宽带短波环形天线项目设计方案(2)

第二章 环形天线的宽带化和集总加载技术

环形天线一般是电小天线，所谓电小天线是指天线的最大几何尺寸远小于工作波长的天线，根据H.A.Wheeler的定义，电小天线要求l?1k，其中l是天线的最大尺寸，k?2?/?为与电磁场相关的波数。由于天线是一种转换导波能量为辐射波能量的或相反过程的器件，而这种过程是直接与工作的波长相关联的，所以天线尺寸的减小将影响天线的带宽、增益、效率以及极化纯度等，而且电小天线也很不容易实现有效的馈电。正因为如此，在确定天线的性能时，天线尺寸往往比天线技术更为重要。长期以来，许多作者对天线的辐射性能与天线尺寸的关系进行了深入的研究，而且这种研究迄今还在继续。

2.1 环形天线

2.1.1天线的主要电性能指标 （1）定向性

定向性几乎是天线最重要的参量，描述天线定向性的参数有方向图和方向系数等。

天线的方向图用来描述电（磁）场强度在空间的分布状况，它是三维立体图形。工程上常采用在天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面内的方向图来表示天线的方向性，它们分别称为E面和H面的方向图。E面是平行于电场矢量的平面，H面是平行于磁场矢量的平面，也可以令E面表示垂直于地平面的平面、而H面表示平行于地平面的平面来观测天线的方向性。描述天线方向图的参数有：主瓣宽度（或称半功率波瓣宽度）、副瓣电平（指副瓣中的最大值与最小值之比）、前后辐射比（指前向与后辐射场强之比）等。方向图最直观地反映了电磁场大小的空间分布。

方向系数用D来定量的说明天线辐射电磁波能量的集中程度。定义D为：在总辐射功率相同的情况下，天线在其最大辐射方向上某处的场强的平方，与一无

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方向性的点源在相同处产生的场强的平方之比。数学表达式为：

D?4?2??2?0?0F(?,?)sin?d?d? （2-1）

式中，F(?,?)为天线归一化的方向函数。若天线的副瓣电平很小，工程上常用两主面的半功率波瓣宽度2?0.5E、2?0.5H来估算方向系数的值，即 D?330002?0.E52? （2-2）

0H.5 天线的方向性越强，方向系数越大。 （2）效率

天线的效率?A可以度量天线转换能量的有效性，它也是天线的重要指标之一。例如发射天线的效率定义为：天线的辐射功率与输入功率之比。

若天线的效率小于1，天线输入功率一部分转化为辐射功率，一部分为消耗功率。其他损耗功率可包括有：天线系统的导线损耗、介质损耗、网络损耗以及天线支架、周围物体和大地中的电磁感应引起的损耗等等。一般电小天线的效率较低。 （3）增益

天线增益G是一个实际参量，该参量因天线或天线罩的欧姆损耗而小于定向性，增益与定向性之比是天线的效率，这种关系可表示为：

G?10lg(G)?10lg(?AD) （2-3） 具体可表述天线增益为：天线输入功率相同的情况下，某天线在其最大辐射方向上的场强平方，与一理想的无方向性的电源在相同处产生的场强平方之比。 （4）阻抗特性

天线的输入阻抗是天线馈电点处的电压与电流之比，通常它是一个复阻抗，而且是频率的函数。对于某些天线如底馈鞭天线，由于它和周围环境有较强的电磁耦合，因此，其输入阻抗值除决定于天线自身的结构、电尺寸等因素外，还与设置的环境有关；而有些天线输入阻抗对馈电点的结构异常敏感；严格从理论上计算天线的输入阻抗是比较困难的，工程应用中一般都采用测量的方法确定。 （5）频带宽度

天线的频带宽度是指天线的主要电指标如增益、主瓣宽度、副瓣电平、输入阻抗、极化特性等均满足设计要求时的频率范围，或称天线的工作带宽，简称天

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线带宽。

根据无源天线收、发的互易性，同一付天线作为发射或接收时，电特性是相同的。

2.1.2环形天线的概念

顾名思义环形天线就是将导线弯成环形所构成的天线。环形天线的终端负载阻抗可以为零，也可以等于环的特性阻抗，其上的电流分布和平行传输线类似。终端短接的环的周长不大于0.2倍工作波长时，称为小环天线,环上的电流近似按等幅同相分布。短接环的半径较大时，环上电流为驻波分布。当端接负载的阻抗等于环的特性阻抗时，环上的电流为行波分布。依据电磁辐射的二重性原理，小环天线和垂直于环面放置的小电偶极天线的辐射场除将电和磁的量互换外都是类似的，即在环面的平面上方向图是圆，环轴所在平面上方向图是8字形,沿环轴方向的辐射为零。环可以是空心的或磁芯的；单匝的或多匝的。理论和实验证明，辐射场与环的面积、匝数和环上的电流成正比，与工作波长的平方和距离成反比；与环的形状关系不大。由于小环天线的周长远远小于一个波长，主要产生和响应电磁信号的磁分量，而大多数人造干扰源主要产生电场辐射，所以小环天线具有噪声免疫特性，尤其适合用于干扰和抖动的工作环境。小环天线的辐射效率很低，通常用作接收天线，广泛应用于测向、无线电罗盘和中、短波广播接收机。

