畢業(yè)設(shè)計（論文）垂直近地線狀天線工程應(yīng)用中問題研究

1、（輸入章及標題）大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 垂直近地線狀天線工程應(yīng)用中問題研究學(xué) 院 年級專業(yè) 03級電信 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 專業(yè)負責人 答辯日期 2007-6-24 iii大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院： 系級教學(xué)單位： 電子工程系 學(xué)號0學(xué)生姓名專 業(yè)班 級電信2課題題 目垂直近地線狀天線工程應(yīng)用中問題研究來 源工程實際主要內(nèi)容垂直近地線狀天線是應(yīng)用最廣泛的天線（舉典型例）。該類型天線方向性分析。工程應(yīng)用中的問題：架設(shè)距地表高度的影響，天線有效高度，地表電性能的影響及對策?；疽蟾拍钋宄_，令人信服的理論分析。對不同架設(shè)高度，推導(dǎo)出方向函數(shù)作出方向圖。熟悉掌握matlab繪圖程序參考資料

2、殷際杰，微波技術(shù)與天線，電子工業(yè)出版社，2004。劉志成等，天線原理，國防科技大學(xué)出版社，1989周 次14周58周912周1316周1718周應(yīng)完成的內(nèi)容閱讀教材相關(guān)章節(jié)理論分析。上機繪圖。起草論文，定稿。準備答辯。指導(dǎo)教師：殷際杰系級教單位審批： 摘要摘 要在長、中波波段，由于波長較長，天線架設(shè)的電高度h/受限，若采用水平懸掛的天線受地面的負鏡像的作用，天線的輻射能力很弱。此外，在此波段，主要采用地波傳播方式，當波沿地表面?zhèn)鞑r，水平極化波的衰減很大，要求天線輻射垂直極化波。鑒于以上因素，在長、中波段主要使用垂直于地面架設(shè)的天線，這種天線還廣泛應(yīng)用于短波和超短波波段的移動通信電臺中，一般用

3、一節(jié)或數(shù)節(jié)金屬棒或金屬管構(gòu)成節(jié)間可以用螺接、卡接或拉伸等方法聯(lián)接。由于此波段天線的長度并不長，外形像鞭子，故又稱為鞭天線。至于在長、中波波段，天線的幾何高度很高，除用高塔(木桿或金屬)作為支架將天線吊起外，也可直接用鐵塔作為輻射體，稱為鐵塔天線或桅桿天線。關(guān)鍵詞天線；高度；極化；輻射61abstractthe long, harmonious band, the wavelength is longer, erection of the antenna height - h / restricted, the use of flags of the antenna level. ground

4、by the negative image of the role of the radiated weakness. moreover, in this band, used mainly to the wave propagation, when the wave spread along the surface, the level of polarization wave attenuation great, antenna radiation requirements of vertical polarization wave. in light of the above facto

5、rs, the long, the band mainly use perpendicular to the ground to set up the antenna, this antenna is also widely used in shortwave and fm-band mobile radio communications, general or with a few sections of metal pipe or rod form. section that can be used lo next, card access methods such as tensile

6、or connectivity. as the band antenna length is not long, whip outside image, it is also known as the whip antenna. as for the long, am-band antenna height of the geometric high, using high tower (wood or metal) as a scaffold to lifting the antenna, but also the direct use as a radiation-tower, known

7、 as the antenna tower or antenna mast. keywords antenna height polarization radiation目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 天線的發(fā)展和在無線通信中的作用11.2 直立天線的應(yīng)用2第2章 直立天線的理論分析52.1 分析直立天線的基礎(chǔ)知識52.1.1 電流元的輻射場52.1.2 行波天線的輻射場82.2 對稱振子102.2.1 對稱振子上的電流102.2.2 對稱振子上的電流102.3 直立天線132.4 本章小結(jié)14第3章 垂直天線在工程中的問題153.1 垂直天線架設(shè)距地表高度的影響153

8、.2 有效高度193.3 地表電性能的影響及對策223.4 本章小結(jié)25結(jié) 論26參考文獻27附錄1 開題報告29附錄2 文獻綜述35附錄3 外文譯文及外文復(fù)印39附錄458致謝59第1章 緒論第1章 緒論1.1 天線的發(fā)展和在無線通信中的作用人類之間的通信最早是通過說話的聲音來完成的。為實現(xiàn)遠距離通信，先出現(xiàn)了鼓等器具，然后出現(xiàn)了旗話、煙火等可視方法，這些光通信方式當然都利用了電磁波譜中的光波部分。直到近代無線電波電磁波譜中可見光以外的部分才在通信中得到應(yīng)用。天線是任何無線電系統(tǒng)中的基本組成部分。天線是一種用來發(fā)射或接收電磁波的器件。換句話說，發(fā)射天線將傳輸線中的導(dǎo)行電磁波轉(zhuǎn)換為“自由空間”

