天线第八讲-同相直立天线与八木天线.pdf

1、Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 天线 Antennas 第 8讲 同相直立天线与八木天线 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 8讲内容 同相直立天线 八木

2、-宇田天线 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 从对称振子的分析可知，当臂长小于 0.65时，天线的增益随着臂长增加。但是，臂长大于 0.65时，由于反向电流的抵消作用，出现了旁瓣，增益反而下降。 为了提高天线增益，可以采取抑制反向电流或使反向电流翻转的方法。这样，振子长度越长，垂直面的方向图越窄，增益越高。 8.1 同相直立天线 South China Universit

3、yof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 早在 1920年，富兰克林提出了经典的以其名字命名的天线。 这一天线的原理很简单：把单极子天线上具有反向电流的部分折叠起来，使其不辐射。也可以采用利用电感线圈替代反向电流的线段。 在 450MHz，测得 3 /2和 7 /2长的 富兰克林天线的半功率波瓣宽度分别是 280和 120，增益分别为3.2dBd和 7.2dBd。 富兰克林天线 South China Universit

4、yof 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 Engineering 利用同轴线外导体周期性的环形缝隙对带扼流套的半波振子馈电。 扼流套既是振子臂又对同轴线外壁上电流起扼制作用。 串馈同轴对称

5、振子阵 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 为了同相馈电，环形缝隙的间距是 g（填充有介质的同轴线的波导波长），如果填充相对介电常数为 r的电介质，则 为了满足增益或旁瓣电平的要求，相邻对称振子在空间的间距 d也有要求，设 d=A ，则 2, 1 /grdA/gr South China Universityof Technology Research Institute

6、of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 交叉馈电同轴共线天线 交叉馈电同轴共线（ coaxial collinear， COCO）天线是利用结构上的交叉馈电方法实现各同轴段的外导体外表面上电流同相，从而形成一个共线同相阵，以压缩垂直面的方向图，提高天线增益。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Informati

7、on 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 Engineering 共线折合振子阵 South China Unive

8、rsityof 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 Engineering 我们已经知道，天线阵可用于增加方向性，前面讨论的天线阵的所有阵元都是有源的（称为激励元），需要通过馈电网络直接连接

9、每个阵元。 如果仅有少量阵元是直接馈电的，馈电网络将大大简化，这样的阵列称为寄生阵。非直接激励的阵元（寄生元）通过耦合从有源元处获得激励。 八木 -宇田天线，简称八木天线是一种平行振子的寄生直线阵，非常流行，结构简单、增益高。 八木 -宇田天线最早由日本仙台的东北大学的宇田（ Uda）讲师于 1926年完成。 1928年，宇田所在的实验室的八木（ Yagi）教授在 Proc. IRE 发表了详细讨论八木天线原理的文章。 8.2 八木 -宇田天线 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Tec

10、hniques School of Electronic & Information Engineering 反射器 激励元 引向器 支撑杆 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 八木天线由三部分组成：激励元、引向元和反射元。 考虑用一个半波振子作为激励元，如果一个寄生元放得很靠近激励元，激励元将以几乎相等的幅度激励寄生元。 设寄生元上的入射场为 ，寄生元上的总电场为感应场与

11、入射场之和。因为寄生元为导体，总电场为零，因此，寄生元的感应场为 因此，寄生元被激发与激励元等幅反相的电流。 in c id e n t d riv e rEEp a r a s i t e i n c i d e n t d r i v e rE E E South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 由阵列理论可知，两个靠得很近且等幅反相的阵元具有端射方向图。 下图为间距为 0.0

12、4的二元半波寄生阵的方向图。 阵结构 H面方向图 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 通过加长寄生元可以揭示八木天线的妙处。 激励元长度为 0.4781 ，寄生元长为 0.49 ，间距0.04， 由数 值方法可得 H面的方向图， 寄生元比激励元长的一般趋势：出现了沿端射方向、且是由寄生元指向有源元的单一主瓣，这种寄生元称为 反射器。 阵结构 H面方向图 South Chin

13、a Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 如果寄生元比激励元短，但置于激励元的另一边，从增强同一方向的主瓣的角度看，它对方向图的影响与反射器类似，该寄生元称为 引向器 ，把辐射从激励元引向引向器的方向。 阵结构 H面方向图 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School

