第6章測(cè)向天線6.1環(huán)天線

6.2艾德考克天線

6.3角度計(jì)天線6.4銳方向天線

6.1環(huán)天線

將金屬導(dǎo)體制成以中央垂直軸線為對(duì)稱軸的圓環(huán)形、方框形(正方形或長(zhǎng)方形)、三角形、棱形等，并在兩端點(diǎn)饋電的結(jié)構(gòu)形式，就構(gòu)成了普通的單環(huán)天線，如圖6-1所示。不論其形狀如何，它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即天線以中心垂直軸線完全對(duì)稱，并且可以繞中心垂直軸自由旋轉(zhuǎn)。圖6-1常見普通單環(huán)天線的結(jié)構(gòu)示意圖普通單環(huán)天線具有體積小、重量輕、攜帶和架設(shè)靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在無(wú)線電測(cè)向領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，但它也存在著自身結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的一些缺點(diǎn)，最突出的是“三大效應(yīng)”，即極化效應(yīng)、天線效應(yīng)和位移電流效應(yīng)，其中極化效應(yīng)是致命的缺點(diǎn)。

伴隨著最早期無(wú)線電測(cè)向設(shè)備而誕生的單環(huán)天線是無(wú)線電測(cè)向領(lǐng)域最經(jīng)典的基本天線單元，它經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展演變，今天在民用方面作為體育競(jìng)技的無(wú)線電測(cè)向運(yùn)動(dòng)中所使用的手持式測(cè)向機(jī)和軍用方面的便攜式小音點(diǎn)測(cè)向機(jī)仍然在使用這種結(jié)構(gòu)形式的天線，當(dāng)然兩者的測(cè)向精度要求不同，因而所采用的天線結(jié)構(gòu)形式也有所差異。在長(zhǎng)期實(shí)際使用過程中人們逐漸發(fā)現(xiàn)了普通單環(huán)天線所存在的“三大效應(yīng)”及其帶來(lái)的副作用，為此國(guó)內(nèi)外從事無(wú)線電測(cè)向工程技術(shù)研究和生產(chǎn)的科技工作者們經(jīng)過長(zhǎng)期探索，設(shè)計(jì)出了其他一些以普通單環(huán)天線為基礎(chǔ)的測(cè)向天線。目前普通的單環(huán)天線在實(shí)際無(wú)線電測(cè)向中已經(jīng)很少使用，但由于它是其他同類天線的基礎(chǔ)，因此下面仍然用一定的篇幅對(duì)其各種特性進(jìn)行較為詳細(xì)的分析。6.1.1單環(huán)天線的方向特性

為簡(jiǎn)化問題起見，我們先對(duì)方框形環(huán)天線進(jìn)行分析，且假設(shè)滿足如下條件：

(1)接收電波為垂直極化地波；

(2)目標(biāo)電臺(tái)與測(cè)向天線之間的距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。

根據(jù)上面的假設(shè)條件，對(duì)于圖6-2(a)所示的天線，其水平邊A'B'和AB在垂直電場(chǎng)作用下無(wú)感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生；而垂直邊AA'和BB'在垂直交變電場(chǎng)的作用下將產(chǎn)生振幅相等的感應(yīng)電勢(shì)e1(t)和e2(t)。設(shè)來(lái)波P與環(huán)平面之間的夾角為q，如圖6-2(b)所示，則電波到達(dá)垂直邊AA'比到達(dá)垂直邊BB'多走了波程差r，由該波程差引起的相位差為(6-1)圖6-2方框形環(huán)天線接收來(lái)波信號(hào)示意圖由此可見，垂直邊AA'邊接收的感應(yīng)電勢(shì)比BB'邊接收的感應(yīng)電勢(shì)在相位上滯后了j。設(shè)接收點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)為E，信號(hào)頻率為w，則(6-2)由此得到方框形環(huán)天線的振幅方向特性為

在遠(yuǎn)小于１的條件下， ，此時(shí)式(6-2)和式(6-3)可簡(jiǎn)化為(6-3)(6-4)(6-5)如果將式(6-5)所示的方向函數(shù)畫成平面極坐標(biāo)圖形，并以正上(北)方定義為0°方向，則得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“8”字形方向圖，所以這種天線通常被稱為具有“8”字方向特性。

環(huán)天線的實(shí)際方向特性應(yīng)該根據(jù)式(6-3)來(lái)描述，圖6-3(a)、(b)、(c)、(d)分別為=0.1、=0.4、=0.75、=1對(duì)應(yīng)的方向圖。圖6-3

d/l不同取值時(shí)的環(huán)天線方向圖上述結(jié)論可以用圖6-4所示的矢量圖來(lái)說(shuō)明。圖6-4環(huán)天線接收電勢(shì)的示意圖6.1.2單環(huán)天線的有效高度

為了表征環(huán)天線接收空間電磁波而感應(yīng)電勢(shì)的能力，我們用“天線有效高度”這個(gè)量來(lái)描述。

定義：天線在最大接收方向上所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)與產(chǎn)生該電勢(shì)的電場(chǎng)強(qiáng)度之比稱為天線的有效高度，記為he。

根據(jù)式(6-4)，在d/l遠(yuǎn)小于1的情況下，環(huán)天線接收正常極化地波時(shí)輸出的感應(yīng)電勢(shì)幅度為

為了增大環(huán)天線輸出電勢(shì)的幅度，在實(shí)際設(shè)備中常采用Ｎ匝線圈結(jié)構(gòu)的環(huán)天線，此時(shí)的環(huán)天線接收電勢(shì)近似等效于Ｎ個(gè)單匝環(huán)天線接收電勢(shì)相串聯(lián)，因而總的輸出電勢(shì)近似為

如果滿足d/l遠(yuǎn)小于１的條件，則

其幅度為

在天線的最大接收方向即q=0°和q=180°方向，其接收電勢(shì)的幅度為(6-8)(6-6)(6-7)根據(jù)天線有效高度的定義，得

可以證明，只要環(huán)天線的水平尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)l，則上式對(duì)任意形狀的環(huán)天線都成立。

如果d/l遠(yuǎn)小于1的條件不滿足，則根據(jù)式(6-6)有：

在d/l小于0.5的條件下，天線的最大接收方向仍然為q=0°和q=180°方向，此時(shí)環(huán)天線的有效高度為(6-9)在d/l大于0.5小于1的條件下，天線的最大接收方向?yàn)闈M足 即對(duì)應(yīng) 的來(lái)波方位，此時(shí)環(huán)天線的有效高度為根據(jù)式(6-9)的結(jié)論，環(huán)天線的有效高度he正比于匝數(shù)N和面積S，反比于波長(zhǎng)l。對(duì)此可以從物理意義上來(lái)進(jìn)行如下定性分析：由于我們近似認(rèn)為多匝環(huán)天線輸出的感應(yīng)電勢(shì)是各單匝天線輸出感應(yīng)電勢(shì)之串聯(lián)，所以感應(yīng)電勢(shì)的幅度隨N的增大而增大；若天線垂直邊h越長(zhǎng)，則單個(gè)垂直邊感應(yīng)電勢(shì)越大，因而環(huán)天線輸出電勢(shì)的幅度也越大；若天線的水平邊d越長(zhǎng)，則由此引起的波程差越大，該波程差所引起的相位差也越大(但小于p)，因而環(huán)天線輸出電勢(shì)的幅度也越大；由于環(huán)天線輸出電勢(shì)的幅度分別與h和d成正比，因而與S=hd成正比。增加環(huán)天線匝數(shù)N或增大環(huán)天線面積S可以提高環(huán)天線的有效高度，但在環(huán)天線的實(shí)際設(shè)計(jì)中需要充分考慮其他一些因素對(duì)增加N和S的制約。例如：由于調(diào)諧和阻抗匹配的要求，限制了線圈匝數(shù)N的增加；d的增大受到d/l遠(yuǎn)小于1這一條件的限制，若d增大到使得d/l遠(yuǎn)小于1的條件不滿足，則環(huán)天線的方向特性將發(fā)生畸變，不再是標(biāo)準(zhǔn)的“8”字形特性。一般來(lái)說(shuō)，d的極限取值范圍為lmin/3～lmin/2。另外，由于環(huán)天線固有諧振特性的影響，h的增加也受到了一定的限制。提高環(huán)天線有效高度的另一途徑是在線圈中插入磁芯材料，形成所謂的磁性環(huán)天線。我們知道，空氣的磁導(dǎo)率為m0，如果在線圈中插入相對(duì)磁導(dǎo)率為mr的磁性材料，在不考慮磁芯內(nèi)渦流現(xiàn)象的理想情況下，同樣大小的交變磁場(chǎng)，與作用于空心線圈相比，通過磁芯線圈的磁通量將增加mr倍，因而線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)也增加mr倍。

磁性環(huán)天線通常應(yīng)用于便攜式測(cè)向機(jī)中，它采用在磁棒外表連續(xù)纏繞多匝導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)形式，由于磁棒的軸線長(zhǎng)度比其截面尺寸大得多，所以一般定義來(lái)波P與其軸線之間的夾角為q。根據(jù)式(6-7)和上面分析的結(jié)論，可得

由式(6-11)可見，如果mr很大，例如采用錳鋅鐵氧體磁芯的mr為400左右，在此情況下即使線圈的截面積比較小，天線的有效高度同樣可以達(dá)到較大的值。在無(wú)線電測(cè)向運(yùn)動(dòng)中所使用的測(cè)向機(jī)，其天線大多采用這種結(jié)構(gòu)形式。

