一種單極鞭狀天線分析與設(shè)計
本文對一種結(jié)構(gòu)簡單的單極子鞭狀天線的電特性進行了分析，在設(shè)計改進中加入金屬套筒有效地改善了天線的帶寬與增益。以下是文學網(wǎng)小編J.L為大家分享的關(guān)于單極鞭狀天線分析與設(shè)計之論文范文。
【摘 要】文章分析了一種單極鞭狀天線的工作原理、設(shè)計方法，并給出了模型天線。針對實測結(jié)果對天線結(jié)構(gòu)進行改進，結(jié)果顯示天線工作頻率在334～346MHz，中心頻率為340MHz，在整個頻帶內(nèi)駐波系數(shù)小于2，增益較為穩(wěn)定，均值達到2.2dBi。這種天線體積小，重量輕，方便攜帶，重復性和一致性較好。
【關(guān)鍵詞】單極鞭狀天線 電性能 駐波系數(shù) 方向圖
1 引言
鞭狀天線由于尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊而在當今各類通信設(shè)備中被廣泛應用，其研究設(shè)計也因此受到廣泛關(guān)注。各種地面電臺及車載電臺配用了形式多樣的鞭狀天線，在艦船上也常看到林立的鞭狀天線。由于鞭狀天線在物理尺寸上仍是小天線，尤其是HF頻段低端，電阻小、電抗大，匹配困難，因此大多數(shù)鞭狀天線應用在窄帶工作狀態(tài)，帶寬大約在5%～10%左右[1]。單極鞭狀天線屬于鞭狀類里結(jié)構(gòu)頗為簡單的一種，適合于車載等便攜工作方式，體積小，輻射效率高，架設(shè)方便。
2 理論分析
本文設(shè)計的鞭狀天線結(jié)構(gòu)采用長度為1/2波長的單極子。單極天線是偶極子天線的一半，這種天線幾乎總是高于安裝地平面，其基本原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，由長為h的直立振子和無限大的地板組成。地面的影響可用天線的鏡像來代替，這樣單極子天線就可等效為自由空間內(nèi)臂長為2h的對稱振子。當然，這樣的等效僅對地面上的半空間等效，原因是地板以下沒有輻射場[2]。
2.1 輻射場與方向圖
架設(shè)在無限大理想導電平面上的單極接地天線產(chǎn)生的輻射場，可直接應用自由空間對稱振子的計算公式進行計算[3]：
(1)
式中Im為波腹電流。將Im=I0/sinβl，θ=90°-Δ，l=h，(I0為輸入電流，Δ仰角，h為單極子天線的高度)。代入上式，得：
(2)
由F(Δ)可知，水平面的方向圖是一個圓，即在方位面內(nèi)是全向性的。垂直平面的方向圖如圖2所示。當h逐漸增大時，波形變尖;當h>0.5λ時，出現(xiàn)副辨;在h=0.625λ時，副瓣最大值發(fā)生在Δ=60°方向上;繼續(xù)加大h，由于天線上反相電流的作用，沿Δ=0°方向上的輻射減弱。為此，h應限制在0.625λ之內(nèi)。在中波波段，為了抗衰落，要求盡可能降低超過55°的高仰角方向上的輻射，為此，h應盡可能大一些。一般情況下，h=0.53λ左右較為適宜。
從圖2可以看出：
(1)通常情況下，選用λ/4的單極子天線作為標準天線。其方向圖在水平面是一個圓，在俯仰面呈啞鈴型分布。而且，其輸入阻抗接近于50Ω，易于和常用的特性阻抗為50Ω的同軸線相匹配;其天線的增益為5.15dB。
(2)實際工程中，全向天線還采用一種稱作為5λ/8的單極子天線，其增益約為8.15dB，如圖3所示。當然，其接地板一般用幾個金屬桿來等效。同時，為了和50Ω的.同軸線相匹配，在天線的底部采用加載線圈來抵消輸入阻抗中的容性部分。
(3)如果單極天線的高度取λ/2，它就相當于自由空間的全波振子，理論上說較之h=λ/4時增益要提高1.67dB。但是，這種天線的輸入阻抗高，不便于和常用的同軸線聯(lián)接，為此必須加一個阻抗交換器。
