天线原理与设计（王健）6PDF版本

天线原理与设计老师: 电子工程系第4章，第2节偶极和单极天线偶极天线是上述对称的偶极天线. 从馈电输入看，该天线有两个臂. 所谓的单极天线是从输入端看只有一根臂的天线，例如导电板上的鞭状天线，垂直接地天线等. 4.1近地水平和垂直半波天线1，近地水平半波天线近地水平半波偶极天线广泛用于短波（λ= 10〜100 = 10〜100通信，振子臂可由黄铜丝或钢包制成. 金属丝和多股软铜丝水平拉直，两个臂的中间通过高频绝缘子连接，可通过两根电线馈电传输线，如下图所示: a）随着高度H的变化，可以画出yz平面中的方向，如下图所示由等式（4.2（4.2a）. ′. 该图叠加在自由空间一半Z12 = Z11上，图中Z11是近地半波振荡器的输入阻抗，波振荡器的辐射阻抗′Z1 = 73.1 + j42.5Z11公式如书中P65的图4-4所示，虚部和实部的结果现在为如下图所示. 4.2对称天线的带宽天线的大多数电参数都是频率函数. 当工作频率偏离中心频率（设计频率）时，图案可能会失真，增益会降低，馈电传输线上的驻波会增加等. 因此，工程上通常会指定一个频率范围. 在此频率范围内，天线的电气特性不会影响工作，该频率范围就是工作频率带宽.

下面我们讨论对称振荡器的几个电参数的带宽. 方向图带宽天线的方向图形状是频率的函数. 如果对其施加某些要求，则可以获得图案的带宽. 例如，如果要求对称振荡器的最大辐射方向保持垂直于振荡器的轴，则它应满足0 <1 /λ0.7. 满足此要求的对称振荡器模式的带宽为1.43lλ<4.3. 平行且靠近的半波振荡器的两端相连. 如下所示. 可以将其看作是左右拉动一个长度为λ的零件所形成的. 因此，电流波节点在折叠振荡器两端的两个点a和b处，波腹点在中间，折叠振荡器的两条线上的电流具有相同的振幅和相同的相. 由于折叠振荡器由两个平行且紧密的半波振荡器组成，因此其模式与半波振荡器相同. 分析振子输入阻抗的主要方法有两种，一种是耦合振子的理论方法，另一种是等效电路法. 1.耦合振荡器理论方法根据耦合振荡器理论，当两个振荡器上的电流具有相同的振幅和相同的相位时，天线的辐射阻抗为两个振荡器的辐射阻抗之和: Zr = Zr1 + Zr2其中Zr1 = Z11 + Z12？Zr2 = Z21 + Z22（4.15）Z11 = Z22Z12 = Z21当间距s非常小时半波振子天线工作原理，Zr4Z11因此: （4.16）即折叠振荡器的总辐射阻抗为4单个半波振荡器的辐射阻抗对于一个半波振荡器半波振子天线工作原理，其辐射电阻为: 对于输入电阻，为（4.17）Rin = 4R11 = 473.1 = 292.4？300?. 传输线模式显示在（b）中. 从端口ab或ef到短路端的输入阻抗为Zt = jZ0tan（βl/ 2）（4.1​​9）在公式中，Z0是两线传输线的特征阻抗.

b和e两点是等电位的，则两点a-b处的输入电流为4.4 Biconical天线Biconical天线是宽带天线. 这是一个双极天线，由顶部的导体锥组成，如下图所示. 圆锥体的长度为l，上下圆锥体对称. 圆锥顶部的半角为θ时，电流将在导体表面上流动. 该电流将产生磁场Hφ，并且导体表面上的电场的切向分量为零，只有垂直于导体表面的电场Eθ，在球坐标系中，上式可以为分解为两个部分. 有限长度双锥天线的远场辐射方向图的表达与对称振子相似. * 4.5馈电点不在天线中时非对称激励天线在中点处，天线非对称激励，并且天线的两个臂长而短. 这种天线有两种分析方法. 第一种是书中的近似方法，即，非对称激励天线被视为两个单极子的加法运算，但是两个臂上的电流分布的结果表达式（请参见书中）上面的P74公式（4.49）和（4.50））没有给出分布函数f（l1，z）和f（l2，z）等. 矩量法是矩量法，它可以用数值方法求解两个臂上的电流分布，即天线的输入阻抗. ，以及辐射方向图. 矩量法用于分析总长度为L =λ的非对称激励振子天线. 进料点从振动器的中点开始为H（参见下图），而振动器的横截面为. 更改非对称馈电距离H，天线方向图，半径a = 0.007 =0.007λ. 电流分布如下图所示.

输入阻抗如下表所示. 可以看出，不对称激励天线上的电流分布也是不对称的，这将导致天线方向图的最大值不在其振子轴的垂直方向上. 4.6单极天线当偶极天线的一个臂变成导电平面时，就形成了单极天线. 对于无限大的导电平面，可以使用镜像方法进行分析. 单极天线有多种形式，例如普通单极天线，折叠式单极天线，锥形单极天线和套管式单极天线，请参阅第76页的图4-18. 这里主要介绍普通单极天线. 铺设接地网可以减少接地损耗. 接地网是以一定方式铺设在地面上的金属条. 参见书上的图4-28，该图增加了接地电导率，减少了电流在半导体介质中的传播，并减少了接地损耗. 3.圆盘锥天线为了获得宽带特性，出现了许多由圆盘，锥和振动器组成的变形体. 请参阅书中的P82. 图4-31显示了典型的圆盘锥形天线. 锥形天线由圆盘和锥形组成. 盘连接到馈送同轴线的内部导体，并且垂直于同轴线. 圆锥的顶部连接到同轴线的外部导体. 锥形天线辐射垂直极化波，其方向图与对称振子基本相同，即在水平面上为圆形，在垂直面上为八字形. 通常，圆锥形天线的振子的阻抗和方向图随频率的变化要平滑得多，请参见本书中的P82. 图4-31（4-31（d）MHz以下的辐射无效），可以类似于高通滤波器.

