第3章行波天線

1、第第3 3章章 行波天線行波天線 第第3 3章章 行波天線行波天線 3.1 3.1 行波單導(dǎo)線及菱形天線行波單導(dǎo)線及菱形天線 3.2 3.2 螺旋天線螺旋天線行波天線與駐波天線的差別及優(yōu)缺點(diǎn)：行波天線與駐波天線的差別及優(yōu)缺點(diǎn)：駐波天線工作在駐波狀態(tài)，工作頻帶較窄，效率高于行波天線；駐波天線工作在駐波狀態(tài)，工作頻帶較窄，效率高于行波天線；行波天線工作在行波狀態(tài)，工作頻帶較寬，但效率低于駐波天線。行波天線工作在行波狀態(tài)，工作頻帶較寬，但效率低于駐波天線。第第3 3章章 行波天線行波天線 第一節(jié)第一節(jié) 行波單導(dǎo)線及菱形天線行波單導(dǎo)線及菱形天線 一、一、 行波單導(dǎo)線行波單導(dǎo)線行波單導(dǎo)線：天線上電流按行

2、波分布的單導(dǎo)線天線。行波單導(dǎo)線：天線上電流按行波分布的單導(dǎo)線天線。天線沿線各點(diǎn)電流振幅相等，相位連續(xù)滯后，其饋電點(diǎn)天線沿線各點(diǎn)電流振幅相等，相位連續(xù)滯后，其饋電點(diǎn)置于坐標(biāo)原點(diǎn)。置于坐標(biāo)原點(diǎn)。 zoRrkz cosldz輸入端電流為輸入端電流為 I0，忽略沿線電流的衰減，則線上電流分布為：忽略沿線電流的衰減，則線上電流分布為：0( )jkzI zI e 第第3 3章章 行波天線行波天線 分析方法分析方法：把天線分割成許多個(gè)電基本振子，取所有電基：把天線分割成許多個(gè)電基本振子，取所有電基本振子輻射場(chǎng)的總和，故本振子輻射場(chǎng)的總和，故: :(cos )00(1 cos )0260sin60sinsin

3、1cos 1cos2ljkzjk r zkljjkrIEjeedzrIkljeer方向函數(shù)為方向函數(shù)為: :sin(1cos )2( )sin(1cos )2klFkl第第3 3章章 行波天線行波天線 (a)(b)(c)m0z52.5z040.5z029mm行波單導(dǎo)線的方向性特點(diǎn)：行波單導(dǎo)線的方向性特點(diǎn)： （1 1）沿導(dǎo)線軸線方向沒有輻射。）沿導(dǎo)線軸線方向沒有輻射。（2 2）導(dǎo)線長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，最大輻射方向愈靠近軸線方向，同時(shí)主）導(dǎo)線長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，最大輻射方向愈靠近軸線方向，同時(shí)主瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣數(shù)增多。瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣數(shù)增多。（3 3）當(dāng)）當(dāng) l/ 很大時(shí)，主瓣方向隨很大時(shí)，主瓣方向隨 l

4、/ 變化趨緩，即天線的方向變化趨緩，即天線的方向性具有寬頻帶特性。性具有寬頻帶特性。 (a)l=; (b)l=1.5; (c)l=3第第3 3章章 行波天線行波天線 012345624002001601208040Rr /l /0240.05011.50200400l / 輻射電阻Rr方向系數(shù)D對(duì)稱振子對(duì)稱振子行波單導(dǎo)線天線行波單導(dǎo)線天線輻射阻抗輻射阻抗第第3 3章章 行波天線行波天線 sin(1cos )12mkl sin( )sin(1cos )2(1cos )2klFkl lm21arccos 變化快變化快 行波單導(dǎo)線的方向系數(shù)的近似計(jì)算公式：行波單導(dǎo)線的方向系數(shù)的近似計(jì)算公式：10lg

