有关于引向天线的研究与设计.docx

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有关于引向天线的研究与设计

引向天线的研究与设计

设计目的

（1）巩固加深对引向天线的认识，提高综合运用天线电波等知识的能力；

（2）培养学生查阅参考文献，独立思考、设计、钻研电子技术相关问题的能力；

（3）通过实际制作安装电子线路，学会单元电路及整机电路的调试与分析方法；

（4）掌握相关电子线路工程技术规范以及常规电子元器件的性能技术指标；

（5）了解电气图国家标准以及电气制图国家标准；

（6）培养严肃认真的工作作风与科学态度，建立严谨的工程技术观念；

（7）培养工程实践能力、创新能力和综合设计能力。

一、天线的基本原理和主要参数

1.1天线的基本原理

1.1.1电基本振子的辐射

电基本振子（ElectricShortDipole）又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l远小于波长λ，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流I处处等幅同相。

用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。

图1电基本振子的坐标

电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为：

（1-1）

电基本振子的辐射场可以分为近区场和远区场。

如果kr<<1即（r<<λ/（2π））的区域称为近区，近区场的另一个重要特点是电场和磁场之间存在π/2的相位差，于是坡印廷矢量的平均值为0，能量在电场和磁场以及场与源之间交换而没有辐射，所以近区场也称为感应场。

本实验计算的远区场kr>>1（即r>>λ/（2π）的区域称为远区），在此区域内，电基本振子满足条件：

则远区场表达式为：

（1-2）

可见场强只有两个相位相同的分量（Eθ,Hφ）。

根据方向函数可定义：

（1-3）

可得电基本振子的方向函数为：

（1-4）

根据归一化方向函数定义：

（1-5）

可得电基本阵子归一化方向函数为：

（1-6）

将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图（FileldPattern）。

方向图就是与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。

依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图。

在实际中，工程上常常采用两个特定正交平面方向图。

在自由空间中，两个最重要的平面方向图是E面和H面方向图。

E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；H面即磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。

方向图可用极坐标绘制，角度表示方向，矢径表示场强大小。

1.1.2对称阵子的辐射

对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。

一臂的导线半径为a，长度为l。

两臂之间的间隙很小，理论上可忽略不计，所以振子的总长度L=2l。

对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。

图2对称振子结构及坐标图

由教材可知对称阵子辐射场为

（1-7）

根据方向函数的定义，对称振子以波腹电流归算的方向函数为：

（1-8）

上式实际上也就是对称振子E面的方向函数

1.2天线的主要参数

1.2.1方向函数

由电基本振子的分析可知，天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波，但却不是均匀球面波，因此，任何一个天线的辐射场都具有方向性。

所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向（

）的关系。

天线在（

）方向辐射的电场强度（

）的大小可以写成

（1-9）

式中，

是与方向无关的常熟；

为场强方向函数；则可以得到

（1-10）

为了便于比较不同天线的方向性，常采用归一化方向函数，用

表示，即

（1-11）

下面以电基本振子为例具体介绍方向函数的概念。

若天线辐射的电场强度为

，把电场强度的模值

为写成：

（1-12）

因此，场强方向函数

可定义为

（1-13）

将电基本振子的辐射场表达式

代入上式，则电基本振子的方向函数为

（1-14）

因此电基本振子的归一化方向函数可写为

（1-15）

为了分析和对比方便，我们定义理想点源是无方向性天线，它在各个方向上、相同距离处的辐射场的大小是相等的，因此，它的归一化方向函数为

（1-16）

1.2.2方向图

在距天线等距离（r=常数）的球面上，天线在各点产生的功率通量密度或场强（电场或磁场）随空间方向（

）的变化曲线，称为功率方向图或场强方向图，它们的数学表示式称为功率方向函数或场强方向函数。

研究超高频天线，通常采用的两个主平面是E面和Ｈ面。

Ｅ面是最大辐射方向和电场矢量所在的平面，Ｈ面是最大辐射方向和磁场矢量所在的平面。

此外，方向图形状还可用方向图参数简单地定量表示。

例如：

零功率波瓣宽度、半功率波瓣宽度、副瓣电平以及前后辐射比等参数。

1.2.3方向系数

为了更明确地从数量上描述天线的方向性，说明天线方向性的定义式：

在同

一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大辐射方向上辐射的功率密度

和无方向性天线（点源）的辐射功率密度

之比称为此天线的方向系数，用符号D表示。

（1-17）

由于

（1-18）

故

（1-19）

将式（11）代入式（9），得

（1-20）

1.2.4输入阻抗

天线输入阻抗是指天线馈电点所呈现的阻抗值。

显然，它直接决定了和馈电系数之间的匹配状态，从而影响了馈入到天线上的功率以及馈电系统的效率等。

输入阻抗和输入端功率与电压、电流的关系是

（1-21）

式中，

一般为复功率，

和

分别为输入电阻和输入电抗。

为实现和馈线间的匹配，需要时可用匹配消去天线的电抗并使电阻等于馈线的特性阻抗。

1.2.5天线的增益

表征天线辐射能量集束程度和能量转换效率的总效益，成为天线增益。

天线在某方向的增益

是它在该方向的辐射强度

同天线以同一输入功率向空间均匀辐射的辐射强度

之比，即

（1-22）

未曾指明时，某天线的增益通常指最大辐射方向增益

（1-23）

1.2.6电流分布

若想分析对称振子的辐射特性，必须首先知道它的电流分布。

为了精确地求解对称振子的电流分布，需要采用数值分析方法，但计算比较麻烦。

实际上，细对称振子天线可以看成是由末端开路的传输线张开形成，理论和实验都已证实，细对称振子的电流分布与末端开路线上的电流分布相似，即非常接近于正弦驻波分布，若取图2的坐标，并忽略振子损耗，则其形式为

