一种单极鞭状天线分析和设计

1 引言

鞭状天线由于尺寸小、结构紧凑而在当今各类通信设备中被广泛应用,其研究设计也因此受到广泛关注。各种地面电台及车载电台配用了形式多样的鞭状天线,在舰船上也常看到林立的鞭状天线。由于鞭状天线在物理尺寸上仍是小天线,尤其是HF频段低端,电阻小、电抗大,匹配困难,因此大多数鞭状天线应用在窄带工作状态,带宽大约在5%~10%左右[1]。单极鞭状天线属于鞭状类里结构颇为简单的一种,适合于车载等便携工作方式,体积小,辐射效率高,架设方便。

2 理论分析

本文设计的鞭状天线结构采用长度为1/2波长的单极子。单极天线是偶极子天线的一半,这种天线几乎总是高于安装地平面,其基本原理结构如图1所示,由长为h的直立振子和无限大的地板组成。地面的影响可用天线的镜像来代替,这样单极子天线就可等效为自由空间内臂长为2h的对称振子。当然,这样的等效仅对地面上的半空间等效,原因是地板以下没有辐射场[2]。

2.1 辐射场与方向图

架设在无限大理想导电平面上的单极接地天线产生的辐射场,可直接应用自由空间对称振子的计算公式进行计算[3]:

· (1)

式中Im为波腹电流。将Im=I0/sinβl,θ=90°-Δ,l=h,(I0为输入电流,Δ仰角,h为单极子天线的高度)。代入上式,得:

·

(2)

由F(Δ)可知,水平面的方向图是一个圆,即在方位面内是全向性的。垂直平面的方向图如图2所示。当h逐渐增大时,波形变尖;当h>0.5λ时,出现副辨;在h=0.625λ时,副瓣最大值发生在Δ=60°方向上;继续加大h,由于天线上反相电流的作用,沿Δ=0°方向上的辐射减弱。为此,h应限制在0.625λ之内。在中波波段,为了抗衰落,要求尽可能降低超过55°的高仰角方向上的辐射,为此,h应尽可能大一些。一般情况下,h=0.53λ左右较为适宜。

从图2可以看出:

(1)通常情况下,选用λ/4的单极子天线作为标准天线。其方向图在水平面是一个圆,在俯仰面呈哑铃型分布。而且,其输入阻抗接近于50Ω,易于和常用的特性阻抗为50Ω的同轴线相匹配;其天线的增益为5.15dB。

(2)实际工程中,全向天线还采用一种称作为5λ/8的单极子天线,其增益约为8.15dB,如图3所示。当然,其接地板一般用几个金属杆来等效。同时,为了和50Ω的同轴线相匹配,在天线的底部采用加载线圈来抵消输入阻抗中的容性部分。

(3)如果单极天线的高度取λ/2,它就相当于自由空间的全波振子,理论上说较之h=λ/4时增益要提高1.67dB。但是,这种天线的输入阻抗高,不便于和常用的同轴线联接,为此必须加一个阻抗交换器。