9、波，接收天線則與此相反。于是信息可以在不同地點之間不通過任何連接設(shè)備傳輸，可用來傳輸信息的電磁波頻率構(gòu)成了電磁波譜。人類最大的自然資源之一就是電磁波譜，而天線在利用這種資源的過程中發(fā)揮了重要的作用。天線的理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組，由詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(james clerk maxwell,18311879)1864年提交給英國皇家學(xué)會，它將電學(xué)和磁學(xué)統(tǒng)一到單一的電磁理論中。麥克斯韋還預(yù)見地指出光可以用電磁波來解釋，并且光和電磁擾動具有相同的傳播速度。1887年，德國物理學(xué)完赫茲(heinrich hertz，1857一1894)用實驗證明了麥克斯韋關(guān)于電磁波運動通過

10、空氣傳播的預(yù)言.馬可尼(guglielmo marconi,18741937)在1901年第一次跨越大西洋的無線電通信中使用的發(fā)射天線，有一個70khz的火花發(fā)射器連接于一個由50條導(dǎo)線組成的系統(tǒng)和地之間，構(gòu)成一個48m高的單極天線，圖11 早期天線天線的早期發(fā)展受到信號發(fā)生器實用性的制約，采用镕福雷斯待三極管產(chǎn)生高達1mh的連續(xù)波信號后，1920年左右，可調(diào)節(jié)物理長度的諧振天線(例如一個半波振子天線)成為現(xiàn)實。就在第二次世界大戰(zhàn)前夕，微波速調(diào)管和磁控管信號發(fā)生器以及波導(dǎo)管得到了發(fā)展，這些促進了喇叭天線的發(fā)展。第一部商用微波無線電話系統(tǒng)1934年在英國和法國間開始運營，工作頻率為18ghz。戰(zhàn)

11、爭中對雷達的需求產(chǎn)生了許多“摩登”天線，如大反射面天線，透鏡天線和波導(dǎo)陣列大線1。1.2 直立天線的應(yīng)用天線是個看似很專業(yè)的名詞，其實天線的基本原理并不復(fù)雜，天線可以是任何的導(dǎo)線或者是導(dǎo)體，此一導(dǎo)線或?qū)w可以通過脈沖或者是交流訊號電流。這一電流通過導(dǎo)線或者是導(dǎo)體時，會產(chǎn)生電場及磁場，而這些電磁場就與通過導(dǎo)線的電流節(jié)奏一樣，假如在旁邊有另一導(dǎo)線通過這電磁場，便會感應(yīng)出電流，而此電流就與另一條產(chǎn)生電磁場的導(dǎo)線上之電流一樣，只是電流規(guī)模會小很多。假如產(chǎn)生電磁場的導(dǎo)線很長，比如長到大約一個波長左右，那么由這導(dǎo)線所產(chǎn)生出的電磁場輻射，就可延伸達到很遠的距離。圖1-2 基本的四分之一波長鞭狀天線最簡單的垂

12、直天線就是鞭狀天線(whip)，參看圖1-2所示。所謂的鞭狀天線指的就是一根長四分之一波長的導(dǎo)管或?qū)Ь€站立在接地面上，最普遍的例子就是汽車上用的天線，以及做為廣播接收天線、市民波段天線、及業(yè)余無線電用天線，甚至是大哥大的天線。鞭狀天線的發(fā)展可以追朔到1890年代，當時馬可尼進行無線電波實驗，使用的就是鞭狀天線，當時馬可尼希望能夠印證無線電波可傳遞到很遠的地方。  為了達成這個理想，他把一根天線延伸得很長，而且高聳在地面上，因為當時試驗用的頻率很低，波長相當長，所以天線的長度也就很長，馬可尼于當時得到一個結(jié)論，就是天線離地面越遠，接收的效果越好。  天線與其它電子零件一樣，最

13、少也要有兩個接線端點，鞭狀天線也不例外，除了天線主體外，接地面就是其中的一個接線端，也許是所謂的接地面并不明顯，它可能是線路板的接地銅箔，甚至可能只是干電池的負端。  由鞭狀天線主體及接地面才能組成一個完整的天線，因為天線必須要透過主天線體與接地面之間才能建立起電磁場，這樣有了交流訊號的通路，才能算是完整的電路。標準的接地面必須要延伸出四分之一波長以上，在環(huán)境或空間不允許之下，接地面可能會較小，這雖然照樣可以正常運作，但是性能會有很大的折扣。 四分之一波長鞭狀天線的尺寸并不小，對于1mhz的am廣播波段而言，四分之一波長大約是75公尺左右，但是對于fm廣播波段而言，比如是100mhz

14、，則四分之一波長大約是75公分，這種四分之一波長的尺寸會隨著頻率的上升而逐漸縮小。例如頻率到了1000mhz，四分之一波長就只剩下7.5公分，如果以公分為單位的話，四分之一波長就是以7500去除以頻率(mhz)。但這算出來的長度只是一個參考基準點，因為實際應(yīng)用時，天線長度可能需要長一些，也可能需要短一點。如天線主體肥胖時，可能就要短一些，或者不是從天線底端做饋送點，可能要短一些；至于天線體所擺放的接地面太小時，那么天線體可能就要適度地加長了。  天線的長度要從靠近真正的接地面算起，或者從發(fā)射機的輸出阜算起。如果有這么一只鞭狀天線裝在盒子內(nèi)，而且采用一般的接線連接到發(fā)射機，那么從發(fā)射機

