200705单极子天线的设计.pdf

现代天线设计 常用单极子天线的设计与实例 - 1 -第五章 常用单极子天线的设计与实例 §5.1 常用的单极子天线 ........................................................................................................... - 2 - §5.1.1 单极子天线 .......................................................................................................... - 2 - §5.1.2 单极子天线的辐射场和电特性 ........................................................................... - 4 - §5.1.3 单极子天线的馈电方法 ..................................................................................... - 11 - § 5.2 宽频带平面单极子天线的设计 ...................................................................................... - 13 - §5.2.1 具有切角的平面单极子天线 ................................................................................ - 14 - §5.2.2 具有短路节加载的平面单极子天线 .................................................................... - 17 - 5.3 总结 .................................................................................................................................... - 22 - 现代天线设计 常用单极子天线的设计与实例 - 2 -§5.1 常用的单极子天线 §5.1.1 单极子天线 单极子（ Monopole）天线或称为直立天线是 垂直于地面或导电平面架设的天线，已广泛应用于长、中、短波及超短波波段。

其基本原理结构如图 5-1 所示，其由长为 h 的直立振子和无限大地板组成如前所述，地面的影响可用天线的镜像来代替，这样单极子天线就可等效为自由空间内臂长为 2h 的对称振子当然，这样的等效仅对地面上的半空间等效，原因是地板以下没有辐射场 在长波波段，大地接近理想导电体，电磁能量主要以地波形式在地面和电离层低层所限制的空间内传播；在中波波段，距离较近时也是以地波形式传播夜间，在距天线一定距离的环形区域中，同时存在强度大体上相近的天波和地波，两者互相干扰从而产生严重的衰落现象 为了防止衰落，应设法降低高仰角 (超过 55 度 )的辐射虽然短波以天波传播为主，但对于几十公里的近距离通信，仍主要采用地波传播的方式 在地波传播中，水平极化波的衰减远大于垂直极化波因此，使用垂直天线是有利的对于接近地面的超短波移动通信，要求沿地面方向产生最大辐射一般情况下，也要采用产生垂直极化场的单极子天线各波段使用的典型单极子天线示于图 5-2 中 (a) 单极子天线 (b) 上半空间等效天线 图 5.1 单极子天线及其等效 现代天线设计 常用单极子天线的设计与实例 - 3 -在长、中波波段，单极子天线的主要问题是天线的高度往往受到限制。

例如工作于波长为 1000 米的电台， 天线架设高度 100 米， 以波长衡量也仅为 0.1λ，电尺寸是很小的即使在短波波段，在移动通信中由于天线高度受到涵洞、桥梁等环境等本身结构的限制，也不能架设的太高因为电长度小将引起下述问题： (1)辐射电阻小 与辐射电阻相比，损耗电阻较大这样，天线的辐射效率就较低 (2) Q值高 天线的输入电阻小，但输入电抗很大，因此 Q 值高也就是说，天线的谐振曲线很尖锐，工作频带很窄 (3)易产生过压或烧毁现象 当输入功率一定时，由于输入电阻小而输入电抗高，使得天线的匹配电路图 5-2 各波段典型的单极子天线 (a) T 形， (b)伞形， (c)铁塔； (d)鞭状形； (e)带辐射状金属地线的单极子天线 现代天线设计 常用单极子天线的设计与实例 - 4 -的电流很大这样，输入端电压inXIU ⋅= 就很高，天线顶端的电压更高，这是大功率电台必须注意的问题，使天线匹配电路易于产生过压现象 上述问题在长、中波波段都需要考虑在短波波段，由于工作频率较高，虽然相对带宽（0/2 ff∆ ）不大，但仍可得到较宽的绝对通频带 ( f∆ )。

加之距离近、所用电台功率均较小，故主要考虑的是效率问题若天线电尺寸很小，例如小于λ1.0 ，将属于“电小天线”的范畴 §5.1.2 单极子天线的辐射场和电特性 图 5-2 所示是单极子接地天线，天线的另一臂可以用大地的镜像来代替在长、中波波段，由于天线很高，除用高塔 (木杆或金属 )作支撑联接导线吊起以外，还倾向于直接用铁塔作辐射体； 成为铁塔天线或桅杆天线 在短波及超短波波段，一般用金属棒或全属管构成天线，为携带方便，可将棒或管分为几节，节间用螺接、卡接或拉伸等方法联接 通常情况下，单极子天线的金属接地板或网应该至少大于 0.5λ §5.1.2.1 辐射场与方向图 架设在无限大理想导电平面上的单极接地 天线产生的辐射场，可直接应用自由空间对称振子的计算公式进行计算，即： （ 5-1） 式中 Im为波腹电流将 lIImβsin/0= ， hl = ， (I0为输入电流， ∆为仰角， h 为单极子天线的高度 )代入上式，得： (5-2) 亦即 (5-3) 由 )(∆F 可知，水平面的方向图是一个圆，即在方位面内是全向性的垂直现代天线设计 常用单极子天线的设计与实例 - 5 -平面的方向图如图 5-3 所示。

