第8章線天線8.1基本概念和公式

8.2典型例題分析8.3基本要求

8.4部分習(xí)題及參考解答

8.1基本概念和公式

8.1.1線天線的定義

橫向尺寸遠小于縱向尺寸并小于波長的細長結(jié)構(gòu)的天線稱為線天線,它們廣泛地應(yīng)用于通信、雷達等無線電系統(tǒng)中。

8.1.2對稱振子天線

1.對稱振子天線的結(jié)構(gòu)

對稱振子天線是由兩根互成180°、粗細和長度都相同的導(dǎo)線構(gòu)成,中間為兩個饋電端,如圖8-1所示。圖8-1細振子的輻射

2.對稱振子天線的輻射

1)輻射場假如天線振子沿z軸放置,其上的電流分布為

其中,β為相移常數(shù),則細振子天線的輻射場為

其中

圖8-2分別為四種不同電長度(相對于工作波長的長度:2h/λ=1/2,1,3/2,2)的對稱振子天線的歸一化E面方向圖,其中2h/λ=1/2和2h/λ=1的對稱振子分別稱為半波對稱振子和全波對稱振子,最常用的是半波對稱振子。由方向圖可見,當電長度趨近于3/2時,天線的最大輻射方向?qū)⑵x90°,而當電長度趨近于2時,在θ=90°平面內(nèi)就沒有輻射了。

由于|F(θ)|不依賴于φ,所以H面的方向圖為圓。圖8-2對稱振子天線的歸一化E面方向圖

2)輻射功率

3)輻射電阻

圖8-3給出了對稱振子的輻射電阻RΣ隨其臂的電長度h/λ的變化曲線。圖8-3對稱振子的輻射電阻與h/λ的關(guān)系曲線

3.半波振子的輻射電阻及方向性

1)半波振子的定義

振子的電長度2h/λ=1/2的對稱振子稱為半波振子。

2)半波振子的E面方向函數(shù)

3)輻射電阻

4)方向系數(shù)

5)方向圖的主瓣寬度

4.振子天線的輸入阻抗

1)特性阻抗

對稱振子的平均特性阻抗如圖8-4所示,則

式中,a和h分別為對稱振子的半徑和一臂的長度。圖8-4對稱振子特性阻抗的計算

3)波長縮短現(xiàn)象

對稱振子的相移常數(shù)β大于自由空間的波數(shù)k,亦即對稱振子上的波長短于自由空間波長,稱為波長縮短現(xiàn)象。

令n1=β/k,n1稱為波長縮短系數(shù),它通常由實驗確定。

式中,λ和λa分別為自由空間和對稱振子上的波長。圖8-5為波長縮短系數(shù)與對稱振子一臂的電長度之間的關(guān)系曲線。圖8-5n1=β/k與h/λ的關(guān)系曲線

圖8-6對稱振子的輸入阻抗、輸入電抗與h/λ的關(guān)系曲線

③對于半波振子,在工程上其輸入阻抗可按下式作近似計算,即

8.1.3陣列天線

1.陣列天線的基本概念

1)天線陣

由若干輻射單元按某種方式排列所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為天線陣。

2)天線元或陣元

構(gòu)成天線陣的輻射單元稱為天線元或陣元。

3)相似元

將形狀與尺寸相同,且以相同姿態(tài)排列的各陣元稱為相似元。

圖8-7二元陣的輻射

2)結(jié)論

①在各天線元為相似元的條件下,天線陣的方向圖函數(shù)是單元因子與陣因子的乘積,這個特性稱為方向圖乘積定理。

②元因子表示組成天線陣的單個輻射元的方向圖函數(shù),僅取決于天線元本身的形式和尺寸。它體現(xiàn)了天線元的方向性對天線陣方向性的影響。

③陣因子表示各向同性元所組成的天線陣的方向性,取決于天線陣的排列方式及其天線元上激勵電流的相對振幅和相位,與天線元本身的形式和尺寸無關(guān)。

3)半波振子組成的二元陣

如果天線陣由兩個沿x軸排列且平行于z軸放置的半波振子組成,其電場強度的模值為

①E面方向圖函數(shù)為

②H面方向圖函數(shù)為

結(jié)論:二元陣的E面和H面的方向圖函數(shù)與單個半波振子是不同的,特別在H面,由于單個半波振子無方向性,天線陣H面方向函數(shù)完全取決于陣因子。