15、到天線盒之間的接線也會成為天線體的一部份。  為了確保天線可以正常調(diào)諧工作，采用外接天線時，記得要使用同軸纜線來連接天線，對于一般的雙面線路板，可以使用一面接地板另一面布置銅箔線的方式來模擬同軸纜線。之所以強調(diào)要采用同軸纜線，一方面是為了要確保天線的正常運作，另一方面也可確保訊號在傳輸過程當中，會有最小的損失。同時更要注意天線體不能太靠近接地面，否則會變成傳輸線而不是天線體。直立天線在工程中廣泛的應(yīng)用，同樣也出現(xiàn)了常見的問題，大概有三種問題，如下（1）直立天線架設(shè)距地表高度工程應(yīng)用中直立天線一般離地都有一定的高度，而了便于研究直立天線，都不考慮其離地表高度，這樣直立天線的方向圖比較規(guī)

16、則，在工程應(yīng)用中對直立天線的研究就必須考慮它離地高度對天線方向性的影響。（2）直立天線的有效高度在長、中波波段，由于天線的電高度不可能很高，因此其輻射電阻很低，要在不增加高度h的條件下增大輻射電阻，惟一的辦法是提高天線的有效高度。（3）地表電性能的影響在對直立天線理論分析時，大多數(shù)把地表考慮成理想導(dǎo)電體，但對于用于廣播發(fā)射臺的鐵塔天線，因其輻射功率很大（可達數(shù)十千瓦，乃至數(shù)百千瓦），這樣地面的損耗就比較大，影響天線的效率。第2章 直立天線的理論分析第2章 直立天線的理論分析2.1 分析直立天線的基礎(chǔ)知識天線的問題首先是要分析研究發(fā)射天線所產(chǎn)生的輻射波（輻射場）在空間的分布規(guī)律，這對實現(xiàn)不同目的

17、的無線電信是非常重要的。例如，移動通信的基站天線應(yīng)具有輻射最強方向沿地表且在水平方向上方向相同（水平全向）的輻射波分布。而對于點對點的無線電信，輻射波應(yīng)具有“針狀波束”的分布，這既節(jié)省了發(fā)射功率，同時也減少了對其他無線電信系統(tǒng)的干擾（連續(xù)波干擾）。求解發(fā)射天線的輻射場問題，屬于電磁場理論中由已知場分布求其場在空間的分布問題，符合人們分析研究問題的習(xí)慣和規(guī)律（即順向思維），因此我們討論天線問題應(yīng)從求解發(fā)射天線的輻射場入手并作為討論的重點。至于接收天線問題，則是在研究發(fā)射天線的基礎(chǔ)上，借助于電路理論中的互易定理建立天線發(fā)射與接收狀態(tài)之間的關(guān)系而獲得所需要的結(jié)果。由空間一點處電磁場的規(guī)律，即麥克斯韋

18、方程的微分形式： （2-1） 可知，作為場源的存在形式有傳導(dǎo)電流密度j、電荷密度（在時變的情況下，它是與j相關(guān)的），還有時變的電場 （位移電流密度）和時變的磁場 （對應(yīng)于電場的情況，也可稱之位移磁流密度）。那么，流有時變電流的金 屬導(dǎo)線就是一種發(fā)射天線；而內(nèi)有時變電場或時變磁場分布的口經(jīng)面（如 波導(dǎo)壁面上開槽、波導(dǎo)終端開口面等）也是一種發(fā)射天線形式。2.1.1 電流元的輻射場從直觀和更為具體的角度考慮，我們研究發(fā)射天線的輻射場分布問題，從載有時變電流的金屬導(dǎo)線線狀天線入手。線狀天線可以看做是無窮多電流元的連接組合，那么空間任一點處這無窮多電流元所產(chǎn)生的場之和（一般地說這是不同矢量方向、不同幅值

19、和相位的矢量之和），這也正是我們研究電流元輻射場的意義所在。電流元是為分析線狀天線而設(shè)想的一個物理模型，它是一端具有微分長度、截面尺寸更小于其長度并流有正弦時變電流的天線微分分段，這樣在其長度范圍內(nèi)我們可以認為其電流的幅值和相位都是恒定的。電流元也稱為基本電振子或元電輻射體，因為它是為研究線天線而抽象出來的天線最小構(gòu)成單元。電流元也被稱為電偶極子，因為在正弦時變電流的情況下，它相當于位于兩端面位置上的一對電量相等極性相反且隨時間極性交變的點電荷。討論天線輻射場問題宜采用球坐標系，圖2-1就是把電流元置于球坐標系原點時，空間（球面上）任一點處其電場矢量的球坐標分量的表示。圖2-1 電流元分析圖電

