天線(xiàn)技術(shù) 課件(西電第二版)第4章

第3章對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)、折合天線(xiàn)和單極天線(xiàn)3.1對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)3.2折合天線(xiàn)3.3單極天線(xiàn)3.4對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的饋電技術(shù)習(xí)題33.1對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)圖3-1對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)圖3-2終端開(kāi)路的傳輸與對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)(a)終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)；(b)對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的電流分布3.1.1對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)上的電流分布

根據(jù)對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工程上的近似方法是，把它看成是由一對(duì)終端開(kāi)路的傳輸線(xiàn)兩臂向外張開(kāi)而得來(lái)的，并假設(shè)張開(kāi)前、后的電流分布相似，如圖3-2所示。設(shè)開(kāi)路傳輸線(xiàn)上的電流按正弦規(guī)律分布，如圖3-2（a）所示。如果取對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，天線(xiàn)軸為z軸，如圖3-2（b）所示，則天線(xiàn)上的電流振幅分布表示式為Iz=Imsin［β(l-z)］

上臂(z>0)Iz=Imsin［β(l+z)］下臂(z<0)式中:Im為波腹點(diǎn)電流;β是對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)上電流波的相移常數(shù)，此時(shí)它就等于在自由空間時(shí)的相移常數(shù)（β=2π/λ）。圖3-3l為不同值時(shí)，對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)上的電流分布3.1.2對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的輻射和方向特性

1．對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的輻射特性確定了對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)上的電流分布后，就可以計(jì)算它在空間任一點(diǎn)的輻射場(chǎng)強(qiáng)了。由于對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)的長(zhǎng)度與波長(zhǎng)可以比擬，因此它上面各點(diǎn)的電流分布與電流元不一樣，不再是等幅同相的了。但是我們可以將對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)分成許多小微段，把每一小微段看作一個(gè)電流元，微段上的電流在某一瞬間可認(rèn)為是等幅同相的。于是對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)在空間任一點(diǎn)的輻射場(chǎng)強(qiáng)，就是由這許多電流元所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的疊加。［例3-1］對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)沿z軸放置，如圖3-4所示。設(shè)其上的電流分布為Iz=Imsin［β(l-|z|)］求對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)P點(diǎn)產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)的表達(dá)式。(3-1-2)

解在對(duì)稱(chēng)振子兩臂的對(duì)稱(chēng)位置上各取一個(gè)微段dz作為電流元（小單元），由單元電流Izdz產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)為

(3-1-3)其中,r為由觀(guān)察點(diǎn)P至單元電流Iz

dz的距離，θ為射線(xiàn)r與天線(xiàn)軸線(xiàn)間的夾角。

r0是對(duì)稱(chēng)振子的中點(diǎn)O與P點(diǎn)的距離。由于觀(guān)察點(diǎn)P是在遠(yuǎn)區(qū)，r1、r2和r0基本上是平行的，因而θ1≈θ2≈θ0。于是這兩個(gè)電流元在P點(diǎn)的場(chǎng)可認(rèn)為都是在r0方向。將式(3-1-1)或式(3-1-2)代入式(3-1-3)，得到天線(xiàn)上坐標(biāo)為z處的單元電流Iz

dz在觀(guān)察點(diǎn)P產(chǎn)生的輻射電場(chǎng)為上臂下臂(3-1-4)另外，由圖3-4可以看出，對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)而言，可以認(rèn)為θ1=θ2=θ0，并假設(shè)它等于θ，則有r1=r0-zcosθ

上臂(z>0)r2=r0+z

cosθ

下臂(z<0)(3-1-6)所以式(3-1-5）可寫(xiě)成積分后得圖3-4對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的輻射

2．對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的方向特性

用式(3-1-7）雖然可以表示對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的方向特性，但還不明顯、不直觀(guān)，故常用方向性函數(shù)和方向圖來(lái)表示。用方向圖可以直接看出各個(gè)方向上場(chǎng)強(qiáng)或功率密度的相對(duì)大小，分別稱(chēng)為場(chǎng)強(qiáng)方向圖或功率方向圖。將式(3-1-7）略去相位因子，并與式(2-2-1）相對(duì)比可知，對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的輻射場(chǎng)強(qiáng)方向性函數(shù)為