2.2 宽带天线的概念及实现

2.2.1 天线的工作带宽及限制带宽的主要因素

由于天线的各项电指标一般都是随频率变化的因而天线带宽也就取决于各项

电指标的频率特性。若同时对几项电指标都有具体要求时，则以其中最严格的要求作为确定天线带宽的依据。

天线带宽通常有两种表示方法：（1）相对带宽；（2）倍频带宽。

相对带宽的定义是：天线的绝对带宽2?f与工作频带内的中心频率f0之比，即

R?fmax?fmin2?f? （2-4）

f0f0式中，fmax、fmin分别表示工作频带的上限频率和下限频率。

倍频带宽的定义是：工作频带的上限频率与下限频率之比，即

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B?fmax （2-5） fmin一般窄带天线多使用相对带宽一词，而宽带天线多采用倍频带宽的表示方法。窄带和宽带都是相对的概念，没有严格的定义，习惯上认为B?fmaxfmin?2就是宽带天线。

天线带宽主要取决于各项电指标的频率特性。通常，天线主要电指标均有其各自定义的带宽，它们分别是： （1）方向图带宽

由于方向图是描述天线方向性的重要指标，而当频率偏离设计频率时，有可能发生主瓣指向偏移、主瓣分裂萎缩、副瓣电平增大、前后辐射比下降等。当方向图恶化到不能满足设计要求时，即限定了方向图的带宽。一般来说，高频端方向图容易迅速恶化，因此，它往往是限制上限频率fmax的主要因素。 （2）增益带宽

是指增益下降到允许值时的频带宽度。通常定义增益下降到工作频带内最大增益值的50%时相应的频带宽度为3dB的增益带宽。通常，频率降低，天线电尺寸变小。增益比较明显地下降，因此，该项指标往往限定了下限工作频率fmin的值。 （3）输入阻抗带宽

简称阻抗带宽，输入阻抗随频率变化，当天线输入端电压一定时，输入端电流会随频率变化，因此可以通过天线输入端电流的变化来计算天线的阻抗带宽。通常，谐振式天线（如对称振子或单极子天线等）多采用这种表示方法。在中心频率f0处，天线长度调整到谐振长度，即输入电抗为零，谐振时的天线电流为

Iin(f0)；?f当频率偏离?f，即f?f0?时，使输入端电流恰好为谐振时电流的0.707

倍，相应的带宽2?f就称为3dB阻抗带宽。

此外，天线的阻抗带宽也可以用馈线上的电压驻波比来表示。根据设计这对电指标的要求，以驻波比低与规定值的频率带宽为天线的阻抗带宽。这种表示方法既反映了天线阻抗的频率特性，也说明了天线与馈线的匹配效果，在天线工程中使用性很强。

2.2.2 实现电小线天线宽带化的主要方法

（1）采用机机电结合的方式，合理设计天线结构，使具有宽频特性

例如伸缩式短波、超短波直立天线，其天线长度利用机电结合的办法进行控制，使之在不同频率上始终保持在串联谐振长度上，即电长度保持不变，以实现在相当宽的频带内具有良好的方向性和阻抗匹配特性。这种方法由于是机械伸缩，因而使应用范围受到一定限制，但仍不失为一种易于实现、行之有效的宽带化措

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施。

（2）利用插入分布或者集总网络来展宽天线的工作带宽

将电抗元件、阻抗元件、介质材料或有源器件置于天线的某一部分之中，其目的或是为了缩小天线尺寸、或是为了提高效率、或是为了增大带宽，这种方式称为天线加载加载元件可以是有源的或是无源的，可以是分布参数元件，也可以是集总参数元件。

加载天线可以放置在天线内部或者天线的馈电端。从广义的角度讲，天线阻抗匹配网络也算是一种加载方式，用以补偿天线阻抗频率随频率的变化，从而展宽阻抗带宽。目前，自动天线调谐器获得了广泛的应用，它以全自动方式，通过微机控制、自动检测阻抗信息并按照预定的调谐软件改变匹配网络参数，进行快速调谐和阻抗变换，以使天线系统与同轴线电缆（特性阻抗为50欧姆）较好地匹配。

（3）利用一付天线的多模工作方式来展宽工作频带

一般天线在基模和高次模工作时，要求其电性能变化较小，但也有个别应用场合却有不同的要求。如果能够设计一种天线，当它用于基模工作时构成较低频段的天线，而用高次模工作时构成高频段的天线，就可以在天线体积尺寸不变的情况下获得较宽的工作带宽。

2.3 集总加载对小环天线性能的影响

线天线的输入阻抗或导纳和电流分布受到天线加载的很大影响，通过对线天线的加载，使天线上部分或全部呈现行波电流分布，不仅极大地扩展了天线工作频带，而且可以控制天线的方向性。

在各种关于加载天线的研究工作中，研究人员先后提出了分布加载和集总加载天线的理论方法和应用。分布加载通常是由导电介质按照一定规律涂敷到绝缘芯上形成无反射行波天线；而集总加载则是通过在天线上加载RLC集总电路元件来改变天线上电流分布的。对于工作在短波波段上的天线, 由于其工作频率低, 天线的物理尺寸相对比较大, 采用集总加载的方法是比较方便和容易实现的，同时使天线具有足够的结构强度，不易折断损坏等。

下面以小环天线为例，简要介绍有关天线集总加载的知识。 （1）电阻加载

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