20、流元在其周圍空間區(qū)域產(chǎn)生的電磁波的表達式為 （2-2）可見其場量幅值與距離r的關(guān)系是很復(fù)雜的。我們分析天線的遠區(qū)場（即距離r>>的空間區(qū)域）輻射場更具有實際意義。當場點至天線的距離r遠遠大于波長時，式（2-2）中與 項比較， 及 項均可略去，這樣便得到電流元輻射場的足夠精確的表達式可知，電流元輻射場只是和兩個場分量，它們相互垂直、相位相同、幅值與距離成反比，它們所構(gòu)成的坡印廷矢量，即電磁波的能量向r方向傳播。電流元的輻射場表達式為 （2-3）下面我們可根據(jù)式（2-3）來進一步分析電流元產(chǎn)生的遠區(qū)場即輻射場的一些性質(zhì)：（1）電流元輻射場的電場與磁場空間方向正交（相互垂直），且垂直于波

21、的傳播方向；它們在時間上同相位；幅值比為輻射波的波阻抗。這樣當電流元在空間任一位置處的輻射場的電場為已知時，這一點處的磁場的方向、幅值和相位也就確定了。（2）電流元輻射場的相位隨r的增大而不斷滯后，其等相位面是以r為半徑的球面，即電流元的輻射波是球面波。在r值極大的局部空間區(qū)域，電流元的輻射波可近似為平面波而且是tem波。（3）輻射波的強度即場強的幅值或與比值 正比。就是說載流導(dǎo)線即天線的長度（這里是）能與波長相比擬時才能產(chǎn)生有效的輻射。這就告訴我們，一般地說天線的工作頻率越高其尺寸越??；低頻信號難于建立有效的輻射，因為難于構(gòu)造與其波長尺寸相當?shù)奶炀€。因此，在無線電信中對所欲傳送的信號進行頻譜

22、搬移（調(diào)制），不只是為了信道復(fù)用，也是為了實現(xiàn)有效的輻射。（4）電流元輻射場的幅值（或）具有方向性，即電流元向不同空間方向輻射電磁波的強度不同。由式（2-3）可知，電流元輻射的幅值在r確定的情況與方位角無關(guān)（從對稱關(guān)系考慮這是不難理解的），與俯仰角有關(guān)。我們把天線輻射場表達式中與方向有關(guān)的因子定義為天線的方向函數(shù)，記做。那么電流元的方向函數(shù)為 （2-4）方向函數(shù)的圖象就是天線的方向圖，方向圖更直觀形象地表示出天線輻射的方向性。圖2-2是用直角坐標（即標高圖）和極坐標做出的電流元的方向圖。前者因角度坐標不受限而可以細化，后者則更為形象和直觀地表示輻射的方向性。在天線理論分析中更多的是采用極坐標方

23、向圖。(a) (b)圖2-2 電流元方向圖我們把天線輻射最強的方向定義為天線的主向，也就是天線方向函數(shù)為最大值的方向。電流元主向為，即與電流元軸線垂直的方向。由于電流元的輻射場為旋轉(zhuǎn)對稱分布，因此其主向不是單一方向而是環(huán)繞電流元軸線一周與其軸線垂直的所有方向。顯然，若電流元垂直于地面（暫不考慮地面的影響）。它的方向圖則與廣播發(fā)射天線、電視發(fā)射天線及移動通信基站天線所要求的方向圖大體上是吻合的。2.1.2 行波天線的輻射場如圖2-3所示，我們以流有行波電流的長直導(dǎo)線的輻射場分析為例，來說明電流元是怎樣應(yīng)用于線天線的分析研究中的。載有行波電流的長直天線稱為行波長線天線，令線長大于半波長，線終端接匹

24、配負載以保證線上為行波電流。為簡化分析，暫不計地面影響，既行波長線天線工作于自由空間；不計沿線的歐姆損失和輻射損失，即沿線長電流輻值不變而只有相位滯后。這樣行波長線天線上的電流為 （2-5）其相移常數(shù)與自由空間中電磁波的相移常數(shù)相同。圖2-3 行播天線電路圖把行波長線天線看做是無窮多的電流元沿天線軸線連接而成，如圖2-4。取線上任一位置z處的dz線段，我們把它看做電流元（在dz內(nèi)線上電流幅值、相位均為恒定），它在空間任一點p處產(chǎn)生的輻射場（這里只寫出電場記做，而無須再寫出磁場）為 （2-6）圖 2-4 行波天線分析圖整個長線長中無窮多個這樣的電流元都要在p點處產(chǎn)生各自的輻射場，它們疊加的結(jié)果就

25、是整個行波長線天線的輻射場。2.2 對稱振子我們可以用分析行波長線天線那樣，利用電流元和疊加原理來分析對稱振子天線的輻射特性。為此必須首先確定對稱振子上的高頻電流分布的規(guī)律。在工程上采取近似的方法，把對稱振子看成是終端開路的傳輸線兩線張開的結(jié)果，并認為其上的電流分布規(guī)律仍和張開前的終端開路線規(guī)律一樣。2.2.1 對稱振子上的電流現(xiàn)以對稱振子的饋電點為坐標原點（參照圖2.1），則可寫出對稱振子右臂（z>0）上的電流表達式 （2-7）對稱振子左臂（z<0）張開前其上電流與右臂反相位（反方向），張開后空間方向上電流方向與右臂相同，這樣整個對稱振子上的電流分布可寫成下式 （2-8）式中是波