(3-1-8)由上式可以看出，對(duì)稱(chēng)振子輻射場(chǎng)的大小是與方向有關(guān)的，它向各個(gè)方向的輻射是不均勻的。其場(chǎng)強(qiáng)方向性函數(shù)為方向性函數(shù)F（θ，φ）不含φ，這表明對(duì)稱(chēng)振子的輻射場(chǎng)與φ無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)對(duì)稱(chēng)振子在與它垂直的平面（H面）內(nèi)是無(wú)方向性的。當(dāng)θ=90°，F(xiàn)（θ）=常數(shù)時(shí)，方向圖是一個(gè)圓，且與天線(xiàn)的電長(zhǎng)度l/λ無(wú)關(guān)。在子午面（E面）即包含振子軸線(xiàn)的平面內(nèi)，對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的方向性比電流元復(fù)雜，方向性函數(shù)不僅含有θ，而且含有對(duì)稱(chēng)振子的半臂長(zhǎng)度l，這表明不同長(zhǎng)度的對(duì)稱(chēng)振子有不同的方向性。對(duì)稱(chēng)振子的E面方向性圖隨l/λ變化的情況如圖3-5所示。圖3-5對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)的方向圖由圖3-5可得出下列結(jié)論：

(1)當(dāng)振子全長(zhǎng)2l在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)（2l≤λ）時(shí)，E面方向圖只有兩個(gè)大波瓣，沒(méi)有小波瓣，其輻射最大值在對(duì)稱(chēng)振子的垂直方向（θ=90°）。而且振子越長(zhǎng)，波瓣越窄，方向性越強(qiáng)。如圖3-5（a）所示。

(2)當(dāng)振子全長(zhǎng)超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)（2l>λ）時(shí)，天線(xiàn)上出現(xiàn)反向電流，在方向圖中出現(xiàn)副瓣。在2l=1.25λ時(shí)，與振子垂直方向的大波瓣兩旁出現(xiàn)了小波瓣。如圖3-5（b）所示。

(3)隨著l/λ的增加，當(dāng)2l=1.5λ時(shí)，原來(lái)的副瓣逐漸變成主瓣，而原來(lái)的主瓣則變成了副瓣，如圖3-5（c）所示。

(4)在l/λ=1，即2l=2λ時(shí)，原主瓣消失變成同樣大小的四個(gè)波瓣，如圖3-5（d）所示。當(dāng)2l=1.5λ時(shí)，最大輻射方向已經(jīng)偏離了振子的垂直方向。當(dāng)2l=2λ時(shí)，振子垂直方向根本沒(méi)有輻射了。對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)在子午面（E面）內(nèi)的方向圖隨l/λ而變化的物理原因是，不同長(zhǎng)度的對(duì)稱(chēng)振子上的電流分布不同。如圖3-3所示，在2l≤λ時(shí)，振子上的電流都是同相的。2l>λ以后，振子上的電流出現(xiàn)了反相部分。正是由于天線(xiàn)上的電流分布不同，各微段至觀(guān)察點(diǎn)的射線(xiàn)之間存在著行程差，因而電場(chǎng)間便存在著相位差。疊加時(shí)是同相相加的，即有最大的輻射；如是反相相減，則有零點(diǎn)值；而在其他方向上，有互相抵消作用，于是便得到了比最大值小的其他值。最常用的對(duì)稱(chēng)振子是2l=λ/2的半波振子或半波對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)，由式(3-1-8)得其方向性函數(shù)為

2l=λ的對(duì)稱(chēng)振子叫做全波振子或全波對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)，它的方向性函數(shù)是(3-1-10)(3-1-9)3.1.3對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的阻抗特性

1．對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的輻射功率

輻射功率的物理意義是：以天線(xiàn)為中心，在遠(yuǎn)區(qū)范圍內(nèi)的一個(gè)球面上，單位時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的能量。輻射功率的表示式為

(3-1-11)式中：表示在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)作閉合球面積分；S=E20/(2Z0)=E20/(240π)是功率密度，E0是遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)的幅度,Z0=120π為波阻抗。根據(jù)前面的討論，對(duì)稱(chēng)振子的遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)是它的幅度是(3-1-12)將式(3-1-12）代入式(3-1-11）,得到對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的輻射功率為(3-1-13)

2．對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的輻射電阻輻射電阻的定義為：將天線(xiàn)向外所輻射的功率等效為在一個(gè)輻射電阻上的損耗,即(3-1-14)由于對(duì)稱(chēng)振子上的電流按正弦分布，沿線(xiàn)電流幅度是變化的，即I(z)=Imsin［β(l-|z|)］因此,參考電流選得不同,輻射電阻就不同。一般常以正弦分布的波腹電流Im為參考，這時(shí)得到的輻射電阻是(3-1-15)積分過(guò)程很復(fù)雜，結(jié)果如下：RΣ=30［2(C+ln(2βl)-Ci(2)βl)+sin2βl(Si(4)βl-2Si(2)βl)+cos2βl(C+ln(βl)+Ci(4)βl-2Ci(2)βl)］式中:C=0.5772為歐拉常數(shù)；Ci(x)和Si(x)分別為余弦積分和正弦積分，即(3-1-18)(3-1-17)

