第三章行波天线

0 线1、2合成场分析
1、2两根行波导线合成电场矢量总相位差由三部分组成：
r i E 射线行程差引起的相位差 r kl cos 0 电场极化相位差 电流相位差 kl E i kl cos 0 kl kl (1 ) kl 0
4
j 60 I 0 dz jk ( r z ' cos ) dE sin e r
（2）方向函数
kl sin[ (1 cos )] 2 F ( ) sin kl (1 cos ) 2
5
（3）行波单导线方向性特点
（1）沿导线轴线方向没有辐射，这是由于
∞
3 3 ∞
右旋圆极化
0

根据螺旋天线直径D的不同 可分为圆柱形螺旋天线和圆 锥形螺旋天线，圆锥天线可 增大带宽。螺旋天线通常用
同轴线馈电，一端与同轴线 的内导体相连接，另一端处 于自由状态或与同轴线的外导体相连接。同轴线的外 导体一般与垂直于天线轴线的金属板相连接，该板即 为接地板。接地板可以减弱同轴线外表面的感应电流， 改善天线的辐射特性，同时又可以减弱后向辐射，圆 形接地板的直径约为（0.8～1.5）λ 。 34
（3）在过角平分线的垂直平面内，电波为水平
极化波，在其它平面内为椭圆极化波，但当射线 仰角 较低时，主要辐射的是水平极化波。 23
3.2 螺旋天线
螺旋天线是一种分布式的加载天
线，相当于将加载的电感分布在 鞭状天线的整个线段中，目的是 提高天线上的电流分布，增加天
线的效率。它和单振子天线相比，
用于中、远距离的短波通信。
（1）菱形天线特点
优点： （1）可以在2：1或3：1的频率范围内使用，频带宽；
（2）结构简单，架设经济，维护方便； （3）方向性较强，适合短波远距离定点通信；
（4）驻波成分小，电压和电流不会过大，可应用于较
大的功率。 缺点： （1）结构庞大，占地面积大，适应于大型固定电台作 远距离通信用；
第三章 行波天线

天线上的电流按行波分布的天线称为行波 天线。当频率变化时，行波天线的输入阻 抗近似不变，方向图随频率的变化比较缓 慢，为宽频带天线。 天线上的电流按驻波分布的天线称为驻波 天线（谐振天线），其输入阻抗具有明显 的谐振特性，工作频带较窄。
1

行波天线

驻波天线（谐振天线）的输入阻抗具有明显的谐 振特性，因此天线的工作频带较窄，相对带宽约 百分之几到百分之十几 。 行波天线工作于行波状态，频率变化时，输入阻 抗近似不变，方向图随频率的变化也较慢，因此 频带较宽，绝对带宽可达（2～3）：1，是宽频 带天线。但行波天线的宽频带特性是用牺牲效率 （或增益）来换取的，因为有部分能量被负载吸 收，故其效率低于谐振式驻波天线。
螺旋天线的几何参数
D--螺旋的直径
a--旋线导线的半径 s--螺距，即每圈之间的距离 s --螺距角， arctan D l0 --圈的长度，l ( D) 2 s 2 s / sin 0
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双菱天线
kd cos sin ) d 0.8 ， f 2 (, ) f1 (, ) cos( 2
由两个水平菱形天线组成，双菱天线旁瓣电平比单菱天线
低，增益系数约为单菱天线的1.5～2倍。为进一步改善菱 形天线方向性，可将两幅双菱天线并联同相馈电，它的增 益和天线效率可比双菱天线增加1.7～2倍。
25
边射型（D/λ <0.18） 端射型（D/λ =0.25～0.46） 圆锥型（D/λ >0.46）
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（一）D/λ <0.18
D/λ
<0.18细螺旋天线，最大辐射方向在垂直于天线轴
的法向，又称法向螺旋天线。
将法向螺旋天线看成由N个
单元组成，每个单元又有一个
小环和一电基本振子构成。由
于环的直径很小，合成单元上 的电流可认为是等幅同相。
（4）最大辐射角的求解
m arccos(1
当l/λ

2l
)
很大时， m 随l/λ 变化很小，即最大辐
7
射方向随波长变化很小，具有宽频谱特性。
（5）方向系数
行波单导线的方向系数可以用下列近似公式
计算：
D 10 lg
l