26、腹電流, 為對稱振子天線的長度，相移常數(shù) 與自由空間輻射波的相移常數(shù)相同。2.2.2 對稱振子上的電流由以上分析可知，對稱振子上的電流分布是不均勻的。為分析對稱振子的輻射特性，我們同樣把對稱振子看做是無窮多個電流元沿天線軸線z方向有序排列連接而成，如圖2-5所示。在對稱振子兩臂取對稱的位置z和-z處的一對電流元和，由于對稱振子結(jié)構(gòu)及電流分布的對稱性，電流元和的電流幅值、相位是相同的，它們在空間任一點p處的輻射場分別為 和 （2-9） 圖2-5 對稱振子分析圖 和 在p點的疊加，是在觀察線，都很大，可以認為它們平行，這樣 和 即為矢量方向相同的共線矢量，矢量求和則簡化為標量和。而且因為，；對稱位

27、置的電流元長度一樣即；在場量疊加時，的差異對場量幅值的影響可以忽略不計，但對場量相位的影響則必須考慮。以垂直天線的原點的觀察線r為基準，則有 （2-10） 于是我們可以得到對稱振子天線上電流元在空間上任一點p處的輻射場疊加的結(jié)果 （2-11）則對稱振子天線在空間任一點p處的輻射場，應(yīng)是構(gòu)成它的無窮多電流元在p點輻射的疊加結(jié)果，即 （2-12）從中可以得到對稱振子的方向函數(shù) （2-13） 式中為垂直天線的軸線為基準的角度，為垂直天線的長度，h為垂直天線離地高度， 為相移常數(shù)。對稱振子天線的方向函數(shù)與方向角無關(guān)，這表明其方向圖是以振子軸線為基準的旋轉(zhuǎn)對稱圖形，這是由對稱振子的結(jié)構(gòu)所決定的，因而對稱

28、振子天線的輻射場分布是旋轉(zhuǎn)對稱分布的。對稱振子的一臂長在方向函數(shù)中作為參量會影響到方向圖。在圖中示出不同臂長的對稱振子子午面（即通過振子軸的平面）內(nèi)的方向圖。對稱振子天線在振子軸線方向上零輻射，這是與電流元的輻射特性相一致的。圖26 對稱振子的e面方向圖(2h=0.5,1,1.5,2)a)2h0.5 b)2h1.0 c2h1.5 d)2h2.02.3 直立天線長波和中波波段，采用地表面波傳播方式，電磁波的傳播穩(wěn)定且距離遠。地表面波要求天線輻射垂直極化波，因為地面對水平極化波的衰減大（水平極化波在地面產(chǎn)生的感生電流大）。這就是采用垂直地面的直立架設(shè)的天線。如圖2-7所示為幾種典型的直立天線，如用

29、于廣播發(fā)射的鐵塔天線圖2-7（a）,用于中小功率通信電臺的傘形天線圖2-7（b）和“t”行天線圖2-7（c），用于移動通信臺的鞭狀天線圖2-7（d）等。 (b) （a） 圖2-7幾種典型的直立天線如果把地表面看做理想導(dǎo)電平面，那么直立天線與其鏡像（正象）剛好成為一個對稱振子。直立天線高度h就是振子一臂長，再把計算對稱振子輻射場公式中的角換作觀察線與地面的夾角（與互為余角），則可寫出直立天線輻射場的表達式 （2-14）在工程實際的計算中，往往因天線高度h<0.25而不能出現(xiàn)波腹電流，這時采用天線輸入電流更方便。輸入電流。上式可改為 （2-15）從中可得到直立天線的方向函數(shù) （2-16）其方

30、向圖就是直立的對稱振子的方向圖，不過地面以下沒有意義2，見圖2-8。 p r 水平平面 鉛直平面 h a h(a) (b) (c)圖2-8 直立天線方向圖2.4 本章小結(jié) 本章介紹了電流元的輻射場，通過電流元再來分析行波天線，由行波天線來分析對稱振子輻射特性，最后是直立天線，它與地面鏡像的部分正好夠成一個對稱振子，所以易推出直立天線的方向函數(shù)。下章介紹的是直立天線在工程應(yīng)用中的問題。第3章 垂直天線在工程中的問題第3章 垂直天線在工程中的問題3.1 垂直天線架設(shè)距地表高度的影響如果把地表面看做理想導(dǎo)電平面，那么直立天線與其鏡像（正象）剛好夠成為一個對稱振子，所以直立天線的方向函數(shù)的推導(dǎo)過程和對

