单极天线
6.双极与单极天线
114
《天线原理与设计》讲稿
王建
图 4-2-1 yz 面(E 面)内垂直振子的方向图随架高 H 的变化
由图可见 (1) 近地垂直半波振子的最大辐射方向始终为沿地面方向。因它可看作是侧射式 二元阵，天线和其镜像的电流等幅同相，在地面方向波程差为 0，辐射场相 互叠加，合成场最大。 (2) 方向图关于 z 轴旋转对称，在地面上的方向图为一个圆。 (3) 随着架高 H 的增加，相当于共轴二元阵间距增大，E 面方向图将出现副瓣， H 愈大，副瓣个数增加且副瓣幅度增大。
■xz 平面内(H 面， ϕ = 0 )的方向图函数
112
《天线原理与设计》讲稿
王建
半波振子：( ∆ = π / 2 )
f 0 (θ , ϕ ) = 1 ，
二元阵阵因子(用 ∆ 角表示)： f a (θ , ϕ ) = 2sin( β H sin ∆) ∆ 2π fT (∆) = 2sin( H sin ∆)
2. 方向性系数带宽
对称振子方向性系数 D 随其电长度 2l / λ 变化的曲线如下图所示。若要求取 方向性系数在 D = 1.64 ~ 3.3 之间连续变化范围，即图中红线之间的方向性系数 值。由此条件来确定对称振子的方向性系数带宽。
由此图查得 D = 1.64 对应 2l / λ = 0.5 ， D = 3.3 对应 2l / λ = 1.27 。这样的方向 性系数带宽为 2l 2l ≤λ≤ 即 1.575l ≤ λ ≤ 4l 1.27 0.5 对一般天线来说， 方向性系数带宽是指方向性系数从最大值下降到规定值的 频率范围。如从最大值下降 20%的频率范围等。
对水平半波振子，由式(4.2b)H 面方向图函数， fT (θ m , ϕ m ) = 2 ， 对垂直半波振子，由式(4.4)E 面方向图函数， fT (θ m , ϕ m ) = 2 得：
适用于WLAN的单极子天线_最大增益可达3.33dB
适用于WLAN的单极子天线，最大增益可达3.33dB
时间：2015-07-03
四分之一波长单极天线根部的输入阻抗为偶极天线阻抗的一半。
辐射功率也为偶极天线的一半。
在某些移动和便携设备上，四分之一的波长还是太大了，在这种情况下可以用增加天线的电感来增加天线的电气长度，这种做法在天线的根部和中部都可以进行，或者也可以将整个天线做成线圈状。
本文中设计的中心频率为2.45Ghz的单极子天线。
设计步骤：
step1：根据频率可算出阵子长度。
由波长和频率的关系。
阵子长度l=1/4*（3*1011/2.45*109）mm=30.6mm。
step2：模拟地面的大小。
一般选取大于一个波长。
step3：在仿真软件中建模，仿真。
模型以及仿真结果：
（a）模型图
（b）端口馈电处特写
（c）仿真结果
模型下载：
【2.45Ghz单极子天线模型】水印网址可以下载。
单极子天线的电磁脉冲响应概要
单极子天线的电磁脉冲响应37-1单极子天线的电磁脉冲响应郭玉春 ,谢拥军,史小卫(西电作者简介:郭玉春(1974-),男,山西,电磁场与微波技术硕士研究生37-22 计算天线对电磁脉冲的响应理论基础研究瞬态电磁场的问题,从根本上讲,目前有两种主要的分析方法,一种是频域法,一种是直接时域分析.由于天线的许多基本理论问题,是按照复阻抗和其它描述为频率单值函数的关系式而推导出来,因此频域法已广泛应用于求解天线瞬态响应问题.本文采用频域法求解天线的电磁脉冲响应.2.1 电磁脉冲波形目前,国内外对电磁脉冲辐射环境的描述多采用双指数型脉冲波形来表示,如式(1).() ( )ttpEt kE e eαβ = (1)其傅立叶变换频域表达式为式(2).( ) ( ) (( )( ))incpEkE jjωβααωβω= ++ (2)式中:Ep 为峰值场强; k 是修正系数;β,α为表征脉冲前,后沿的参数.对电磁脉冲波形参数采用不同的取值标准,研究的电磁脉冲效应结果会不同.对于关键电子化系统效应等方面的研究以选用效应影响程度较高的Bell实验室波形标准为宜,其波形参数k=1.05,Ep=50KV/m,α=4×106 s-1,β=4.76×108 s-1.2.2 计算模型电磁脉冲所覆盖的频谱范围主要在1GHz以下,在这个频段内的天线系统主要以线极化单(偶)极子及各种变形单(偶)极子为主要形式,所以选择单极子作为研究天线对电磁脉冲响应的模型是有一定的普适性.