3．對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的輸入阻抗

1）特性阻抗由傳輸線(xiàn)理論知，平行均勻雙導(dǎo)線(xiàn)傳輸線(xiàn)的特性阻抗沿線(xiàn)是不變化的，它的值為式中:D為兩導(dǎo)線(xiàn)間距；a為導(dǎo)線(xiàn)半徑。而對(duì)稱(chēng)振子兩臂上對(duì)應(yīng)線(xiàn)段之間的距離是變化的，如圖3-7所示，因而其特性阻抗沿線(xiàn)也是變化的。圖3-7中，2δ為對(duì)稱(chēng)振子饋電端的間隙。設(shè)對(duì)稱(chēng)振子兩臂上對(duì)應(yīng)線(xiàn)段（對(duì)應(yīng)單元）之間的距離為2z，則對(duì)稱(chēng)振子在z處的特性阻抗為式中，a為對(duì)稱(chēng)振子的半徑。將Z0(z)沿z軸取平均值即得對(duì)稱(chēng)振子的平均特性阻抗:(3-1-19)可見(jiàn)隨l/a的變化而變化，在l一定時(shí)，a越大，則平均特性阻抗越小。圖3-6對(duì)稱(chēng)振子的輻射電阻與的關(guān)系曲線(xiàn)圖3-7對(duì)稱(chēng)振子特性阻抗的計(jì)算

2）輸入阻抗平行均勻雙導(dǎo)線(xiàn)傳輸線(xiàn)是用來(lái)傳送能量的，它是非輻射系統(tǒng)，幾乎沒(méi)有輻射，而對(duì)稱(chēng)振子是一種輻射器，它相當(dāng)于具有損耗的傳輸線(xiàn)。根據(jù)傳輸線(xiàn)理論可知，長(zhǎng)度為l的有損耗傳輸線(xiàn)的輸入阻抗為(3-1-20)式中：Z0為有損耗傳輸線(xiàn)的特性阻抗，以式(3-1-19）的來(lái)代替；α和β分別為對(duì)稱(chēng)振子上等效衰減常數(shù)和相移常數(shù)。3）對(duì)稱(chēng)振子上的等效衰減常數(shù)α由傳輸線(xiàn)的理論知，有損耗傳輸線(xiàn)的衰減常數(shù)α為式中，R1為傳輸線(xiàn)的單位長(zhǎng)度電阻。對(duì)于對(duì)稱(chēng)振子而言，損耗是由輻射造成的，所以對(duì)稱(chēng)振子的單位長(zhǎng)度電阻就是其單位長(zhǎng)度的輻射電阻，記為RΣ1，再根據(jù)沿線(xiàn)的電流分布I(z)，可求出整個(gè)對(duì)稱(chēng)振子的等效損耗功率為(3-1-21)對(duì)稱(chēng)振子的輻射功率為(3-1-22)因?yàn)镻L就是PΣ，令PL=PΣ，則有(3-1-23)對(duì)稱(chēng)振子的沿線(xiàn)電流分布為(3-1-24)將上式代入式(3-1-23）得(3-1-25)因此，等效衰減常數(shù)α可寫(xiě)成(3-1-26)有了等效參數(shù)Z0和α，就可以利用等效傳輸線(xiàn)輸入阻抗的公式，即式(3-1-20）來(lái)計(jì)算天線(xiàn)的輸入阻抗Zin了。但計(jì)算過(guò)程很繁瑣，而且輸入阻抗Zin與對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)電長(zhǎng)度l/λ之間的關(guān)系很不直觀(guān)，因此實(shí)際上是以為參變數(shù)，作出Zin=f(l/λ)的各種曲線(xiàn)來(lái)求輸入阻抗的。圖3-8對(duì)稱(chēng)振子的輸入阻抗與l/λ的關(guān)系曲線(xiàn)由圖3-8可以得到下列結(jié)論：

(1)對(duì)稱(chēng)振子的平均特性阻抗越低，Rin和Xin隨頻率的變化越平緩，其頻率特性越好。所以欲展寬對(duì)稱(chēng)振子的工作頻帶，就必須減小。常常采用的方法是加粗振子直徑的方法，如短波波段使用的籠形振子天線(xiàn)就基于這一原理。