31、稱振子就非常相似了，由于用于通信臺的鞭狀天線大部分都離地有一定的高度，所以對稱振子臂長，是直立天線的長度，h是直立天線離地高度。如圖3-1。圖3-1 垂直天線分析圖根據(jù)上章對對稱振子的方向函數(shù)的推導(dǎo)過程，我可以得到垂直天線上電流元在空間上任一點處的輻射場疊加的結(jié)果，并且 （3-1）垂直天線上z點處電流元的輻射場 （3-2）鏡像上z點處電流元的輻射場 （3-3）則垂直天線在空間任一點處的輻射場，應(yīng)是構(gòu)成它的無窮多電流元在此點輻射的疊加結(jié)果，即 （3-4）因為只考慮地面以上，+h>0,即 （3-5）從中可以得到垂直天線的方向函數(shù) （3-6）為研究垂直天線在不同的架設(shè)高度的影響，為了簡單分析，

32、我們作出h=0， ， ， 時的方向圖進行分析（為簡化，令 ，即半波振子情況）利用matlab畫出方向圖（程序附錄4）圖3-2 h=0 直立天線的方向圖 圖3-3 h= 直立天線的方向圖 圖3-4 h= 直立天線的方向圖 圖3-5 h=直立天線的方向圖h=0，即為對稱振子的方向圖的一半，可以看出垂直天線的電磁波輻射的方向是水平全向的。當h>0，從圖上可以看的出，垂直天線的輻射的方向不僅僅沿地表了，而且在斜上方也有電磁波的輻射，并且從四個圖中可以看出副瓣的輻射的能量增加和副瓣在增加。還有從圖中看出隨著垂直天線高度的增加主瓣的寬度減少。鞭狀天線一般離地面有一定的高度，我們已經(jīng)看到了不同的高度的

33、方向圖了，它們副瓣的增加，也就相當于增加了干擾，例如手機就是用的鞭狀天線，副瓣的增加，對信號的接受有干擾，對人大腦輻射增加了，同樣車載天線也是屬于鞭狀天線，所以減少副瓣的增加和輻射強度是我們解決鞭狀天線問題之一。3.2 有效高度天線的有效高度（長度）是一個等效概念，它是把天線不均一的電流分布折算成均一分布的等效長度，其前提是天線的主向及主向輻射強度不變。有效高度是直立天線，特別是鞭狀天線的重要參量。參考圖3-6以直立天線的輸入電流作為折算基準，天線上任意位置處的電流為 （3-7）圖3-6 天線的有效高度根據(jù)有效高度的折算概念，以為基準 （3-8）經(jīng)過整理 （3-9）式中的相移常數(shù) 。若直立天線

34、的高度，特別是鞭狀天線h<<,對式中三角函數(shù)作級數(shù)展開并略去高冪項，則得 （3-10）用于廣播發(fā)射的鐵塔天線不能用（3-9）來計算有效高度，因為輻射功率很大，天線導(dǎo)體的損耗功率不能忽略，天線上的電流分布不能按式（3-7） 而要用有損線的雙曲函數(shù)規(guī)律來表示。為減弱廣播發(fā)射用鐵塔天線向高空的輻射，以免接收點場強因天波分量的干涉產(chǎn)生衰落現(xiàn)象，通常取鐵塔天線高度 （3-11）這樣使主瓣更窄。工程上稱之為抗衰落天線。在長、中波波段，由于天線的電高度不可能很高，因此其輻射電阻很低，要在不增加高度h的條件下增大輻射電阻，惟一的辦法是提高天線的有效高度，由有效高度的定義可知，若設(shè)法改變沿天線的電流

35、分布，則可以提高，理想的情況是其電流分布等同于電基本振子的電流分布即沿線的電流是等幅同相的則可以采用加載的辦法來改善電流分布，加載形式又分為集中加載和分布加載，加載可以是電容性或電感性負載。當工作波長在分米波以下，加載可以使天線電流分布從駐波變?yōu)樾胁?，從而達到增寬天線工作頻帶寬度的目的。改善直立天線性能的途徑則是提高輻射電阻和減少損耗電阻。具體辦法一種是給天線加頂負載；另一種辦法則是給天線中間加感，這種方法多用于鞭狀天線。 加頂負載如圖3-7所示，在鞭狀天線的頂端加金屬球、金屬圓盤或金屬輻射葉等，均稱為頂負載。天線加頂負載后增加了天線頂端與地的分布電容，使天線頂端電流不再為零。這相當于天線的高

36、度h增高，增加了天線的有效高度，從而提高了天線的輻射電阻。圖3-7 天線加頂對于輻射功率比較大的固定電臺的天線，頂負載可以做大些，如圖3-8中鐵塔天線頂端的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)2。 圖3-8 鐵塔天線加頂天線加頂負載后的等效增長部分可那以下方法估算 （3-12） （3-13）式中為直立天線的平均波阻抗，它應(yīng)為相應(yīng)對稱振子平均波阻抗的一半。是頂負載對地的電容。加頂負載后，天線的有效長度可按如下經(jīng)驗公式估算 （3-14）在直立接地天線的頂部加一根或幾根水平或傾斜的導(dǎo)線，構(gòu)成t形，倒l形和傘形天線。在中波鐵塔天線的頂端加一水平金屬網(wǎng)、球或柱，在短波鞭天線的頂端加星狀輻射葉片。這此線、板、片等柳稱為天線的頂負