圖8-8和圖8-9分別為兩個平行于z軸放置且沿x方向排列的半波振子,在d=λ/4,ζ=-π/2時的H面和E面方向圖。圖8-8-天線陣H面方向圖圖8-9天線陣E面方向圖

4)二項式陣

(1)定義若天線陣中各陣元上電流振幅是按二項式展開的系數(shù)分布,則稱為二項式陣。

(2)H面方向圖函數(shù)間距為λ/2的n元二項式陣的H面方向圖函數(shù)為

結(jié)論:二項式陣與等幅陣的方向圖比較,二項式陣的方向圖旁瓣電平較低。

圖8-10為三元二項式陣H面方向圖,它沒有旁瓣。圖8-10三元二項式陣H面方向圖

3.均勻直線陣

1)定義

均勻直線陣是間距相等、各陣元電流的幅度相等(等幅分布)而相位依次等量遞增或遞減的直線陣,如圖8-11所示。圖8-11均勻直線陣

2)均勻直線陣的場

N個天線元沿x軸排成一行,相鄰陣元之間相位差為ζ,則均勻直線陣的輻射場的模值為

其中,A(ψ)為H平面歸一化方向圖函數(shù)即陣因子方向函數(shù),其表達式為

式中

3)方向圖參數(shù)

(1)主瓣方向均勻直線陣的最大值的方向,當ψ=0或kdcosφm+ζ=0時,有

①邊射陣:最大輻射方向在垂直于陣軸方向上(φm

=±π/2)的均勻直線陣。此時相鄰陣元之間相位差ζ=0。

②端射陣:最大輻射方向在陣軸方向上(φm=0或π)的均勻直線陣。此時天線陣相鄰陣元之間相位差ζ=±kd。

圖8-12和圖8-13分別為十二元邊射陣和端射陣天線方向圖。

③相控陣:通過改變相鄰元電流相位差ζ實現(xiàn)方向圖掃描的天線陣。圖8-12十二元均勻邊射陣方向圖圖8-13十二元均勻端射陣方向圖

(2)零輻射方向

陣方向圖的零點發(fā)生的方向,|A(ψ)|=0,或

顯然,邊射陣與端射陣相應(yīng)的以φ表示的零點方位是不同的。

(3)主瓣寬度

①邊射陣(ζ=0,φm=π/2)。當Nd?λ時,主瓣寬度為

4)結(jié)論

①天線陣的主瓣寬度和旁瓣電平是既相互依賴又相互對立的一對矛盾。方向圖的主瓣寬度小,則旁瓣電平就高;反之,主瓣寬度大,則旁瓣電平就低。對于均勻直線陣,增加天線元數(shù)可以降低旁瓣電平,但當?shù)谝慌园觌娖竭_到-13.5dB后,即使再增加天線元數(shù),也不能降低旁瓣電平。

②均勻直線陣的主瓣很窄,但旁瓣數(shù)目多、電平高。

③二項式直線陣的主瓣很寬,旁瓣就消失了。

8.1.4直立天線與水平振子天線

1.直立振子天線

垂直于地面或?qū)щ娖矫婕茉O(shè)的天線稱為直立振子天線,如圖8-14所示。它廣泛地應(yīng)用于長、中、短波及超短波波段。圖8-14直立天線及其等效分析

1)單極天線的方向圖

架設(shè)在理想導(dǎo)電平面上的單極天線的方向函數(shù)為

2)有效高度

3)提高單極天線效率的方法

①提高天線的輻射電阻。提高輻射電阻可采用在頂端加容性負載和在天線中部或底部加感性負載的方法,如圖8-15所示。

②降低損耗電阻。減小損耗一般采用在天線底部加輻射狀地網(wǎng)的方式。圖8-15加頂單極天線

4)結(jié)論

①單極天線的方向圖隨其電長度而變化。當h/λ逐漸增大時,波瓣變尖;當h/λ>0.5時,出現(xiàn)旁瓣;當h/λ繼續(xù)增大時,由于天線上反相電流的作用,沿地面方向的輻射減弱。因此實際中一般取h/λ為0.53左右。