磁性環(huán)天線在有效高度方面具有很好的特性，但它存在比較嚴(yán)重的位移電流效應(yīng)，在后面的分析中我們將會(huì)看到，位移電流效應(yīng)將引起環(huán)天線方向特性發(fā)生畸變，所以在精度要求比較高的無(wú)線電測(cè)向場(chǎng)合一般不采用這種天線形式，而是采用匝數(shù)很有限(3～5匝以內(nèi))的空心環(huán)結(jié)構(gòu)。(6-11)(6-10)6.1.3環(huán)天線的三大效應(yīng)

1.極化效應(yīng)

前面分析了環(huán)天線接收正常極化(即垂直極化)地波時(shí)的特性，下面再分析接收天波時(shí)的特性。

由于電離層的作用，天波一般來(lái)說(shuō)是一種非正常極化波。根據(jù)電波傳播理論中的定義，經(jīng)過傳播線與地面垂直的平面為傳播平面，正常極化波就是指電場(chǎng)矢量在傳播平面內(nèi)的電波，非正常極化波就是指電場(chǎng)矢量不在傳播平面內(nèi)的電波。對(duì)圖6-5所示的非正常極化波天波，設(shè)電場(chǎng)矢量E與傳播平面之間的夾角(極化角)為y，電波仰角為g，則可以按圖6-6所示將它分解為一個(gè)與傳播平面平行的正常極化分量E⊥(E⊥=E·cosy)和一個(gè)與傳播平面垂直的水平極化分量E=(E==E·siny)，即E=E⊥+E=，其中E⊥又可以分解為與環(huán)天線垂直邊平行的分量E1⊥(E1⊥=E⊥·cosg)和在傳播平面內(nèi)與水平面(地面)平行的分量E2⊥(E2⊥=E⊥·sing)，即E⊥=E1⊥+E2⊥。圖6-5非正常極化天波示意圖圖6-6環(huán)天線接收非正常極化天波的電場(chǎng)矢量分解

E1⊥在環(huán)天線兩垂直邊的作用結(jié)果將有感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生，由圖6-7所示的投影示意圖可見，天波到達(dá)環(huán)天線兩垂直邊的波程差為Dr=dcosgcosq，由此引起環(huán)天線兩垂直邊感應(yīng)電勢(shì)之間存在的相位差為 ，根

據(jù)前面式(6-2)的分析結(jié)論，得

當(dāng)滿足d/l遠(yuǎn)小于1的條件時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為(6-12)(6-13)圖6-7天波到達(dá)環(huán)天線兩垂直邊的波程差投影示意圖

E2⊥在傳播平面內(nèi)與水平面平行，它可以進(jìn)一步分解為與環(huán)天線兩水平邊平行的分量E2⊥1

和與環(huán)天線兩水平邊垂直的分量E2⊥2，即E2⊥=E2⊥1+E2⊥2，顯然E2⊥1=E2⊥cosq，

只有它作用于環(huán)天線兩水平邊的結(jié)果會(huì)有感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生，

由圖6-8所示的投影示意圖可見，天波到達(dá)環(huán)天線兩水平邊的波程差為Dr=hsing，由此引起環(huán)天線兩水平邊感應(yīng)電勢(shì)之間存在的相位差為 。根據(jù)前面式(6-2)的分析結(jié)論，得(6-14)當(dāng)滿足d/l遠(yuǎn)小于1的條件時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為圖6-8天波到達(dá)環(huán)天線兩水平邊的波程差投影示意圖綜合式(6-12)和式(6-14)的結(jié)論，環(huán)天線接收電波中垂直極化分量而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

根據(jù)式(6-15)可得環(huán)天線接收天波中垂直極化分量而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)近似為

(6-15)(6-16)天波中與傳播平面垂直的水平極化分量E=可以進(jìn)一步分解為與環(huán)天線水平邊垂直的分量E1=和與環(huán)天線水平邊平行的分量E2=，即E==E1=+E2=，如圖6-9所示。圖6-9非正常極化天波水平極化電場(chǎng)的矢量分解設(shè)電場(chǎng)水平極化分量與垂直極化分量之間的相位差為j0，根據(jù)前面式(6-2)的分析結(jié)論，得

當(dāng)滿足h/l遠(yuǎn)小于1的條件時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為

當(dāng)d/l和h/l同時(shí)滿足遠(yuǎn)小于1的條件時(shí)，e－jj2/2≈1，根據(jù)式(6-16)和式(6-17)的結(jié)論，環(huán)天線接收非正常極化天波時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)近似為(6-17)

其中：(6-18)(6-19)下面分別針對(duì)電波極化方式為線極化、圓極化、橢圓極化三種情況分析環(huán)天線方向特性的變化特點(diǎn)。

1)線極化

線極化天波對(duì)應(yīng)于j0=0°或j0=180°以及y固定不變的情形，根據(jù)式(6-19)的結(jié)論，此時(shí)環(huán)天線的接收方向函數(shù)為

f(q)=cosycosq±sinysingsinq

在y和g一定的情況下，令k2=cos2y+sin2ysin2g也是固定不變的常數(shù)，令則

可見，它比正常的“8”字形方向特性偏轉(zhuǎn)了一個(gè)固定角度q0或－q0，如圖6-10所示。由于此時(shí)環(huán)天線接收方向特性的零值點(diǎn)相對(duì)90°～270°方位線偏離了q0或－q0角度，因此有些文獻(xiàn)資料稱這種現(xiàn)象為“小音點(diǎn)偏轉(zhuǎn)”。(6-20)圖6-10環(huán)天線接收線極化天波引起方向圖偏轉(zhuǎn)

2)圓極化

圓極化天波對(duì)應(yīng)于j0=90°或j0=270°以及y在0°～360°范圍內(nèi)變化的情形，根據(jù)式(6-19)的結(jié)論，此時(shí)環(huán)天線的接收方向函數(shù)為

f(q)=cos2ycos2q+sin2ysin2gsin2q)]1/2

(6-21)

由式(6-21)可見，不管在任何來(lái)波方位上都有f(q)恒大于零，或者說(shuō)環(huán)天線對(duì)任何來(lái)波方位都不是零值接收點(diǎn)，我們稱這種現(xiàn)象為“小音點(diǎn)模糊”。

為了求環(huán)天線的最大與最小接收方向，令則

sin2ysin2gsinqcosq－cos2ycosqsinq=0

得

cosq=0或sinq=0

即

q=90°、270°或q=0°、180°

顯然，q=90°、270°和q=0°、180°這兩對(duì)方向中一對(duì)為環(huán)天線的最大接收方向，另一對(duì)為最小接收方向，但到底是q=90°、270°為最小接收方向還是q=0°、180°為最小接收方向，則要依據(jù)y和g的取值而定。對(duì)于確定的目標(biāo)來(lái)波信號(hào)，g一定，因此隨著y在0°～360°范圍內(nèi)變化，環(huán)天線的接收方向特性按圖6-11所示的規(guī)律變化。圖6-11環(huán)天線接收?qǐng)A極化天波引起方向圖小音點(diǎn)模糊

3)橢圓極化

橢圓極化天波對(duì)應(yīng)于j0為不等于0°、90°、180°、270°的某一個(gè)確定的值以及y在0°～360°范圍內(nèi)變化的情形。

根據(jù)式(6-19)的結(jié)論，在為確定值的情況下，環(huán)天線的接收方向特性與標(biāo)準(zhǔn)的“8”字形相比既有一定角度的偏轉(zhuǎn)又有“小音點(diǎn)模糊”現(xiàn)象，隨著y在0°～360°范圍內(nèi)變化，方向圖偏轉(zhuǎn)角的大小和小音點(diǎn)模糊程度的深淺都在不斷變化，圖6-12所示的是其方向圖變化過程中兩個(gè)典型的狀態(tài)，其中偏轉(zhuǎn)角隨y按圖6-13所示的曲線變化。圖6-12環(huán)天線接收橢圓極化天波引起方向圖偏轉(zhuǎn)與小音點(diǎn)模糊圖6-13環(huán)天線接收橢圓極化天波時(shí)方向圖偏轉(zhuǎn)角隨y的變化曲線

2.天線效應(yīng)

在前面的分析過程中，我們隱含地假設(shè)環(huán)天線處于理想平衡對(duì)稱狀態(tài)，現(xiàn)在考慮圖6-14所示的調(diào)諧環(huán)天線等效電路，圖中Cao和Cbo分別為環(huán)天線左、右兩部分等效對(duì)地分布電容，C'ao和C'bo為兩饋線對(duì)地等效分布電容，Z、Za、Zb分別為回路等效阻抗。從該等效電路中可知回路中除了存在電流回路I外，還存在電流回路Ia和Ib：圖6-14調(diào)諧環(huán)天線等效電路由于分布電容的存在，使得Ia和Ib在a、b端點(diǎn)產(chǎn)生附加電壓：

在理想平衡對(duì)稱條件下，由

得

它不會(huì)在a、b端口之間產(chǎn)生附加電位差，因此在端口a、b之間只有定向接收電壓：

理想平衡對(duì)稱在實(shí)際中不可能達(dá)到，ea與eb、Ca0與Cb0、

C'a0與C'b0、Za與Zb等都或多或少存在一定的差別，因此 ，由此在a、b兩點(diǎn)產(chǎn)生的附加電位

，即附加電位差

。一般來(lái)說(shuō)，與來(lái)波方位無(wú)關(guān)，可以認(rèn)為它是一種無(wú)方向性電壓。由此可見，環(huán)天線實(shí)際輸出的電壓是定向電壓eab(t)和附加電壓uab(t)之和，即

uo(t)=eab(t)+uab(t)

