1、Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 天线 Antennas 第 7讲 折合振子与蝙蝠翼天线 褚庆昕 华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 第 7 讲内容 V形振子 折合振子
2、十字形振子 蝙蝠翼天线 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 如果对称振子的的臂长超过 0.65，会出现旁瓣，时增益下降，这是因为臂上出现反向电流所致。 一种改善的方法是振子形状的直线改为角形或曲线。如 V形振子和高斯曲线振子，其思路是利用线上各点电流元之间射线的波程差的不同补偿电流的相位差。 采用长度和角度可调的 V形振子是最常用的选择。 通过调节振子的的长度和角度可以获得
3、最佳的辐射特性。 7.1 V形振子 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering V形振子的设计：根据工作频率，确定振子的长度，然后确定张角，使角中心辐射最大。 采用矩量法，对于 的 V形振子， 在扇形区内方向性最大的角度 可由 下式给出 相应的方向性为 221 5 2 ( ) 3 8 8 ( ) 3 2 4 , 0 .5 1 .51 1 .5 ( ) 7 0 .5 ( ) 1 6
4、2 , 1 .5 3h h hh h h 2 . 9 5 ( ) 1 . 1 5hD 0 .5 / 3h South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 计算表明： h=0.75的 V型振子 90 o 最大辐射方向为 角度 方向性 3.35=5.26dB 对称振子 2.2=3.4dB 前后比 2dB。 对称振子 0dB 输入阻抗 106+j17 对称振子 360+j700 118.5
5、oSouth China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 折合振子（ folded-dipole）是常用的线天线之一。 从形状上看，折合振子是一个窄矩形环，窄边长度远远小于宽边长度，且馈电在宽边的中心。 实际的折合振子的长度通常取为半波长，它可以看成全波对称振子折合而成。 7.2 折合振子 South China Universityof Technology Research Institu
6、te of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 同时，折合振子可以看作为两个平行排列、间距很小、两端连接的半波对称振子组成。一个振子的馈电在中间，另一个振子的馈电在两边，但与中间馈电的振子相同。 因此，折合振子可以等效为平行排列、间距很近、馈电相同的二元对称振子阵。 /2L South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & In
7、formation Engineering 对于远场区，由于间距很小，两个对称振子之间的相位差可以忽略，因此，折合振子的辐射场相当于两个对称振子的辐射场的叠加。 在折合振子与单个对称振子馈电电流相同的条件下，折合振子的辐射功率是单个对称振子的辐射功率的两倍。 在辐射功率相同的条件下，折合振子的输入电流是单个对称振子的输入电流的一半。 折合振子的辐射 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engine
8、ering 由于间距很小，折合振子相当于两个耦合非常紧的二元阵。根据对称性和互易性，二元阵的阻抗矩阵为 折合振子的输入阻抗相当于 2端口短路时， 1端口的输入阻抗。 采用奇偶模激励法是最严格和方便方法。 折合振子的输入阻抗 1 1 1 1 1 2 22 1 2 1 1 1 2V Z I Z IV Z I Z I1 21 1 1 2 21 2 1 1 20in ininV Z I Z IZ I Z I1 1 1 2 221 1 1 2 1 1/f in in inZ V I Z Z I IZ Z Z South China Universityof Technology Research Ins
9、titute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 偶模激励 由于结构对称，所以 偶模激励时，折合振子 相当于对称振子，只是 电流为 2Ie， 于是 其中， Zd为单个对称振子的输入阻抗。 偶模激励正对应于折合振子的天线模式。 12 eV V V12 eI I I2e d eV Z IeVeVeI eI- - + + eVeI eI1 1 1 2()eeV Z Z I1 1 1 2 2 dZ Z ZSouth China Universityof Technology Researc
10、h Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 奇模激励 奇模激励时，折合振子 相当于两个相向的长度 为 L/2 的短路双导线传 输线。于是 其中， Zt、 Z0 分别为双导 线的输入阻抗和特性阻抗。 奇模激励也称为折合振子的传输线模式。 12 oV V V 12 oI I I 0 t a n ( / 2 )o o t oV I Z I jZ LoVoVoI oI+ + - - oI oIoVoV+ - + - 1 1 1 2()ooV Z Z I1 1 1 2 tZ
11、Z ZSouth China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 任意激励可以看作为偶模激励与奇模激励的叠加。 当 时， eVeVeI eI- - + + oVoVoI oI+ + - - in e oV V Vin o eI I I- + 12e o e oV V V V V V ，12e o e oI I I I I I ，2 0V 112 / 2i n e e o i n i n e oV
12、V V V V V I I I I ， ，South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 于是，折合振子的输入阻抗为 阻抗矩阵参数 也可以利用阻抗矩阵得到输入阻抗 / 2 / 2 4( 1 / 2 1 / ) / 2 2i n o e i n i n d tini n o e d t i n d tV V V V V Z ZZI I I Z Z V Z Z 1 1 1 21 1 1 2
13、2 dtZ Z ZZ Z Z1112/2/2dtdtZ Z ZZ Z Z22221 1 1 211( / 2 ) ( / 2 ) 4/ 2 2d t d t d tind t d tZ Z Z Z Z ZZZZZ Z Z Z Z South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 注意到，输入导纳 因此，折合振子的输入阻抗相当于四个串联的对称振子与两个串联的短路传输线并联。 对于半波折合振