(2)l=λ/4時(shí)，對(duì)稱(chēng)振子處于串聯(lián)諧振狀態(tài);而l=λ/2時(shí)，對(duì)稱(chēng)振子處于并聯(lián)諧振狀態(tài)。無(wú)論是串聯(lián)諧振還是并聯(lián)諧振，對(duì)稱(chēng)振子的輸入阻抗都為純電阻。但在串聯(lián)諧振點(diǎn)l=λ/4的附近，輸入電阻隨頻率變化平緩，且Rin=RΣ=73.1Ω。這就是說(shuō)，當(dāng)l=λ/4時(shí)，對(duì)稱(chēng)振子的輸入阻抗是一個(gè)不大的純電阻，且具有較好的頻率特性，也有利于同饋線(xiàn)的匹配，這是半波振子被廣泛采用的一個(gè)重要原因。而在并聯(lián)諧振點(diǎn)附近，，是一個(gè)高阻抗，且輸入阻抗隨頻率變化劇烈，頻率特性不好。按式(3-1-20）計(jì)算對(duì)稱(chēng)振子的輸入阻抗很繁瑣。對(duì)于半波振子，在工程上可按下式作近似計(jì)算：(3-1-27)當(dāng)振子臂長(zhǎng)在0～0.35和0.65～0.85范圍時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致。在天線(xiàn)工程中，最常用的是半波對(duì)稱(chēng)振子，與全波對(duì)稱(chēng)振子比較，其輸入電阻受β的影響較小且隨頻率的變化較平緩，頻帶較寬。［例3-2］設(shè)對(duì)稱(chēng)振子的長(zhǎng)度為2l=1.2m，半徑a=10mm，工作頻率為f=120MHz，試近似計(jì)算其輸入阻抗。

解對(duì)稱(chēng)振子的工作波長(zhǎng)為所以查圖3-6得RΣ=65Ω由式(3-1-19）得對(duì)稱(chēng)振子的平均特性阻抗為將以上RΣ、

及β=2π/λ一并代入輸入阻抗公式，則得3.2折合天線(xiàn)3.2.1折合天線(xiàn)的阻抗特性圖3-9折合振子與短路雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)(a)短路雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)；(b)折合振子；(c)電流加倍的半波振子可對(duì)折合振子簡(jiǎn)單分析如下：（1）折合振子的輸入阻抗高。設(shè)折合振子的輸入阻抗為Zin，半波振子的輸入阻抗為Zin1，它們有相同的輸入功率Pin，則所以

(3-2-1)（2）根據(jù)耦合振子理論可知，半波折合振子的總輻射阻抗為

(3-2-2)由于兩振子間距很小，因此有式中:ZΣ1、ZΣ2分別是兩單線(xiàn)半波振子的輻射阻抗;Z11、Z22是它們的自阻抗，也是半波振子的輻射阻抗；Z12、Z21是它們的互阻抗。折合振子因?yàn)槠潆娏鞣植己蛦尉€(xiàn)振子相同，故其方向特性和單線(xiàn)半波振子完全相同。同時(shí)，因?yàn)榘氩ㄕ酆险褡拥妮斎腚娏髋c波腹電流正好相同，所以其輸入電阻與輻射電阻相同。因此，折合振子的輻射阻抗等于半波振子輻射阻抗的四倍，即ZΣ=4Z11

(3-2-4)因?yàn)榘氩ㄕ褡拥妮斎胱杩篂榧冸娮?，且輸入阻抗等于輻射阻抗，即Rin1=RΣ1=73Ω，所以折合振子的輸入阻抗為因此，折合振子的輸入阻抗是半波振子的四倍。（3）折合振子也可以看成是加粗的振子，它的等效半徑ae比較大，即(3-2-5）式中,a是導(dǎo)線(xiàn)的半徑，d是兩線(xiàn)間的距離。折合振子的兩根導(dǎo)線(xiàn)的線(xiàn)徑也可以不相等，如圖3-10所示。調(diào)整它們的比例可以改變折合振子相對(duì)于普通半波振子的輸入阻抗的變換比例。不等直徑折合振子與半波振子輸入阻抗之間的關(guān)系是(3-2-6）式中,C取決于線(xiàn)的間距d和線(xiàn)徑a1、a2，在線(xiàn)徑a1、a2遠(yuǎn)小于間距d的一般情況下：(3-2-7）由上式可見(jiàn)，不連接饋線(xiàn)那根導(dǎo)線(xiàn)的半徑a2大于連接饋線(xiàn)那根導(dǎo)線(xiàn)的半徑a1時(shí)，即a2>a1

