一種單極鞭狀天線(xiàn)分析與設計
本文對一種結構簡(jiǎn)單的單極子鞭狀天線(xiàn)的電特性進(jìn)行了分析，在設計改進(jìn)中加入金屬套筒有效地改善了天線(xiàn)的帶寬與增益。以下是文學(xué)網(wǎng)小編J.L為大家分享的關(guān)于單極鞭狀天線(xiàn)分析與設計之論文范文。
【摘 要】文章分析了一種單極鞭狀天線(xiàn)的工作原理、設計方法，并給出了模型天線(xiàn)。針對實(shí)測結果對天線(xiàn)結構進(jìn)行改進(jìn)，結果顯示天線(xiàn)工作頻率在334～346MHz，中心頻率為340MHz，在整個(gè)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(xiàn)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(xiàn) 電性能 駐波系數 方向圖
1 引言
鞭狀天線(xiàn)由于尺寸小、結構緊湊而在當今各類(lèi)通信設備中被廣泛應用，其研究設計也因此受到廣泛關(guān)注。各種地面電臺及車(chē)載電臺配用了形式多樣的鞭狀天線(xiàn)，在艦船上也�？吹搅至⒌谋逘钐炀�(xiàn)。由于鞭狀天線(xiàn)在物理尺寸上仍是小天線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)屬于鞭狀類(lèi)里結構頗為簡(jiǎn)單的一種，適合于車(chē)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(xiàn)結構采用長(cháng)度為1/2波長(cháng)的單極子。單極天線(xiàn)是偶極子天線(xiàn)的一半，這種天線(xiàn)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(cháng)為h的直立振子和無(wú)限大的地板組成。地面的影響可用天線(xiàn)的鏡像來(lái)代替，這樣單極子天線(xiàn)就可等效為自由空間內臂長(cháng)為2h的對稱(chēng)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(méi)有輻射場(chǎng)[2]。
2.1 輻射場(chǎng)與方向圖
架設在無(wú)限大理想導電平面上的單極接地天線(xiàn)產(chǎn)生的輻射場(chǎng)，可直接應用自由空間對稱(chēng)振子的計算公式進(jìn)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(xiàn)的高度)。代入上式，得：
(2)
由F(Δ)可知，水平面的方向圖是一個(gè)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(shí)，波形變尖;當h>0.5λ時(shí)，出現副辨;在h=0.625λ時(shí)，副瓣最大值發(fā)生在Δ=60°方向上;繼續加大h，由于天線(xiàn)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(guò)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(xiàn)作為標準天線(xiàn)。其方向圖在水平面是一個(gè)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(xiàn)相匹配;其天線(xiàn)的增益為5.15dB。
(2)實(shí)際工程中，全向天線(xiàn)還采用一種稱(chēng)作為5λ/8的單極子天線(xiàn)，其增益約為8.15dB，如圖3所示。當然，其接地板一般用幾個(gè)金屬桿來(lái)等效。同時(shí)，為了和50Ω的同軸線(xiàn)相匹配，在天線(xiàn)的底部采用加載線(xiàn)圈來(lái)抵消輸入阻抗中的容性部分。
(3)如果單極天線(xiàn)的高度取λ/2，它就相當于自由空間的全波振子，理論上說(shuō)較之h=λ/4時(shí)增益要提高1.67dB。但是，這種天線(xiàn)的輸入阻抗高，不便于和常用的同軸線(xiàn)聯(lián)接，為此必須加一個(gè)阻抗交換器。
2.2 電特性
有效高度：有效長(cháng)度對于單極子天線(xiàn)而言即為有效高度，它可以表示天線(xiàn)的輻射強弱，是直立天線(xiàn)的重要指標。假設天線(xiàn)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(shí)，亦即?h→0，則式(3)可以簡(jiǎn)化為：
(4)
當振子很短時(shí)，電流近似呈三角形分布，故有效高度為實(shí)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(wú)限大理想導電地上，單極子天線(xiàn)的輻射電阻與自由空間對稱(chēng)振子的輻射電阻的計算方法完全相同，僅因單極天線(xiàn)的鏡像部分并不輻射功率，故其輻射電阻為同樣臂長(cháng)的自由空間對稱(chēng)振子(l=h)輻射電阻的一半。當h=λ/4時(shí)，對于細線(xiàn)天線(xiàn)其輻射電阻是36.50Ω。當h=λ/8時(shí)，
(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(xiàn)高度的變化曲線(xiàn)，其橫坐標以電角度表示，即(h/λ)×360°。當天線(xiàn)高度h減小時(shí)，輻射電阻下降很快。
當Δ=0°時(shí)，由式(1)可以得到：
f(φ)=1-cos?h (6)[論文網(wǎng)]
當h<<λ時(shí)，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(xiàn)的方向系數近似等于3。
3 天線(xiàn)設計
根據需求，設計的鞭狀天線(xiàn)中心頻率在340MHz，帶寬12MHz，采用同軸電纜饋電。天線(xiàn)為同軸細線(xiàn)結構，見(jiàn)圖5。
由同軸細線(xiàn)結構天線(xiàn)的駐波曲線(xiàn)可知，駐波系數在中心頻率340MHz時(shí)為1.58，334MHz時(shí)為1.98，346MHz時(shí)為1.96，但是此帶寬內天線(xiàn)增益并不理想，是因為機殼地尺寸較小，單極天線(xiàn)接入有限大金屬接地板時(shí)，其方向圖有所上翹。因此在天線(xiàn)底端加入一個(gè)共軸金屬套筒，與同軸外導體相接到地，如圖6所示，天線(xiàn)的輻射體部分為同軸線(xiàn)內導體，長(cháng)度設置為1/4波長(cháng)[4]。這種套筒單極子天線(xiàn)可以改善帶寬與增益[5-6]。
通過(guò)實(shí)測得套筒的直徑為6mm，長(cháng)度為1/4波長(cháng)時(shí)效果較好，中心頻率340MHz上駐波系數為1.28，增益為3.18;334MHz時(shí)駐波系數為1.78，增益為2.47;346MHz時(shí)駐波系數為1.99，增益為2.32，曲線(xiàn)如圖7所示，方向圖如圖8所示。
4 結束語(yǔ)
本文對一種結構簡(jiǎn)單的單極子鞭狀天線(xiàn)的電特性進(jìn)行了分析，在設計改進(jìn)中加入金屬套筒有效地改善了天線(xiàn)的帶寬與增益。這種天線(xiàn)體積小，方便攜帶，在現代通信中能充分發(fā)揮重要作用。
參考文獻
[1] 李劍鋒. 小型寬帶鞭狀天線(xiàn)設計綜述[J]. 杭州電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報， 2000.
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[4] 張健鑫，傅光. 改進(jìn)型套筒單極子天線(xiàn)的設計[A]. 2009年全國天線(xiàn)年會(huì )論文集(下)[C]. 2009.
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