②單極天線的方向增益較低,效率也低。要提高其方向性,在超短波波段也可以采用在垂直于地面的方向上排陣。

2.水平振子天線

平行于地面或?qū)щ娖矫婕茉O(shè)的天線稱為水平振子天線,如圖8-16所示。它經(jīng)常應(yīng)用于短波通信、電視或其它無線電系統(tǒng)中。圖8-16水平振子天線結(jié)構(gòu)

1)水平振子天線的方向圖

①φ=90°的鉛垂平面方向函數(shù)為

②φ=0°的鉛垂平面方向函數(shù)為

圖8-17為架設(shè)在理想地面上的水平振子垂直平面方向圖。圖8-17架設(shè)在理想地面上的水平振子垂直平面方向圖圖8-17架設(shè)在理想地面上的水平振子垂直平面方向圖

③水平平面方向圖。仰角δ為不同常數(shù)時的水平平面方向函數(shù)為

2)結(jié)論

①垂直平面方向圖形狀取決于架設(shè)高度與波長的比值(H/λ),但不論H/λ為多大,沿地面方向的輻射始終為零。

②當架設(shè)高度H≤λ/4時,在δ=60°~90°范圍內(nèi)場強變化不大,并在δ=90°方向上輻射最大,說明天線具有高仰角輻射特性,通常將這種具有高仰角輻射特性的天線稱為高射天線。

③φ=0°的垂直平面方向圖僅取決于H/λ,且隨著H/λ的增大,波瓣增多,第一波瓣(最靠近地面的波瓣)最強輻射方向的仰角δm1越小。在短波通信中,應(yīng)使天線最大輻射方向的仰角δm1等于通信仰角δ0,由此確定天線的架設(shè)高度H為

④架設(shè)在理想地面上的水平對稱振子不同仰角時的水平平面方向圖與架設(shè)高度無關(guān),但跟天線仰角有關(guān),并且仰角越大,其方向性越弱,如圖8-18所示。

⑤由于高仰角水平平面方向性不明顯,因此在進行短波300km以內(nèi)距離的通信時,常把它作全方向性天線使用。圖8-18-不同仰角δ時的水平平面方向圖

8.1.5引向天線與電視天線

1.引向天線

引向天線又稱八木天線,它由一個有源振子及若干個無源振子組成,如圖8-19所示。在無源振子中較長的一個為反射器,其余均為引向器,它廣泛地應(yīng)用于米波、分米波波段的通信、雷達、電視及其它無線電系統(tǒng)中。圖8-19引向天線示意圖

1)工作原理

當無源振子與有源振子的間距d<0.25λ時,無源振子的長度短于有源振子的長度時,由于無源振子電流相位滯后于有源振子,故二元引向天線的最大輻射方向偏向無源振子所在方向;反之,當無源振子的長度長于有源振子的長度時,無源振子的電流相位超前于有源振子,故二元引向天線的最大輻射方向偏向有源振子所在方向。在這兩種情況下,無源振子分別具有引導(dǎo)或反射有源振子輻射場的作用,故稱為引向器或反射器。因此,通過改變無源振子的尺寸及與有源振子的間距來調(diào)整它們的電流分配比,就可以達到改變引向天線的方向圖的目的。

2)多元引向天線

(1)方向系數(shù)在工程上,多元引向天線的方向系數(shù)可用下式近似計算,即

其中,La是引向天線的總長度,也就是從反射器到最后一根引向器的距離;K1是比例常數(shù),如圖8-20(a)所示。圖8-20引向天線的方向系數(shù)比例常數(shù)和主瓣寬度與天線總長度的關(guān)系

(2)主瓣半功率波瓣寬度

主瓣半功率波瓣寬度近似為

3)折合振子

折合振子可以看成是長度為λ/2的短路雙線傳輸線在縱長方向折合而成。它實際上是由兩個非?？拷移叫械陌氩ㄕ褡釉谀┒讼噙B后構(gòu)成的,但僅在一根振子的中部饋電,如圖8-21所示。