時(shí)，C>1，Zin>4Zin1；反之，若a2<a1，則Zin<4Zin1。這說(shuō)明，折合天線(xiàn)的輸入阻抗還可以通過(guò)選擇兩根不同直徑的導(dǎo)線(xiàn)來(lái)進(jìn)行調(diào)整，便于天線(xiàn)與饋線(xiàn)進(jìn)行良好的匹配，這也是折合天線(xiàn)獲得廣泛使用的原因之一。折合振子除了可以用兩根導(dǎo)線(xiàn)做成以外，還可以使用兩根以上相同線(xiàn)徑的半波長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)做成，這時(shí):(3-2-8)式中，N是導(dǎo)線(xiàn)的根數(shù)。圖3-10折合振子3.2.2折合天線(xiàn)的寬頻帶特性

折合振子除了可提高輸入阻抗以外還可加寬頻帶。折合振子還具有一定的寬頻帶特性，其原因可以作如下解釋?zhuān)寒?dāng)把它看作傳輸線(xiàn)時(shí)，它是兩個(gè)串聯(lián)的λ/4短路線(xiàn)，如圖3-9（b）所示；而從整個(gè)天線(xiàn)看，它又是一個(gè)直徑很粗的λ/4開(kāi)路線(xiàn)，如圖3-9（c）所示；折合振子天線(xiàn)上既有傳輸線(xiàn)電流通路，又有天線(xiàn)電流通路。因此，可以把它看成是兩個(gè)串聯(lián)的λ/4短路線(xiàn)與一個(gè)λ/4開(kāi)路線(xiàn)并聯(lián)。在諧振狀態(tài)時(shí)，開(kāi)路線(xiàn)與短路線(xiàn)都呈現(xiàn)純電阻特性；當(dāng)偏離諧振頻率時(shí)，兩者中一個(gè)呈現(xiàn)感抗，另一個(gè)呈現(xiàn)容抗，具有電抗補(bǔ)償作用，使總的阻抗變化量不大，因此能在較寬的頻帶內(nèi)滿(mǎn)足阻抗匹配的要求。3.3單極天線(xiàn)3.3.1單極天線(xiàn)的方向特性與阻抗特性

1．單極天線(xiàn)的方向特性當(dāng)設(shè)地面為無(wú)限大的理想導(dǎo)電平面時(shí)，可用鏡像法來(lái)分析垂直接地的單極天線(xiàn)。天線(xiàn)臂與其鏡像構(gòu)成一對(duì)稱(chēng)振子，如圖3-11（b）所示。垂直天線(xiàn)與鏡像天線(xiàn)的電流等幅同相。由于垂直接地單極天線(xiàn)只在地面的上半空間輻射，因此，其方向圖在地面的上半空間與相應(yīng)對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的方向圖相同。分析如下：在理想導(dǎo)電平面上的單極天線(xiàn)的輻射場(chǎng)，可直接利用自由空間對(duì)稱(chēng)振子的公式進(jìn)行計(jì)算，即(3-3-1)式中，β=2π/λ；Im為波腹點(diǎn)電流，工程上常采用輸入電流表示。波腹點(diǎn)電流與輸入點(diǎn)電流I0的關(guān)系為(3-3-2)架設(shè)在地面上的線(xiàn)天線(xiàn)的兩個(gè)主平面方向圖一般用水平平面和垂直平面來(lái)表示。設(shè)Δ為射線(xiàn)與地面間的夾角，當(dāng)仰角Δ及距離r為常數(shù)時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度隨方位角φ的變化曲線(xiàn)即為水平面方向圖；當(dāng)方位角φ及距離r為常數(shù)時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度隨仰角Δ的變化曲線(xiàn)即為垂直面方向圖。參看圖3-11（b）,將θ=90°-Δ及式(3-3-2）都代入式(3-3-1）中，得架設(shè)在理想導(dǎo)電平面上的單極天線(xiàn)的方向性函數(shù)為由上式可見(jiàn)，單極天線(xiàn)水平面方向圖仍然為圓。圖3-12給出了四種不同的l/λ的垂直平面方向圖。它與自由空間對(duì)稱(chēng)振子方向圖的差別只是在下半空間無(wú)輻射。(3-3-3）圖3-11單極天線(xiàn)與其鏡像圖3-12單極天線(xiàn)垂直平面方向圖(a)l/λ=1/4;(b)l/λ=1/2;(c)l/λ=2/3;(d)l/λ=3/4由圖3-12可見(jiàn)，當(dāng)l/λ逐漸增大時(shí)，波瓣變尖。當(dāng)l/λ>0.5時(shí)，出現(xiàn)旁瓣。當(dāng)l/λ繼續(xù)增大時(shí)，由于天線(xiàn)上反相電流的作用，沿Δ=0°方向上的輻射減弱。因此實(shí)際中一般取l/λ為0.53左右。當(dāng)然，實(shí)際上大地為非理想導(dǎo)電體。也就是說(shuō)，實(shí)際架設(shè)在地面上的單極天線(xiàn)方向圖與上述方向圖有些差別，主要是因?yàn)榧茉O(shè)在地面上單極天線(xiàn)輻射的電磁場(chǎng)以地面波方式傳播。因此準(zhǔn)確計(jì)算單極天線(xiàn)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)時(shí)應(yīng)考慮地面的影響，也就是應(yīng)按地波傳播的方法計(jì)算輻射場(chǎng)。