5、5.9710lg(lg0.915)llDdB 最大輻射角最大輻射角第第3 3章章 行波天線行波天線 二、二、 菱形天線菱形天線1 1、 菱形天線的結(jié)構(gòu)和工作原理菱形天線的結(jié)構(gòu)和工作原理增加行波單導(dǎo)線天線的增益的方法：增加行波單導(dǎo)線天線的增益的方法：排陣排陣 用用4 4根行波單導(dǎo)線構(gòu)成菱形天線。根行波單導(dǎo)線構(gòu)成菱形天線。接特性阻抗接饋線20lH兩線之間的距離變兩線之間的距離變化，故菱形線上各化，故菱形線上各點(diǎn)的特性阻抗不等，點(diǎn)的特性阻抗不等，從銳角端的從銳角端的600700變化到鈍角變化到鈍角處的處的1000。引起。引起天線上局部的反射，天線上局部的反射，從而破壞行波狀態(tài)。從而破壞行波狀態(tài)。為了

6、使特性阻抗變?yōu)榱耸固匦宰杩棺兓^小，菱形的各化較小，菱形的各邊通常用邊通常用23根導(dǎo)根導(dǎo)線并在鈍角處分開線并在鈍角處分開一定距離，使天線一定距離，使天線導(dǎo)線的等效直徑增導(dǎo)線的等效直徑增加，加，第第3 3章章 行波天線行波天線 菱形天線的輻射場(chǎng)：四根導(dǎo)線在空間的菱形天線的輻射場(chǎng)：四根導(dǎo)線在空間的合成場(chǎng)合成場(chǎng)。通過適當(dāng)選擇通過適當(dāng)選擇 菱形銳角菱形銳角20、邊長(zhǎng)邊長(zhǎng) l 來獲得最強(qiáng)的方向性，來獲得最強(qiáng)的方向性，并使最大輻射方向指向負(fù)載方向。并使最大輻射方向指向負(fù)載方向。 即菱形四根導(dǎo)線各有一最大輻射方向指向長(zhǎng)對(duì)角線方向。即菱形四根導(dǎo)線各有一最大輻射方向指向長(zhǎng)對(duì)角線方向。 lm21arccos0 1

7、234負(fù)載20m第第3 3章章 行波天線行波天線 在長(zhǎng)對(duì)角線方向，在長(zhǎng)對(duì)角線方向，1 1、2 2兩根行波導(dǎo)線合成電場(chǎng)矢量的總相位差應(yīng)兩根行波導(dǎo)線合成電場(chǎng)矢量的總相位差應(yīng)該由下列三部分組成：該由下列三部分組成：riE 菱形天線的工作原理菱形天線的工作原理 I1I2E2E10I1I4 I1E4E1(a)(b)射線行程差引射線行程差引起的相位差起的相位差電流相位不同電流相位不同引起的相位差引起的相位差電場(chǎng)的極化方向所電場(chǎng)的極化方向所引起的相位差引起的相位差00cos(1)02mklklklkll即長(zhǎng)對(duì)角線方向上導(dǎo)線即長(zhǎng)對(duì)角線方向上導(dǎo)線1 1、2 2的合成場(chǎng)同相疊加。的合成場(chǎng)同相疊加。 1234負(fù)載2

8、0m0( )jkzI zI e 第第3 3章章 行波天線行波天線 導(dǎo)線導(dǎo)線1 1和和4 4：在長(zhǎng)對(duì)角線方向上射線行程差引起的相位差在長(zhǎng)對(duì)角線方向上射線行程差引起的相位差r=0，電流相位差電流相位差 i=，電場(chǎng)極化相位差電場(chǎng)極化相位差 E=，總相位差總相位差 =2。I1I2E2E10I1I4 I1E4E1(a )(b )1234負(fù)載20m四條邊上的天線在長(zhǎng)對(duì)角四條邊上的天線在長(zhǎng)對(duì)角線上相位都是同相的。線上相位都是同相的。第第3 3章章 行波天線行波天線 2 2、 菱形天線方向函數(shù)菱形天線方向函數(shù)過長(zhǎng)軸的垂直平面的方向函數(shù)為過長(zhǎng)軸的垂直平面的方向函數(shù)為: :20008cos( )sin (1sin