折合振子的輸入阻抗為

4)結(jié)論

①在引向天線中,無源振子雖然使天線方向性增強,但由于各振子之間的相互影響,又使天線的工作頻帶變窄,輸入阻抗降低,有時甚至低至十幾歐姆,不利于與饋線的匹配。為了提高天線的輸入阻抗和展寬頻帶,引向天線的有源振子常采用折合振子。

②當La/λ較小時,K1較大,隨著La/λ的增大,也就是當引向器數(shù)目增多時,K1反而下降。這是由于隨著引向器與有源振子的距離的增大,引向器上的感應(yīng)電流減小,因而引向作用也逐漸減小。所以引向器數(shù)目一般不超過12個。

2.電視發(fā)射天線

1)電視發(fā)射天線的特點

①頻率范圍寬。

②覆蓋面積大。

③在以零輻射方向為中心的一定的立體角所對的區(qū)域,電視信號變得十分微弱,因此零輻射方向的出現(xiàn),對電視廣播來說是不好的。

④由于工業(yè)干擾大多是垂直極化波,因此我國的電視發(fā)射信號采用水平極化方式。

⑤為了擴大服務(wù)范圍,發(fā)射天線必須架在高大建筑物的頂端或?qū)Ｓ玫碾娨曀稀?/p>

2)旋轉(zhuǎn)場天線

設(shè)有兩個電流大小相等I1=I2=I,相位差ζ=90°的直線電流元,在水平面內(nèi)垂直放置,如圖8-22所示。在xOy平面內(nèi)的任一點上兩電流元的合成場為圖8-22旋轉(zhuǎn)場天線輻射場

3)結(jié)論

①電視發(fā)射天線的特點:發(fā)射天線功率大、頻帶寬、水平極化及水平面內(nèi)無方向性,而在鉛垂平面有較強的方向性等。

②旋轉(zhuǎn)場天線方向圖是一個“8”字以角頻率ω在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),其效果是在水平面內(nèi)沒有方向性,穩(wěn)態(tài)方向圖是個圓。由于電流元的輻射比較弱,實際應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)場天線,常常以半波振子作為單元天線,這時,其方向圖在水平面內(nèi)基本上是無方向的,如圖8-23所示。圖8-23單個電流元天線和旋轉(zhuǎn)場天線的方向圖

③為了提高鉛垂面內(nèi)的方向性,可以將若干正交半波振子以間距半波長排陣,然后安裝在同一根桿子上,而同一層內(nèi)的兩個正交半波振子饋電電纜的長度相差λ/4,以獲得90°的相差,如圖8-24所示。圖8-24電流幅度相等、相位差90°的正交半波振子的水平方向圖與正交半波振子陣

8.1.6移動通信基站天線

1.移動通信基站天線的特點

①為了盡可能避免地形、地物的遮擋,天線應(yīng)架設(shè)在很高的地方。

②為了使用戶在移動狀態(tài)下使用方便,天線應(yīng)采用垂直極化。

③根據(jù)組網(wǎng)方式的不同,如果是頂點激勵,則采用扇形天線;如果是中心激勵,則采用全向天線。

④為了節(jié)省發(fā)射機功率,天線增益應(yīng)盡可能高一些。

⑤為了提高天線的效率及帶寬,天線與饋線應(yīng)良好地匹配。

2.移動通信基站天線

VHF和UHF移動通信基站天線一般是由饋源和角形反射器兩部分組成。為了獲得較高的增益,饋源一般采用并饋共軸陣列和串饋共軸陣列兩種形式;而為了承受一定的風(fēng)荷,反射器可以采用條形結(jié)構(gòu),只要導(dǎo)線之間距d小于0.1λ,它就可以等效為反射板。兩塊反射板構(gòu)成120°反射器。反射器與饋源組成扇形定向天線,三個扇形定向天線組成全向天線,如圖8-25所示。圖8-25120°角形反射器

并饋共軸陣列,由功分器將輸入信號均分,然后用相同長度的饋線將其分別送至各振子天線上。由于各振子天線電流等幅同相,根據(jù)陣列天線的原理,其遠區(qū)場同相疊加,因此其方向性得到加強,如圖8-26所示。圖8-26并饋共軸陣列