2．單極天線(xiàn)的阻抗特性

在無(wú)限大理想導(dǎo)電地面上的單極天線(xiàn)的輻射電阻的求法與自由空間對(duì)稱(chēng)振子的輻射電阻求法完全相同。但單極天線(xiàn)的鏡像部分并不輻射功率，當(dāng)單極天線(xiàn)的激勵(lì)電壓是等效的雙極（對(duì)稱(chēng)）天線(xiàn)的一半時(shí)，單極天線(xiàn)的輻射功率只有相應(yīng)對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)的一半。因此，其輻射電阻為同樣長(zhǎng)度的自由空間對(duì)稱(chēng)振子輻射電阻的一半，其輸入阻抗也只有同樣長(zhǎng)度的自由空間對(duì)稱(chēng)振子輸入阻抗的一半。3.3.2單極天線(xiàn)的極化特性與頻帶特性當(dāng)單極天線(xiàn)的激勵(lì)電壓是等效的雙極（對(duì)稱(chēng)）天線(xiàn)的一半時(shí)，單極天線(xiàn)存在于上半空間的輻射場(chǎng)與對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的相等。單極天線(xiàn)的方向性函數(shù)和方向圖與對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的上半空間的方向性函數(shù)和方向圖也相同，所以其主瓣寬度極化特性與頻帶寬度等參數(shù)也均與對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的相同。3.3.3提高單極天線(xiàn)效率的方法

由于單極天線(xiàn)的高度受到限制，所以當(dāng)天線(xiàn)高度l<<λ時(shí)，其天線(xiàn)的輻射電阻很低，但損耗電阻RL卻較大。根據(jù)天線(xiàn)效率的定義有：可見(jiàn)，單極天線(xiàn)的效率很低。大約只是百分之幾，甚至千分之幾。因此提高單極天線(xiàn)的效率是十分必要的。提高單極天線(xiàn)效率的方法有兩種：一種是提高輻射電阻；另一種是降低損耗電阻。1.提高輻射電阻圖3-13加載天線(xiàn)圖3-14長(zhǎng)、中波波段的頂端電容加載的單極天線(xiàn)

2.降低損耗電阻單極天線(xiàn)的主要損耗來(lái)自于接地系統(tǒng)。因?yàn)榇蟮厥翘炀€(xiàn)電流回路中的一部分，電流流經(jīng)大地時(shí)，產(chǎn)生損耗，從而造成天線(xiàn)效率的降低。通常認(rèn)為接地系統(tǒng)的損耗主要是由兩個(gè)因素引起的：一個(gè)是天線(xiàn)電流在天線(xiàn)周?chē)臻g以位移電流形式，經(jīng)地面流入天線(xiàn)的接地系統(tǒng)返回信號(hào)源時(shí)所產(chǎn)生的損耗——電場(chǎng)損耗;另一個(gè)是天線(xiàn)上的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用在地表面上，根據(jù)邊界條件，地表面將產(chǎn)生徑向電流，此電流流過(guò)有損耗地層時(shí)將產(chǎn)生損耗——磁場(chǎng)損耗?？偟膿p耗電阻為電場(chǎng)損耗和磁場(chǎng)損耗所引入的電阻之和。顯然它與天線(xiàn)的形式、接地電條件以及大地的等效電參數(shù)等有關(guān)。但在實(shí)際工程中，降低損耗電阻的有效方法是：在天線(xiàn)底部加輻射狀地網(wǎng)。在地面下鋪設(shè)的地網(wǎng)一般由水平輻射狀鋪設(shè)的15～120根導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成，并同激勵(lì)器接地端相連，可大大降低地面回路的損耗電阻，從而提高天線(xiàn)的效率。3.4對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的饋電技術(shù)3.4.1同軸線(xiàn)饋電技術(shù)與平衡器饋電技術(shù)