這種由于不對(duì)稱性而引起環(huán)天線輸出電壓中包含附加無(wú)方向性電壓的現(xiàn)象我們稱之為天線效應(yīng)。由于垂直天線在0°～360°水平范圍內(nèi)的接收也是無(wú)方向性的，所以有的文獻(xiàn)資料也將天線效應(yīng)稱為垂直天線效應(yīng)。下面進(jìn)一步分析這種附加無(wú)方向性電壓對(duì)天線方向特性所產(chǎn)生的影響。

假設(shè)定向電壓eab(t)與附加電壓uab(t)之間的相位差為j0，則

其中，Em和Um分別為eab(t)和uab(t)的振幅。令a=Um/Em，將上式按三角公式展開，得

其中：(6-22)此時(shí)環(huán)天線的方向函數(shù)為

f(q)=(cos2q+2acosj0cosq+a2)]1/2

(6-23)

a=Um/Em通常比較小，環(huán)天線對(duì)應(yīng)方向圖的形狀主要取決于j0值的不同。

(1)當(dāng)j0=0°或j0=180°時(shí)，根據(jù)式(6-23)得

f(q)=cosq±a

這是一個(gè)帕斯卡爾蝸線方程，或者說(shuō)環(huán)天線具有帕斯卡爾蝸線型方向圖，如圖6-15(a)所示，令

cosq0±a=0

得

(2)當(dāng)j0=90°或j0=270°時(shí)，根據(jù)式(6-23)得

f(q)=(cos2q+a2)1/2

顯然，此時(shí)f(q)恒大于零，由于a=Um/Em遠(yuǎn)小于1，因此環(huán)天線的最小接收方向仍然在90°～270°方位線上，但它們是非零值最小接收點(diǎn)。這種現(xiàn)象被稱為環(huán)天線的方向特性出現(xiàn)“小音點(diǎn)模糊”，模糊程度的深淺隨a值而定，如圖6-15(b)所示。圖6-15天線效應(yīng)引起環(huán)天線接收方向圖變化示意圖

(3)當(dāng)j0為不等于0°、90°、180°、270°的其他相角值時(shí)，根據(jù)式(6-23)有：

f(q)=(cos2q+2acosj0cosq+a2)]1/2

=[(cosq+acosj0)2+a2(1－cos2j0)]1/2

顯然，當(dāng)j0≠0°和j0≠180°時(shí)，1－cos2j0恒大于零，因此f(q)恒大于零，即環(huán)天線只有非零值最小接收方向，環(huán)天線的接收方向特性中存在“小音點(diǎn)模糊”現(xiàn)象。

環(huán)天線的最小接收方向應(yīng)該滿足：

cosq+acosj0=0

即

q=±arccos(acosj0)

由此可見，環(huán)天線的最小接收方向也不在一條方位線上，而是在q

=±arccos(acosj0)這樣一對(duì)對(duì)稱角位置上，或

者說(shuō)環(huán)天線的接收方向特性也出現(xiàn)“小音點(diǎn)軸曲”現(xiàn)象。

綜合上面的分析結(jié)論，當(dāng)φ0為不等于0°、180°、90°、270°的其他相角值時(shí)，環(huán)天線接收方向特性會(huì)出現(xiàn)

“小音點(diǎn)既模糊又軸曲”現(xiàn)象，如圖6-15(c)所示。

3.位移電流效應(yīng)

我們?cè)谇懊娣治霏h(huán)天線有效高度時(shí)曾提到，為了提高h(yuǎn)e，可以采用多匝環(huán)天線結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)在使有效高度得到提高的同時(shí)，也帶來(lái)了“位移電流效應(yīng)”這個(gè)副作用。

大家知道，線圈的匝與匝之間總不可避免地存在分布電容，匝數(shù)越多，總的分布電容也越大，如圖6-16(a)所示。由于分布電容的存在，引起位移電流的產(chǎn)生，可以等效為環(huán)天線的兩個(gè)側(cè)面即環(huán)平面bdch和環(huán)平面afeg也接收來(lái)波信號(hào)而產(chǎn)生附加電壓，相當(dāng)于存在一個(gè)與原來(lái)環(huán)平面S垂直的等效環(huán)平面S1，如圖6-16(b)所示。這樣在天線輸出端口除了正常的定向接收電壓eabN(t)外，還伴隨了一個(gè)附加的接收電壓eabS1(t)，總的輸出電壓是二者的合成，顯然eabS1(t)的存在會(huì)引起環(huán)天線接收方向特性發(fā)生變化。當(dāng)環(huán)天線接收正常極化地波時(shí)，根據(jù)式(6-7)的結(jié)論，環(huán)平面S和等效環(huán)平面S1的接收電勢(shì)分別為

則天線總的輸出電壓為(6-24)其中，

此時(shí)環(huán)天線的方向函數(shù)為

f(q)=(cos2q+Kcosj′sin2q+K2sin2q)]1/2

(6-25)

式(6-25)具有與式(6-19)類似的函數(shù)形式，由此可見，由于位移電流效應(yīng)的存在，環(huán)天線在接收正常極化地波的情況下其接收方向特性也會(huì)發(fā)生類似于極化效應(yīng)那樣的變化。當(dāng)

然，K=S1/NS通常比較小，對(duì)于確定的來(lái)波信號(hào)其值相對(duì)固定，因此它不像極化效應(yīng)那樣使得環(huán)天線的接收方向特性隨極化角y而不斷變化。下面我們分析位移電流效應(yīng)引起的環(huán)天線接收方向特性隨eabN(t)與eabS1(t)之間相位差j′的變化特點(diǎn)。

(1)當(dāng)j′=0°或j′=180°時(shí)，式(6-25)可簡(jiǎn)化為

環(huán)天線的方向特性與標(biāo)準(zhǔn)“8”字形相比偏轉(zhuǎn)了一個(gè)q0角度，方向圖的變化與圖6-10所示的相類似，只是由于K比較小，其偏轉(zhuǎn)角q0也比較小。

(2)當(dāng)j′=90°或j′=270°時(shí)，式(6-25)可簡(jiǎn)化為

f(q)=(cos2q+K2sin2q)1/2

可見，不管在任何來(lái)波方位上f(q)都恒大于零，環(huán)天線的接收方向特性出現(xiàn)“小音點(diǎn)模糊”現(xiàn)象。由于K＜1，因此環(huán)天線的最小接收方向仍然位于90°～270°方位線，方向圖的變化與圖6-11(c)所示的相類似。

(3)當(dāng)j′為不等于0°、180°、90°、270°的其他值時(shí)，根據(jù)式(6-25)得

由于1－cos2j′總是大于零，因此對(duì)任何方位上的來(lái)波都有f(q)恒大于零，環(huán)天線的接收方向特性存在“小音點(diǎn)模糊”現(xiàn)象。

為了求f(q)的極值點(diǎn)，令即

得

綜合上面的分析，當(dāng)j′為不等于0°、180°、90°、270°的其他值時(shí)，位移電流效應(yīng)將引起環(huán)天線的接收方向特性出現(xiàn)“小音點(diǎn)既模糊又偏轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，方向圖發(fā)生類似于圖6-12所示的變化，只是小音點(diǎn)模糊的程度和偏轉(zhuǎn)的角度都要小得多。6.1.4間隔雙環(huán)天線

根據(jù)前面的分析，普通的單環(huán)天線只有在接收以地波為主要傳播方式的電波時(shí)才會(huì)有正常的“８”字形方向特性，或者說(shuō)采用普通單環(huán)天線只有對(duì)近距離的目標(biāo)電臺(tái)才能進(jìn)行正常測(cè)向，遠(yuǎn)距離目標(biāo)電臺(tái)通過電離層反射的電波通常是橢圓極化波，因此極化效應(yīng)將使得普通單環(huán)天線的接收方向特性不再是正常的“８”字形，而是要發(fā)生“小音點(diǎn)既偏轉(zhuǎn)又模糊”現(xiàn)象，且偏轉(zhuǎn)角與模糊程度會(huì)隨時(shí)間不斷變化，顯然此時(shí)測(cè)向設(shè)備無(wú)法進(jìn)行正常測(cè)向。為了克服普通單環(huán)天線的極化效應(yīng)，無(wú)線電測(cè)向領(lǐng)域的工程技術(shù)人員經(jīng)過長(zhǎng)期的探索，發(fā)明了間隔雙環(huán)天線這種結(jié)構(gòu)形式，它是由彼此間隔一定距離的兩個(gè)相同的環(huán)組成的，分共面式和共軸式兩種結(jié)構(gòu)形式。共面式結(jié)構(gòu)要求兩個(gè)環(huán)面平衡對(duì)稱且同處于一個(gè)平面之內(nèi)，如圖6-17(a)所示；共軸式結(jié)構(gòu)要求兩個(gè)環(huán)面平衡對(duì)稱且中心法線共處于同一直線上，如圖6-17(b)所示。圖6-17間隔雙環(huán)天線結(jié)構(gòu)示意圖一般來(lái)說(shuō)，共軸式間隔雙環(huán)天線從整體上看是一種平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)，它在交叉輸出時(shí)可以抵消單環(huán)一些固有不良特性的影響(如等效偶極子特性等)，所以在實(shí)際裝備中常采用這種結(jié)構(gòu)形式。下面我們就以共軸間隔雙環(huán)天線為例來(lái)分析其接收方向特性。為不失一般性，設(shè)來(lái)波仰角為g，極化角為y，定義來(lái)波傳播平面與兩環(huán)中心法線之間的夾角為q，如圖6-18所示。圖6-18共軸間隔雙環(huán)天線接收來(lái)波信號(hào)示意圖根據(jù)前面式(6-16)和式(6-17)的分析結(jié)論，當(dāng)單環(huán)的尺寸遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，單環(huán)對(duì)垂直極化分量和水平極化分量的接收電壓分別為

