【正文】 類型天線 對稱 振子 對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的 一種 天線 結(jié)構(gòu)形式。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子稱 為 半波對稱振子 。 單個半波對稱振子可 以 簡單地單獨(dú)立 使用 ，也可以用作 拋物面天線的饋源，采用多個半波對稱振子 還可以 組成天線陣 ]1[ 。 當(dāng) L=? /2 時 為半波振子 ,歸一化方向性函數(shù) 為 ?)(?F ? ??sin)cos2cos( （ ） 半波對稱振子的 E面方向 圖如圖 (a)所示 。 rekLkLIjE j k rm ??? ??? s in )2c o s ()c o s2c o s (60???s in)2c o s ()c o s2c o s ()( kLkLF ?? 3 圖 不同長度對稱振子的 E 面 方向性圖 圖 (c)、 (d)、 (e)和 (f)分別為 L=5/4? 、 L=6/4 ? 、 L=7/4? 和 L=2? 對稱振子的 E 面 方向圖 。 天線陣 在實(shí)踐中，為了使輻射場實(shí)現(xiàn)某種方向性，常常把若干個天線按某種排列方式組合在一起，這樣就構(gòu)成了天線陣。由 n 個單元天線構(gòu)成的天線陣就稱為 n 元天線陣。 4 圖 直線、平面和立體天線 可以 想象 ，把若干個單元天線排列成天線陣以后，在空間某些方向的觀察點(diǎn)各單元天線的輻射場相位彼此相同，因而合成的輻射場最強(qiáng)，這些方向就成為天線陣的最大輻射方向；而在另一些方向上，各單元天線輻射場的相位彼此不同，輻射場的復(fù)相量和較小，甚至為零。 以二元天線陣為例，這里重點(diǎn)描述直排天線陣的兩種形式。 圖 中兩振子的振子軸“一”字排開，稱為共軸線排列； 圖 中兩振子的振子軸平行排列，稱為齊平排列。觀察點(diǎn)改變方向時，波程差隨之發(fā)生變化，兩個單元天線輻射場之間的相位差也必然隨之發(fā)生變化。假設(shè)單元天線 1 與單元天線 2 的電流復(fù)振幅 (振幅與相位 )關(guān)系為 I2???kI1ej? （ ） 上式中， k 表示單元天線 2 電流振幅是單元天線 1 電流振幅的倍 數(shù)， ???是單元天線 2 電流 I2超前于單元天線 1 電流 I1的相角。我們在兩個單元天線的遠(yuǎn)區(qū)任意選定一個觀察點(diǎn) P(r,??,??)。于是 ，單元天線 2 的輻射場可以寫成 （ ） rfrIE ??? j111 e),(60j ??rfr IE ???? j122 e),(60j ??? 5 上式中 ?cos39。 因 為觀察點(diǎn)處于二元天線陣的遠(yuǎn) 區(qū)，波程 差遠(yuǎn)小于觀察點(diǎn)的距 離，所以 在討論輻射場的大小時， 可近似認(rèn)為分母中的 r????r。因?yàn)橛^察點(diǎn)處于二元天線陣的遠(yuǎn)區(qū)，所以可認(rèn)為兩個單元天線的電場強(qiáng)度矢量彼此平行。 ???稱為天線陣的輻射場相位差函數(shù)，在天線陣元間距 d 和電流相位差 ????給定后，它是方向變量 ???的 函數(shù)。觀察點(diǎn)的方向改變時，兩單元天線輻射場的相位差函 數(shù) ???發(fā) 生變化，因此上式中小括號中的因子也是一個方向變量的函數(shù)，稱之為陣因子方向性函數(shù)，簡稱陣因子。 假設(shè)二元天線陣是等幅的2co s2eeee1 2j2j2jj ????? ????????? ??? ?于是，可以先用中間變量 輻射場的相位差函數(shù) ???來 表示等幅二元天線陣的陣因子，即 把式 ()代入上式，可得 （ ） 在方向性圖中，設(shè)計(jì)最大輻射方向所在的波瓣稱為主瓣，而與之相等的其他最大輻射方向所在的波瓣則稱為柵瓣。同樣，天線陣總的歸一化方向性函數(shù)也應(yīng)該等于歸一化方向性函數(shù)與歸一化陣因子的乘積，即 )c os(j1)c os(j1j12 ee),(e60j ?????? ?? ??? ?? ddr kEfrIkE??????? ????? c o s2c o s dd2c o s2)()( ??? ?? aa ff?????? ??? 2c o sc o s2)( ???? df a),(60)(),(60 1 ????? fr Iffr IE a ?? 6 F(?,??)???F1(?,??)Fa(?) （ ） 同相 二元天線陣的輻射場相位差函數(shù)為 （ ） 而歸 一化陣因子為 （ ） 從上式可以看出， Fa(90176。由于該方向 在陣軸的兩側(cè)，故同相二元天線陣又稱為側(cè)射式二元天線陣，也稱為 邊射式天線陣 。 (a) 半波對稱振子子午面方向性 (b) 陣因子方向性圖 (c) 二元 振子 午面總方向性圖 圖 齊平排列的二元天線 振子 午面的三個方向性圖 二元天線陣 最大輻射方向沿著陣軸方向，由電流相位超前的單元天線 1 指向電流相位落后的單元天線 2， 因而稱為 端射式二元天線陣。 ????? c o s2c o s dd ????????? ?? ??? c o sc o s)( dFa2s i n2s i neeeeeee1e1eee12/j2/j2/j2/j2/j2/jjj)1(j2jj ?????????????nnnnnn ?????????????????2s in2s in)()( ????nff aa ??2s in2s in)()()(m a x ?????nnffFFaaaa ??? 