天线与电波传播课件(第三章)宽带天线

天线与电波传播

第3章宽带天线3.1行波天线前面讲的振子型天线,其上电流为驻波分布,如对称振子的电流分布为

式中,第一项表示从馈电点向导线末端传输的行波;第二项表示从末端反射回来的从导线末端向馈电点传输的行波;负号表示反射系数为1。当终端不接负载时,来自激励源的电流将在终端全部被反射。这样,振幅相等、传输方向相反的两个行波叠加就形成了驻波。凡天线上电流分布为驻波的均称为驻波天线。驻波天线是双向辐射的,输入阻抗具有明显的谐振特性,因此,一般情况下工作频带较窄。

I m jβh jβz e e jβz ) I(z)=Im sinβ(h-z)= ( e 2j

(3-1-1)

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如果天线上电流分布是行波,则此天线称为行波天线。通常,行波天线是由导线末端接匹配负载来消除反射波而构成,如图3-1-1所示。最简单的有行波单导线天线、V形天线和菱形天线等,它们都具有较好的单向辐射特性、较高的增益及较宽的带宽,因此在短波、超短波波段都获得了广泛的应用。但由于部分能量被负载吸收,所以天线效率不高。 1.行波单导线天线的方向图若天线终端接匹配负载,则天线上电流为行波分布: I(z)=I0 e jβz (3-1-2)

忽略地面的影响,行波天线的辐射场为

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r

θ~ I(z)匹配负载 l

图 3-1-1行波天线

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经积分得1 jβ[ r+ (1 cosθ )]βl j 60πI 0 sinθ 2 sin (1 cos) e Eθ=λr 1 cosθ 2

(3-1-3)

因而,单根行波单导线的方向函数为 βl sinθ sin (1 cos) 2 Fθ= 1 cosθ

(3-1-4)

由图 3-1-2可见,行波天线是单方向辐射的,但其最大辐射方向随电长度l/λ的变化而变化,旁瓣电平较高且瓣数较多,与其它类型天线相比,相对其电尺寸而言增益是不高的。但这些不足可以利用排阵的方法来进行改善。 当天线较长时,行波天线的最大辐射方向可近似由下式确定:

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天线与电波传播90° 4.1632 120°3.1224 3.5705 2.0816 1.0408

90° 60° 120°

5.9508 4.7607

60°

150°

30°

150°

2.3803 1.1902

30°

180°

0°

180°

0°

210°

330°

210°

330°

240° 270°

300°

240° 270°

300°

(a)

(b)

图 3-1-2

l=4λ和8λ时行波单导线方向图

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因此,有 cosθm=

1

λ2l

由上式可见,当l/λ较大,工作波长改变时,最大辐射方向θm变化不大。 2. V形天线和菱形天线用两根行波单导线可以组成V形天线。对于一定长度l/λ的行波单导线,适当选择张角2θ,可以在张角的平分线方向上获得最大辐射,如图 3-1-3所示。 由于l/λ较大时,工作波长改变而最大辐射方向θm变化不

大,因此V形天线具有较好的方向图宽频带特性和阻抗宽频带特性。由于其结构及架设特别简单,特别适应于短波移动式基站中。

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l

匹配负载

θmθθm

Rl/2

Rl/2

图 3-1-3 V形天线(l/λ=10,θ=15°)

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目前,另一种被广泛应用于短波通信和广播、超短波散射通信的行波天线是由四根行波单导线连接成菱形的天线。它可以看成是由两个V形天线在开口端相连而成,其工作原理与V形天线相似。载有行波电流的四个臂长相等,它们的辐射方向图完全相同,如图3-1-4所示。适当选择菱形的边长和顶角2θ,可在对角线方向获得最大辐射。

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天线与电波传播吸收电阻 2θ馈电 H合成方向图

图 3-1-4菱形天线及其平面方向图

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3.2螺旋天线将导线绕制成螺旋形线圈而构成的天线称为螺旋天线。通常它带有金属接地板(或接地网栅),由同轴线馈电,同轴线的内导体与螺旋线相接,外导体与接地板相连,其结构如图32-1所示。螺旋天线是常用的圆极化天线。 螺旋天线的参数有:螺旋直径d=2b;螺距h;圈数N; 每圈的长度c;螺距角Δ; 轴向长度L。

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d c

L

接地板同轴线

图 3-2-1螺旋天线

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这些几何参数之间的关系为 c2=h2+(πd)2

hΔ=arctanπdL=Nh

(3-2-1)

螺旋天线的辐射特性与螺旋的直径有密切关系: ① d/λ<0.18时,天线的最大辐射方向在与螺旋轴线垂直的平面内,称为法向模式,此时天线称为法向模式天线,如图 32-2(a)所示。

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(a)

(b)

(c)

图 3-2-2螺旋天线的辐射特性与螺旋的直径的关系

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②当d/λ≈0.25~0.46时,即螺旋天线一圈的长度c在一个波长左右的时候,天线的辐射方向在天线的轴线方向,此时天线称为轴向模式天线,如图3-2-2 (b)所示。 ③当d/λ>0.5时,天线的最大辐射方向偏离轴线分裂成两个方向,方向图呈圆锥形状,如图3-2-2 (c)所示。 1.法向模螺旋天线由于法向模螺旋天线的电尺寸较小,其辐射场可以等效为电基本振子与磁基本振子辐射场的叠加,且它们的电流振幅相等,相位相同,如图3-2-3(a)所示。 每一圈螺旋天线的辐射场为 E=aθEθ+aφEφ (3-2-2)

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天线与电波传播z z

h

θ

I d (a) (b)

图 3-2-3法向模螺旋天线的辐射特性分析 (a)电基本振子与磁基本振子的组合; (b) E面方向图

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式中, Eθ和Eφ分别是电基本振子与磁基本振子的辐射场。 N圈螺旋天线的辐射场为

Nwu0 I e jβr E= (a0 jh+ a kπb 2 ) sinθ 4π r则 β=n1k= n1

(3-2-3)

式中,β为相移常数。设螺旋线

上的波长缩短系数为n1,

2π

λ

(3-2-4)

由于Eθ和Eφ的时间相位差为π/2,所以法向模螺旋天线的辐射场是椭圆极化波,呈边射型,方向图呈“8”字形,如图3-2-3 (b)所示,只有当Eθ=Eφ即h=kπb2时,螺旋天线辐射圆极化波。