宽带短波环形天线项目
设计方案
第一章 课题研究的背景及意义
1.1 宽带短波环形天线的研究背景
近几十年来，科学技术的飞速发展和人们生活日益现代化与社会化，对电子
技术的应用提出了更高的要求。例如电视、广播、通信等业务，不仅要求高质量
地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且还要求设备宽带化、共用化。因此，
与无线电设备发展趋势相适应，宽频带天线的研究也日益活跃，成为天线学科研
究领域中的一个重要分支。
在现代通信技术中，为了实现保密通信，消除干扰，将广泛应用多频段、多
功能电台和宽带跳频电台，跳频速率越来越高，跳频范围也越来越宽。原有的窄
带天线已无法满足要求，即使可调谐天线也无法满足快速的跳频速率。同时，在
移动平台，狭小的空间内若密布多副天线，相互之间的干扰较为严重，影响通信
质量，这也要求研制的天线能覆盖很宽的频段，有的甚至达到十几个倍频以上，
使多个电台共用一副天线来减少天线数量，并且要求天线效率高，损耗小，能承
受较大的发射功率等特点，从而保证通信质量。在这种背景下，天线的宽带化和
小型化就成为天线研究中的一个重要课题，特别是工作在短波波段上的天线，由
于工作频率低，天线的工作波长都比较长，天线的物理尺寸都比较小，而且采用
环形集总加载的方法是比较方便和容易实现的，从而研发性能优良的宽带短波环
形天线成为工程实现中亟待解决关键技术。
1.2 课题研究的意义
1.2.1 短波通信
短波通信是历史最为久远的无线电通信。它是战略通信网的重要组成部分。
短波通信设备简单、机动灵活、成本低廉，可用较小的发射功率直接进行远距离
通信。所以，在很长一段时期中，一直是重要的通信手段，特别是实现远距离通
信的主要手段。由于卫星通信的出现和发展，使短波通信受到了较长时间的冷落。
和卫星通信比较，短波信道是随机参量信道，稳定性和可靠性差，通信速率低。
人们以为短波通信会被卫星通信取代。由此造成对短波通信投资的急剧减少和科
研的削弱。连美军1976年制定的综合战术通信计划中，仅把短波通信列为补充和
备用手段。由于短波通信技术的进步，其可靠性、稳定性、通信质量与通信速率
提高到新的水平。与卫星通信及有线通信相比，短波通信介质的电离层不易遭受
人为破坏。短波通信被重新确定了其重要的位置。美国重新把短波信道作为战略
的和战术主干线和二级线路。在我国短波通信网是战略通信网之一。是战时作战
指挥通信中的“杀手锏”之一，是和平时期防暴乱、抢险救灾的应急通信手段。
短波通信有时甚至是唯一的通信手段。短波通信愈来愈受到重视。
1、短波传播方式
短波的基本传播途径有两种：地波（表面波）传播和天波传播。天波传播是
短波通信的主要传输方式。
（1）地波传播
沿大地与空气的分界面传播的电波，叫地面波或表面波，简称地波。其传播
途径主要取决于地面的电特性。地波在传播过程中，由于部份能量被大地吸收，
很快减弱，波长越短，减弱越快，因而传播距离不远。但地波不受气候影响，可
靠性高。通常，超长波、长波、中波无线电通信，利用地波传播。
（2）天波传播
天波是指由天线向高空辐射的电磁波受到天空电离层反射或折射后返回地面
的无线电波。
天波是短波的主要传播途径。短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，
又由地面反射回电离层，可以多次反射，因而传播距离很远（可上万公里），而
且不受地面障碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信号很不稳定的，处理不好会
影响通信效果。随着无线电通信新技术的不断涌现，天波传播弱点对短波通信的
影响，正在逐步被克服。
2、短波通信盲区
上面已介绍了地波和天波两种传播方式。
一般来说，地波的传播距离可达20 30公里，而天波从电离层第一次反射落
地（第一跳）到发射点的最短距离约为80 100公里，从而20到100公里之间这
一段，地波和天波都够不到，形成了短波通信的“寂静区”，也称为盲区。盲区
内的通信大多是比较困难的。
电离层
图1.1 短波天波通信跳跃距离与通信盲区示意图
如图1.1所示，跳跃区：发射站与无线电波首次由电离层返回地面的地点之
间的距离。盲区：在天波跳跃区内和地波传播极限之间有一段距离，短波信号经
过电离层折射越过了此区，信号无法到达该区域，这段距离就是我们常说的短波
通信盲区。
1.2.2 短波天线
短波通信的方式和特点决定了短波通信天线的特殊性。
（1）需克服短波通信的“盲区”