计算模型如图1所示,图1(a)表示与z轴夹角为θ的电磁脉冲E(t)射向高度为H的单极子天线,其等效37-3(b)(a) (c)Fig2. variation of electromagnetic pulse response curve with incident angle(a) open circuit voltage (b) short circuit current (c)load voltage图2 不同入射角的天线电磁脉冲响应曲线(a)开路电压(b)短路电流(c)负载电压分别令() 50 0LωΖ=∞ ,,,可导出天线的负载电压,开路电压,短路电流频域响应式(5)-(7).H50 ( )sin( ) ( , ) cos( cos )()50incLinEVfzzdzZcωθωωωθω′′′=+∫ (5)H( ) ( )sin ( , ) cos( cos )incVE fz zdzcωωωθωθ′′′=∫ (6)H()( ) sin ( , )cos( cos )()incsinEIfz z dzZcωωωθωθω′′′=∫ (7)只要对其式(5)～(7)进行反傅立叶变换就可以得到其相对应的时域响应,式中(,)fzω′和()inZω可以由矩量法求得.3 数值计算结果和分析影响天线的电磁脉冲响应的几个重要因素,主要有入射波的波形差异,入射仰角和天线的高度等等.选取天线高度H=6米,天线半径a=30毫米,其谐振频率为12.5MHz.3.1 天线的脉冲响应图2示出了贝尔脉冲以不同的夹角入射6米单极子天线的开路电压,短路电流和50Ω负载电压的时域曲线.从图2可以看出单极子天线对电磁脉冲瞬态过程的响应均为衰减的正弦波.开路电压,短路电流和50Ω负载电压的振荡频率分别为17.2MHz,11.7MHz和11.2MHz.开路电压其振荡频率略高于天线谐振频率,其振荡波形按双指数叠加,和入射电磁脉冲的特性及其相似,而短路电流和50Ω负载电压的振荡频率都低于谐振频率,短路电流振荡频率最为接近天线的谐振频率. 随着脉冲入射角的增加响应量的峰值变大,当入射的脉冲电矢量和天线的轴线平行时达到最大,但并不影响其振荡频率.小角度入射的时候,开路电压响应曲线上升缓慢,而短路电流和50Ω负载电压响应曲线下降变慢,类似限幅作用.这里需要特别指出的是,计算所得开路电压,短路电流和50Ω负载电压的峰值时间大约为20ns,是入射贝尔脉冲峰值时间的2倍,可见电磁脉冲进入天线后上升变慢,毁伤效应下降.37-43.2 不同天线高度的脉冲响应特性图3给出了开路电压,短路电流和50Ω负载电压的峰值,最大上升率和衰减时间与天线高度(即谐振频率)的特性关系曲线.特性曲线显示随着天线高度的增高(即随着天线谐振频率的降低),开路电压,短路电流和50Ω负载电压的峰值,衰减时间和最快上升率都在增大.这和脉冲的频谱特性有关系,贝尔脉冲的能流范围主要在10k～30MHz之间,天线谐振频率在此范围内可以吸收较高的能量.负载电压和短路电流的上升率相对而言变化比较平缓,这一特性为接收机的脉冲防护设计提供了依据.图3显示开路电压的峰值大致在105V数量级,考虑开路电压的衰减时间,为防止天线基座附近脉冲击穿所需的绝缘体设计提供指导.开路电压和负载电压的最大的电压上升率为229Kv/ns,远远高于通常雷电脉冲的最快上升率,这对于选用设计敏感接收机的保护电路具有指导作用.机载天线通常为了防止雷击,设计都是对直流短路的.脉冲的短路电流与谐振频率的特性对计算短路趋肤电流和各种设备加固都有一定的指导意义.50Ω负载电压响应特性主要用来研究对各种系统和器件的鉴定,同时对系统保护电路的加固的提供设计依据.从图3可以看出,50Ω负载电压响应的各个响应量都远远低于开路电压的响应量的数值,峰值是开路电压的20%左右,从能量的角度,数量级的减少是因为负载吸收了脉冲能量,这为研究电磁脉冲对器件的毁伤及其电磁脉冲武器的研究提供途径.4 结束语在当前的信息战中,电磁脉冲武器越来越威胁着电子信息设备的生存,尤其是高功率微波超宽带电磁脉冲武器的出现.为了提高电子信息设备在电磁脉冲环境下的生存,研究电磁脉冲与各种系统部件的效应问题刻不容缓.本文研究了单极子天线的脉冲效应,给出了一些脉冲响应规律曲线,对电子设备的电磁脉冲防护技术及设备的加固都有一定的参考价值.