14、子， L=/2 01 / 1 / 4 1 / 2114 2 ta n ( / 2 )in in d tdY Z Z ZjZ Z L inY0 t a n 4 = 4 7 0 = 2 8 02t f dZ j Z Z Z ， 半波折合振子的输入阻抗是半波对称振子的 4倍。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 下图为采用传输线模型和矩量法计算的导线半径2a=0.001的折合振子
15、的输入阻抗曲线。导线间距为 12.5a，相当于双导线的特性阻抗为 300欧姆。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 可以看出，第一谐振点发生在 L=0.48，输入阻抗略小于 300，在第二谐振点 L=1.47处，输入阻抗略大于 300。 还可以看到， 在 L=n处（ n=1,2,3) ，输入阻抗很小，这是因为 Zt几乎为零。 折合振子常被用于 FM广播的接收天线。 Sout
16、h China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 粗细不同的导线也可做折合振子，在半波条件下输入阻抗为 通常 a1,a2远小于 d， c近似为 可见，调节导线的粗 细可以调节折合振子 的输入阻抗。 2( 1 ) ( / 2 )in dZ c Z L 12ln ( / )ln ( / )dacda俯视图 端视图 South China Universityof Technology Researc
17、h Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 折合振子之所以是非常流行的线天线，是因为它的阻抗特性、容易制作和结构的刚性。 等半径导线的半波长折合振子的输入阻抗接近 300欧，即双导线传输线的特性阻抗。改变导线的半径还可以调节输入阻抗。 半波折合振子的带宽比普通半波振子大。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Elect
18、ronic & Information Engineering 我国电视广播要求天线具有水平极化特性。 电视信号发射时，为了让各个方向的用户可以接受到良好的信号，要求 电视发射天线 ，在水平面应该是全向的。 而水平振子在水平面内的方向图是 8字形，有方向性。如何水平振子实现水平的全向辐射？ 十字形振子是一个好的方案。 7.2 十字形振子 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
19、两正交电流元的辐射 两个电流元水平放置，在空间相互垂直，电流相位差 90 （时间上垂直） 1020c o ss inI I tI I t显然，在垂直方向，该天线是圆极化的。但在水平面是线极化。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 电流元的方向函数为 ，在水平面内，场强分别为： K为常系数， E1和 E2在空间是同方向的，但在时间相位上差 90 ， P点的总场为 在与两个振子
20、垂直的中心轴上，场强是一个常数 102 0 0c o s s i ns i n s i n ( 9 0 ) s i n c o sE K I tE K I t K I t osin1 2 0 0( c o s s i n s i n c o s ) s i n ( )E E E K I t t K I t 220 0 0c o s + s i nE K I t K I t K I 常 数1020co ssinE K I tE K I tSouth China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniqu
21、es School of Electronic & Information Engineering 在某一瞬间 t=t1,水平面内的方向图为 其形状为一 8 字形。随着时间变化， 8 字形围绕与两个振子垂直的中心轴以角频率 旋转，最大点旋转的轨迹是一个圆，所以在水平面辐射是无方向性的。这种天线称为 旋转场天线 。 1( ) s i n ( )ft 在与两个振子垂直的中心轴上，场强振幅为一常数，场是圆极化的。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of E
22、lectronic & Information Engineering 两个正交的半波振子 实际上经常采用的是两个半波对称振子，空间上相互垂直，振子上的电流相位差 90 方向图函数 c os( c os )2( ) c ossinc os( c os )2sinc osfttSouth China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 十字形对称振子 的方向图 半波对称振子十字天线的方向图在其平面内
23、不再是圆，与圆相比约有5%的起伏。 在与两个振子垂直的轴上，场仍未圆极化。 为了提高天线增益，可以在同一根杆上架设几层相同的十字天线，即在垂直方向采用十字天线阵列。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 对于 N层十字天线阵，增益可近似为 G=1.22Nd/ 十字天线结构简单，价格低廉，架设方便，在小型电视差转中获得广泛的应用。 South China Universityo
24、f Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 蝙蝠翼天线是根据十字形旋转场天线发展而来，普遍用作调频广播和电视广播的发射天线。 7.4 蝙蝠翼天线 蝙蝠翼天线由两个空间和时间上正交、等幅馈电的蝙蝠翼形对称振子构成。 右图为蝙蝠翼天线的典型结构，中央是金属支撑桅杆。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques
25、School of Electronic & Information Engineering 蝙蝠翼振子可以看成是对称振子的金属臂加宽，再制成栅格状而成。这样，在电性能上可以增加工作带宽，在结构上也可以减少重量和风阻。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 蝙蝠翼振子是在中心点同相馈电，所以，并不是桅杆两侧的振子组成对称振子形成辐射，而是一侧的振子与金属桅杆所形成的镜像形成反
26、相馈电的对称振子。每一侧的振子在自身所在的半个空间辐射，两侧振子总的辐射效果与一个对称振子的辐射效果是一致的。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering E E 那么，为什么要采用蝙蝠翼形式？ 蝙蝠翼振子在 A-A点同相馈电，在E-E点短路，因此， EA段构成短路传输线，形成驻波。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 接在 A、 B、 C、 D点的几根对称振子得到同相馈电。 短路线 DE在 D点呈现较小的感抗，因此接在 D点的振子应呈现小的容抗以进行补偿，形成谐振，故其臂长应稍小于 1/4波长。 在 B、 C、 A点随着短路传输线 CE、 BE、 AE的增长，感抗逐渐增大，因此接在这些点的振子长度应逐渐缩短，以提供更大的容抗补偿。 分析和实验表明，蝙蝠翼振子可以等效为上下相距半波长、水平排列的等幅二元对称振子阵列。