7 圖 地面上方的垂直天線 （ ） 側(cè)射式均勻直線天線陣的歸一化陣因子： （ ） 最大輻射方向在陣軸一端的直線天線陣稱為 端射式直線天線陣。令 輻射場相位差函數(shù) ??????0 （ ） 把上式代入，可得 （ ） 則對于端射式均勻直線天線陣，可得： （ ） 垂直接地 線 無 限大理想導(dǎo)電地面上方的垂直對稱振子 中心 O1 與地面的距離為 H。這樣，垂直對稱振子就和它的鏡像一起構(gòu)成了共軸線排列、間距為 d = 2H 的等幅同相二元天線陣。在分析地面上天線在垂直面內(nèi)方向性的時候，習(xí)慣上都以仰角 Δ 做方向變量。 ～ 90186。這樣，無限大理想導(dǎo)電地面上方垂直對稱振子輻射場為 圖 垂直半波對稱振子及其垂直面內(nèi)的方向性圖 (） 水平對陣 振子 接地 線 把無限大理想導(dǎo)電地面上方的水平對稱振子劃分成無限多個電流元，由于每一個電流元的鏡像都是負(fù)像，因此整個對稱振子的鏡像電流就是 負(fù)像 。我們?nèi)栽O(shè)直角坐標(biāo)系的 xOy平面位于地表面，與地面垂直、正方向向上的 z 軸是這個反相二元陣 的陣軸，電磁波射線與z 軸的夾角 ???與仰角 ????仍互為余角。從圖 中可知，電磁波射線與 y 軸的方向余弦為 ???? s inc o ss ins inc o s ???y (） rMrM llrIfrIE ?? ?? jj11 ec o s )c o s ()s i nc o s (60je)(60j ?? ??????????? s in4c o s2 ???? Hd?????? ????? s in2c o s22c o s2)( ?? Hf arMa Hllr IfEE ???? j1 es i n2c o sc o s )c o s ()s i nc o s (120j)( ??????? ???????? 9 圖 地面上方的水平天線 因此，水平對稱振子本身的輻射場為 (） 由式 可確定反相 二元陣的輻射場相位差函數(shù)為 (） 水平對稱振子的地面因子為 (） 于是便可得到理想導(dǎo)電地面上方水平對稱振子的輻射場 rMa Hllr IfEE ??? ??? j221 es i n2s i ns i nc o s1 )c o s ()s i nc o sc o s (1 2 0j)( ??????? ???? ????? (） 我們以半波對稱振子為例，分析理想導(dǎo)電地面上水平對稱振子的方向性。半波 對稱振子本身的方 向性函數(shù)為 (） 因此理想導(dǎo)電地面上水平對稱振子赤道面內(nèi)總的歸一化方向性函數(shù)就等于陣因子，即 （ ） rMrM llrIfrIE ?? ? ???? j22j11 es i nc os1 )c os ()s i nc osc os (60je),(60j ?? ?? ????????????? s in4c o s2 ????? Hd?????? ????? s in2s in22c o s2)( ?? Hf a?????? ???? s in2s in)( ?HF a1)(),( 101 ???? ? FF ????????? ?????? ?s in2s in )(),( 0?? ?HFF a? 10 圖 給出了不同架設(shè)高度的水平半波振子赤道面的方向性圖。 可以看出，垂直的主平面 yOz 平面是水平半波對稱振子及其鏡像共同的 子午 面，在該平面 內(nèi) ??= 90186。顯然，水平天線架設(shè)得越高，使陣因子有最大值的仰角就越多。架設(shè)高度 H 較低的水 平對稱振子由于第 1 個最大 輻射方向的仰角 ?M1 大，稱之為高射天線，可用于近距離天波通信。 在 水平面即 xOy 平 面內(nèi)，電磁波與 地面的夾角 ? = 0186。在實(shí)踐中，所說的水平對稱振子在水平面內(nèi)的方向性，并不是指幾何意義上的水平面，而是 圖 所示的圓錐面。當(dāng)電磁波射線在這個圓 錐面上移動時，仰角 ?M1不發(fā)生變化，即地面因子 famax = 1 的 值不變，僅方位角 ??發(fā)生變化 。在這 種情況下，由于歸一化地面因子的值 famax = 1 不變 ，水平對稱振子總的歸一化方向性函數(shù)就等于水平對稱振子本身的方向性函數(shù)，即 (） 上式中的仰角 ?M1 即陣因子第 1 個最大 輻射方向，由水平對稱振子的架設(shè)高度 H 所確定，它是一個不變的角度，而方位角 ??才是上式中的方向變量。,180186。–?M1]， 它的方向余弦的模 |cos?y| 總是小于 1。 圖 水平對稱振子在水平面內(nèi)的方向性圖 天線的 特性 參數(shù) 天線方向性圖主瓣兩側(cè)兩個零輻射方向之間的夾角稱為 主瓣張角，又 稱為零功率波瓣寬度，習(xí)慣上用 2θ0 表示。 功率流密度和輻射強(qiáng)度分別 是最大輻射方向功率流密度和輻射強(qiáng)度一半，這兩個方向稱為半功率輻射方向，而它們之間的夾角則稱為 主瓣寬度， 又稱為 半功率波瓣寬度 。 輻射電阻 對于給定的觀察點(diǎn) P（ r, ??, ）可以將方向性函數(shù)表示為 ),(60 ??frI，由此可得平均波印亭矢量為 ),(15