在200200MHz MHz的宽频带中，它与ρ<1.2很好地匹配. 通过以大于200200MHz的频率更改结构，也可以制成锥形天线，如下图所示. 这些天线由于其简单的结构设计，易于组装和诱人的宽带特性而被广泛用于甚高频（VHF: f = 30〜300MHz）和超高频（UHF: f = 300MHz〜3000MHz）频段. 广播，电视和通讯服务. 4.7线形天线的馈电装置线形天线的馈电线通常为平行平行线或同轴线. 1.两线传输线馈送两线传输线馈送对称振动器的结构简单. 如果要求不高，则可以将两线传输线直接连接到对称振动器天线的c）（d）. 但是，应注意，在四个或两个臂上，连接方法如图4-36所示（书上的4-36（c）（d），请参见P84. ）两线传输线连接到对称振子. 对于波长阻抗转换器，应增加一个匹配装置，如图4-36（4-36（c）d）所示，它是短路支路匹配器. 使用匹配方法的两个原因: 4-​​36（4-36（d））天线输入阻抗的计算值与实际值之间存在一定的差距，例如馈电点差距δ之差；两线传输线馈电的最终效果，请参见书上的图4-39 2.频率较高时的同轴传输线馈电由于辐射损耗，在较高频率下，例如短波和超短波频段，不适合使用两线传输线作为馈线，而应使用同轴馈线.

对于对称振动器，通过两线传输线为其供电，以使对称振动器两个臂上的电流对称分布，即平衡，并且可以直接连接. 最多考虑匹配问题. 但是，使用同轴电缆直接向对称振动器馈电（同轴电缆的内，外导体分别连接到对称振动器的两个臂上）会使振动器的两个臂的电流分布不对称，即不平衡，如下图所示. 不平衡的电流分布将使天线方向图失真并影响其输入阻抗. 这种情况是不希望的，应该避免. 将同轴电缆馈入对称振子时，保持两臂电流平衡的方法是采取平衡转换的措施. 我们首先讨论直接馈入对称振荡器的同轴线会使天线上的电流分布不对称的问题. 参见上图（a），如果电源是平衡的，则同轴线内外导体上的电流应以相等的幅度反向，即I2 = －I1. 但是，在连接对称振动器之后，部分电流I3将从外导体回流，导致天线两臂对称点的电流不相等. 返回电流的大小主要取决于外部导体与地面之间的接地阻抗Zg. 参见上面（b）的等效电路. 如果设备可以使Zg非常大，则I3可以大大降低，从而使进料达到平衡. 用于阻挡和抑制同轴线外导体外表面上的电流的这种设备称为平衡转换器或对称转换器. 从以上分析可以看出，为了使对称振动器两臂上的电流分布对称（即平衡），在将同轴线连接到对称振动器时应使用平衡转换器.

以下是几种常见的余额转换器. 金属套筒如下所示. 套管的一端短路以形成短路传输线，请参见等效电路. 从端口2-3看到的输入阻抗为Zg =，因此I3 = 0，这可防止同轴线外导体内壁的电流溢出，并在平衡馈电方面发挥作用. Zg =jZ0tanβ与频率有关，因此由于套管的长度为λ短路平衡转换器，如下图所示，因此请截取同轴直径为λ且长度为λ的同轴同轴电缆外导体的一部分金属棒，一端连接到同一进给轴. 在轴的外导体上形成短路，一端连接到进给同轴线的内导体并连接到振动器的一个臂，而外导体同轴线连接到振动器的另一臂. 从ab端到短路端，是λ短路传输线，此时Zg ＝，I3 ＝ 0. 当工作频率偏离中心频率时，电流将流经金属棒和同轴线的外导体，但是由于对称分流器（请参见等效电路），振动器臂上的电流分布保持平衡，因此频率带宽，但其阻抗带宽比上述两个转换器更适用于硬同轴线. 当使用软同轴电缆时，下图所示的U型管平衡转换器已被广泛使用. 这种类型的转换器同时执行平衡转换和阻抗转换. 平衡效果是同轴线中的波长. 从传输线理论可以看出，传输线上相距λ的两点之间的电压或电流具有相反的幅度，即Ua = -Ub，Ia = -Ib. 这样可以平衡对称振动器臂中的电流.

除了以上三种类型的不平衡变压器外，还有带槽的不平衡变压器和同轴对称对称转换器. 现在，在相控阵中广泛使用的贴片对称偶极天线如下图所示. 它们是“平衡的和不平衡的”. 它的balun称为“ Balun”（BalunBalun）的英文缩写. 该天线的平衡-不平衡转换器是对称振动器背面的耦合微带结构，其带宽很宽. 天线仿真结果如下所示. VSWR随频率变化Zin随频率变化—Rin，—Xin

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