9、cos )sin(sin)1sincos2klfkH 0 為菱形的半鈍角；為菱形的半鈍角；為仰角為仰角；H為天線的架設(shè)高度。為天線的架設(shè)高度。當(dāng)當(dāng)=0時(shí)（時(shí)（0為最大輻射方向仰角）。為最大輻射方向仰角）。水平平面的方向函數(shù)為：水平平面的方向函數(shù)為：0000000000cos()cos()1sin()cos1sin()cos( )sin1sin()cossin1sin()cos22fklkl 第第3 3章章 行波天線行波天線 菱形天線每邊的電長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，波瓣愈窄，仰角變小，副瓣增多。菱形天線每邊的電長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，波瓣愈窄，仰角變小，副瓣增多。菱形天線的方向圖菱形天線的方向圖(a)(a)水平平面方向圖；

10、水平平面方向圖；(b)(b)過長(zhǎng)軸的垂直平面方向圖過長(zhǎng)軸的垂直平面方向圖(a)(b)第第3 3章章 行波天線行波天線 3 3、 菱形天線的尺寸選擇及其變形天線菱形天線的尺寸選擇及其變形天線 當(dāng)通信仰角當(dāng)通信仰角0 確定以后，選擇主瓣仰角等于通信仰角。確定以后，選擇主瓣仰角等于通信仰角。使使 f(0) 最大，分別取各個(gè)因子分別最大：最大，分別取各個(gè)因子分別最大：04sinH20008cos( )sin (1sincos )sin(sin)1sincos2klfkH 使第三個(gè)因子最大，則使第三個(gè)因子最大，則 sin(kHsin0)=1，即選擇天線架高：，即選擇天線架高：第第3 3章章 行波天線行波

11、天線 使第二個(gè)因子為最大，則使第二個(gè)因子為最大，則: : sinkl(1-sin0cos0)/2=1，即天線每邊長(zhǎng)度：即天線每邊長(zhǎng)度： 002(1sincos)l 使第一個(gè)因子為最大，則使第一個(gè)因子為最大，則：00008cos()01sincosdd 由此得到半鈍角由此得到半鈍角 0 和仰角和仰角 0 應(yīng)滿足如下關(guān)系：應(yīng)滿足如下關(guān)系： 0090 在通信方向的仰角在通信方向的仰角 0 和工作波長(zhǎng)和工作波長(zhǎng)確定以后，確定以后，便可直接算出便可直接算出 H、l 和和 0。第第3 3章章 行波天線行波天線 菱形天線的主要優(yōu)點(diǎn)是：菱形天線的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1 1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，維護(hù)方便；）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造

12、價(jià)低，維護(hù)方便；（2 2）方向性強(qiáng)，增益系數(shù)可達(dá)）方向性強(qiáng)，增益系數(shù)可達(dá)100100左右；左右；（3 3）頻帶寬，工作帶寬可達(dá)（）頻帶寬，工作帶寬可達(dá)（2 23 3）11；（4 4）可應(yīng)用于較大的功率，因?yàn)樘炀€上駐波成分很小，因此）可應(yīng)用于較大的功率，因?yàn)樘炀€上駐波成分很小，因此不會(huì)發(fā)生電壓或電流過大的問題。不會(huì)發(fā)生電壓或電流過大的問題。 菱形天線的主要缺點(diǎn)是：菱形天線的主要缺點(diǎn)是：（1 1）結(jié)構(gòu)龐大，場(chǎng)地大，只適用于大型固定電臺(tái)作遠(yuǎn)距離通）結(jié)構(gòu)龐大，場(chǎng)地大，只適用于大型固定電臺(tái)作遠(yuǎn)距離通信使用；信使用；（2 2）副瓣多，副瓣電平較高；）副瓣多，副瓣電平較高；（3 3）效率低，由于終端有負(fù)載電

13、阻吸收能量。）效率低，由于終端有負(fù)載電阻吸收能量。第第3 3章章 行波天線行波天線 為了改善菱形天線的特性參數(shù)，常采用雙菱天線為了改善菱形天線的特性參數(shù)，常采用雙菱天線菱形對(duì)角線之間的距離菱形對(duì)角線之間的距離 d0.8，其方向函數(shù)表達(dá)式為其方向函數(shù)表達(dá)式為:21( , )( , ) cos(cossin)2kdff雙菱天線雙菱天線 d接 終 端 負(fù) 載單菱形天線的單菱形天線的方向函數(shù)方向函數(shù)雙菱天線的旁瓣電平比雙菱天線的旁瓣電平比單菱形天線低，增益系單菱形天線低，增益系數(shù)約為單菱形天線的數(shù)約為單菱形天線的1.51.52 2倍。倍。第第3 3章章 行波天線行波天線 為了提高菱形天線的效率，可采用

