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    一種單極鞭狀天線分析與設計

    來源:網絡  時間:2017-07-01 15:12:00

        【摘 要】文章分析了一種單極鞭狀天線的工作原理、設計方法,并給出了模型天線。針對實測結果對天線結構進行改進,結果顯示天線工作頻率在334~346MHz,中心頻率為340MHz,在整個頻帶內駐波系數小于2,增益較為穩定,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。
      【關鍵詞】單極鞭狀天線 電性能 駐波系數 方向圖
      1 引言
      鞭狀天線由于尺寸小、結構緊湊而在當今各類通信設備中被廣泛應用,其研究設計也因此受到廣泛關注。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,因此大多數鞭狀天線應用在窄帶工作狀態,帶寬大約在5%~10%左右[1]。單極鞭狀天線屬于鞭狀類里結構頗為簡單的一種,適合于車載等便攜工作方式,體積小,輻射效率高,架設方便。
      2 理論分析
      本文設計的鞭狀天線結構采用長度為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,其基本原理結構如圖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
      架設在無限大理想導電平面上的單極接地天線產生的輻射場,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,出現副辨;在h=0.625λ時,副瓣最大值發生在Δ=60°方向上;繼續加大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。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。假設天線上的電流為正弦分布,β為傳播常數。則依據有效高度的定義:
      ·
      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:首先討論輻射電阻,然后可由輻射電阻計算方向系數。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]
      當h<<λ時,將式(5)及(6)代入方向系數計算公式:
      (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近似等于3。
      3 天線設計
      根據需求,設計的鞭狀天線中心頻率在340MHz,帶寬12MHz,采用同軸電纜饋電。天線為同軸細線結構,見圖5。
      由同軸細線結構天線的駐波曲線可知,駐波系數在中心頻率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導體,長度設置為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上駐波系數為1.28,增益為3.18;334MHz時駐波系數為1.78,增益為2.47;346MHz時駐波系數為1.99,增益為2.32,曲線如圖7所示,方向圖如圖8所示。
      4 結束語
      本文對一種結構簡單的單極子鞭狀天線的電特性進行了分析,在設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,在現代通信中能充分發揮重要作用。
      

    參考文獻


      [1] 李劍鋒. 小型寬帶鞭狀天線設計綜述[J]. 杭州電子工業學院學報, 2000.
      [2] 謝處方,邱文杰. 天線原理與設計[M]. 西安: 西北電訊工程學院出版社, 1985.
      [3] Thomas A Milligan. 現代天線設計[M]. 郭玉春,等譯. 2版. 北京: 電子工業出版社, 2012.
      [4] 張健鑫,傅光. 改進型套筒單極子天線的設計[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化設計[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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