其中，S單為單環(huán)的面積，j0為電場(chǎng)垂直與水平分量之間的相位差。來(lái)波到達(dá)兩單環(huán)所存在波程差為

R=Dcosgcosq

由此引起兩個(gè)單環(huán)的接收電壓之間存在相位差：

j雙=bR=bDcosgcosq根據(jù)式(6-2)的結(jié)論，雙環(huán)對(duì)電波中垂直極化分量的接收電壓為

如果滿足D/l遠(yuǎn)小于1的條件，則上式可簡(jiǎn)化為

其方向函數(shù)為

F⊥(q)=sin2q

同樣，雙環(huán)對(duì)電波中平極化分量的接收電壓為如果滿足D/l遠(yuǎn)小于1的條件，則上式也可簡(jiǎn)化為

其方向函數(shù)為

F=(q)=cos2q

圖6-19(a)和6-19(b)分別給出了共軸間隔雙環(huán)天線接收電波中垂直極化分量和水平極化分量所對(duì)應(yīng)的方向圖。由圖中可見，在共軸間隔雙環(huán)軸線的法線方位線上都是零接收，其原因是此時(shí)電波到達(dá)兩環(huán)之間的波程差為零，不管是垂直極化分量還是水平極化分量接收，兩個(gè)單環(huán)對(duì)應(yīng)的輸出電壓都是等幅同相，所以雙環(huán)交叉輸出的結(jié)果都為零。圖6-19共軸間隔雙環(huán)天線對(duì)E⊥和E=的接收方向圖在共軸間隔雙環(huán)的軸線方位線上，雙環(huán)對(duì)電波中垂直極化分量的接收仍然為零，而對(duì)水平極化分量的接收則達(dá)到最大值，其原因是此時(shí)電波到達(dá)兩環(huán)之間有最大波程差，由于單環(huán)對(duì)水平極化分量有最大接收，所以雙環(huán)對(duì)水平極化分量的接收也達(dá)到最大值；與此同時(shí)，由于單環(huán)對(duì)垂直極化分量的接收為零，所以雙環(huán)對(duì)垂直極化分量最終的輸出還是為零。

在同時(shí)滿足d/l遠(yuǎn)小于1、h/l遠(yuǎn)小于1及D/l遠(yuǎn)小于1時(shí)，共軸間隔雙環(huán)天線總的輸出為其中(6-28)由式(6-28)可見，在共軸間隔雙環(huán)天線的軸線法線方向(對(duì)應(yīng)q=90°和270°)，無(wú)論y、g和j0為何值，f(q)恒等于零，共軸間隔雙環(huán)天線方向特性中所存在的這對(duì)最小接收方向(零值接收方向)并不受電波極化情況的影響，因此在最小信號(hào)法測(cè)向中，利用共軸間隔雙環(huán)天線軸線法線方向的這對(duì)零值接收點(diǎn)進(jìn)行測(cè)向就可以達(dá)到克服極化效應(yīng)之目的。

在y和g一定的情況下，間隔雙環(huán)天線的接收方向特性隨j0而變化，圖6-20分別給出了y=45°和g=45°情況下j0=0°和j0=30°所對(duì)應(yīng)的方向圖。圖6-20

y和g取值一定，j0取值不同時(shí)天線方向圖變化示意圖6.1.5屏蔽環(huán)天線

根據(jù)前面的分析，普通單環(huán)天線存在“三大效應(yīng)”，即極化效應(yīng)、天線效應(yīng)和位移電流效應(yīng)。采用上面介紹的間隔雙環(huán)天線可以在一定程度上克服極化效應(yīng)，下一節(jié)將要介紹的Adcock天線也可以有效克服極化效應(yīng)。而采用屏蔽環(huán)結(jié)構(gòu)的天線可以有效地減小或克服天線效應(yīng)和位移電流效應(yīng)。另外，這種形式的環(huán)天線在結(jié)構(gòu)上也更加穩(wěn)固可靠，機(jī)械強(qiáng)度好，適宜于野外條件下使用，所以實(shí)際無(wú)線電測(cè)向設(shè)備中用到的環(huán)天線一般都采用這種結(jié)構(gòu)形式。屏蔽環(huán)天線如何克服天線效應(yīng)和位移電流效應(yīng)呢？我們知道，產(chǎn)生天線效應(yīng)的主要原因是環(huán)天線對(duì)地分布電容的不一致性，它所引起的附加電壓是破壞其正常“８”形方向特性的根源；產(chǎn)生位移電流效應(yīng)的原因是多匝環(huán)天線中線圈匝與匝之間的分布電容，它們等效于存在一個(gè)與原環(huán)面正交的面，該等效面對(duì)來(lái)波信號(hào)的接收是破壞環(huán)天線正常“８”形方向特性的根源。由此可見，采取適當(dāng)?shù)拇胧p弱或消除環(huán)天線對(duì)地分布電容不一致性的影響，就可以有效減弱或消除天線效應(yīng)的影響；如果采用單匝環(huán)結(jié)構(gòu)的天線，就不會(huì)存在位移電流效應(yīng)。屏蔽環(huán)天線的結(jié)構(gòu)如圖6-21所示。線圈置于金屬屏蔽罩之內(nèi)，由于金屬屏蔽罩良好接地，大大減小了對(duì)地分布電容對(duì)金屬屏蔽罩(環(huán))接收方向特性的影響，使得天線效應(yīng)得到了有效的減弱；由于內(nèi)線圈被屏蔽，只有屏蔽罩(環(huán))能接收來(lái)波信號(hào)，所以內(nèi)線圈之間的分布電容對(duì)屏蔽罩接收來(lái)波信號(hào)的方向特性不會(huì)產(chǎn)生影響，使得位移電流效應(yīng)得到了很好的克服。

為了使屏蔽環(huán)接收的感應(yīng)電勢(shì)不被短路，并能有效地轉(zhuǎn)送到內(nèi)線圈，在金屬屏蔽罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中用一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的絕緣介質(zhì)來(lái)隔斷屏蔽罩，使得金屬屏蔽罩接收來(lái)波信號(hào)后在絕緣介質(zhì)的a、b兩端點(diǎn)之間產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。圖6-21屏蔽環(huán)天線結(jié)構(gòu)示意圖在屏蔽環(huán)尺寸遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)的情況下，根據(jù)式(6-4)的結(jié)論，它接收正常極化地波后在a、b兩端點(diǎn)之間產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

這個(gè)電壓在a、b兩端點(diǎn)間的介質(zhì)區(qū)域里所形成的交變電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為

由于各匝內(nèi)線圈與該場(chǎng)強(qiáng)平行且處于該場(chǎng)強(qiáng)之內(nèi)，因而使得每一匝內(nèi)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為

由于Ｎ匝線圈是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以屏蔽環(huán)天線總的輸出電壓為由此可見，理想情況下屏蔽環(huán)天線的接收方向特性和天線有效高度都沒有變化。

屏蔽環(huán)天線實(shí)際接收來(lái)波信號(hào)的過程中需要經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換能量，即首先將空間的電磁波能轉(zhuǎn)換為a、b兩端點(diǎn)間的交變電場(chǎng)能，再將該交變電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為A、B端口的高頻電能，能量轉(zhuǎn)換過程中不可避免地會(huì)有損失，多一次能量轉(zhuǎn)換就多一份損耗，因此屏蔽環(huán)天線有效高度的實(shí)際值要小于bNS。6.1.6復(fù)合環(huán)天線

環(huán)天線的正常方向特性為標(biāo)準(zhǔn)的“８”字形，最小接收方位和最大接收方位各有兩個(gè)，這樣在最小信號(hào)法測(cè)向或最大信號(hào)法測(cè)向過程中就會(huì)出現(xiàn)“雙向”問題，即實(shí)際測(cè)得的示向度值f可能對(duì)應(yīng)f方位的來(lái)波，也可能對(duì)應(yīng)f+180°方位的來(lái)波，因而還需要對(duì)它進(jìn)行“單向”判決，這就是所謂的“定單向”問題。要實(shí)現(xiàn)“定單向”，就需要將天線的方向特性變成只在單個(gè)方向具有最小和最大接收。基于這種要求，引申出了復(fù)合環(huán)天線結(jié)構(gòu)。

復(fù)合環(huán)天線的結(jié)構(gòu)如圖6-22所示，它由一個(gè)單環(huán)天線和位于環(huán)天線中心軸線上的中央垂直天線組成。中央垂直天線的接收電壓先經(jīng)過p/2移相，然后與環(huán)天線的接收電壓取和，由此形成復(fù)合環(huán)天線的輸出。圖6-22復(fù)合環(huán)天線結(jié)構(gòu)示意圖下面具體分析復(fù)合環(huán)天線的接收方向特性。在滿足d/l遠(yuǎn)小于1的條件下，根據(jù)前面式(6-4)的結(jié)論，令Em=bES，則

