 ,架設(shè)和饋電方便 ,而且在垂直面內(nèi)的方向圖容易滿足短波天線的要求 。 因而在設(shè)計(jì)短波天線時(shí) ,需要考慮到電離層的變化 ,在大多數(shù)情況下 ,短波天線用于定點(diǎn)通信或?qū)ι刃蔚貐^(qū)的廣播 ,要求有強(qiáng)的方向性 。5m)的地方用 3mm粗的半個(gè)波長的多股絞銅線約 15～150根置于地下 ,如圖 7― 9― 4所示 。 通常在天線的底端附近不太深 (約 0。 第 7章 天線 圖 7― 9― 3 第 7章 天線 為了進(jìn)一步提高天線效率 ,常采用在垂直天線的地底下鋪設(shè)金屬地網(wǎng) 。 加頂?shù)男问接?Τ形 ,Γ形及傘形 ,分別如圖 7― 9― 2(a),(b)及 (c)所示 。 第 7章 天線 圖 7―9―1 第 7章 天線 (二 )加頂垂直天線 對(duì)于長波來說 ,天線的高度始終處在遠(yuǎn)小于波長的狀態(tài) ,因此天線的輻射電阻 ,工作頻帶 ,天線效率以及天線的功率容量都比較低 。 天線底端饋電 ,饋線一端與地相連 ,另一端與天線連接 ,饋線上高頻電流流到天線上 ,再經(jīng)過天線與地面間的位移電流到地面形成地電流 ,構(gòu)成一個(gè)回路 。 第 7章 天線 當(dāng)來波不從主向射來時(shí) ,能輸出的功率受接收方向性的影響 ,其表達(dá)式為 Pout(ζ,φ)=Ps(ζmax,φmax)Sef2(ζ,φ) (7― 8― 31) 天線的有效面積對(duì)于天線的實(shí)際口徑面積之比 ,稱為面積利用系數(shù) γ,即 1rSS? ??(7―8―32) 對(duì)于面天線設(shè)備 ,方向性系數(shù)可按下式計(jì)算 : 2m ax m ax2( , ) ( 1 / )/4s e rrP S r PDP P r? ? ????(7―8―33) 第 7章 天線 故 222444eAASSDSGD? ? ???? ? ? ??????增益系數(shù)定義為 (7― 8― 34) (7― 8― 35) 式中 γ值可由口徑場(chǎng)的分布規(guī)律求出 。引出這一參量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 m a x m a x2( , )1()serPSPr????(7― 8― 29) 式中 Ps(ζmax,φmax)表示面狀天線主方向上 ,r距離處的平 均功率流密度 Pr為天線輻射功率 Se為天線的有效面積 。 707時(shí) ,對(duì)應(yīng)的 ψ值為 1。 707,0以及其它特定數(shù)值時(shí)所對(duì)應(yīng)的方位角 ,從而求出圖瓣參量 。 積分號(hào)的物理意義為連續(xù)分布的點(diǎn)源陣所構(gòu)成的面陣的復(fù)數(shù)陣方向性函數(shù) ,即 ()( , )( , ) ( , ) sj k r r d sjs s ySF F e A e? ? ?? ? ? ? ??? ??(7― 8― 13) rrs由幾何關(guān)系經(jīng)二項(xiàng)式展開可得 rrs=xssinζsinφ+yssinζcosφ (7― 8― 14) 或 rrs=ρssinζcos(φφs) (7― 8― 15) 第 7章 天線 當(dāng)口徑上波源場(chǎng)為一般形式時(shí) ,Esx分量可看成是又一個(gè)元口徑效應(yīng) ,但式中 φ角應(yīng)自 y軸起算 ,應(yīng)由 φ+π/2替代 φ完成疊加可得到 ()()1 c o s( ) ( s i n c o s )21 c o s( ) ( s i n s i n )2ssj k r rj krs y s xSSj k r rj krs y s xE dE dE j e E E e dsrE dE dE j e E E er? ? ?? ? ???????????????? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?(7―8―16) (7―8―17) 第 7章 天線 圖 7― 8― 3 第 7章 天線 圖 7―8―4 第 7章 天線 歸一化陣方向性函數(shù)的直角坐標(biāo)方向性圖如圖7―8―4 中均勻律分布曲線所示 ,但圖中是對(duì) ψ變量作出的曲線 ,為獲得對(duì) ζ的變化曲線應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)變換 ,其變換式為 2a r c si n kD?? ? (7― 8― 26) 第 7章 天線 也可由圖解法直接得到極坐標(biāo)方向圖 (讀者自己考慮 )。