解决通信盲区常用的方法：一是加大电台功率以延长地波传播距离；二是常
用的有效方法就是选用高仰角天线，也称“高射天线”或“喷泉天线”，缩短天
波第一跳落地的距离。目前解决该盲区问题的最实用而且性能优良的的方法是对
这一区域的通信采用近垂直入射天波（NVIS ，Near Vertical Incidence SKY wave）
通信方式。短波“近垂直入射天波”通信指：短波传播信号接近于垂直辐射，由
电离层返回地面的短波信号正好可以覆盖整个跳跃区（见图示1.2）。
图1.2 近垂直入射天波传播特点示意图
NVIS 技术是试图在地波极限与第一跳距间的盲区中建立短波通信，其原理是
在临界频率下以近乎垂直的仰角（600～900）向上辐射水平极化电磁波，进而以大
角度从电离层反射，使回波接近发射天线，入射仰角越高天波的落地距离越短，
如果入射仰角是垂直的（900），天波的落地距离近似为0，就不存在盲区。实践证
明，地貌因素对NVIS 通信几乎没有影响，同时还可以弥补复杂地面条件对短波地
波造成的严重衰减。
（2）需克服笨重的体积
另一方面，由于天线设计与其工作波长的关系，使得短波波段的天线的尺寸
与体积比较大，限制了天线应用的场合及灵活性。
为解决天线尺寸及体积大、使用不灵活的问题，通常对天线进行加载设计：
在天线结构上作适当改变，可以保持天线上的电流近似均匀分布，以满足所要求
的电性能，通过天线加载亦可改变天线的方向性。由于天线上电流的总效应为各
负载及激励源单独产生电流的线性叠加，通过对天线的加载，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。另外采用环形集总加载的方法是比
较方便和容易实现的。
因此，研制和发展体积小、重量轻、安装和撤收均方便的宽带短波环形NVIS
通信天线，对复杂地域通信以及军用通讯是非常有意义的。
1.2.3 车载宽带短波NVIS 半环鞭天线的意义
在短波通信广泛应用的早期，人们就对短波通信盲区效应有了较为深入的认
识，并致力于研究解决这一问题的NVIS 天线。我军现有的NVIS 天线装备以陆军
配备的种类较为完整，在某种程度上能够解决短波中距离通信问题，但是同时也
存在各自的缺陷。由于短波NVIS 天线对于我军现代化的敏感因素，国外目前尚对
我国禁运。同时，国内学术届对短波天线研制也未给予足够的重视，使我国在该
领域的技术水平与先进国家的距离不断加大。
近年来，随着电磁场理论的发展，以及新技术新材料的采用，NVIS 天线技术
也获得了长足进步。深入研究表明：（1）近垂直入射天波（NVIS ）天线与垂直极
化天线互为补充从而实现无盲区覆盖，在短波战术通信系统中具有重要意义。（2）
天线结构由线天线向环天线的变化是NVIS 天线的发展趋势。分析表明，环天线具
有结构紧凑可靠、建立通信快、盲区覆盖质量好等优点。（3）采用环形NVIS 天线
有利于通过采用新技术、新材料和新器件改善天线整体性能。这方面对于简化天
馈设备、提高天线辐射和接受效率、以及应用于跳频通信等都是十分重要的，是
当前装备发展的关键技术。然而，理论分析表明：工作在2～30MHz 短波波段的
环形天线，其输入电阻很小，难与普通馈电线相匹配。所以NVIS 天线研制需要突
破的关键技术之一是：合理设计天线结构以便在整个工作频带内实现合理的阻抗
特性分布和尽可能高的辐射效率。例如在车载短波通信领域，半环NVIS 鞭天线是
近年来发展起来的新型NVIS 天线类型，其结构轻巧牢固、通过性好，天调智能化
高、尺寸紧凑，系统响应快、鲁棒性好，能够在各种机动车辆上进行装备，同时
它能在整个频带上提供接近理想的全向辐射，能够为机动部队短波语音及数据通
信突破盲区、实现全天候中距离通信提供有效保障，实践证明车载环形天线的综
合性能比传统车载鞭天线更加优越。美军NVIS 天线通过全新结构和技术，已使环
形天线实现宽带通信能力，这对于实现NVIS 跳频通信具有重要意义。随着我军现
代化对于通信系统保障的要求的不断提高，建立连续的短波通信覆盖已成为当前
紧迫的任务。车载宽带短波NVIS 半环鞭天线的研制对于我军通信系统现代化建设
具有广泛的实际需求背景和重要的实际意义。
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 ≤k ，其中l 是天线的
最大尺寸，k =2π/λ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
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 =4π