串饋共軸陣列,關(guān)鍵是利用180°移相器,使各振子天線上的電流分布相位接近同相,以達到提高方向性的目的,如圖8-27所示。為了縮短天線的尺寸,實際中還采用填充介質(zhì)的垂直同軸天線,輻射振子就是同軸線的外導(dǎo)體,而在輻射振子與輻射振子的連接處,同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體交叉連接,如圖8-28所示。圖8-27串饋共軸陣列圖8-28-同軸高增益天線

8.1.7螺旋天線

將導(dǎo)線繞制成螺旋形線圈而構(gòu)成的天線稱為螺旋天線,如圖8-29所示。通常它帶有金屬接地板(或接地網(wǎng)柵),由同軸線饋電,同軸線的內(nèi)導(dǎo)體與螺旋線相接,外導(dǎo)體與接地板相連,螺旋天線是常用的圓極化天線。圖8-29螺旋天線

螺旋天線的輻射特性與螺旋的直徑有密切關(guān)系:

①當d/λ<0.18時,天線的最大輻射方向在與螺旋軸線垂直的平面內(nèi),稱為法向模式,此時天線稱為法向模式天線,如圖8-30(a)所示。

②當d/λ≈0.25~0.46時,即螺旋天線一圈的長度c在一個波長左右的時候,天線的輻射方向在天線的軸線方向,此時天線稱為軸向模式天線,如圖8-30(b)所示。

③當d/λ>0.5時,天線的最大輻射方向偏離軸線分裂成兩個方向,方向圖呈圓錐形狀,如圖8-30(c)所示。圖8-30螺旋天線的輻射特性與螺旋直徑的關(guān)系

1.法向模螺旋天線

1)N圈螺旋天線的輻射場

式中,β為相移常數(shù),b=d/2。設(shè)螺旋線上的波長縮短系數(shù)為n1,則

2)結(jié)論

①由于Eθ

和Eφ的時間相位差為π/2,所以法向模螺旋天線的輻射場是橢圓極化波,呈邊射型,方向圖呈“8”字形;當h=kπb2時,螺旋天線輻射圓極化波。

②法向模螺旋天線的輻射效率和增益都較低,廣泛應(yīng)用于移動通信手機中。

2.軸向模螺旋天線

①由于在軸向輻射螺旋天線上電流接近純行波分布,所以在一定的帶寬內(nèi),其阻抗變化不大,且基本接近純電阻。

②在它的末端反射很小。由于反射回接地平面的場非常弱,因此對接地平面的影響可以忽略,且對接地平面尺寸的要求也不很嚴格,只要大于半波長即可,形狀可以是圓的或方的,一般是金屬圓盤形狀。

③螺旋線的直徑對天線的性能影響很小,當螺旋線圈按右旋形式繞制時,它就輻射或接收右旋圓極化波,反之,則輻射或接收左旋圓極化波。

8.1.8-行波天線

如果天線上電流分布是行波,則此天線稱為行波天線。

通常,行波天線是由導(dǎo)線末端接匹配負載來消除反射波而構(gòu)成的(見圖8-31)。圖8-31行波天線

1.行波單導(dǎo)線天線的方向圖

單根行波單導(dǎo)線的方向函數(shù)為

當天線長度較長時,行波天線的最大輻射方向可近似由下式確定:

當l/λ較大,工作波長改變時,最大輻射方向θm變化不大。

2.V形天線和菱形天線

1)V形天線用兩根行波單導(dǎo)線可以組成V形天線(見圖8-32)。對于一定長度l/λ的行波單導(dǎo)線,適當選擇張角2θ,可以在張角的平分線方向上獲得最大輻射。V形天線具有較好的方向圖寬頻帶特性和阻抗寬頻帶特性。由于其結(jié)構(gòu)及架設(shè)特別簡單,特別適應(yīng)于短波移動式基站中。圖8-32V形天線(l/λ=10,θ=15°)x

2)菱形天線

它可以看成是由兩個V形天線在開口端相連而成(見圖8-33),其工作原理與V形天線相似。載有行波電流的四個臂長相等,它們的輻射方向圖完全相同。圖8-33菱形天線及其平面方向圖