1．λ/4扼流套平衡器饋電技術(shù)

圖3-15λ/4扼流套平衡器圖3-16同軸線(xiàn)饋電（a）同軸線(xiàn)饋電;（b）對(duì)稱(chēng)振子兩臂上的電流分布圖3-17剖面示意圖2．U形管平衡器饋電技術(shù)圖3-18U形管平衡器

U形管平衡器是將同軸主饋線(xiàn)的內(nèi)導(dǎo)體分成兩路：一路與對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的左臂在a點(diǎn)直接相連接，而另一路則由a點(diǎn)經(jīng)過(guò)彎折形成U形的、長(zhǎng)度為λg/2的一段相同規(guī)格的同軸線(xiàn)，在b點(diǎn)與天線(xiàn)的右臂相連接。λg為同軸線(xiàn)內(nèi)波長(zhǎng)。U形管外導(dǎo)體的終端和主饋線(xiàn)外導(dǎo)體的終端也接在一起。由于在同軸線(xiàn)上相距λg/2的兩點(diǎn)間的電壓（或電流）是等幅反相的，因此，同軸線(xiàn)通過(guò)U形管向?qū)ΨQ(chēng)振子饋電時(shí)，對(duì)稱(chēng)振子兩臂的電流分布就可實(shí)現(xiàn)平衡對(duì)稱(chēng)分布了。圖3-19將對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)等效成雙線(xiàn)圖3-20天線(xiàn)兩臂的電流分布由于l1=l2+λg/2后，在傳輸線(xiàn)上相距λg/2的兩點(diǎn)間的電流是等幅反相的，因此使天線(xiàn)兩臂的電流達(dá)到了對(duì)稱(chēng)平衡分布。這種U形管在實(shí)現(xiàn)電流對(duì)稱(chēng)變換的同時(shí)，還具有阻抗變換的作用。如圖3-18（a）所示，同軸主饋線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體上的電流Ie為振子兩臂上電流I1之和，即Ie=2I1；又因同軸線(xiàn)外導(dǎo)體均與地相接，同軸線(xiàn)內(nèi)外導(dǎo)體間的電壓若為Ue，設(shè)a點(diǎn)對(duì)地（o點(diǎn)）的電位Ua為正，則b點(diǎn)對(duì)o點(diǎn)的電位Ub為負(fù)，且Ua=-Ub=Ue,則a、b兩點(diǎn)間電壓Uab=2Ue，所以a、b兩點(diǎn)間的阻抗為現(xiàn)在分析由d點(diǎn)分別向a點(diǎn)和b點(diǎn)看入的輸入阻抗Rda和Rdb分別等于多少。取l1=λg/4，由傳輸線(xiàn)理論可知，λg/4線(xiàn)的傳輸線(xiàn)為阻抗變換器。先看d點(diǎn)向b點(diǎn)看的輸入阻抗。當(dāng)l1=λg/4時(shí),其等效傳輸線(xiàn)如圖3-21所示，其阻抗變換關(guān)系式為式中:Rdb為d點(diǎn)向b點(diǎn)看入的輸入阻抗;Zc為同軸線(xiàn)的特性阻抗。若取Zc為75Ω，則Rdb=Z2c/Rbo≈154Ω。圖3-21λg/4線(xiàn)的傳輸線(xiàn)為阻抗變換器同理，可求得d點(diǎn)向a點(diǎn)看的輸入阻抗也為154Ω。因?yàn)閘2是λg/4的奇數(shù)倍，所以也是一個(gè)阻抗變換器。最后,由d點(diǎn)向天線(xiàn)看入的輸入阻抗Rd為Rda和Rdb的并聯(lián)，即Rd=154/2=77Ω，基本上與75Ω同軸饋電電纜的特性阻抗相等，從而達(dá)到天線(xiàn)與饋線(xiàn)的阻抗匹配。

U形管平衡器饋電的主要缺點(diǎn)是工作頻帶窄。3．分流式平衡器饋電技術(shù)

