菱形天线

宽频带天线

菱形天线是一种宽频带天线。它由一个水平的菱形悬挂在四根支柱上构成，菱形的一只锐角接在馈线上，另一只锐角接一与菱形天线特性阻抗相等的终端电阻。其最大发射方向指向终端电阻方向的垂直平面内，具有单向性。

天线定义

用四根大于波长的长导线连接成菱形的天线。它水平或倾斜悬挂在四根支柱上，在菱形的一个锐角馈电，在另一锐角连接等于天线特性阻抗的吸收电阻。这种天线于1931年提出。它是一种强方向性行波天线，可以看成是由两个V形导线在开口端相连而成，其工作原理与V形行波天线类似。载有行波电流的四个臂长相等，它们的辐射方向图完全相同。适当选择菱形的边长L和顶角A可使各臂的波瓣a，a′，a″，a冺在菱形对角线方向同相叠加，其他波瓣则互相干涉形成副瓣。因此，天线的主瓣方向是由馈电点指向吸收电阻的锐角对角线方向，在其他方向则有较多和较强的副瓣。当顶角A与各边导线的两个主瓣最大值的夹角2ψ相等时，天线的主瓣方向位于菱形平面内并与锐角对角线相重合；当A<2ψ时，主瓣方向与菱形平面成一角度并位于与菱形平面垂直的主轴平面内；当A>2ψ时，天线的主瓣呈现分裂。架于地面上的水平菱形天线受到地面反射所引起的干涉作用，垂直面波束分裂为多个波束，其方向图形状决定于与架设高度和工作波长有关的高度因子，其波瓣方向与地面成一定的仰角。因此菱形天线的性能决定于L/λ、Φ和H/λ三个参数。

天线性能

功率损耗

当高度因子中的第一个最大值的仰角与菱形天线本身主瓣的仰角相等时，可得到最佳的性能。菱形天线在吸收电阻上有较大的功率损耗，效率一般仅为50%～80%，但方向性较强，所以增益系数仍较高，常用的单菱形天线的增益系数可达100左右（合20分贝）；采用双菱形天线（两个菱形天线上下或左右排列，同相馈电，共用一个吸收电阻）可降低天线的副瓣电平和提高天线的增益系数1.5～2倍。在实用中，菱形各边通常用2～3根导线在钝角处分开一定距离以减小沿线特性阻抗的变化。天线的特性阻抗约为700～800欧，输入阻抗在很宽的波段内无大的变化；但天线的方向图则随频率的变化而改变。按一定方向图要求构成的天线，工作波段覆盖系数约为2～2.5倍。菱形天线用作接收天线或小功率发射天线时，吸收电阻可用无感的线绕电阻；用作大功率发射天线时，则要用有损耗的传输线，其特性阻抗等于天线的特性阻抗。

提高效率

提高菱形天线效率的办法之一是采用回授式菱形天线，它没有吸收电阻，而用回授线使通过菱形导线辐射后剩余的能量返回到输入端，这样就可以减小功率的损耗，但回授线的长度与工作频率有关，调节困难，工作频带较窄。另一办法是采用指数菱形天线，它是把菱形各边用四根导线按指数变化张开，在终端锐角处短接在一起，天线的特性阻抗随导线的张开而逐渐减小，天线上的电流迅速衰减，在终端处的反射已很小，不需要再接吸收电阻，因而天线的效率大大提高。这种天线在终端处仍有一定的反射，故天线的输入阻抗和方向性比普通的菱形天线稍差。

优缺点

菱形天线结构简单，造价低，是30年代末以来短波远距离通信中用得最广泛的一种天线，在甚高频和超高频波段也可应用。它的主要缺点是副瓣电平高，占地面积大，天线场地不易选择。尽管由于卫星通信的出现及迅速发展，短波通信受到忽视，但随着扩频、跳频和实时信道估值(RTCE)等新技术的应用，短波通信技术已经取得了进展，特别是近年来人们发现，卫星在战时易被敌方干扰以及由于别的原因而不能正常工作。如在伊拉克战争中就暴露出卫星信道的拥挤、短时无法补充的缺陷，这使得短波通信成为远程通信的另一重要手段。短波菱形天线是一种行波天线，工作方式为天波方式，既辐射有水平极化分量又有垂直极化分量，它适合于远距离通信，由于天线在仰角方向波束的变化导致行波天线工作频带一般为2~3倍频程。该天线结构简单，架设经济，维护方便；天线工作时，驻波成份很小，因此不会发生电压或电流过大的问题，可以应用于大功率发射。此外行波天线终端的负载电阻吸收一部分功率，因而效率一般为50%~80%，但菱形天线的方向性较强，考虑到负载损耗，天线增益一般可达7~8dB。因此菱形天线阵是短波通信天线的一较好的选择。

天线应用

在对菱形天线结构和工作原理进行分析的基础上，为缩小天线尺寸结构，提高天线的方向和增益特性，设计了一种以2.4GHz为中心工作频率的带反射板的叠双菱形天线。设计过程中利用VB软件制作了交互式天线计算器，方便天线尺寸参数的计算和优化调整，并使用4NEC软件搭建天线的模型及仿真优化。在天线测试平台上利用PNA3621网络分析仪对制作的天线进行了测试。测量结果表明，在2.35GHz～2.45GHz频率范围内，天线方向图较好，与仿真结果较为吻合，天线输入端电压驻波比和回波损耗较为理想为了改善菱形天线的方向和增益特性，采用天线组阵的形式，设计改进了一种叠双菱天线结构。将两个双菱形天线上下叠加，与馈线相连的双菱形称为辐射振子，用于辐射能量，与辐射振子叠加的另一个双菱形称为引向振子，主要使能量按一定的方向进行辐射。设备采用电桥法可对天线的负载、回波损耗、驻波等反射特性进行测试；采取旋转天线法可测试天线的增益和方向性：将待测天线固定于测试转台上，通过方向控制器控制天线在水平面内旋转360°，接收天线接收来自云台上发射天线的场强，经过处理后得到测试结果。在网络分析仪仪表面板显示结果的同时，通过网络分析仪串行接口，在电脑上可显示出测量的相关图形曲线和数据。原因是天线在制作精度上会存在一定的误差，以及天线与馈线连接处由于焊接的原因，造成阻抗不匹配所致。从方向图中可以看出，叠双菱形天线的定向性和对称性较好，其主瓣宽度为56°，但是第一副瓣电平较大，与仿真时的结果有些差异。方向图不平滑呈锯齿状是由于试验室的空间测试环境有限，造成电波多次反射后进入测试天线所致。

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