2⎰0⎰0F (θ, ϕ)sin θd θd ϕ （2-1）
式中，F (θ, ϕ) 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2θ0.5E 、2θ0.5H 来估算方向系数的值，即
D =33000
2θ0. E 52θ （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ηA 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(ηA D ) （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
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f 0之比，即
R =f max -f min 2∆f = （2-4） f 0f 0
式中，f max 、f min 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
B =f max （2-5） f min
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 =f max f min ≥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f max 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f min 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f 0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
I in (f 0) ；∆f 当频率偏离∆f ，即f =f 0±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
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
宽带短波环形天线项目
设计方案
第一章 课题研究的背景及意义
1.1 宽带短波环形天线的研究背景
近几十年来，科学技术的飞速发展和人们生活日益现代化与社会化，对电子
技术的应用提出了更高的要求。例如电视、广播、通信等业务，不仅要求高质量
地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且还要求设备宽带化、共用化。因此，
与无线电设备发展趋势相适应，宽频带天线的研究也日益活跃，成为天线学科研
究领域中的一个重要分支。
在现代通信技术中，为了实现保密通信，消除干扰，将广泛应用多频段、多
功能电台和宽带跳频电台，跳频速率越来越高，跳频范围也越来越宽。原有的窄
带天线已无法满足要求，即使可调谐天线也无法满足快速的跳频速率。同时，在
移动平台，狭小的空间内若密布多副天线，相互之间的干扰较为严重，影响通信
质量，这也要求研制的天线能覆盖很宽的频段，有的甚至达到十几个倍频以上，
使多个电台共用一副天线来减少天线数量，并且要求天线效率高，损耗小，能承
受较大的发射功率等特点，从而保证通信质量。在这种背景下，天线的宽带化和
小型化就成为天线研究中的一个重要课题，特别是工作在短波波段上的天线，由
于工作频率低，天线的工作波长都比较长，天线的物理尺寸都比较小，而且采用
环形集总加载的方法是比较方便和容易实现的，从而研发性能优良的宽带短波环
形天线成为工程实现中亟待解决关键技术。
1.2 课题研究的意义
1.2.1 短波通信
短波通信是历史最为久远的无线电通信。它是战略通信网的重要组成部分。
短波通信设备简单、机动灵活、成本低廉，可用较小的发射功率直接进行远距离
通信。所以，在很长一段时期中，一直是重要的通信手段，特别是实现远距离通
信的主要手段。由于卫星通信的出现和发展，使短波通信受到了较长时间的冷落。
和卫星通信比较，短波信道是随机参量信道，稳定性和可靠性差，通信速率低。
人们以为短波通信会被卫星通信取代。由此造成对短波通信投资的急剧减少和科
研的削弱。连美军1976年制定的综合战术通信计划中，仅把短波通信列为补充和
备用手段。由于短波通信技术的进步，其可靠性、稳定性、通信质量与通信速率
提高到新的水平。与卫星通信及有线通信相比，短波通信介质的电离层不易遭受