（1-24）

式中，Im为电流波腹点的复振幅；k=2π/λ=ω/c为相移常数。

根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点；电流分布关于振子的中心点对称；超过半波长就会出现反相电流。

二、引向天线

2.1引向天线简介

引向天线又称八木天线，是上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇田太郎两人发明的。

引向天线通常由一个有源振子、一个反射器及若干个引向器构成，反射器与引向器都是无源振子，所有振子都排列在一个平面内且相互平行。

它们的中点都固定在一根金属杆上，除了有源振子馈电点必须与金属杆绝缘外，无源振子则都与金属杆短路连接。

因为金属杆与各个振子垂直，所以金属杆上不感应电流，也不参与辐射。

引向器天线的最大辐射方向在垂直于各个振子且由有源振子指向引向器的方向，所以它是一种端射式天线阵。

一个典型的引向天线如图（3）所示。

引向天线的优点是结构简单、馈电方便、重量轻、便于转动，并有一定的增益。

缺点是颇带窄，增益不够高，因此常排成阵列使用。

它在超短波和微波波段应用广泛。

图3典型引向天线

2.2引向天线工作原理

一副典型的引向天线由一个有源的半波振子，一个（或几个）反向器和一个（或几个）引向器组成的线性端射天线。

即有一个连接到传输线上的偶极子，还有若干个未连接、等距离或不等距离安装的平行阵列偶极子（作引向器和反向器）。

引向器和反向器的作用是将有源振子的能量引到主辐射方向上去。

有源阵子由于加有高频电动势，在周围八木天线空间产生电磁场，使得无源阵子中出现感应电动势，产生相对应的高频电流，这些电流在周围空间再衍生电磁场。

由于存在无源阵子，根据互感原理在有源子上也产生相应的感应电流。

所以有源阵子的总电流是激励电流和感应电流之和。

当反射器的长度、引向器的长度和它到有源阵子的距离选得适当，使反射器和有源阵子所产生的电磁场在一个方向（反射器的一边）上相抵消，在相反方向上（引向器一边，主辐射方向）上相叠加，这样就可使天线得到单项辐射特性，使天线辐射可以在引向器方向上形成较尖锐的波束。

八木天线的单元越多，方向性越强。

但是单元的增加不与方向性成正比。

单元过多时，导致工作频带变窄，整个天线尺寸也将偏大。

2.2.1引向器与反射器

为了分析产生“引向”或“反射”作用时振子上的电流相位关系，我们先观察两个有源振子的情况。

设有平行排列且相距λ/4的两个对称振子，当振子“2”的电流相位领先于振子“1”90°，即I2=I1ej90°时，振子“2”的作用好像把振子“1”朝它方向辐射的能量“反射”回去，故振子“2”称为反射振子（或反射器）。

如果振子“2”的馈电电流可以调节，使其相位滞后于振子“1”90°，即I2=I1e-j90°，则其结果与上面相反，此时振子“2”的作用好像把振子“1”向空间辐射的能量引导过来，则振子“2”称为引向振子（或引向器）。

在一对振子中，振子“2”起引向器或反射器作用的关键不在于两振子的电流幅度关系，而主要在于两振子的间距以及电流间的相位关系。

振子“2”起引向器或反射器的电流相位条件是

反射器：

0°＜α＜180°

引向器：

-180°＜α＜0°

2.2.2二元引向天线

在使用中为了使天线的结构简单、牢固、成本低，在引向天线中广泛采用无源振子作为引向器或反射器。

由于一般只有一个有源振子，在引向天线中无源振子的引向或反射作用都是相对于有源振子而言的。

在引向天线中，有源振子和无源振子的长度基本上都在λ/2附近，此时方向函数及互阻抗随l的变化不太大，所以在近似计算时可以把单元天线的方向函数及单元件的互阻抗均按半波振子处理。

至于自阻抗，则因其对l/λ、a/λ的变化敏感，需要按振子的实际尺寸计算。

表1中给出了有源振子长度2l1=0.475λ，振子半径a为0.0032λ时，三种不同无源振子长度对应于各种间距d的电流比I2/I1（=meja=m∠α）。

表1电流比（2l1/λ=0.475λ）

d/λ

I2/I1=m∠α

2l2/λ=0.450

2l2/λ=0.475

2l2/λ=0.500

0.10

0.800∠-142.45°

0.806∠180.01°

0.673∠158.67°

0.15

0.728∠-163.35°

0.731∠168.34°

0.607∠146.19°

0.20

0.659∠-175.90°

0.661∠155.37°

0.548∠132.79°

0.25

0.597∠170.50°

0.598∠141.51°

0.496∠188.67°

0.30

0.542∠156.12°

0.544∠162.97°

0.452∠103.96°

0.35

0.495∠141.16°

0.497∠111.90°

0.413∠88.78°

0.40

0.454∠125.71°

0.455∠96.39°

0.379∠73.21°

0.45

0.418∠109.89°

0.420∠80.53°

0.349∠57.31°

0.50

0.386∠93.78°

0.388∠64.39°

0.323∠41.13°

分析表1可以看出：

（1）当有源振子2l2/λ一定时，只要无源振子长度2l2/λ及两振子间距d/λ选择得合适，无源振子就可以成为引向器或反射器。

对应合适的d/λ值，通常用比有源振子短百分之几的无源振