3.結(jié)論

行波單導(dǎo)線天線、V形天線和菱形天線等,它們都具有較好的單向輻射特性、較高的增益及較寬的帶寬,因此在短波、超短波波段都獲得了廣泛的應(yīng)用。

8.1.9寬頻帶天線

若天線的阻抗、方向圖等電特性在一倍頻程(fmax/fmin=2)或幾倍頻程范圍內(nèi)無明顯變化,就稱為寬頻帶天線;若在更大頻程范圍內(nèi)(比如fmax/fmin≥10)其阻抗、方向圖等電特性基本上不變化時,就稱為非頻變天線。

1.非頻變天線的條件

1)角度條件天線的形狀僅取決于角度,而與其它尺寸無關(guān)。即當工作頻率變化時,天線的形狀、尺寸與波長之間的相對關(guān)系不變:

2)終端效應(yīng)弱

有限長天線具有近似無限長天線的電性能,這種現(xiàn)象就稱為終端效應(yīng)弱。終端效應(yīng)的強弱取決于天線的結(jié)構(gòu)。

滿足上述兩個條件即可構(gòu)成非頻變天線。非頻變天線分為兩大類:等角螺旋天線和對數(shù)周期天線。

2.平面等角螺旋天線

平面等角螺旋天線(見圖8-34)臂上電流在流過約一個波長后迅速衰減到20dB以下,因此其有效輻射區(qū)就是周長約為一個波長以內(nèi)的部分。圖8-34平面等角螺旋天線

3.對數(shù)周期天線

1)齒狀對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線的基本結(jié)構(gòu)是將金屬板刻成齒狀。齒片上的橫向電流遠大于徑向電流,如果齒長恰等于諧振長度(即齒的一臂約等于λ/4),則該齒具有最大的橫向電流,且附近的幾個齒上也具有一定幅度的橫向電流,而那些齒長遠大于諧振長度的各齒,其電流迅速衰減到最大值的30dB以下,這說明天線的終端效應(yīng)很弱,因此有限長的天線近似具有無限長天線的特性,如圖8-35所示。圖8-35齒狀對數(shù)周期天線

2)對數(shù)周期偶極子天線

N個對稱振子天線用雙線傳輸線饋電,且兩相鄰振子交叉連接。當天線饋電后,能量沿雙絞線傳輸,當能量行至長度接近諧振長度的振子,由于發(fā)生諧振,輸入阻抗呈現(xiàn)純電阻,振子上電流大,形成較強的輻射場,我們把這部分稱為有效輻射區(qū)。有效區(qū)以外的振子,由于離諧振長度較遠,輸入阻抗很大,其上電流很小,它們對輻射場的貢獻可以忽略。當天線工作頻率變化時,有效輻射區(qū)隨頻率的變化而左右移動,但電尺寸不變,因而,對數(shù)周期天線具有寬頻帶特性,其頻帶范圍為10或者是15倍頻程。目前,對數(shù)周期天線在超短波和短波波段獲得了廣泛的應(yīng)用,如圖8-36所示。圖8-36對數(shù)周期偶極子天線陣

8.1.10縫隙天線

如果在同軸線、波導(dǎo)管或空腔諧振器的導(dǎo)體壁上開一條或數(shù)條窄縫,可使電磁波通過縫隙向外空間輻射而形成一種天線,這種天線稱為縫隙天線,如圖8-37所示。圖8-37縫隙天線

1.理想縫隙天線的輻射場

無限大和無限薄的理想導(dǎo)電平板上的縫隙的方向函數(shù)為

2.波導(dǎo)縫隙天線

實際應(yīng)用的波導(dǎo)縫隙天線通常是開在傳輸TE10模的矩形波導(dǎo)壁上的半波諧振縫隙,如果所開縫隙截斷波導(dǎo)內(nèi)壁表面電流(即縫隙不是沿電流線開),表面電流的一部分繞過縫隙,另一部分以位移電流的形式沿原來的方向流過縫隙,因而縫隙被激勵,向外空間輻射電磁波,如圖8-38所示。圖8-38-波導(dǎo)縫隙的輻射