14、回授式菱形天線結(jié)構(gòu)。為了提高菱形天線的效率，可采用回授式菱形天線結(jié)構(gòu)?；厥谑搅庑翁炀€沒有終端吸收電阻，它是將終端剩余能量送回輸回授式菱形天線沒有終端吸收電阻，它是將終端剩余能量送回輸入端，再激勵(lì)天線入端，再激勵(lì)天線“2”2”。如果回授至輸入端的電流相位與輸。如果回授至輸入端的電流相位與輸入端的饋源電流相位相同，那么剩余的能量也就能輻射出去，入端的饋源電流相位相同，那么剩余的能量也就能輻射出去，從而提高了天線的效率。從而提高了天線的效率。回授式菱形天線回授式菱形天線主菱形回授菱形回授線終端吸收鐵線回授線長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器12第第3 3章章 行波天線行波天線 三、三、行波行波V V形天線形天線（Trave

15、lingWave Vee Antenna） V 形斜天線形斜天線，僅有一根支桿和兩根載有行波電流的導(dǎo)線組成，架僅有一根支桿和兩根載有行波電流的導(dǎo)線組成，架設(shè)很簡(jiǎn)單，適用于移動(dòng)的臺(tái)站中。設(shè)很簡(jiǎn)單，適用于移動(dòng)的臺(tái)站中。饋線RlRl第第3 3章章 行波天線行波天線 提高天線的有效高度之一提高天線的有效高度之一分布分布式加載，其典型天線之一即為螺旋鞭天式加載，其典型天線之一即為螺旋鞭天線線 （Helical Whip Antenna）。）。螺旋鞭天線螺旋鞭天線 D第二節(jié)第二節(jié) 螺旋天線螺旋天線 第第3 3章章 行波天線行波天線 螺旋天線的輻射特性取決于螺旋線直徑螺旋天線的輻射特性取決于螺旋線直徑D與波

16、長(zhǎng)的比值與波長(zhǎng)的比值 D/，此類天線具有三種輻射狀態(tài)。此類天線具有三種輻射狀態(tài)。螺旋天線的三種輻射狀態(tài)螺旋天線的三種輻射狀態(tài)(a) 邊射型邊射型 (b) 端射型端射型 (c)圓錐型圓錐型 (a)(b)(c)第第3 3章章 行波天線行波天線 螺旋柱直徑螺旋柱直徑 D=(0.250.46) 的端射型螺旋天線，的端射型螺旋天線，又稱為軸向模螺旋天線，簡(jiǎn)稱為螺旋天線，又稱為軸向模螺旋天線，簡(jiǎn)稱為螺旋天線，主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：（1）沿軸線方向有最大輻射；）沿軸線方向有最大輻射；（2）輻射場(chǎng)是圓極化波；）輻射場(chǎng)是圓極化波；（3）天線導(dǎo)線上的電流按行波分布；）天線導(dǎo)線上的電流按行波分布；（4）輸入阻抗近似為

17、純電阻；）輸入阻抗近似為純電阻； (5）具有寬頻帶特性。）具有寬頻帶特性。螺旋天線是一種最常用的典型的圓極化天線螺旋天線是一種最常用的典型的圓極化天線(Circular Polarized Antenna)。第第3 3章章 行波天線行波天線 一、一、 圓極化波的應(yīng)用圓極化波的應(yīng)用 使用一副圓極化天線可以接收任意取向的線極化波。使用一副圓極化天線可以接收任意取向的線極化波。1 1、通信的一方或雙方處于方向、位置不定的狀態(tài)，為了提高通、通信的一方或雙方處于方向、位置不定的狀態(tài)，為了提高通信的可靠性，收發(fā)天線之一應(yīng)采用圓極化天線。信的可靠性，收發(fā)天線之一應(yīng)采用圓極化天線。2 2、在人造衛(wèi)星和彈道導(dǎo)彈