5.97 10 lg(lg
l

0.915 )dB
2

3.1 行波单导线及菱形天线
（一）行波单导线

行波单导线是指天线上电流按行波分布的单 导线天线，各点振幅相等，相位连续滞后。
3
（1）辐射场
电流分布：
I ( z ) I 0e
'
'
jkz '
l j 60 I 0 dz ' jkz ' jk ( r z ' cos ) ' E sin e e dz 0 r kl j (1 cos ) j 60 I 0 jkr sin kl e sin[ (1 cos )]e 2 r 1 cos 2
菱形天线尺寸选择
在通信仰角
和 0 ； 将边长缩为最佳的（1～1.5）/2，可得到满意结果；
菱形天线一般有30%
0和工作波长λ 确定后，可直接算出H、l
～40%的功率损耗在终端电阻中， 特别是作为大功率电台的发射天线，终端电阻必须能承 受足够大的功率。
为改善菱形天线的方向性，常采用双菱天线； 为提高菱形天线的效率，可采用回授式菱形天线。
两根载有行波电流的导线 构成，架设简单，适用于 移动台站中使用。
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V形天线特点
（1）最大辐射方向在过角平分线的垂直平面内，
与地面有一夹角 ，具有单向辐射特性，天线 可宽频带工作，带宽通常可达2:1。
（2）终端接匹配负载，其阻值等于天线的特性
阻抗，通常为400Ω 左右。由于终端负载上要吸 收部分功率，故天线效率为60%。
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圆极化波性质

若通信的一方或双方处于方向、位置不定的状态，为 了提高通信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天 线，圆极化波的重要性质：
（1）圆极化波是一等幅旋转场，可分解为两正交等幅、 相位相差90°的线极化波； （2）辐射左旋圆极化波的天线，只能接收左旋圆极化波， 对右旋圆极化波也有相对应的结论；
27
30 I D 小环辐射场： E sin 2 r 60 I l 电基本振 sin 子辐射场： E j r
2 2
椭圆极化波的长轴与短轴之比称为轴比
2l AR 2 E ( D ) E
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细螺旋天线一圈的总辐射场为 E 和 E 的矢量和， 两相互垂直的分量均具有 sin 的方向图，并且相位 差为90°，合成电场为椭圆极化波。 沿螺旋线的轴线方向的电流分布仍接近正弦分布， 它是一种慢波结构，电磁波沿轴线传播的相速比沿 直导线传播的相速小。
基本振子沿轴线方向无辐射缘故；
（2）导线长度愈长，最大辐射方向愈靠近
轴线方向，同时主瓣愈窄，副瓣愈大且副瓣数 增多；
（3）当l/λ
很大时，主瓣方向随l/λ 变化 趋缓，即天线方向性具有宽频带特性。
6
kl (1 cos )] 当l/λ 很大时，方向函数中 sin[ 2 sin cot 项快得多， 项随 的变化比起 1 cos 2 因此行波单导线的最大辐射方向可由前一个因 子决定，即 sin[ kl (1 cos )] 1 m 2
8
（二）菱形天线
为了增加行波单导线的增益，用4根行波单导线
构成菱形天线（排阵的方法）。
9
菱形天线
菱形天线水平地悬挂在四根支柱上，从菱形天线
的一只锐角端馈电，另一只锐角接一个与菱形天线 特性阻抗相等匹配负载，使导线上形成行波电流。
天线间距变化，导致各点特性阻抗不等，从锐角
端的600～700Ω 到钝角的1000Ω ，各点特性阻抗不 均匀引起天线上局部反射，破坏了行波状态，采用 各边并上2～3根导线并在钝角处分开一定距离，增 加其等效直径，以减小各对应线段特性阻抗的变化。
0 m
2l
行波导线1、4合成场分析
1、4两根行波导线在长对角线方向上射线行程差引起的
相位差
，电流相位差 ，电场极化 0 r 相位差 ，因此总相位差 2 。
i
E
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菱形天线方向性缺点
构成菱形天线的四条边的辐射场在长对角线方
向上都是同相的，因此菱形天线在水平平面内的 最大辐射方向是从馈电点指向负载的长对角线方 向。而在其它方向上，一方面并不是各边行波导 线的最大辐射方向，而且不一定能满足各导线的
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回授式菱形天线
回授式菱形天线没有终端吸收电阻，它是将终端剩余能量
送回输入端，再激励天线“2”。如果回授至输入端的电流 相位与输入端的馈源电流相位相同，剩余的能量就能辐射 出去，从而提高天线效率。
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（三）行波V形天线
菱形天线占地面积大，结构和架设比较复杂，
因此只能在固定台站中使用。
V形天线仅有一根支杆和
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发射天线极化
垂直极化
接收天线极化
垂直极化 水平极化 斜极化（45°/135°）
功率损失（dB）
0 ∞ 3
圆极化（左/右）
水平极化 垂直极化 水平极化 斜极化（45°/135°）
3
∞ 0 3
圆极化（左/右）
左旋圆极化 垂直/水平极化 斜极化（45°/135°） 左旋圆极化
3
3 3 0
右旋圆极化
右旋圆极化 垂直/水平极化 斜极化（45°/135°） 左旋圆极化
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（4）菱形天线的尺寸选择及其变形天线
通信仰角 0