2.2 電特性
有效高度：有效長度對于單極子天線而言即為有效高度，它可以表示天線的輻射強弱，是直立天線的重要指標。假設(shè)天線上的電流為正弦分布，β為傳播常數(shù)。則依據(jù)有效高度的定義：
當h<<λ時，亦即?h→0，則式(3)可以簡化為：
(4)
當振子很短時，電流近似呈三角形分布，故有效高度為實際高度的一半。當h=λ/4，he=0.5λ/π。
方向系數(shù)：首先討論輻射電阻，然后可由輻射電阻計算方向系數(shù)。在無限大理想導電地上，單極子天線的輻射電阻與自由空間對稱振子的輻射電阻的計算方法完全相同，僅因單極天線的鏡像部分并不輻射功率，故其輻射電阻為同樣臂長的自由空間對稱振子(l=h)輻射電阻的一半。當h=λ/4時，對于細線天線其輻射電阻是36.50Ω。當h=λ/8時，
(5)
式中，Rrm和Rr0分別是歸于波腹電流和輸入電流的輻射電阻。圖4表示了輻射電阻隨天線高度的變化曲線，其橫坐標以電角度表示，即(h/λ)×360°。當天線高度h減小時，輻射電阻下降很快。
當Δ=0°時，由式(1)可以得到：
f(φ)=1-cos?h (6)[論文網(wǎng)]
當h<<λ時，將式(5)及(6)代入方向系數(shù)計算公式：
(7)
因為cos?h≈1-(?h/2)2，則電高度較低的單極天線的方向系數(shù)近似等于3。
3 天線設(shè)計
根據(jù)需求，設(shè)計的鞭狀天線中心頻率在340MHz，帶寬12MHz，采用同軸電纜饋電。天線為同軸細線結(jié)構(gòu)，見圖5。
由同軸細線結(jié)構(gòu)天線的駐波曲線可知，駐波系數(shù)在中心頻率340MHz時為1.58，334MHz時為1.98，346MHz時為1.96，但是此帶寬內(nèi)天線增益并不理想，是因為機殼地尺寸較小，單極天線接入有限大金屬接地板時，其方向圖有所上翹。因此在天線底端加入一個共軸金屬套筒，與同軸外導體相接到地，如圖6所示，天線的輻射體部分為同軸線內(nèi)導體，長度設(shè)置為1/4波長[4]。這種套筒單極子天線可以改善帶寬與增益[5-6]。
通過實測得套筒的直徑為6mm，長度為1/4波長時效果較好，中心頻率340MHz上駐波系數(shù)為1.28，增益為3.18;334MHz時駐波系數(shù)為1.78，增益為2.47;346MHz時駐波系數(shù)為1.99，增益為2.32，曲線如圖7所示，方向圖如圖8所示。
4 結(jié)束語
本文對一種結(jié)構(gòu)簡單的單極子鞭狀天線的電特性進行了分析，在設(shè)計改進中加入金屬套筒有效地改善了天線的帶寬與增益。這種天線體積小，方便攜帶，在現(xiàn)代通信中能充分發(fā)揮重要作用。
參考文獻
[1] 李劍鋒. 小型寬帶鞭狀天線設(shè)計綜述[J]. 杭州電子工業(yè)學院學報， 2000.
[2] 謝處方，邱文杰. 天線原理與設(shè)計[M]. 西安： 西北電訊工程學院出版社， 1985.
[3] Thomas A Milligan. 現(xiàn)代天線設(shè)計[M]. 郭玉春，等譯. 2版. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2012.
[4] 張健鑫，傅光. 改進型套筒單極子天線的設(shè)計[A]. 2009年全國天線年會論文集(下)[C]. 2009.
[5] 紀奕才，田步寧，孫保華，等. VHF寬帶小型化套筒天線的優(yōu)化設(shè)計[J]. 電波科學學報， 2003(6).
[6] 王磊，傅光，陳俊. 一種新穎的套筒單極子天線[J]. 電子科技， 2008(9).
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