由于中央垂直天線位于環(huán)天線中心軸線上，由來(lái)波的波程差引起j/2的相移，再加上p/2移相網(wǎng)絡(luò)的作用，因此

這里考慮到了p/2移相網(wǎng)絡(luò)難以在整個(gè)工作波段內(nèi)保持嚴(yán)格的p/2移相，因此上式用j0表示e⊥(t)與eab(t)之間的剩余相位差，再令k=E0/Em，則復(fù)合環(huán)天線的最終輸出電壓為(6-29)其中,

根據(jù)式(6-29)可得復(fù)合環(huán)天線的方向函數(shù)：

f(q)=(cos2q+2kcosj0cosq+k2)]1/2

(6-30)

在k=1、j0=0°的理想情況下，復(fù)合環(huán)天線的標(biāo)準(zhǔn)方向函數(shù)為

f(q)=1+cosq

這是一個(gè)心臟形方向圖，如圖6-23(a)所示。圖6-23(b)所示的是k偏離1，j0偏離0°時(shí)對(duì)應(yīng)的方向圖。圖6-23

k、j0取值不同時(shí)復(fù)合環(huán)天線對(duì)應(yīng)的方向圖

6.2艾德考克天線

6.2.1

U型艾德考克天線

U型艾德考克天線的結(jié)構(gòu)如圖6-24所示，它是由以間隔d垂直架設(shè)的兩根全向垂直天線組成的，天線接收的信號(hào)在底部通過屏蔽饋線輸出。

由于垂直架設(shè)的兩根垂直天線振子只能接收天波中的垂直極化分量，而不能接收其水平極化分量，因此如果天線采用單饋線形式輸出，則該饋線會(huì)接收天波中的水平極化分量，其結(jié)果是使得a、b端口的輸出電壓中既包含兩垂直天線對(duì)天波的垂直極化分量接收電壓，又包含水平饋線對(duì)天波的水平極化分量接收電壓，兩者合成的結(jié)果顯然要產(chǎn)生極化效應(yīng)。圖6-24

U型艾德考克天線結(jié)構(gòu)示意圖為了有效克服U型艾德考克天線的極化效應(yīng)，對(duì)輸出饋線可以采取屏蔽或平衡措施。輸出饋線被良好屏蔽起來(lái)后，它就無(wú)法接收天波中的水平極化分量，因而不會(huì)有極化效應(yīng)存在。對(duì)于理想平衡對(duì)稱且彼此緊靠在一起的兩條輸出饋線，它們對(duì)天波中水平極化分量的接收電壓將是等幅同相，交叉輸出時(shí)兩者相互抵消，也不會(huì)產(chǎn)生極化效應(yīng)。在實(shí)際設(shè)備中，輸出饋線通常同時(shí)采取平衡和屏蔽措施，從而最大限度地保證了對(duì)極化效應(yīng)的消除。

下面簡(jiǎn)要分析U型艾德考克天線的接收特性。設(shè)兩垂直天線的高度遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)，此時(shí)單桿垂直天線的有效高度近似為h/2，根據(jù)上一節(jié)分析環(huán)天線極化效應(yīng)時(shí)對(duì)非正常極化天波的電場(chǎng)矢量分解結(jié)論，天波的垂直極化分量中與垂直天線平行的電場(chǎng)分量幅值為Ecosycosg，天波到達(dá)兩垂直天線時(shí)由波程差引起的相位差為

若以其中一個(gè)垂直天線為參考點(diǎn)，兩垂直天線的感應(yīng)電勢(shì)分別為故得

由此可見，U型艾德考克天線接收非正常極化天波的方向特性為

同樣，在d/l遠(yuǎn)小于１的條件下，其接收電壓表達(dá)式可簡(jiǎn)化為

此時(shí)，天線的方向函數(shù)和有效高度分別為

U型艾德考克天線的接收方向特性也是標(biāo)準(zhǔn)的“8”字形，但有效高度有所下降。U型艾德考克天線的有效高度正比于cos2g，因此在高仰角天波的測(cè)向場(chǎng)合其有效高度會(huì)有較大的下降。(6-31)天線有效高度是衡量其接收微弱信號(hào)能力的一個(gè)重要指標(biāo)，為了提高U型艾德考克天線的有效高度以適應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)的測(cè)向要求，原則上可以通過增高h(yuǎn)或增大d來(lái)實(shí)現(xiàn)，但h的增高和d的增大都要受到一定的限制。

d的增大受到接收方向特性的限制。當(dāng)d/l較大時(shí)，方向函數(shù)將不再是標(biāo)準(zhǔn)的“8”字形方向特性，由此要引起測(cè)向誤差。在實(shí)際裝備中，d的取值通常限于(0.3～0.5)lmin，這里的lmin是測(cè)向設(shè)備最高工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

h的增大受到垂直振子諧振特性的限制。根據(jù)長(zhǎng)線理論，對(duì)終端負(fù)載為ZL，特性阻抗為ZC，長(zhǎng)度為h的一段傳輸線，其端口阻抗為由于垂直天線的終端開路，即ZL=∞，當(dāng)h=l/2時(shí)，Zi=∞，但此時(shí)天線上的感應(yīng)電流I≠0，導(dǎo)致端口的感應(yīng)電壓達(dá)到無(wú)窮大，處于諧振狀態(tài)。處于諧振狀態(tài)或處于諧振邊緣時(shí)，其阻抗特性變得很尖銳，使得感應(yīng)電勢(shì)的幅度相位特性都變得很陡峭，兩根垂直振子及其外圍部件微小的差別都將使得e⊥1(t)與e⊥2(t)在幅度和相位上形成很大的差別，從而破壞天線正常的接收方向特性。因此在工程設(shè)計(jì)中要讓h離l/2有一定的距離，實(shí)際測(cè)向設(shè)備中可使h取值在0.3lmin附近。

為了進(jìn)一步提高U型艾德考克天線的有效高度，還可以對(duì)垂直天線采取頂部加載和降低其諧振時(shí)品質(zhì)因數(shù)等措施。對(duì)于未加載的單桿垂直天線，當(dāng)h遠(yuǎn)小于l時(shí)，其感應(yīng)電流的分布近似為三角形，即頂部為零，底部最大，因此其在天線上的分布特性，頂部的電流分布不再為零，整個(gè)感應(yīng)電流的分布也不再是三角形，而是上窄下寬的四邊形，因此可以提高單桿垂直天線的有效高度，使之由h/2提高到4h/5左右。隨著單桿垂直天線有效高度的提高，U型艾德考克天線的有效高度也可以得到相應(yīng)的提高。降低垂直天線諧振時(shí)的品質(zhì)因數(shù)，也就是使其諧振時(shí)的幅度與相位特性變化緩和，常用的辦法是在垂直天線的底部串入一個(gè)電阻，如圖6-25所示。由于天線諧振時(shí)的回路品質(zhì)因數(shù)隨著R取值的減小而降低，因而其感應(yīng)電壓的幅度相位特性也變得更平緩，這就便于實(shí)現(xiàn)兩垂直天線之間幅度與相位特性的平衡，使得天線高度h的取值可以突破0.5lmin的限制，達(dá)到0.8lmin左右，這樣天線的有效高度就可以得到比較大的提高。當(dāng)然，在這種情況下，低頻端的接收電壓會(huì)下降，但可以采取其他適當(dāng)?shù)霓k法來(lái)彌補(bǔ)，例如在前置放大中利用放大器低頻端增益比高頻端高的特點(diǎn)來(lái)彌補(bǔ)天線接收電壓低頻端降低的缺陷。圖6-25底部串入電阻的垂直天線6.2.2

H型艾德考克天線

H型艾德考克天線的結(jié)構(gòu)如圖6-26所示。兩根相距為d的對(duì)稱振子垂直架設(shè)，且離地面有一高度H，振子的輸出由兩根相互平衡且彼此靠緊的水平饋線交叉連接到“雙端/單端網(wǎng)絡(luò)”的輸入口，該網(wǎng)絡(luò)的輸出則作為天線的輸出。由于天線的外形很像字母“H”，所以稱之為H型天線。圖6-26

H型天線結(jié)構(gòu)示意圖由于垂直對(duì)稱振子在水平面的接收方向特性與垂直天線相同，所以H型天線具有與Ｕ型天線相同的接收方向性，分析方法與Ｕ型天線相類似，這里就不再重復(fù)。

H型天線的兩根水平饋線也有可能分別接收電波中的水平極化分量而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但在理想情況下由于兩者平衡對(duì)稱且彼此緊靠在一起，它們所感應(yīng)的電壓可以認(rèn)為是等幅同相，在交叉輸出時(shí)相互抵消，所以不會(huì)影響兩垂直對(duì)稱振子正常的接收方向特性。

但是如果考慮H型天線實(shí)際分布參數(shù)的影響，情況就會(huì)有所不同。下面以天線的左半部分為例進(jìn)行分析，如圖6-27所示。圖6-27

H型天線的水平饋線接收電波中水平極化分量等效示意圖設(shè)天線上、下振子的對(duì)地分布電容分別為C1H和C1L，上、下饋線的對(duì)地分布電容分別為C2H和C2L，饋線接收電波中水平極化分量而感應(yīng)的電壓分別為EH=和EL=，顯然可以作如下合理的假設(shè)：