而波導(dǎo)縫隙輻射的強弱取決于縫隙在波導(dǎo)壁上的位置和取向。為了獲得最強輻射,應(yīng)使縫隙垂直截斷電流密度最大處的電流線,即應(yīng)沿磁場強度最大處的磁場方向開縫,如縫1,2,3?？v縫1,3,5是由橫向電流激勵;橫縫2是由縱向電流激勵;斜縫4則是由與其長邊垂直的電流分量激勵。實驗證明,沿波導(dǎo)縫隙的電場分布與理想縫隙的幾乎一樣,近似為正弦分布,但由于波導(dǎo)縫隙開在有限大波導(dǎo)壁上,輻射受沒有開縫的其它三面波導(dǎo)壁的影響,因此是單向輻射,方向圖如圖8-39所示。圖8-39波導(dǎo)天線輻射方向圖

8.1.11微帶天線

1.微帶天線的結(jié)構(gòu)

微帶天線是由一塊厚度遠小于波長的介質(zhì)板和(用印刷電路或微波集成技術(shù))覆蓋在它的兩面上的金屬片構(gòu)成的,其中完全覆蓋介質(zhì)板的一片稱為接地板,而尺寸可以和波長相比擬的另一片稱為輻射元。輻射元的形狀有方形、矩形、圓形和橢圓形等等,如圖8-40所示。圖8-40微帶天線的結(jié)構(gòu)

2.方向函數(shù)

微帶天線的E面和H面方向函數(shù)為

3.結(jié)論

①矩形微帶天線的H面方向圖與理想縫隙的H面方向圖相同,這是因為在該面內(nèi)的兩縫隙的輻射不存在波程差。所不同的是E面,由于接地板的反射作用,使得輻射變成單方向的,如圖8-41所示。圖8-41矩形微帶天線開路端電場結(jié)構(gòu)

②微帶天線的體積小、重量輕、剖面低,因此容易做到與高速飛行器共形,且電性能多樣化(如雙頻微帶天線、圓極化天線等),尤其是容易和有源器件、微波電路集成為統(tǒng)一組件,因而適合大規(guī)模生產(chǎn)。

③微帶天線的波瓣較寬,方向系數(shù)較低。除此之外,微帶天線的缺點還有:頻帶窄、損耗大、交叉極化大、單個微帶天線的功率容量小等。

8.1.12智能天線

1.智能天線技術(shù)的優(yōu)點

智能天線技術(shù)的主要優(yōu)點有:

①具有較高的接收靈敏度。

②使空分多址系統(tǒng)(SDMA)成為可能。

③消除在上下鏈路中的干擾。

④抑制多徑衰落效應(yīng)。

2.智能天線的工作原理

每一個用戶信號分為D路(D為天線單元數(shù)),并分別以W1D,W2D,…,WMD加權(quán),如圖8-42所示,得到M×D路信號(M為用戶數(shù)),然后將相應(yīng)的M路信號合成一路并送到各天線單元上。由于各天線單元上的信號都是由M路信號以不同的加權(quán)系數(shù)組合而成的,因此信號的波形是不同的,從而構(gòu)成了M個信道方向圖,如圖8-43所示。當兩個信號同時存在時,由場的疊加原理可知,智能天線的功率方向圖為兩個信道方向圖的疊加,如圖8-43(c)所示。從表面上看,圖8-43(c)的功率方向圖與自適應(yīng)天線方向圖相似,但前者中A點處接收到的信號主要是A點信號,B點接收的主要是B點信號,從而保證了兩個用戶共用一個傳統(tǒng)信道,實現(xiàn)空分復(fù)用。圖8-42智能天線原理框圖圖8-43智能天線信道方向圖

3.智能天線的主要技術(shù)

智能天線的主要技術(shù)有:

①來波到達角檢測;

②數(shù)字波束形成;

③零點相消。

4.結(jié)論

智能天線將在以下幾個方面提高移動通信系統(tǒng)的性能:

①提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用效率;

②增大基站的覆蓋面積;

③提高數(shù)據(jù)傳輸速率;

