6导线上的天线 天线原理.pdf

1、Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 天线 Antennas 第 6讲 导体上的天线 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 6讲内容 引言 理想导体平面上的天线 地

2、面上的天线 单极子天线 角反射面天线 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 实际应用中，填经常要安置在导体之上，如安装在大地上天线以及车载、舰载、机载天线等。 同时，利用导体也可以构成新的天线。 6.1 引言 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques S

3、chool of Electronic & Information Engineering South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engine

4、ering H镜像天线 当天线放在无限大理想导体平面上方，则 在每个观察点，可以接收到两个波：天线的直射波和来自地面的反射波。 根据镜像原理，无限大理想导电平面对天线的影响可以用镜像天线代替。 6.2 理想导体平面上的天线 无限大导电平面 天线 H 直射波 反射波 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 考察电流元的场分量 径向分量 可见，在边界上 径向分量在边界上的切向分量相

5、互抵消。 112212122c o sc o s180c o s( 18 0 )c o srroorECECECC12rrEEp pdd21rE 2rE 1径向分量 镜像原理 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 方向的 分量 可见，在边界上 分量在边界上的投影也相互抵消。 1 1 222s in s ins inE D DED方向的 分量 p pdd21E 2E1 12EE

6、South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 因此，无限大理想导电平面上的天线可以等效为由其及其镜像构成的二元阵。 天线极化方式决定二元阵的具体构成。 (a) 正像 (b)负像 (c)正像和负像 iiiiiiSouth China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School

7、 of Electronic & Information Engineering 其中， 带入上式可得： 对于二元阵的阵因子 2 c o s , c o s2f k d 2 , c o s s i ndH 对于正像 ( =0)： 对于负像 ( =180o)： 22( ) c o s ( s i n )fH 22( ) s i n ( s i n )fH South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engi

8、neering 导体平面上的水平振子 镜像为负像 导体平面上的水平振子的阵因子 H镜像天线 对称振子 HSouth China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 导体上高度为 1/4波长的水平半波振子的 E面方向图 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School o

9、f Electronic & Information Engineering 导体上的垂直 振子的阵因子方向图 导体平面上的垂直振子 镜像为正像 H镜像天线 对称振子 H South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 导体上高度为半波长的垂直半波 振子的 E面方向图 South China Universityof Technology Research Institute of A

10、ntennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 理想情况下，地面可以看成理想导体平面 但是，实际的地面是非理想导体，例如地球的介电常数和电导率为 这时，镜像原理依然可用，但镜像的强度比理想导电面时要小。这时需要引入地面反射系数。 31 5 , 1 2 1 0 /r Sm 6.3 地面上的天线 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic &

11、Information Engineering 非理想导电地面上方天线的场 1 ()jk r jk reeEE rr + 2 s inr r H 是地面的反射系数。 分子上，要求 分母上 rr2 s i n1 ( 1 )jk rj k HeE E er H镜像天线 地面 天线 H 直射波 反射波 rr于是 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 对于理想导体平面，当天线为水平振

12、子时， 1；当天线为垂直振子时， 1。 实际地面的电导率有限，等效介电常数为复数 对于地球表面， 则 00()er j 31 5 , 1 2 1 0 /r Sm 301 8 1 0M H zf South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 对于水平振子，入射波电场与地面平行 对于垂直振子，入射波电场与地面垂直 22s i n co ss i n co srHr 2 2s i n co

13、 ss i n co srrVrr rrooj South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 海面 和干土 的反射系数曲线 8 1 , 1 /r Sm 31 0 , 2 1 0 /r Sm South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Elect

14、ronic & Information Engineering 可以看出，对于水平振子反射系数仍然接近于 1。但对于垂直振子，在小角度时反射系数也接近于 1，而不是理想导体时的1. South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 理想地面与实际地面两种情况下，离地面半波长高的短天线在垂直面内的方向图。 31 2 1 0 / , 1 5rSm South China University

15、of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 对于水平天线，为了使平面波反射系数法有效，天线至少应该高出地面 0.2。 对于垂直天线，在理想导电地面，沿地平面的辐射最大。而在同样功率下，真实地面效率低，辐射功率偏离地面向上倾斜，强度同时也减小。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of

16、 Electronic & Information Engineering 通过在地面埋设径向导线，可以减少地球地面的损耗。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 导体面上竖立的线天线称为单极子。 根据镜像原理 ，长度为 h的单极子与其镜像构成一个全长为 2h的偶极子（对称振子）。因此， 单极子在导体面的上半空间的场与偶极子相同，但在下半空间场为零。 6.4 单极子天线 Iz

17、hp p South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 单极子的输入阻抗只有相应 偶极子的一半 。 场只在上半球延伸，辐射功率只有同样电流的偶极子辐射功率的一半，因此辐射电阻也是偶极子的一半。 ,1122A d i p o l eA m o n o p o l eA m o n o p o l e A d i p o l eA m o n o p o l e A d i p o l

18、eVVZZII ,22,11211 2| | | |22d i p o l emono poler m o n o p o l e r d i p o l eA m o n o p o l e A d i p o l ePPRRII South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 方向性是相对应偶极子的两倍。 ,44 212m o n o p o l e d i p o l eA m

19、o n o p o l eA d i p o l eDD 短单极子的方向性： 四分之一波长单极子方向性是自由空间半波振子的 2倍： 2 1 . 6 4 3 . 2 8 5 . 1 6m o n o p o leD d B 2 1 .5 3m o n o p o leD South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering (a)单极子相对于大实心地面馈电 (b)以电流表示的等效偶极子 p p

20、镜像电流 短单极子电流 1/4波长单极子电流 p p单极子的馈电 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 有限尺寸导体面对 单极子辐射的影响 实际的单极子天线的导体面可以用导体圆盘或几根径向导体棒实现。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques Schoo

21、l of Electronic & Information Engineering 有限尺寸的导体面对单极子天线的阻抗和方向图会有一定的影响。 右图为长为 /4的单极子的辐射电阻和输入电抗的数值计算结果。可以看出，随着导体面尺寸的减小，阻抗以 1为周期呈起伏变化。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 下 图 为长为 /4的单极子的方向图的计算结果。可以看出，随着导体面尺寸的减小，方向图的最大辐射方向呈上扬趋势。