参考文献:[1] R. Kasevich, Pulse response of linear dipole antenna, Antennas and Propagation, IEEE Transactionson [legacy, pre - 1988], vol. 31, pp. 369-371, 1983.[2] 彭仲秋, 瞬变电磁场. 北京: 高等教育出版社, 1989.[3] 汪文秉, 瞬态电磁场. 西安: 西安交通大学出版社, 1991.[4] S. Sebastiani, Protecting VHF antennas from EMP,IEEE 1991 International Symposium on, 1991.[5] 谢彦召,王赞基,王群书,周辉,孙蓓云, 高空核爆电磁脉冲波形标准及特征分析,强激光与粒子束, vol.15, pp. 781-787, 2003.50100150200250300350400123456天线高度(m)负载峰值电压(KV)衰减时间(ns)0.20.40.60.811.21.41.61.8275 37.5 25 18.75 15 12.5谐振频率(MHz)上升率(Kv/ns)峰值电压衰减时间上升率(a) (b) (c)Fig3 pulse response characteristic curves of monopole antenna (a) open circuit voltage (b) short circuit current (c)load voltage图3单极子天线的脉冲响应特性曲线(a)开路电压(b)短路电流(c)负载电压0100200300400500600700800123456天线高度(m)开路峰值电压(KV)衰减时间(ns)2468101275 37.5 25 18.75 15 12.5谐振频率(MHz)上升率(Kv/ns)峰值电压衰减时间上升率1002003004005006007008009001000123456天线高度(m)峰值电流(A)衰减时间(ns)510152025303540455075 37.5 25 18.75 15 12.5 谐振频率(MHz)上升率(A/ns)峰值电流衰减时间上升率。
单极子天线的设计
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 -§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。
天线原理与设计(王建)6PDF版
(1) 传输线模式
见图(b)，由端口a-b或e-f向短路端看去的输入阻抗为
Zt = jZ0 tan(β l / 2)
(4.19)
式中，Z0是双线传输线的特性阻抗。b、e两点等电位， 则a-b两点的输入电流为
(2) 天线模式
U /2 It = Zt
(4.20)
见图(c)，由于c、d两点同电位，g、h同
f0
f0
π
RA
(4.12)
由此式可见，对称振子的频带宽度与它的平均特性阻抗
Z'0有关。如果RA不变，那么Z'0愈小带宽就愈宽。由Z'0的
表示
Z0′
= 120[ln(
2l ρe
)
− 1]
(4.13)
可见，减小Z'0的有效途径是增大振子的截面半径。在中、 短波波段，广泛采用架设在地面上一定高度的水平对称
天线原理与设计
教师： 王建 电子工程学院二系
第四章 双极与单极天线
双极天线就是前面提到的对称振子天线，这种天线 从馈电输入端看去有两个臂。所谓单极天线，就是从输 入端看去只有一个臂的天线，如导电平板上的鞭天线， 垂直接地天线等。
4.1 近地水平与垂直半波天线
1、近地水平半波天线
近地水平半波振子天线广泛应用于短波(λ=10~100 米)通信中，其振子臂可由黄铜线、钢包线和多股软铜线 水平拉直构成，中间由高频绝缘子连接两臂，可由双线 传输线馈电，如下图所示。
链接
4.2 对称天线的频带宽度
天线的电气参量大多数都是频率的函数。当工作频 率偏离中心频率(设计频率)时，可能使方向图发生畸变， 增益下降，馈电传输线上驻波增大等。因此，工程上往 往要规定一个频率范围。在此频率范围内，天线的电特 性变化不影响工作，这个频率范围就是工作频带宽度。
赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线
赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线1. 引言1.1 概述赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线作为无线通信领域中常见的天线类型，具有广泛的应用和重要的研究价值。
赫兹偶极子是一种基本的辐射器件，由两个相等并且反向振荡电流构成，产生球面辐射场。
而四分之一波长单极子天线则是一种以悬浮地平面为结构特点的天线，主要通过单根导体来实现信号的发射和接收。
本文将从定义和原理、构造和特性以及应用领域等方面对这两种天线进行深入探讨。
1.2 文章结构本文将分为五个部分进行介绍与分析。
首先，引言部分将给出赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线的概述，并阐明文章所采用的结构与目标。
其次，在第二部分中，我们将详细探讨赫兹偶极子的定义、原理、构造和特性以及应用领域。
紧接着，在第三部分中，我们将详细介绍四分之一波长单极子天线在定义、原理、构造和特性以及应用领域方面的相关信息。
接下来，在第四部分中，我们将对这两种天线进行比较和联系，主要包括相似点、不同点以及相关性分析。
最后，在第五部分中，我们将总结前文所讨论的要点，并对这两种天线提出评价与展望。
1.3 目的本文旨在全面介绍赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线的原理、特性和应用领域，并通过比较与联系阐明它们之间的关联性。
通过对这两种天线进行深入研究，有助于读者更加清晰地理解和掌握它们在无线通信系统中的应用价值和工作原理。
此外，文章还将对这两种天线进行评价，并给出未来在技术发展方向上的展望。
通过本文的阅读，读者可以获得关于赫兹偶极子和四分之一波长单极子天线方面的基础知识，并且能够更好地了解它们在无线通信领域中所扮演的重要角色。
2. 赫兹偶极子2.1 定义和原理赫兹偶极子是由德国物理学家海因里希·赫兹于19世纪末发明的一种天线。
它是由一个导体构成的，导体两端呈V形或者倒V形排列。
赫兹偶极子的工作原理基于电磁辐射产生的原理，通过在电流中引入突变或变化频率，就能够产生辐射，并将电能转化为无线电波能量。
第四章 双极与单极天线
第四章 双极与单极天线双极天线就是前面提到的对称振子天线，这种天线从馈电输入端看去有两个臂。
所谓单极天线，就是从输入端看去只有一个臂的天线，如导电平板上的鞭天线，垂直接地天线等。
4.1近地水平与垂直半波天线1、近地水平半波天线近地水平半波振子天线广泛应用于短波通信中(10~100λ=米)，其振子臂可由黄铜线、钢包线和多股软铜线水平拉直构成，中间由高频绝缘子连接两臂，可由双线传输线馈电，如图4-1所示。
图4-1 架设在地面上方的水平天线近地水平天线的分析方法前面已经介绍，可采用镜像法和考虑地参数的反射系数法，这里采用镜像法。
求上图问题yz 平面和xz 平面内的方向图函数。
用镜像法求解时，可看作是等幅反相的二元阵。
天线轴在y 方向，阵轴在z 方向。
■上半空间辐射场的模60|||(,)|m T I f rθϕ=E ， 20/θπ≤≤ (4.1) 式中，0(,)(,)(,)T a f f f θϕθϕθϕ=，20cos(cos )(,)sin f πθϕΔ=Δ，为半波振子方向图函数， △为天线轴与射线之间的夹角，cos sin sin Δθϕ=。
(,)2sin(cos )a f H θϕβθ=，为等幅反相馈电的二元阵因子。
面内(/2■yz 平)ϕ=π的方向图函数采用地面与射线之间的夹角Δ来表示，注意关系/2θπ=−Δ，有20cos(cos )2()()()2sin(sin )sin T a f f f H ππλΔΔ=ΔΔ=⋅ΔΔ(4.2a) ■xz 平面内(H 面，0=的方向图函数)ϕ半波振子：(/2πΔ=)0(,)1f θϕ=，二元阵阵因子(用角表示)：Δ(,)2sin(sin )a f H θϕβ=ΔΔ 2()2sin(sin )T f H πλΔ=Δ (4.2b)由式(4.2a)可画出yz 面内的方向图随架高H 的变化，如图4-1-1所示。
图4-1-1 yz 面内水平振子的方向图随架高H 的变化由式(4.2b)可画出xz 面(H 面)内的方向图随架高H 的变化，如图4-1-2所示。
单极与双极天线
单极与双极天线雙極(dipole)和單極(monopole)天線簡介天線在今日的電子產品的角色日益重要。
