菱形天線

菱形天線是一種寬頻帶天線。它由一個水平的菱形懸掛在四根支柱上構成，菱形的一隻銳角接在饋線上，另一隻銳角接一與菱形天線特性阻抗相等的終端電阻。其最大發射方向指向終端電阻方向的垂直平面內，具有單向性。

基本介紹

• 中文名：菱形天線
• 外文名：diamond antenne
• 拼音：líng xíng tiān xiàn
• 類別：寬頻帶天線
• 缺點：副瓣電平高
• 套用：通訊

菱形天線定義

用四根大于波長的長導線連線成菱形的天線。它水平或傾斜懸掛在四根支柱上，在菱形的一個銳角饋電，在另一銳角連線等於天線特性阻抗的吸收電阻。這種天線於1931年提出。它是一種強方向性行波天線，可以看成是由兩個V形導線在開口端相連而成，其工作原理與V形行波天線類似。載有行波電流的四個臂長相等，它們的輻射方向圖完全相同。適當選擇菱形的邊長L和頂角A可使各臂的波瓣a，a′，a″，a冺在菱形對角線方向同相疊加，其他波瓣則互相干涉形成副瓣。因此，天線的主瓣方向是由饋電點指向吸收電阻的銳角對角線方向，在其他方向則有較多和較強的副瓣。當頂角A與各邊導線的兩個主瓣最大值的夾角2ψ相等時，天線的主瓣方向位於菱形平面內並與銳角對角線相重合；當A<2ψ時，主瓣方向與菱形平面成一角度並位於與菱形平面垂直的主軸平面內；當A>2ψ時，天線的主瓣呈現分裂。架於地面上的水平菱形天線受到地面反射所引起的干涉作用，垂直面波束分裂為多個波束，其方向圖形狀決定於與架設高度和工作波長有關的高度因子，其波瓣方向與地面成一定的仰角。因此菱形天線的性能決定於L/λ、Φ和H/λ三個參數。

菱形天線的性能

功率損耗

當高度因子中的第一個最大值的仰角與菱形天線本身主瓣的仰角相等時，可得到最佳的性能。菱形天線在吸收電阻上有較大的功率損耗，效率一般僅為50%～80%，但方向性較強，所以增益係數仍較高，常用的單菱形天線的增益係數可達100左右（合20分貝）；採用雙菱形天線（兩個菱形天線上下或左右排列，同相饋電，共用一個吸收電阻）可降低天線的副瓣電平和提高天線的增益係數1.5～2倍。在實用中，菱形各邊通常用2～3根導線在鈍角處分開一定距離以減小沿線特性阻抗的變化。天線的特性阻抗約為700～800歐，輸入阻抗在很寬的波段內無大的變化；但天線的方向圖則隨頻率的變化而改變。按一定方向圖要求構成的天線，工作波段覆蓋係數約為2～2.5倍。菱形天線用作接收天線或小功率發射天線時，吸收電阻可用無感的線繞電阻；用作大功率發射天線時，則要用有損耗的傳輸線，其特性阻抗等於天線的特性阻抗。

提高效率

提高菱形天線效率的辦法之一是採用回授式菱形天線，它沒有吸收電阻，而用回授線使通過菱形導線輻射後剩餘的能量返回到輸入端，這樣就可以減小功率的損耗，但回授線的長度與工作頻率有關，調節困難，工作頻帶較窄。另一辦法是採用指數菱形天線，它是把菱形各邊用四根導線按指數變化張開，在終端銳角處短接在一起，天線的特性阻抗隨導線的張開而逐漸減小，天線上的電流迅速衰減，在終端處的反射已很小，不需要再接吸收電阻，因而天線的效率大大提高。這種天線在終端處仍有一定的反射，故天線的輸入阻抗和方向性比普通的菱形天線稍差。

優缺點

菱形天線結構簡單，造價低，是30年代末以來短波遠距離通信中用得最廣泛的一種天線，在甚高頻和超高頻波段也可套用。它的主要缺點是副瓣電平高，占地面積大，天線場地不易選擇。儘管由於衛星通信的出現及迅速發展，短波通信受到忽視，但隨著擴頻、跳頻和實時信道估值(RTCE)等新技術的套用，目前短波通信技術已經取得了進展，特別是近年來人們發現，衛星在戰時易被敵方干擾以及由於別的原因而不能正常工作。如在伊拉克戰爭中就暴露出衛星信道的擁擠、短時無法補充的缺陷，這使得短波通信成為遠程通信的另一重要手段。短波菱形天線是一種行波天線，工作方式為天波方式，既輻射有水平極化分量又有垂直極化分量，它適合於遠距離通信，由於天線在仰角方向波束的變化導致行波天線工作頻帶一般為2~3倍頻程。該天線結構簡單，架設經濟，維護方便；天線工作時，駐波成份很小，因此不會發生電壓或電流過大的問題，可以套用於大功率發射。此外行波天線終端的負載電阻吸收一部分功率，因而效率一般為50%~80%，但菱形天線的方向性較強，考慮到負載損耗，天線增益一般可達7~8dB。因此菱形天線陣是短波通信天線的一較好的選擇。

菱形天線的套用

在對菱形天線結構和工作原理進行分析的基礎上，為縮小天線尺寸結構，提高天線的方向和增益特性，設計了一種以2.4GHz為中心工作頻率的帶反射板的疊雙菱形天線。設計過程中利用VB軟體製作了互動式天線計算器，方便天線尺寸參數的計算和最佳化調整，並使用4NEC軟體搭建天線的模型及仿真最佳化。在天線測試平台上利用PNA3621網路分析儀對製作的天線進行了測試。測量結果表明，在2.35GHz～2.45GHz頻率範圍內，天線方向圖較好，與仿真結果較為吻合，天線輸入端電壓駐波比和回波損耗較為理想為了改善菱形天線的方向和增益特性，採用天線組陣的形式，設計改進了一種疊雙菱天線結構。將兩個雙菱形天線上下疊加，與饋線相連的雙菱形稱為輻射振子，用於輻射能量，與輻射振子疊加的另一個雙菱形稱為引向振子，主要使能量按一定的方向進行輻射。設備採用電橋法可對天線的負載、回波損耗、駐波等反射特性進行測試；採取旋轉天線法可測試天線的增益和方向性：將待測天線固定於測試轉台上，通過方向控制器控制天線在水平面內旋轉360°，接收天線接收來自雲台上發射天線的場強，經過處理後得到測試結果。在網路分析儀儀表面板顯示結果的同時，通過網路分析儀串列接口，在電腦上可顯示出測量的相關圖形曲線和數據。原因是天線在製作精度上會存在一定的誤差，以及天線與饋線連線處由於焊接的原因，造成阻抗不匹配所致。從方向圖中可以看出，疊雙菱形天線的定向性和對稱性較好，其主瓣寬度為56°，但是第一副瓣電平較大，與仿真時的結果有些差異。方向圖不平滑呈鋸齒狀是由於試驗室的空間測試環境有限，造成電波多次反射後進入測試天線所致。