18、的空間遙測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)穿過電離層、在人造衛(wèi)星和彈道導(dǎo)彈的空間遙測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)穿過電離層傳播后，產(chǎn)生極化畸變，這也要求地面上安裝圓極化天線作傳播后，產(chǎn)生極化畸變，這也要求地面上安裝圓極化天線作發(fā)射或接收天線。發(fā)射或接收天線。3 3、為了干擾和偵察對(duì)方的通信或雷達(dá)目標(biāo)，需要應(yīng)用圓極化天、為了干擾和偵察對(duì)方的通信或雷達(dá)目標(biāo)，需要應(yīng)用圓極化天線。線。4 4、在電視中為了克服雜亂反射所產(chǎn)生的重影，也可采用圓極化、在電視中為了克服雜亂反射所產(chǎn)生的重影，也可采用圓極化天線，因?yàn)樗荒芙邮招蛳嗤闹鄙洳?，抑制了反射波傳天線，因?yàn)樗荒芙邮招蛳嗤闹鄙洳?，抑制了反射波傳來的重影信?hào)。來的重影信號(hào)。第第3 3

19、章章 行波天線行波天線 圓極化波的重要性質(zhì)圓極化波的重要性質(zhì)：（1 1）圓極化波是一等幅旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，它可分解為兩正交等幅、）圓極化波是一等幅旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，它可分解為兩正交等幅、相位相差相位相差9090的線極化波；的線極化波；（2 2）輻射左旋圓極化波的天線，只能接收左旋圓極化波，）輻射左旋圓極化波的天線，只能接收左旋圓極化波，對(duì)右旋圓極化波也有相對(duì)應(yīng)的結(jié)論；對(duì)右旋圓極化波也有相對(duì)應(yīng)的結(jié)論；（3 3）當(dāng)圓極化波入射到一個(gè)平面上或球面上時(shí)，其反射波）當(dāng)圓極化波入射到一個(gè)平面上或球面上時(shí)，其反射波旋向相反，即右旋波變?yōu)樽笮?，左旋波變?yōu)橛倚āＰ蛳喾?，即右旋波變?yōu)樽笮ǎ笮ㄗ優(yōu)橛倚?。第? 3章章 行

20、波天線行波天線 二、二、 螺旋天線的工作原理螺旋天線的工作原理2 a同 軸 線 輸 入金 屬 接 地 板hl0sDs Dl0(a)(b)2a同 軸 線 輸 入金 屬 接 地 板hl0sDsDl0(a)(b)D螺旋的直徑；螺旋的直徑；a螺旋線導(dǎo)線的半徑；螺旋線導(dǎo)線的半徑；s螺距，即每圈之間的距離；螺距，即每圈之間的距離；螺距角，螺距角， l0一圈的長(zhǎng)度，一圈的長(zhǎng)度， N圈數(shù)；圈數(shù)； h軸向長(zhǎng)度，軸向長(zhǎng)度，h=Ns arctansD220()/sinlDss一圈展開圖形一圈展開圖形第第3 3章章 行波天線行波天線 xAxBxCxDIIII l0BACDBACDxl0BACDBACDxyy(a )(

21、b )將圓環(huán)展成將圓環(huán)展成直線時(shí)線上直線時(shí)線上的電流分布的電流分布t1時(shí)刻時(shí)刻l0BACDBACDxl0BACDBACDxyy(a )(b )yAyByCyDIIII t1 +T/4 時(shí)刻時(shí)刻經(jīng)過一個(gè)周期經(jīng)過一個(gè)周期T T的時(shí)間間的時(shí)間間隔，電場(chǎng)矢量將旋轉(zhuǎn)隔，電場(chǎng)矢量將旋轉(zhuǎn)360360。由于線上電流振幅值是由于線上電流振幅值是不變的，故軸向輻射的不變的，故軸向輻射的場(chǎng)值也不會(huì)變。場(chǎng)值也不會(huì)變。所以，周長(zhǎng)為一個(gè)波長(zhǎng)所以，周長(zhǎng)為一個(gè)波長(zhǎng)的載行波圓環(huán)沿軸線方的載行波圓環(huán)沿軸線方向輻射的是圓極化波。向輻射的是圓極化波。駐波駐波螺旋天線工作在圓螺旋天線工作在圓極化狀態(tài)的原因：極化狀態(tài)的原因：行波行波t t1 1 時(shí)刻軸向輻射場(chǎng)時(shí)刻軸向輻射場(chǎng)只有只有