一方面由於無線產品越來越普及，各式的手機、GPS、藍牙耳機及週邊都會需要靈敏及內建的天線。
另一方面，高速的電路如果不注意，會有意想不到的天線耦合效應而干擾其他電子產品，造成EMI 或 EMC 的間題而影響產品的認証和量產。
本文介紹最簡單且普遍的天線：雙極及單極天線(dipole and monopole antenna)。
簡單是因為它的數學及物理特性；普遍是因為它的設計和成本而有廣泛應用。
同時雙極和單極天線所得到的結果可用於其他更複雜的天線上。
雙極天線的結構和原理Fig. 1a 草繪了一個雙極天線。
基本上就是兩根金屬線指向相反方向。
極性相反的電流由中間流入(出)兩根金屬線形成雙極天線。
如果從電路學來看，可能難以理解電流如何流入(出)完全斷開的金屬線。
這可用 Fig. 1b 的虛擬電容(virtue capacitance) 來 model 及解釋。
這個虛擬電容把斷路的雙極電線變為一個迴路，可以用電路理論來了解天線的特性，而不用更複雜的電磁場理論。
這個虛擬電容包含了少部份的寄生電容 (parasitic capacitance) 以及大部份儲存電場能量的等效電容。
雙極天線的優點：不需要 ground, 同時也比較不受環境影響(人體等等)，常用於早期類比電視的天線或外接天級(如 Fig. 1c 用於 Mio 和 Panasonic 數位電視的外接天線）。
雙極天線的缺點：所佔的空間較大，少用於小型電子產品例如手機、行動電視等。
Fig. 1a and 1bFig. 1c 外接雙極天線一個簡單的類比是拍手，需要兩隻手（雙極）才能拍出聲音（電磁波）。
單極天線的結構和原理故名思義單極天線只有一根金屬線，Fig. 2a 草繪了一個單極天線。
從電磁學理論，天線能夠發射或接收 RF 訊號，需要有電位差 (potential difference)，才能形成電磁波（或電流形成迴路)。
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实验报告
实验名称：单极天线
实验器材：数据采集接口/电源、射频发生器、天线定位器、计算机、八木天线、单级天线
实验步骤：
1、将电源、射频发生器、天线定位器、电脑正确安装；
2、将有水平夹的天线杆固定到发送支架上。
将水平极化的八木天线架
到杆上，将其连接到射频发生器的1GHz OSCILLATOR OUTPUT端；
3、将单级连接器插入接地面的中心并用螺丝将其牢牢固定。
将λ/4
长导线插入连接器中心；
4、将另一个有水平夹的天线杆固定到天线定位器的滑动支架上。
将单
极天线加到杆上，定向为E面；（确保天线和天线定位器的旋转中
心一致）
5、将天线之间的距离置为r=1m远。
将其调整到同一高度并直接相对；
6、将射频发生器做如下调整：
1GHZ OSCILLATOR MODE ------ 1KHZ
1GHZ OSCILLATOR RF POWER ------ OFF
10GHZ OSCILLATOR RF POWER ------ OFF
7、接通电源，开启射频发生器，打开电脑，启动LVDAM-ANT软件；
8、将射频发生器上的1GHZ OSCILLATOR RF POWERK 开关置到ON位置。
控制优化信号的接收；开始采集，辐射图如下：
9、旋转八木天线使其垂直极化，从滑动支架上移除带水平夹的杆，换
垂直夹的杆。
将单级加到杆上，确保它定向为H面，用短缆线替换中长 SAM缆线。
进行新的采集，辐射图如下：
10、将单级天线从杆上移除并断开连接器和接地面的连接，将四条弯曲的
导线插入连接器的每个角，然后将新的天线装到杆上，定向为H面；
11、再次采集，保持相同衰减级。
辐射图如下：
12、做适当修改（杆和缆线），然后再次采集下垂天线E面的辐射图，辐射
图如下：
13、从下垂单级天线的每个角去除四根导线。
不改变衰减级，对E面的辐
射图进行采集，辐射图如下：
14、做适当调整，采集H面的辐射图，辐射图如下：
15、安装半波长振子天线并对其进行E面辐射图采集，衰减不变，进行新
的采集，辐射图如下：
实验结论：
本次实验，采集到了单级天线和下垂天线的辐射图，比较这两辐射图的增益相近；比较了λ/4单级和λ/2振的E面辐射图，观察到由于接地面较小，单级的增益比理论小。
移动10301班
第六组祖文娟。