EH==EL==E=

C2H=C2L=C

如果不考慮另一半回路的影響，則EH=在a點(diǎn)產(chǎn)生的電勢(shì)近似為

同樣EL=在b點(diǎn)產(chǎn)生的電勢(shì)近似為因此，在a、b兩點(diǎn)間產(chǎn)生的電壓近似為

由此可見，H型天線的饋線對(duì)電波水平極化分量的接收電壓正比于E=，也正比于|C1H－C1L|。

由于H型天線的上、下振子到地面的距離不同，因而一般C1H≠C1L，|C1H－C1L|>0，若采取高架天線的措施，既使得C1H和C1L減小，也使得|C1H－C1L|減小。E=的值取決于水平饋線接收電波中水平極化分量的能力，若對(duì)水平饋線采

取屏蔽措施，則E=可減小到近似為零。在實(shí)際裝備中，通常綜合采用屏蔽饋線和高架天線的措施，因此通常認(rèn)為H型艾德考克天線不存在極化效應(yīng)。

6.3角度計(jì)天線

環(huán)天線和艾德考克天線接收方向特性中的零值方位對(duì)應(yīng)于天線平面的法線方位，因此，采用最小信號(hào)法測(cè)向時(shí)，必須將天線旋轉(zhuǎn)到使得其平面的法線方向?qū)?zhǔn)來(lái)波方位，才能根據(jù)天線平面所處的方向確定目標(biāo)信號(hào)的來(lái)波方位值。也就是說(shuō)，采用最小信號(hào)法測(cè)向時(shí)，要求天線必須能夠繞中心軸旋轉(zhuǎn)，這勢(shì)必使得天線的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作的時(shí)效性差，操作使用也不方便。為了解決天線的旋轉(zhuǎn)時(shí)效性問題，設(shè)計(jì)出了角度計(jì)天線這種結(jié)構(gòu)形式。角度計(jì)天線的結(jié)構(gòu)如圖6-28所示，它是由角度計(jì)和天線兩部分組合而成的。角度計(jì)包括三個(gè)線圈，其外層是兩個(gè)正交設(shè)置的固定場(chǎng)線圈LN和LE，內(nèi)層是一個(gè)可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)的搜索線圈LM。天線部分通常是由兩副正交配置在南北和東西方位的環(huán)天線或艾德考克天線(U型天線或H型天線)組成的，N、S及E、W天線之間的距離為d，兩天線對(duì)輸出分別送到角度計(jì)中兩個(gè)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)線圈LN和LE。在示意圖中為了直觀簡(jiǎn)潔起見，線圈都畫成空心結(jié)構(gòu)，在實(shí)際裝備中，三個(gè)線圈都繞在磁環(huán)上，以增大其磁感應(yīng)系數(shù)。圖6-28角度計(jì)天線的結(jié)構(gòu)示意圖6.3.1角度計(jì)天線的基本工作原理

如圖6-29(a)所示，設(shè)來(lái)波方向與南北天線對(duì)之間的夾角為q，則與東西天線對(duì)之間的夾角為90°－q，當(dāng)d遠(yuǎn)小于l時(shí)，在南北、東西兩副天線上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可以記為

eNS(t)=Emcosqejwt

eEW(t)=Emsinqejwt

它們分別送到LN和LE后，將在兩個(gè)場(chǎng)線圈中形成感應(yīng)電流。設(shè)兩個(gè)場(chǎng)線圈的回路阻抗ZN和ZE相等，即ZN=ZE=Z，感應(yīng)電流可表示為感應(yīng)電流使場(chǎng)線圈中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，其方向可由右手螺旋定則確定，如圖6-29(b)所示。設(shè)兩個(gè)場(chǎng)線圈的磁感應(yīng)系數(shù)KN和KE相等，即KN=KE=K，則兩個(gè)線圈中的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為

令Hm=KEm/|Z|，HNm=Hmcosq，HEm=Hmsinq，則合成磁場(chǎng)的幅度為

這是一個(gè)與來(lái)波方位值q無(wú)關(guān)的量。圖6-29來(lái)波方位與角度計(jì)中磁場(chǎng)方向的關(guān)系設(shè)合成磁場(chǎng)方向與LE平面之間的夾角為f，不難看出：

由此可見，合成磁場(chǎng)方向與LE平面之間的夾角就等于來(lái)波方位角q，因此，如果能夠確定合成磁場(chǎng)的方向，也就可以確定來(lái)波方位值q。由于搜索線圈置于兩個(gè)場(chǎng)線圈的中央，是處于一個(gè)交變的磁場(chǎng)中，因而會(huì)有磁通量通過LM而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓大小與通過的磁通量多少有關(guān)，也就是說(shuō)與LM所處的位置有關(guān)。如果LM平面與合成磁場(chǎng)H的方向正交，則通過線圈LM平面的磁通量最多，因而感應(yīng)電壓達(dá)到最大值。隨著

LM平面與合成磁場(chǎng)H之間的夾角逐步減小，穿過LM平面的磁通量也隨之減少，因而感應(yīng)電壓也隨之減小。當(dāng)LM平面與合成磁場(chǎng)H平行時(shí)，穿過LM平面的磁通量為零，因而感應(yīng)電壓也為零。由此可見，當(dāng)兩副正交天線接收到空間某方位的來(lái)波信號(hào)時(shí)，在角度計(jì)的兩個(gè)場(chǎng)線圈中間會(huì)形成合成磁場(chǎng)H，該合成磁場(chǎng)的磁通量穿過搜索線圈LM平面后將產(chǎn)生感應(yīng)電壓,若旋轉(zhuǎn)搜索線圈LM，則它所輸出的感應(yīng)電壓也會(huì)隨之變化。當(dāng)搜索線圈旋轉(zhuǎn)到某一位置而使得輸出的感應(yīng)電壓為零時(shí)，說(shuō)明此時(shí)LM平面與合成磁場(chǎng)H平行。由于H與場(chǎng)線圈LE平面之間的夾角f

就等于來(lái)波方位值q，因此當(dāng)搜索線圈輸出的感應(yīng)電壓為零時(shí)，根據(jù)LM平面與LE平面之間的夾角就可以確定來(lái)波方位值q。

下面我們對(duì)搜索線圈輸出感應(yīng)電壓的方向特性進(jìn)行定量分析。設(shè)來(lái)波方位為q，搜索線圈LM平面與場(chǎng)線圈LE平面之間的夾角為f，則合成磁場(chǎng)H與場(chǎng)線圈LE平面之間的夾角為q。將H分解為與LM平面正交的分量H1和與LM平面平行的分量

H2，顯然只有與LM平面正交的分量H1才會(huì)使搜索線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而H1=Hmsin(F－q),再假設(shè)KI為電流感應(yīng)系數(shù)，Z0為阻抗，則H1在搜索線圈LM中引起的感應(yīng)電流為

對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓為其中Vm=|Z0|KIHm。由此得到搜索線圈輸出感應(yīng)電壓的方向函數(shù)：

F(f)=sin(－q)

與前面分析的方向函數(shù)不同，這里的參變量f是搜索線圈LM平面與場(chǎng)線圈LE平面之間的夾角，而來(lái)波方位角q在這里起參考基準(zhǔn)的作用。顯然F(f)是以f=q和f=180°+q為零點(diǎn)并具有“8”字形變化規(guī)律。正因?yàn)槿绱耍诮嵌扔?jì)天線中可以利用搜索線圈LM的旋轉(zhuǎn)來(lái)代替天線的旋轉(zhuǎn)。6.3.2間距誤差

前面的分析是假設(shè)了南北與東西天線對(duì)都滿足d遠(yuǎn)小于l的條件，使得fNS(q)=cosq，fEW(q)=sinq，這樣才保證了合成磁場(chǎng)H的方向與LE平面之間的夾角滿足f=q。但是在測(cè)向天線的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，為了保證測(cè)向靈敏度的指標(biāo)要求，往往在整個(gè)工作頻段內(nèi)對(duì)天線有效高度也相應(yīng)地有較高的要求，為此只有適當(dāng)增大d的取值，例如通常取d=0.25lmin,這樣就不滿足d遠(yuǎn)小于l這一條件，其方向函數(shù)必須用 和 來(lái)描述，從而使得合成磁場(chǎng)的矢量方向與LE平面之間的夾角為此時(shí)如果仍然根據(jù)合成磁場(chǎng)的矢量方向與LE平面之間的夾角f來(lái)確定來(lái)波方位角q

，就會(huì)引起測(cè)向誤差，這種誤差我們稱之為間距誤差。

間距誤差通常用Dqd來(lái)表示，根據(jù)上面的分析推導(dǎo)有：

Dqd的大小既與d/l的比值有關(guān)，也與來(lái)波方位角q有關(guān)。圖6-30給出了d/l取值不同時(shí)Dqd隨q的變化曲線，該曲線又稱為間距誤差曲線。(6-32)圖6-30取值不同時(shí)對(duì)應(yīng)的角度計(jì)天線間距誤差曲線根據(jù)圖6-30中曲線的變化規(guī)律我們發(fā)現(xiàn)，角度計(jì)