圖3-22分流式平衡器由a、b兩點(diǎn)向（下）該短路線(xiàn)看入的輸入阻抗為無(wú)限大，從而抑制了同軸線(xiàn)外導(dǎo)體的外表面分流出來(lái)的電流，使電流全部流到振子臂上，保證了對(duì)天線(xiàn)兩臂的平衡饋電。當(dāng)工作頻率偏離中心頻率時(shí)，金屬圓柱與同軸線(xiàn)外導(dǎo)體的外表面均有電流流過(guò)。由于振子的輸入阻抗與平衡雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)的輸入阻抗在a、b兩點(diǎn)是并聯(lián)的，且對(duì)稱(chēng)振子（相當(dāng)于開(kāi)傳輸路線(xiàn)）的輸入電抗與雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)（相當(dāng)于短路傳輸線(xiàn)）的輸入電抗的符號(hào)相反，因而能起到相互補(bǔ)償作用。同時(shí)，流過(guò)平衡段上的電流與同軸線(xiàn)外導(dǎo)體的表面電流是等幅反相的，起到了電流補(bǔ)償作用，從而保持了天線(xiàn)兩臂上的電流仍然對(duì)稱(chēng)平衡分布，并保證了在平衡段與電纜短接點(diǎn)以下的電纜外皮的電流為零。這種結(jié)構(gòu)的平衡器可以工作于較寬的頻帶。4．開(kāi)槽式平衡器饋電技術(shù)圖3-23開(kāi)槽式平衡器分析其工作原理：注意，圖中C點(diǎn)是指同軸線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體上的一點(diǎn)，與外導(dǎo)體不相連。從C點(diǎn)向A點(diǎn)看，同軸線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體與左半外導(dǎo)體之間構(gòu)成了一個(gè)λ/4長(zhǎng)的終端短路的雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)，其輸入阻抗ZinCA=∞，故電流不從這個(gè)傳輸線(xiàn)上傳輸，而只能從由同軸線(xiàn)的內(nèi)導(dǎo)體與右側(cè)外導(dǎo)體構(gòu)成的傳輸線(xiàn)上傳輸，并將電流分別傳送到對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的左右兩臂上。另外,從A、B兩點(diǎn)沿著開(kāi)槽（外導(dǎo)體的外表面）向下看，又是一個(gè)λ/4的終端短路的雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)，其輸入阻抗ZinAB=∞，使得同軸線(xiàn)外表面的分流為0。這樣就使對(duì)稱(chēng)振子的電流實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱(chēng)分布。另外，λ/4開(kāi)槽部分的實(shí)際傳輸線(xiàn)是由同軸線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體與右半外導(dǎo)體構(gòu)成的，它的特性阻抗Zc約為原來(lái)同軸線(xiàn)特性阻抗Z0的兩倍。根據(jù)阻抗匹配原理可知，從C點(diǎn)向天線(xiàn)方向看入的輸入阻抗ZinC要等于C點(diǎn)以下同軸線(xiàn)的特性阻抗Z0。令天線(xiàn)的輸入阻抗為ZA，將開(kāi)槽線(xiàn)作為λ/4阻抗變換器，則有在天線(xiàn)輸入端的阻抗將為即開(kāi)槽式平衡器除了具有平衡的作用之外，還有4∶1的阻抗變換作用。5．傳輸線(xiàn)變換器饋電技術(shù)能量從變換器的始端到終端是通過(guò)分布電容、分布電感以電磁能量交換的形式來(lái)傳遞的,即以傳輸線(xiàn)傳送能量的形式進(jìn)行，這和通常的低頻變壓器不同。它克服了普通變壓器在高頻時(shí)由于線(xiàn)圈的分布電容所帶來(lái)的不利影響，改善了高頻特性。此外，每對(duì)傳輸線(xiàn)AB與CD兩導(dǎo)線(xiàn)電流的幅度相等方向相反，因而它們?cè)诖判局挟a(chǎn)生的磁通相互抵消，這樣磁芯的損耗很小，即使磁芯截面很小，也具有較大的功率容量。傳輸線(xiàn)的導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度l以不超過(guò)上限頻率的1/8傳輸線(xiàn)內(nèi)波長(zhǎng)為宜，即l<λg/8。若l/λg過(guò)長(zhǎng)，則損耗增大;若過(guò)短，則低頻特性變差。圖3-24寬帶傳輸線(xiàn)變換器圖3-25傳輸線(xiàn)變換器的工作原理圖3-26傳輸線(xiàn)變換器饋電應(yīng)用舉例

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