則口徑面天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)公式可由元口徑面的輻射場(chǎng)疊加求得 ,即 ()00()0( 1 c o s )sin2( 1 c o s )c o s2ssj k r rj k rsysj k r rj k rsysEE j e A e dsrEE j e A e dsr???????????????????(7― 8― 11) (7― 8― 12) 第 7章 天線 式 (7― 8― 11),(7― 8― 12)常用來計(jì)算各種口徑面天線的輻射場(chǎng) ,它可由方向性圖相乘原理 (圖乘法 )理解 。 假設(shè)位于 xoy坐標(biāo)面上口徑面 S上的電磁場(chǎng)為 0s x s x y s yssxE a E a EEHa?????(7―8―9) (7― 8― 10) 第 7章 天線 式中 ax,ay和 az分別為 x,y和 z方向的單位矢量 。 合成電場(chǎng)強(qiáng)度的模值為 22 00 ( 1 co s )2ESE E Er? ??? ? ? ?(7― 8― 6) (7― 8― 7) 第 7章 天線 第 7章 天線 主向的平均功率流密度為 2 2 202 2 2 20022rsmE E S P SPrr? ? ? ?? ? ?(7― 8― 8) 式中 Pr為元口徑輻射體的輻射功率 。 由式 (7― 8― 3),(7― 8― 4)可見 ,電場(chǎng)有 ζ分量及 φ分量 ,且同相位 ,因此合成場(chǎng)仍屬線極化波 。 元口徑輻射體在空間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可由求解電磁場(chǎng)方程得出 ,其遠(yuǎn)區(qū) (rλ)的輻射場(chǎng)為 00000000sin [ 1 c o s ]2c o s [ 1 c o s ]20c o s [ 1 c o s ]2sin [ 1 c o s ]2rjk rjk rrjk rjk rEESE j erESE j erEESE j eESE j e????????????????????????? ????????????? ? ????????(7―8―3) (7―8―4) (7―8―5) 第 7章 天線 取用的球坐標(biāo)系統(tǒng)如圖 7― 8― 2所示 ,ζ角是從元口徑輻射體的法線方向起算的 。 第 7章 天線 所謂元口徑輻射體是均勻電磁場(chǎng)激勵(lì)的 ,尺寸遠(yuǎn)小于波長的小面積元 ,即口徑尺寸 l1λ,l2λ,電磁場(chǎng)在小面積元上各點(diǎn)值和相位處處相等 ,如圖 7― 8― 1所示 。 面狀天線和自由空間的分界表面稱口徑面 。方向性函數(shù)需對(duì)二個(gè)分量分別寫出 : fζ(ζ,φ)=f0ζ(ζ,φ)fn(ζ,φ) (7― 7― 7) fφ(ζ,φ)=f0φ(ζ,φ)fn(ζ,φ) (7― 7― 8) 第 7章 天線 圖 7―7―6 第 7章 天線 如每一平面圓環(huán)中饋送的電流具有等輻行波的特點(diǎn) ,并且一圈的長度 L值接近于一個(gè)波長 。 第 7章 天線 當(dāng) Eζ,Eφ相位差不等于 0,π/2時(shí) ,或相位差雖為 π/2,而模值不等時(shí) ,電場(chǎng)強(qiáng)度矢量隨時(shí)間變化描得的軌跡為一橢圓 ,稱橢圓極化波 。 第 7章 天線 當(dāng) Eζ,Eφ分量同相位或反相位時(shí) ,空間點(diǎn)上合成的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向隨著時(shí)間的變化將始終指向某固定的方向 ,合成場(chǎng)強(qiáng)仍然為線極化波 。 第 7章 天線 圖 7―7―5 第 7章 天線 四 ,螺旋天線 螺旋天線是用導(dǎo)電性良好的金屬做成的螺旋形導(dǎo)線天線 ,常用同軸線激勵(lì) ,同軸線外導(dǎo)體張開為反射屏 ,如圖 7― 7― 6所示 。 范