天線的間距誤差有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：

(1)隨d/l的增大，|Dqd|max隨之顯著地增大。

(2)在0°～360°方位范圍內(nèi)類似于正弦起伏變化，在q=n·45°(n=0，1，2，3，4，5，6，7)的八個(gè)方位上，Dqd=0。基于這一特點(diǎn)，其誤差曲線又被稱為八分圓誤差曲線，或者說(shuō)它具有八分圓的間距誤差特性。6.3.3正交八元角度計(jì)天線

上面介紹的角度計(jì)天線是由東、西、南、北四個(gè)天線元及對(duì)應(yīng)的場(chǎng)線圈LN、LE和搜索線圈LM組成的，通常稱之為四元角度計(jì)天線。從圖6-30所示的曲線可見，四元角度計(jì)天線的間距誤差隨d/l比值的增加而迅速增大，當(dāng)d/l=0.25時(shí)|Dqd|max≈1.5°，而當(dāng)d/l=0.7時(shí)|Dqd|max可達(dá)18°，由此限制了d/l只能在很小的值域內(nèi)選取，進(jìn)而也限制了天線有效高度的提高。為了解決這一問題，我們引出正交八元角度計(jì)天線這種結(jié)構(gòu)形式，如圖6-31(a)所示。圖6-31八元角度計(jì)天線結(jié)構(gòu)示意圖正交八元角度計(jì)天線可以看做是由兩個(gè)彼此相交45°的四元角度計(jì)天線組成的，即兩副艾德考克天線N1S1E1W1與另兩副艾德考克天線N2S2E2W2在配置上偏離45°，兩個(gè)場(chǎng)線圈LN1、LE1與另兩個(gè)場(chǎng)線圈LN2、LE2在結(jié)構(gòu)上也偏離45°。對(duì)于信號(hào)接收來(lái)說(shuō)，由天線N1S1E1W1接收的信號(hào)在LN1、LE1場(chǎng)線圈產(chǎn)生的分磁場(chǎng)HN1、HE1合成后所得到的H1與由天線N2S2E2W2接收的信號(hào)在LN2、LE2場(chǎng)線圈產(chǎn)生的分磁場(chǎng)HN2、HE2合成后所得到的H2大小相等且方向相同，相互加強(qiáng)，起到了倍增的作用，即H1=H2=H，H1+H2=2H；對(duì)于間距誤差來(lái)說(shuō)，如果來(lái)波相對(duì)于天線N1S1E1W1為q方位，則相對(duì)于天線N2S2E2W2來(lái)說(shuō)就是q+45°方位，根據(jù)前面對(duì)四元角度計(jì)天線間距誤差特性的分析，q與q+45°方位對(duì)應(yīng)的間距誤差幾乎是大小相等，符號(hào)相反，因而兩者的間距誤差相互抵消，使得正交八元角度計(jì)天線的間距誤差大大減小。

下面我們對(duì)正交八元角度計(jì)天線的工作原理和間距誤差特性進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

根據(jù)前面對(duì)四元角度計(jì)天線的分析結(jié)論，在理想情況下，對(duì)于q方位的來(lái)波將在四個(gè)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)線圈中心產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，對(duì)應(yīng)分磁場(chǎng)的方向可根據(jù)右手螺旋定則確定，如圖6-31(b)所示，磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為

HN1=Hmcosq

HE1=Hmsinq

HN2=Hmcos(q+45°)

HE2=Hmsin(q+45°)設(shè)HN1與HE1合成的磁場(chǎng)為H1，HN2與HE2合成的磁場(chǎng)為H2，則

H1的方向與LE1平面之間的夾角為

H2的方向與LE2平面之間的夾角為

由于LE2與LE1平面之間的夾角為45°，則H2的方向與LE1平面之間的夾角f'

2=f2－45°=q，因此H2與H1大小相等，方向相同，即H1=H2=H。總的合成磁場(chǎng)H合=H1+H2=2H，它與四元角度計(jì)天線相比幅度增加了一倍，且磁場(chǎng)方向與LE1平面之間的夾角仍然與來(lái)波方位值q相同。

考慮到四副天線的實(shí)際接收方向函數(shù)分別為四副天線所接收的高頻電壓在對(duì)應(yīng)的四個(gè)場(chǎng)線圈中心產(chǎn)生的實(shí)際交變磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為對(duì)于HN1與HE1的合成磁場(chǎng)H1，其磁場(chǎng)強(qiáng)度為

H1的方向與LE1平面之間的夾角為

對(duì)于HN2與HE2的合成磁場(chǎng)H2，其磁場(chǎng)強(qiáng)度為(6-33)H2的方向與LE2平面之間的夾角為

由于LE2平面與LE1平面之間的夾角為45°，所以H2的方向與LE1平面之間的夾角為f'2=f2－45°。一般來(lái)說(shuō)，H2與H1兩矢量的長(zhǎng)度近似相等，方向的差別也很小，因而總的合成磁場(chǎng)矢量H合的強(qiáng)度近似為2H2或2H1，而方向則近似為兩分磁場(chǎng)矢量方向的中間值，即H合與LE1平面之間的夾角為f=(f1+f'2)/2，由此引起的間距誤差為(6-34)(6-35)由式(6-35)可見，對(duì)q=n·45°(n=0，1，…，7)方位的來(lái)波信號(hào)Dqd=0，這與四元角度計(jì)天線的間距誤差特性一致。對(duì)于q=22.5°方位的來(lái)波，由于

此時(shí)根據(jù)

得

即

用同樣的方法分析q=n·22.5°(n=3，5，7，9，11，13，15)時(shí)對(duì)應(yīng)的間距誤差特性，都有Dqd=0。

圖6-32給出了d/l=0.7和d/l=0.8時(shí)對(duì)應(yīng)的間距誤差曲線,可見正交八元角度計(jì)天線的間距誤差非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。圖6-32正交八元角度計(jì)天線的間距誤差曲線綜上所述，八元角度計(jì)天線的間距誤差具有如下顯著特點(diǎn)：

(1)間距誤差非常小，隨d/l的增大，其|Dqd|max不會(huì)明顯增大。

(2)在q=n·22.5°(n=0，1，2，…，15)的方位點(diǎn)，Dqd=0，其他方位的間距誤差類似于正弦規(guī)律變化，也就是說(shuō)正交八元角度計(jì)天線具有十六分圓的間距誤差特性。

由于正交八元角度計(jì)天線中多了兩個(gè)場(chǎng)線圈LN2和LE2，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)要實(shí)現(xiàn)四個(gè)場(chǎng)線圈的平衡一致和相互隔離是一件非常困難的事，而場(chǎng)線圈性能參數(shù)的不一致和彼此之間的相互影響，必然會(huì)引起合成磁場(chǎng)方向的變化，由此引起的誤差就成為不可忽略的主要誤差來(lái)源，它比間距誤差要大得多，因此實(shí)際設(shè)備中一般不采用這種天線結(jié)構(gòu)。實(shí)際采用的是下面介紹的Roche天線。6.3.4

Roche天線

Roche天線的結(jié)構(gòu)如圖6-33所示，它的天線部分是由八個(gè)垂直天線元組成的，角度計(jì)部分則是由兩個(gè)正交的場(chǎng)線圈LN與LE及搜索線圈LM組成的。在這里天線對(duì)N1S1、N2S2分別偏離南北方位±h角架設(shè)，天線對(duì)E1W1、E2W2分別偏離東西方位±h角架設(shè)。天線元N1與N2、S1與S2、E1與E2、W1與W2兩兩接收的電壓分別合成后等效為NS與EW兩副天線的輸出電壓。圖6-33

Roche天線結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)各天線元的接收電壓分別為eN1(t)、eN2(t)、eS1(t)、eS2(t)、eE1(t)、eE2(t)、eW1(t)、eW2(t)，則(6-36)(6-37)當(dāng)d/l遠(yuǎn)小于1時(shí)，有

此時(shí)，

可見，在d/l遠(yuǎn)小于1時(shí)，Roche天線與分別排列在東西、南北方位的兩副天線具有相同的方向特性。eNS(t)與eEW(t)分別送到場(chǎng)線圈LN與LE，根據(jù)前面對(duì)四元角度計(jì)天線的分析結(jié)論，最后形成的合成磁場(chǎng)H的矢量方向與LE平面之間的夾角為

下面來(lái)分析Roche天線的間距誤差。

根據(jù)式(6-36)與式(6-37)，合成磁場(chǎng)H矢量的實(shí)際方向與LE平面之間的夾角f為

所以天線的間距誤差為

根據(jù)式(6-38)通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算d/l=0.5和d/l=0.7時(shí)q在0°～360°范圍內(nèi)的間距誤差，得到圖6-34所示的曲線。(6-38)圖6-34

Roche天線間距誤差曲線從該圖6-34的誤差曲線可以看出，Roche天線的間距誤差仍然是八分圓的誤差特性，誤差的大小比正交八元角度計(jì)天線高一個(gè)數(shù)量級(jí)，但比四元角度計(jì)天線低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

由式(6-38)可見，Dqd的大小除了隨q而變化外，還與h有關(guān)，因此h值的選擇是否最佳將直接影響到Roche天線的間距誤差特性是否最小。圖6-35所示的是在q=22.5°(近似于引起最大間距誤差的方位)的條件下，h取值不同時(shí)對(duì)應(yīng)Dqd隨d/l變化的曲線，可見，當(dāng)q=28°時(shí)Dqd的值最小，且隨d/l的變化最平坦。圖6-35

h取值不同時(shí)Dqd隨d/l變化的曲線

總體來(lái)說(shuō)，Roche天線既綜合了四元角度計(jì)天線與正交八元角度計(jì)天線的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的缺點(diǎn)，因而是一種比較好的天線結(jié)構(gòu)形式，在中小型固定和車載、艦載等無(wú)線電測(cè)向場(chǎng)合有比較廣泛的應(yīng)用。