当 h 逐渐增大时，波形变尖；当 h＞ 0.5λ时，出现副辨；在 h＝ 0.625λ时，副瓣最大值发生在 ∆＝ 600方向上；继续加大 h，由于天线上反相电流的作用，沿 ∆＝ 00方向上的辐射减弱为此， h 应限制在 0.625λ之内在中波波段，为了抗衰落，要求尽可能降低超过 550的高仰角方向上的辐射，为此， h 应尽可能大一些一般情况下， h=0.53λ左右较为适宜 对于有限电导率的地面，在馈电点的镜像电流应为vΓ0I ，可以仿照由基本振子辐射场积分求和导出自由空间对称振子的辐射场的方法得出场的表示式为： (5-4) 式中vΓ 和vϕ 分别是垂直极化波反射系数的模和相角，vΓ ＜ l 表示部分功率损耗在土壤中应再次强调的是，在 ∆＝ 00方向上，vΓ ＝ -l，由式 (5-4)可得辐射场为零实际上，党工作频率较低时，仍有沿着地表面向外传播的电磁能量故应按“地波传播”的方法计算辐射场，且只有在地波影响可以忽略不计的条件下才能应用式 (5 - 4) 图 5-3 单极接地天线垂直平面的方向图 现代天线设计 常用单极子天线的设计与实例 - 6 -对于有限大接地板尺寸，其方向图最大值方向会有所上翘。

从图 5-3 还可以看出： 1) 通常情况下，选用 4/λ 的单极子天线作为标准天线其方向图在水平面是一个圆，在俯仰面呈哑铃型分布而且，其输入阻抗接近于 50 欧姆，易于和常用的特性阻抗为 50 欧姆的同轴线相匹配；其天线的增益为 5.15dB 2) 实际工程中，全向天线还采用一种称作为85λ 的单极子天线，其增益约为 8.15dB，如图 5-4 所示当然，其接地板一般用几个金属杆来等效同时，为了和 50 欧姆的同轴线相匹配，在天线的底部采用加载线圈来抵消输入阻抗中的容性部分对于 150MHz 的工作频段，选用 2mm 直径的漆包线绕在 18mm 直径的绝缘管上大约 4 圈左右即可理论上，可以选用 6 根 4/λ 长的金属杆来等效代替金属接地板 3) 如果单极天线的高度取 λ／ 2，它就相当于自由空间的全波振子，理论上说较之 h＝ λ／ 4 时增益要提高 1.67dB但是，这种天线的输入阻抗高，不便于和常用的同轴线联接，为此必须加一阻抗交换器若采用 λ／ 4 阻抗变换器，如图 5-4 所示，则称为 J 形天线由于单极子和它的镜像之间的距离增大，这种天线较之 h ＝ λ／ 4 单极子天线，理论上可将增益提高 3.26dB。

匹配段两线间的距离约为 5cm 或更小，馈线接在匹配段中的合适位置上，段路连接点最好能做成上下滑动以找出最佳接入位置，匹配段的底部接地以达到防雷的目的 汽车或火车的顶蓬以及舰船的甲板均可构成良好地面 由于它们的形状不是图 5-4 8/5λ 直立单极子天线 图 5-5 J 型天线及其馈电 现代天线设计 常用单极子天线的设计与实例 - 7 -圆对称的， 单极子天线水平平面的方向图将受到顶蓬等的具体形状和安装位置的影响，造成水平平面各方位方向上辐射不相等一般说，在偏离中心位置的相反方向上辐射最强，例如天线安装在车顶蓬的前侧，则车后方向辐射较强 金属接地板或地平面尺寸对方向图的影响要比对阻抗的影响大得多， 这是不难理解的由于圆盘尺寸有限，因此不能形成—个完整的镜像图 5- 6 示出了天线高度 h =λ／ 4 和 λ／ 2 时各种圆盘半径 a 情况下的方向图， 其中 k 为传播常数 从图 5-6 可以看到，有限地面尺寸对方向图的影响是： (1)在仰角 ∆＝ 00方向上，由于这已经处于反射线不能到达的区域，此区域内仅存在直射线和由圆盘边缘所产生的绕射线的场， 这和无限大地面是不相同的。

此方向并非最大辐射方向 (2)在一定仰角的方向上存在直射场、反射场和绕射场一般说绕射场是较小的， 如果满足直射场和反射场相位相差不大的条件， 则形成波瓣的最大值因圆盘半径愈小，最大方向的仰角愈大； (3)由于边缘绕射线的作用，在下半空间存在—定的辐射 §5.1.2.2 电特性 有效高度 : 有效长度对于单极子天线而言即为有效高度，它可以表示天线的辐射强弱，是直立天线的重要指标假设天线上的电流为正弦分布， β 为传播常数则依据有效高度的定义： (5-5) 图 5- 6 地板尺寸对方向图的影响 现代天线设计 常用单极子天线的设计与实例 - 8 -当 h<<λ时，亦即 0→hβ ，则式 (5-5)可以简化为： (5- 6) 这是必然的，当振子很短时，电流近似 呈三角形分布，故有效高度为实际高度之半当 h= 4/λ ， πλ /5.0=eh 方向系数：首先讨论辐射电阻，然后可由辐射电阻计算方向系数在无限大理想导电地上单极子天线的辐射电阻与自由空间对称振子的辐射电阻的计算方法完全。