人为破坏。短波通信被重新确定了其重要的位置。美国重新把短波信道作为战略
的和战术主干线和二级线路。在我国短波通信网是战略通信网之一。是战时作战
指挥通信中的“杀手锏”之一，是和平时期防暴乱、抢险救灾的应急通信手段。
短波通信有时甚至是唯一的通信手段。短波通信愈来愈受到重视。
1、短波传播方式
短波的基本传播途径有两种：地波（表面波）传播和天波传播。天波传播是
短波通信的主要传输方式。
（1）地波传播
沿大地与空气的分界面传播的电波，叫地面波或表面波，简称地波。其传播
途径主要取决于地面的电特性。地波在传播过程中，由于部份能量被大地吸收，
很快减弱，波长越短，减弱越快，因而传播距离不远。但地波不受气候影响，可
靠性高。通常，超长波、长波、中波无线电通信，利用地波传播。
（2）天波传播
天波是指由天线向高空辐射的电磁波受到天空电离层反射或折射后返回地面
的无线电波。
天波是短波的主要传播途径。短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，
又由地面反射回电离层，可以多次反射，因而传播距离很远（可上万公里），而
且不受地面障碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信号很不稳定的，处理不好会
影响通信效果。随着无线电通信新技术的不断涌现，天波传播弱点对短波通信的
影响，正在逐步被克服。
2、短波通信盲区
上面已介绍了地波和天波两种传播方式。
一般来说，地波的传播距离可达20 30公里，而天波从电离层第一次反射落
地（第一跳）到发射点的最短距离约为80 100公里，从而20到100公里之间这
一段，地波和天波都够不到，形成了短波通信的“寂静区”，也称为盲区。盲区
内的通信大多是比较困难的。
电离层
图1.1 短波天波通信跳跃距离与通信盲区示意图
如图1.1所示，跳跃区：发射站与无线电波首次由电离层返回地面的地点之
间的距离。盲区：在天波跳跃区内和地波传播极限之间有一段距离，短波信号经
过电离层折射越过了此区，信号无法到达该区域，这段距离就是我们常说的短波
通信盲区。
1.2.2 短波天线
短波通信的方式和特点决定了短波通信天线的特殊性。
（1）需克服短波通信的“盲区”
解决通信盲区常用的方法：一是加大电台功率以延长地波传播距离；二是常
用的有效方法就是选用高仰角天线，也称“高射天线”或“喷泉天线”，缩短天
波第一跳落地的距离。目前解决该盲区问题的最实用而且性能优良的的方法是对
这一区域的通信采用近垂直入射天波（NVIS ，Near Vertical Incidence SKY wave）
通信方式。短波“近垂直入射天波”通信指：短波传播信号接近于垂直辐射，由
电离层返回地面的短波信号正好可以覆盖整个跳跃区（见图示1.2）。
图1.2 近垂直入射天波传播特点示意图
NVIS 技术是试图在地波极限与第一跳距间的盲区中建立短波通信，其原理是
在临界频率下以近乎垂直的仰角（600～900）向上辐射水平极化电磁波，进而以大
角度从电离层反射，使回波接近发射天线，入射仰角越高天波的落地距离越短，
如果入射仰角是垂直的（900），天波的落地距离近似为0，就不存在盲区。实践证
明，地貌因素对NVIS 通信几乎没有影响，同时还可以弥补复杂地面条件对短波地
波造成的严重衰减。
（2）需克服笨重的体积
另一方面，由于天线设计与其工作波长的关系，使得短波波段的天线的尺寸
与体积比较大，限制了天线应用的场合及灵活性。
为解决天线尺寸及体积大、使用不灵活的问题，通常对天线进行加载设计：
在天线结构上作适当改变，可以保持天线上的电流近似均匀分布，以满足所要求
的电性能，通过天线加载亦可改变天线的方向性。由于天线上电流的总效应为各
负载及激励源单独产生电流的线性叠加，通过对天线的加载，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。另外采用环形集总加载的方法是比
较方便和容易实现的。
因此，研制和发展体积小、重量轻、安装和撤收均方便的宽带短波环形NVIS
通信天线，对复杂地域通信以及军用通讯是非常有意义的。
1.2.3 车载宽带短波NVIS 半环鞭天线的意义
在短波通信广泛应用的早期，人们就对短波通信盲区效应有了较为深入的认
识，并致力于研究解决这一问题的NVIS 天线。我军现有的NVIS 天线装备以陆军
配备的种类较为完整，在某种程度上能够解决短波中距离通信问题，但是同时也
存在各自的缺陷。由于短波NVIS 天线对于我军现代化的敏感因素，国外目前尚对
