1、一种单极鞭状天线分析与设计【摘 要】文章分析了一种单极鞭状天线的工作原理、设计方法，并给出了模型天线。针对实测结果对天线结构进行改进，结果显示天线工作频率在 334346MHz，中心频率为 340MHz，在整个频带内驻波系数小于 2，增益较为稳定，均值达到 2.2dBi。这种天线体积小，重量轻，方便携带，重复性和一致性较好。【关键词】单极鞭状天线 电性能 驻波系数 方向图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 H
2、F 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
3、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/sinl，=90-，l=h， （I0 为输入电流， 仰角，h 为单极子天线的高度） 。代入上式，得：（2）由 F（）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h0.5 时，出现副辨；在 h=0.625 时，副瓣最大值发生在=60方向上；继续加大 h，由于天线上反相电流的作用，沿 =0方向上的辐射减弱。为此，h 应限制在 0.625 之内。在中波波段，为了抗衰落，要求尽可能降低超过
4、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=0.53 左右较为适宜。从图 2 可以看出：（1）通常情况下，选用 /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 50，易于和常用的特性阻抗为 50 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 5/8 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 50 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 /2，它就相当于
5、自由空间的全波振子，理论上说较之 h=/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。2.2 电特性有效高度：有效长度对于单极子天线而言即为有效高度，它可以表示天线的辐射强弱，是直立天线的重要指标。假设天线上的电流为正弦分布， 为传播常数。则依据有效高度的定义：当 h 时，亦即?h0，则式（3）可以简化为：（4）当振子很短时，电流近似呈三角形分布，故有效高度为实际高度的一半。当 h=/4，he=0.5/。方向系数：首先讨论辐射电阻，然后可由辐射电阻计算方向系数。在无限大理想导电地上，单极子天线的辐射电阻与自由空间对称振子的辐射电
6、阻的计算方法完全相同，仅因单极天线的镜像部分并不辐射功率，故其辐射电阻为同样臂长的自由空间对称振子（l=h）辐射电阻的一半。当 h=/4 时，对于细线天线其辐射电阻是 36.50。当 h=/8 时，（5）式中，Rrm 和 Rr0 分别是归于波腹电流和输入电流的辐射电阻。图 4表示了辐射电阻随天线高度的变化曲线，其横坐标以电角度表示，即（h/）360。当天线高度 h 减小时，辐射电阻下降很快。当 =0时，由式（1）可以得到：f（）=1-cos?h （6）论文网当 h 时，将式（5）及（6）代入方向系数计算公式：（7）因为 cos?h1-（?h/2）2，则电高度较低的单极天线的方向系数近似等于 3
7、。3 天线设计根据需求，设计的鞭状天线中心频率在 340MHz，带宽 12MHz，采用同轴电缆馈电。天线为同轴细线结构，见图 5。由同轴细线结构天线的驻波曲线可知，驻波系数在中心频率 340MHz时为 1.58，334MHz 时为 1.98，346MHz 时为 1.96，但是此带宽内天线增益并不理想，是因为机壳地尺寸较小，单极天线接入有限大金属接地板时，其方向图有所上翘。因此在天线底端加入一个共轴金属套筒，与同轴外导体相接到地，如图 6 所示，天线的辐射体部分为同轴线内导体，长度设置为 1/4 波长4。这种套筒单极子天线可以改善带宽与增益5-6。通过实测得套筒的直径为 6mm，长度为 1/4
8、波长时效果较好，中心频率 340MHz 上驻波系数为 1.28，增益为 3.18；334MHz 时驻波系数为1.78，增益为 2.47；346MHz 时驻波系数为 1.99，增益为 2.32，曲线如图 7 所示，方向图如图 8 所示。4 结束语本文对一种结构简单的单极子鞭状天线的电特性进行了分析，在设计改进中加入金属套筒有效地改善了天线的带宽与增益。这种天线体积小，方便携带，在现代通信中能充分发挥重要作用。参考文献：1 李剑锋. 小型宽带鞭状天线设计综述J. 杭州电子工业学院学报， 2000.2 谢处方，邱文杰. 天线原理与设计M. 西安： 西北电讯工程学院出版社， 1985.3 Thomas A Milligan. 现代天线设计 M. 郭玉春，等译. 2 版. 北京： 电子工业出版社， 2012.4 张健鑫，傅光. 改进型套筒单极子天线的设计A. 2009 年全国天线年会论文集（下）C. 2009.5 纪奕才，田步宁，孙保华，等. VHF 宽带小型化套筒天线的优化设计J. 电波科学学报， 2003（6）.6 王磊，傅光，陈俊. 一种新颖的套筒单极子天线J. 电子科技，2008（9）.