14、 of Electronic & Information Engineering 在激励元两边同时加反射器和指向器，会加强辐射效应。下图为一个三元八木天线的例子，方向图比二元阵大为改善，这些方向图的阵元间距离为 0.04。 阵结构 H面方向图 E面方向图 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 一般的八木天线由一个激励元、一个反射元和若干引向元组成。 最大方向性的反射器间距 S

15、R在 0.150.25个波长之间，增益比孤立振子高出 2.5dBd，如果用平板取代简单的导线状阵元，增益将高出 3dBd。 三元八木天线的最大方向性为 9dBi或 7dBd。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 引向器间的距离一般为0.20.35个波长 ， 长阵多用长间距 ， 短阵多用短间距 。 典型的反射器长度是0.5， 激励元的长度为无寄生元时的谐振长度 ， 引向器的长

16、度一般比谐振长度短 10%20%。 实际中 ， 当引向器增加至 5-6个时 , 增益增加明显 ， 若 指向器增至 9-10个时 ，增益基本保持不变 。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 增加更多反射器阵元，增益只会增加零点几 dB，通常只有一个反射器，反射器主要影响馈点的输入阻抗，以及天线阵的后瓣。 由方向图知道，增益主要由引向器阵元控制，引向器长度与间距是相互关联的，最

17、敏感的还是引向器的长度。 八木天线的增益还与支撑杆长度 (LB=SR+h)有关。 Viebicke在美国国家标准局（ NIST， National Bureau of Standard）进行了大量的实验研究，给出了有关八木天线设计的丰富信息。对特定长度支撑杆，确定了最优设计。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering South China Universityof Techno

18、logy Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 八木天线设计曲线 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 寄生元分布在阵元中心的电压为零，故可以采用金属支持杆。但实际尺寸的金属支撑杆还是会有影响，需进行补偿。 South Chin

19、a Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 具有几个引向器的八木天线是端射行波天线，它支持慢波型的表面波。 设计良好的八木天线上的引向器电流如下所示 一个 27元八木天线上的相对电流幅度 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & In

20、formation Engineering 寄生阵的严重缺点是辐射电阻小。对于只有一个寄生元得阵，当间距小于 0.1 时， 辐射电阻大约减少到不存在寄生元时的 0.15，当间距小于 0.5时， 辐射电阻大约减少到不存在寄生元时的 0.3。对于标准半波振子，只有一个寄生元时，辐射电阻大约为 20或更小。 因此，八木天线常用折合振子做激励阵元 ，辐射阻抗可以提高 4倍。 八木天线的带宽也相对较窄，采用折合振子也可以适当改善带宽。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques Sc

21、hool of Electronic & Information Engineering 【 例 】 为电视 12频道设计一个工作在 205.25MHz的12元八木天线。使用直径 1cm的阵元，且与金属支撑杆绝缘，支撑杆长度为 2.2。 解：从设计表可查出，需要 0.2的间距。 205.25 MHz对应的波长为 1.46m，故阵元间距为 29.2cm。 按照下面 4个步骤，可得到阵元长度。 (1) 在设计图中的 B曲线上画出阵元长度，设计曲线 对导线的直径为 0.0085。 (2) 1cm导线的直径是 0.0065 ，表中的阵元长度要略微增加，从水平轴 0.0065 处向上画一条竖直线即可完成

22、。该线与两条相关的设计曲线相交，交点给出了反射器与引向器的长度。 South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering LR=0.483 ， LD1=0.4375 (3) 用一对引向器，测量第一引向器的原始长度与校正长度在引向器曲线 B上的距离，将其它每个引向器长度向左移动这段距离，已确定补偿长度： (4) 校正金属支持杆对阵元长度的影响 ，本例阵元与支撑杆绝缘，不需要校正。 23 1 0495 6 7 80 .4 2 10 .4 1 40 .4 0 50 .3 9 8DDDDDD D D DLLLLLL L L L South China Universityof Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 利用数值方法可以算得方向图如下，方向性为11.82dB， 前后比为 38.5 dB，激励元的输入阻抗为 26.5+j23.7。