我国禁运。同时，国内学术届对短波天线研制也未给予足够的重视，使我国在该
领域的技术水平与先进国家的距离不断加大。
近年来，随着电磁场理论的发展，以及新技术新材料的采用，NVIS 天线技术
也获得了长足进步。深入研究表明：（1）近垂直入射天波（NVIS ）天线与垂直极
化天线互为补充从而实现无盲区覆盖，在短波战术通信系统中具有重要意义。（2）
天线结构由线天线向环天线的变化是NVIS 天线的发展趋势。分析表明，环天线具
有结构紧凑可靠、建立通信快、盲区覆盖质量好等优点。（3）采用环形NVIS 天线
有利于通过采用新技术、新材料和新器件改善天线整体性能。这方面对于简化天
馈设备、提高天线辐射和接受效率、以及应用于跳频通信等都是十分重要的，是
当前装备发展的关键技术。然而，理论分析表明：工作在2～30MHz 短波波段的
环形天线，其输入电阻很小，难与普通馈电线相匹配。所以NVIS 天线研制需要突
破的关键技术之一是：合理设计天线结构以便在整个工作频带内实现合理的阻抗
特性分布和尽可能高的辐射效率。例如在车载短波通信领域，半环NVIS 鞭天线是
近年来发展起来的新型NVIS 天线类型，其结构轻巧牢固、通过性好，天调智能化
高、尺寸紧凑，系统响应快、鲁棒性好，能够在各种机动车辆上进行装备，同时
它能在整个频带上提供接近理想的全向辐射，能够为机动部队短波语音及数据通
信突破盲区、实现全天候中距离通信提供有效保障，实践证明车载环形天线的综
合性能比传统车载鞭天线更加优越。美军NVIS 天线通过全新结构和技术，已使环
形天线实现宽带通信能力，这对于实现NVIS 跳频通信具有重要意义。随着我军现
代化对于通信系统保障的要求的不断提高，建立连续的短波通信覆盖已成为当前
紧迫的任务。车载宽带短波NVIS 半环鞭天线的研制对于我军通信系统现代化建设
具有广泛的实际需求背景和重要的实际意义。
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 ≤k ，其中l 是天线的
最大尺寸，k =2π/λ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
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 =4π
2⎰0⎰0F (θ, ϕ)sin θd θd ϕ （2-1）
式中，F (θ, ϕ) 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2θ0.5E 、2θ0.5H 来估算方向系数的值，即
D =33000
2θ0. E 52θ （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ηA 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(ηA D ) （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
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f 0之比，即
R =f max -f min 2∆f = （2-4） f 0f 0
式中，f max 、f min 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
B =f max （2-5） f min
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 =f max f min ≥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f max 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f min 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f 0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
I in (f 0) ；∆f 当频率偏离∆f ，即f =f 0±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
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