37、載，其作用是增大頂端對地的分布電容，使天線頂端的電流不再為零。加感線圈在單極天線中部某點加入一定數(shù)值的感抗，就可抵消該點以上線段在該點所呈現(xiàn)的部分容抗，從而起到提高電流波腹點，使c點以下電流分布趨向均勻。見圖42，它對加感點以上線段的電流分布并無改善作用。加感點的位置一般選擇在距天線頂端(1/31/2)h處，h為天線的實際高度。因為若太接近頂點，此點的容抗很高需要插入大電感量的線圈才起作用，這不僅增加了天線上部的重量，使天線不穩(wěn)定，也引入了較高的損耗電阻。由于它僅對加感點以下線段的電流分布起改善作用，顯然，加感點不應(yīng)該選得太低。無論是加頂電容還是插入線圈，均稱天線的加載。天線加載除了集中加載外

38、，還采用涂一定厚度的介質(zhì)層進行分布電抗加載。加介質(zhì)涂層的目的是為了防護或改善天線的輻射特性，在許多場合下不允許天線導(dǎo)線與周圍媒質(zhì)直接接觸。加載不僅用于直立接地天線中，對稱振子兩臂同樣可采用加載的措施來相對地減小其尺寸。3.3 地表電性能的影響及對策在長、中波天線中，由于輻射電阻小，天線的損耗便顯得更為重要。天線的損耗包括導(dǎo)線的銅損耗、絕緣材料的介質(zhì)損耗和地電流的損耗。銅損耗和介質(zhì)損耗一般都很小，可忽略不計，在此，只考慮地損耗的影響。長、中波天線大多是垂直天線，從底瑞饋電，發(fā)射機一端接地另一端與天線連接，如圖3-9所示。輸出電流經(jīng)一瑞流到天線，再經(jīng)過天線與地之間的分布電容以位移電流的形式流到地面

39、，成為地電流，然后流到天線的另一端。因為地面是長、中波天線的回路，但地面土壤不是理想導(dǎo)體，電流流過會引起損耗，這種損耗比起銅損耗和絕緣損耗大得多，因面設(shè)法改造地面的導(dǎo)電能力，盡量減小地損失，對提高天線效率十分重要。圖3-9 電流分布圖 地損耗的計算方法是，首先假定地是理想導(dǎo)電地，求出地面以下的電流分布，再由分布電流及實際地面的土壤參數(shù)求出地損耗功率。 現(xiàn)以 代表在地表面距離天線為y處的總徑向電流，通過計算可得 （3-15） 式中，y為離天線底的距離，h為天線的高度，為天線的輸入電流。 根據(jù)此式可以對不同高度h的天線畫出徑向電流 隨天線底的徑向距離y/而變的關(guān)系曲線，如圖3-9所示(圖中假設(shè)輻射

40、功率為lkw。由圖可見，當h</4時，天線助總徑向電流隨y的增大而減??；當h>/4時，地電流隨y的增大而增大；當h=/4時，地電流則不隨距離而變，但不論h為何值，隨著y的增大地電流都是趨向一個固定值。由此式可以看出， 由兩部分組成。大括號內(nèi)的實部屬于輻射場成分，它隨y的增大而增大，并趨向一確定值；大括號內(nèi)的虛部用于感應(yīng)場成分，它隨y的增大而減小，這兩部分電流的相位差。在y2附近，不論h為何值 都趨向一固定值，實際上己幾乎完全是輻射場。所以，在y>2范圍，地電流雖然還有相當大的數(shù)值，但這時地電流的損耗已用于電波傳播的損耗。因此，在計算天線地損耗時只需考慮離天線底2的圓周范圍內(nèi)的

41、地電流。圖3-10 不同高度天線的地電流分布曲線由圖3-10可以看出，當天線電高度較小時，天線底附近的地電流很大，所以特別需要良好的地面，尤其是短天線，因其輻射電阻很小，更需要接地良好以便降低地損耗，提高天線效率。為了減少地電流造成的損失，需要采取措施改善土壤的導(dǎo)電性能，通常是在地面以下鋪設(shè)地網(wǎng)。地網(wǎng)就是以天線底部為中心的多根徑向輻射狀導(dǎo)線、地網(wǎng)的埋沒深度一般為0.2-0.5m，如果在耕地下面則應(yīng)埋設(shè)較深，以免鋤傷。線的根數(shù)可以從15根到350根，但一般不必超過120根，導(dǎo)線直徑約為3mm，長度有半個波長就夠了，但必須伸出天線頂在地而上的投影范圍之外，有時在導(dǎo)線末端加地樁，并將周界線與各地樁連