6.4銳方向天線

前面討論的幾種具有“8”字形方向特性的天線，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在短波和超短波無(wú)線電測(cè)向中獲得了廣泛的應(yīng)用。但它們也存在兩個(gè)方面的嚴(yán)重不足，其一是對(duì)不同方位同時(shí)到達(dá)的多個(gè)同頻或近頻(工作頻率都落在測(cè)向信道接收機(jī)通帶范圍內(nèi))目標(biāo)信號(hào)測(cè)向處理能力弱，其二是對(duì)遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)難以完成正常測(cè)向任務(wù)。

現(xiàn)代電子戰(zhàn)環(huán)境中的通信信號(hào)在時(shí)域、空域、頻域上的分布都具有密集復(fù)雜的特點(diǎn)，要在這種環(huán)境下對(duì)整個(gè)戰(zhàn)區(qū)范圍內(nèi)各目標(biāo)通信網(wǎng)中同時(shí)或分時(shí)工作的多個(gè)電臺(tái)信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，特別是對(duì)遠(yuǎn)距離通信目標(biāo)的微弱信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，必須尋找新的天線結(jié)構(gòu)形式，以克服“8”字形方向特性天線的不足,其基本要求是：

(1)能將不同方位同時(shí)到達(dá)的多個(gè)同頻或近頻信號(hào)從空域上分離開來(lái)，也就是說(shuō)，當(dāng)天線接收某一方位的來(lái)波信號(hào)時(shí)，對(duì)其他方位的來(lái)波信號(hào)不接收，這就要求天線具有尖銳的方向特性。

(2)具有高的天線增益(天線有效高度)，以便能夠正常接收遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)。

由此我們引出具有尖銳方向特性的多元陣列天線這種結(jié)構(gòu)形式，簡(jiǎn)稱銳方向性天線或陣列天線。

6.4.1均勻直線陣

如圖6-36所示，n個(gè)相同的垂直振子以等間距d排列在一直線上，各振子的輸出疊加后作為天線陣的輸出，這就構(gòu)成了一個(gè)n元均勻直線陣天線。圖6-36

n元均勻直線陣天線示意圖下面分析一下這種天線的方向特性。

設(shè)來(lái)波信號(hào)與天線陣法線方向之間的夾角為q，來(lái)波的仰角為g，這樣相鄰天線元之間由于波程差而引起的接收電壓相位差為

若第二個(gè)天線元接收電壓e2(t)比第一個(gè)天線元的接收電壓e1(t)超前相位j，則e3(t)比e2(t)超前相位j，e4(t)比e3(t)超前相位j，…，en(t)比en－1(t)超前相位j，于是有：(6-39)由此得到天線陣的方向函數(shù)為

令 ，則函數(shù) 取極值的條件為

即

nsinxcos(nx)－cosxsin(nx)=0

或

ntan(x)=tan(nx)(6-40)得到一組解為

x=ip

(i=0，1，2，…)

因此方向函數(shù)fn(q)取極大值的條件是：

得

d/l的取值通常小于1，因而上式只有當(dāng)i=1時(shí)成立，即對(duì)應(yīng)q=0°和180°時(shí)fn(q)為最大值，天線陣有最大接收電壓。根據(jù)洛比達(dá)法則：

由此可見，當(dāng)來(lái)波方位為0°或180°時(shí)，天線陣的最大輸出電壓幅度為nEm。這一點(diǎn)從物理概念上很容易理解，因?yàn)樵?°或180°方位，來(lái)波到達(dá)各天線元之間沒有波程差，因而各天線元接收的電壓是等幅同相，相加后的輸出是單個(gè)天線元輸出的n倍,達(dá)到最大值。由于

是偶函數(shù)，所以fn(q)關(guān)于q是偶對(duì)稱的；又由于sinq的對(duì)稱性，故q在90°～0°～－90°區(qū)域的方向特性與q在90°～180°～270°區(qū)域的方向特性完全一致。我們希望天線陣的方向函數(shù)具有單向特性，即天線陣只接收90°～0°～－90°區(qū)域的來(lái)波信號(hào)，而對(duì)90°～180°～270°區(qū)域的來(lái)波信號(hào)不接收，為此工程應(yīng)用中通常在90°～180°～270°區(qū)域距天線陣處設(shè)置一金屬反射網(wǎng)，通過它屏蔽90°～180°～270°區(qū)域的來(lái)波信號(hào)而實(shí)現(xiàn)了單向接收。如果稱入射到天線陣并繼續(xù)入射到金屬屏蔽網(wǎng)的波為入射波或主波，則到達(dá)金屬屏蔽網(wǎng)后再反射回來(lái)的波為反射波。對(duì)于天線陣法線方向的來(lái)波信號(hào)，它到達(dá)天線陣后將在各天線元上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，入射波繼續(xù)往前傳輸?shù)竭_(dá)金屬屏蔽網(wǎng)，從屏蔽網(wǎng)再反射回來(lái)，該反射波到達(dá)天線陣平面后又在各天線元上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于反射波多走了波程l/2，相當(dāng)于p的相移，另外電波到達(dá)金屬屏蔽網(wǎng)后再反射的過程中又有p的相移，這就相當(dāng)于反射波比主波多了2p的相移，所以主波與反射波在天線陣平面處的合成結(jié)果使得場(chǎng)強(qiáng)得到加強(qiáng)，這就是金屬反射網(wǎng)的位置距天線陣l/4處設(shè)置的原因。下面討論的天線陣都假設(shè)具有單向特性。

圖6-37所示的是n=6，d/l=0.25時(shí)均勻直線陣所對(duì)應(yīng)的方向圖。通過對(duì)式(6-40)的分析可知，均勻直線陣天線的方向特性具有如下特點(diǎn)：圖6-37

n=6，d/l=0.25時(shí)均勻直線陣方向圖

(1)在q=0°方位，天線陣接收電壓的幅度為最大值nEm,偏離0°方位后接收電壓幅度迅速下降。

(2)在滿足

即

的方位上(其中，im為小于或等于ndcosg/l的最大整數(shù))，對(duì)應(yīng)著方向圖的零值接收點(diǎn)。在天線方向函數(shù)的im對(duì)零值接收點(diǎn)中，第一對(duì)零值接收點(diǎn)對(duì)應(yīng)的方位為由于q=0°對(duì)應(yīng)天線的最大接收方位，我們稱區(qū)域q10－

～0°～q10+為天線方向圖的主瓣。主瓣寬度是銳方向性天線的一個(gè)重要方向性指標(biāo)，用q0來(lái)表示，即

(3)在滿足

即第一副瓣對(duì)應(yīng)的峰值為最大，它出現(xiàn)的方位為

當(dāng)g=0°時(shí)，在n很大的情況下，第一副瓣對(duì)應(yīng)方向函數(shù)的值為

(4)銳方向性天線的另一個(gè)重要指標(biāo)是主瓣的半功率寬度，它是主瓣功率從最大值下降至最大值的0.5(或電場(chǎng)強(qiáng)度下降至原有值的0.707)時(shí)所對(duì)應(yīng)的夾角，通常用q0.5來(lái)表示。當(dāng)g=0°時(shí)，

如果n比較大，則對(duì)應(yīng)的q0.5很小，由上式可得到：

令 ，利用三角函數(shù)的近似級(jí)數(shù)展開式 ，則有解得

再由sinq0.5≈q0.5得到半功率寬度的近似值：

或

由此可見，qHP的大小主要取決于d和n，或者說(shuō)取決于天線陣的長(zhǎng)度L。我們希望qHP越小越好，這可以通過適當(dāng)?shù)卦龃骴或增加n來(lái)盡量滿足其要求，但付出的代價(jià)是天線陣龐大復(fù)雜，特別是在短波和超短波波段，如果要使qHP達(dá)到比較高的指標(biāo)，例如3°～5°，則整個(gè)天線陣龐大復(fù)雜的程度幾乎無(wú)法容忍。

這里需要注意的是d的取值必須小于l，否則若d>l，則在滿足

即6.4.2均勻直線陣等分為兩組后的和/差方向特性

用銳方向性天線的主瓣對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行測(cè)向時(shí)，測(cè)向精度主要取決于主瓣的半功率寬度。例如要求測(cè)向精度為±1.5°，則半功率寬度qHP應(yīng)該小于3°，考慮工作波長(zhǎng)為10m(30MHz),取d=0.5l，根據(jù)qHP的計(jì)算公式，要求n=33，算得整個(gè)天線陣的長(zhǎng)度是160m，顯然這個(gè)天線陣過于龐大。那么有沒有辦法使得在不降低測(cè)向精度的情況下降低對(duì)n的要求？答案是肯定的，如果將一個(gè)均勻直線陣等分為兩組，混合利用兩者取和與取差的方向特性，就可以滿足上述要求。圖6-38所示的是一個(gè)2n元均勻直線陣等分為兩個(gè)n元均勻直線陣的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6-38

2n元均勻直線陣等分為兩個(gè)n元均勻直線陣后的