④降低基站發(fā)射功率,節(jié)省系統(tǒng)成本,減少了信號干擾與電磁環(huán)境污染。

8.2典型例題分析

【例1】一沿z軸方向放置的對稱振子,其導(dǎo)線半徑a=10mm,工作頻率f=180MHz,設(shè)對稱振子的一臂長度為40cm,試求:①對稱振子的輻射電阻。②對稱振子的輸入阻抗。③畫出對稱振子的E面方向圖。圖8-44

【例2】設(shè)均勻三元直線陣由三個半波振子組成,其排列如圖8-45所示,求:

①此陣列的陣方向函數(shù)。

②若它們的相位差ζ=0,畫出它們的陣方向圖。

③若它們的相位差ζ=90°,再畫出它們的陣方向圖。圖8-45圖8-46圖8-47

【例3】架設(shè)在理想導(dǎo)電地面上的水平半波振子天線,設(shè)它離地面的高度為H=5λ/4,試畫出其鉛垂平面和仰角為δ=30°的水平平面方向圖。

解架設(shè)在理想導(dǎo)電地平面上的半波振子,可以等效為兩個幅度相等、相位相反的半波振子所組成的陣列,所以,用二元陣列的方法即可求出它的方向函數(shù)。

將仰角δ=30°、h=λ/4、H=5λ/4代入得水平半波振子在仰角δ=30°的水平面內(nèi)的方向函數(shù)為

它們的方向圖如圖8-48所示。圖8-48

8.3基本要求

★了解線天線的定義及其應(yīng)用背景。★掌握對稱振子天線的輻射與其電長度之間的關(guān)系,重點掌握半波振子天線的方向圖、輻射電阻、輸入阻抗及波長縮短效應(yīng)的分析與計算。★掌握直線陣列天線的方向圖、波瓣寬度、旁瓣電平等的分析與計算,重點掌握方向圖乘積定理及邊射陣、端射陣的定義及其方向性。

★了解天線的波瓣寬度、旁瓣電平、方向系數(shù)之間的關(guān)系。

★掌握直立振子天線的方向性與其高度之間的關(guān)系,了解提高單極天線效率的方法。

★掌握水平振子天線的方向性與其電長度及架設(shè)高度之間關(guān)系的分析與計算,從而合適地選擇其電長度和架設(shè)高度。

★掌握引向天線的工作原理及折合振子的作用。

★了解電視發(fā)射天線的特點及旋轉(zhuǎn)場天線的工作原理。

★了解移動基站天線的特點及其組成。

★掌握螺旋天線的輻射特性與螺旋直徑的關(guān)系,了解法向模螺旋天線和軸向模螺旋天線的輻射特點。

★了解行波天線的特點,掌握行波單導(dǎo)線天線的分析方法及V型天線和菱形天線的方向性。

★了解寬頻帶天線的定義及形成寬頻帶天線的條件,掌握平面等角螺旋天線和對數(shù)周期天線的工作原理。

★了解縫隙天線的輻射原理。

★掌握微帶天線的結(jié)構(gòu)及工作原理。

★了解智能天線的特點及其工作過程。

8.4部分習(xí)題及參考解答

【8.4】一半波振子臂長h=35cm,直徑2a=17.35mm,工作波長λ=1.5m,試計算其輸入阻抗。

【8.5】有兩個平行于z軸并沿x軸方向排列的半波振子,若①d=λ/4,ζ=π/2;②d=3λ/4,ζ=π/2時,試求其E面和H面方向函數(shù),并畫出方向圖。題8.5圖

【8.6】若將上述兩個半波振子沿y軸排列,重復(fù)上題的計算。題8.6圖

【8.7】六元均勻直線陣,各元間距為λ/2,①求出天線陣相對于ψ的歸一化陣方向函數(shù)。②分別畫出工作于邊射狀態(tài)和端射狀態(tài)的方向圖,并計算其主瓣半功率波瓣寬度和第一旁瓣電平。

解①如題8.7圖(a)所示,六元均勻直線陣的歸一化方向函數(shù)為題8.7圖

②ζ=0時為邊射陣的歸一化方向函數(shù),即

【8.8】沿y軸取向的兩等幅饋電的半波振子沿z軸排列,其間距和相位分別為①d=λ/