42、接起來，地樁的深度應(yīng)在穿透深度以下。 除了在地下埋設(shè)地網(wǎng)以減小損失以外，還可在地面上鋪設(shè)地網(wǎng)，地面上的地網(wǎng)稱為平衡網(wǎng)，其形狀可以是正方形、長方形、正六邊形等，內(nèi)部可為方格形或三角形，周圍各點可用絕緣子將其拉緊。對小功率發(fā)射臺，平衡網(wǎng)距地面的高度為0.51.5m，對大功率發(fā)射臺來說為26m。平衡網(wǎng)離地面較高，能減小電流的損耗，但同時卻降低了天線的有效高度，從而減小了天線的輻射電阻，所以需要全面衡量，選取一個適中的高度。從減少地損耗捉高效率考慮，在地下埋沒地網(wǎng)效果比平衡網(wǎng)要好些，但埋設(shè)地網(wǎng)比較麻煩，移動電臺一般都設(shè)平衡網(wǎng)。對于固定電臺，當?shù)刭|(zhì)導(dǎo)電不良或為堅硬巖石時，也須采用平衡網(wǎng)。埋設(shè)地網(wǎng)后，計算

43、地損耗時可以只計算土壤電流造成的損耗3。3.4 本章小結(jié)本章介紹了直立天線在工程應(yīng)用中常見的三種問題：一，上章得到直立天線的方向函數(shù)，利用matlab畫出了不同的離地高度的方向圖，從中發(fā)現(xiàn)了一些問題。二，由于工作在長波和中波天線的高度與波長難于相當，需要給天線加頂負載，來增加天線的有效高度。三，在工程中，地面不是理想的導(dǎo)體，有一定的阻抗，需要鋪設(shè)地網(wǎng)來減少阻抗，提高天線效率。結(jié) 論現(xiàn)在移動通信事業(yè)以飛快的速度發(fā)展，離不開天線技術(shù)的快速成長。天線的種類各種各樣，本課題研究的是直立天線，典型的直立天線幾種，廣播發(fā)射的鐵塔天線，用于中小功率通信電臺的傘狀天線和“t”行天線，用于移動通信臺的鞭狀天線等

44、。本課題研究的主要問題是直立天線在工程應(yīng)用中的問題，在工程中，主要有三個問題：其一，天線距地表架設(shè)高度對天線輻射的影響，通過推導(dǎo)和畫方向圖，了解到直立天線離地架設(shè)后，主瓣的寬度也隨著離地高度的增加變窄，但產(chǎn)生了副瓣，并且離地越高其副瓣越大，所以消除副瓣或者減少，是發(fā)現(xiàn)問題的目的。其二，天線的有效高度，由于實際的直立天線很難做到高度與波長相當，需要增加天線的有效高度，具體辦法一種是給天線加頂負載；另一種辦法是給天線中間加感。其三，地表電性能的影響，對于實際，地表并不是理想的導(dǎo)電體，有一定的阻抗，通過鋪設(shè)金屬地網(wǎng)，來減少地面電阻，即減少地面的損耗，提高了天線效率。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我更加深入地了

45、解了直立天線，更接觸到在實際應(yīng)用中的直立天線，且發(fā)現(xiàn)了幾個實際問題。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）參考文獻1 王增和,盧春蘭,錢祖平等.天線與電波傳播.機械工業(yè)出版社.2003,162 殷際杰,微波技術(shù)與天線,電子工業(yè)出版社.20043 朱崇燦,黃景熙,魯述.天線.武漢大學(xué)出版社.1996,1401454 劉志成等,天線原理,國防科技大學(xué)出版社.19895 李玉瑩,徐曉文.基于矩量法對導(dǎo)體板上單極天線特性研究,電波科學(xué)學(xué)報.2002,(04) 6 王春. hf全向?qū)拵⌒突瘑螛O子天線的研究與實現(xiàn)電子科技大學(xué).2006 7 彭宏利,張厚,劉其中.一種新型結(jié)構(gòu)的小型化雙頻手機內(nèi)置天線.西安電子科技

46、大學(xué)學(xué)報.2003,(01) 8 吳丹,漆蘭芬.用于個人通信手機的微帶天線與單極天線對人體輻射的比較分析.無線電工.1999,(05) 9 楊明,淺談手機內(nèi)置天線.電子世界. 2001,(11) 10 張戈,王淑菊.無線發(fā)展.天線先行.無線電工程. 2003,(05) 11 酈息明,陸小明.通信天線的特性和應(yīng)用淺析.江蘇水利. 2004,(04) 12 陳勝兵,盛海強,焦永昌,張福順,劉其中.雙頻基站天線中的反射板形狀設(shè)計,電波科學(xué)學(xué)報, 2004, (06) 13 郭榕.蜂窩移動通信雙頻基站天線設(shè)計,西安電子科技大學(xué).2007 14 王媛,帥震清,馮林.移動通信基站電磁輻射實例分析,四川環(huán)境.2006,(06) 15 t. s. m.maclean. principles of antennas wire and aperture. cambridge university press. 198616 lee,w.c.y.,mobile communications engineering.mcgraw-hill,198217 bach.andersen.j. antennas for vhf/uhf personal radio.ieee trans.vehicular technology. vol.v