图2.1小环天线电阻加载
根据传输线理论可知，若负载阻抗RL等于小环的平均特性阻抗ZA，则加载圆环可看成是一行波天线，端接匹配负截的两个半圆环起着向外辐射电磁波的作用。用类似计算对称振子平均特性阻抗的方法，可以近似求出加载圆环天线的平均特性阻抗。
ZCA?1????0120ln(?2basin?)d?''' ?120[?ln02bad????0 ln(sin?)d?] （2-6）
'' ?120lnba 上式在?b（??2??）较小时是足够准确的。若忽略沿线电流的衰减，加载圆环上行波电流分布的表示式为：
'| ?|'|?|? ) ? (0?? I??I0e?j?b ? （2-7）
电流环在远区观察点P(r、?、?）产生的矢位A为 A?b?I004?r?j?r?j?bsin?cos (???')'?j?b?''e?ed? ???cos(???)e??? （2-8）
式中，r为坐标原点至观察点P的距离，有上标“'”表示源点坐标，无“'”表示场点坐标。要注意到，由于线上电流的相位连续滞后，因而方向图不具有轴对称特点，故A?为?的函数。远区辐射场为
b??I004?r?j?r?j?bsin?cos(???')'?j?b?''cos(???)e?ed? ???12
E???jwA???j
e （2-9）
将??90?代入，即可求出环所在平面的方向图。
当计入电流衰减之后所得方向图与不计电流衰减时的情况相差不大。加载小圆环天线，两主平面方向图均接近心脏形。
由于环内接有负载电阻，故天线效率较低，当天线电尺寸较小时，效率可用下式估算：
?A?5132?b4（） （2-10） ZCA?由上式可知：当环的电尺寸（2?b?）一定时，环的平均特性阻抗ZCA愈小，天线效率愈高，因此，增大环天线直径可适当提高加载环天线的效率。 （2）电感加载
如果在半环天线的中部某点加入一定数值的感抗（将图2.1中的电阻加载换为电感加载），就可以适当地点距离天线接地点之间的线段所呈现的电抗，从而改变加感点距离馈电点之间的电流分布，使环线上总电流均匀分布。它对加感点以上的电流分布作用不大。
分析加感点的电抗可知，在电感元件接入之前
Xa?Xb
（2-11）
由传输线理论近似估算得：
Xa?Xb?ZCAtan(?lbc)
（2-12）
式中lbc为图中b、c两点间的长度，即加感点与接地点之间天线线段的长度。在接入电感元件后有：
Xa?Xb?XL?ZCAtan(?lbc)?XL?ZCAtan(?l)
' （2-13）
式中XL是所加载的电感元件的电抗，l'为加感点与接地点之间天线线段的的折合长度。显然此时天线的有效长度较加感前增大。
因此，合理选取加感点的位置以及加感值的大小，可以增加半环天线的有效长度，并且使天线上电流达到较均匀分布。由于电感仅对加感点以下线段上的电流分布起较明显的作用，如果采取在天线的中部加感以及在天线终端加负载电阻相结合的方式，可进一步改善天线沿线电流分布、改变天线的等效长度，从而改善天线的阻抗特性，提高辐射效率。
由小环天线加载实例分析可以看出，线天线集总加载可改变天线上电流分布，
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从而控制天线的输入阻抗、增益、辐射特性等主要特性指标。然而天线加载在拓宽天线频带的同时往往牺牲了天线的增益。因此需要综合考虑加载对天线性能的影响，选取比较折中的加载方式使天线的综合性能最优。
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第三章 宽带短波环形天线的优化设计方法
3.1 宽带短波NVIS半环鞭天线的设计
3.1.1天线模型
本设计是一种宽带短波半环NVIS天线，该天线工作于短波波段（2~30MHz），驻波系数可小于1.5，具有全向辐射特性，通信距离可达0~1000km以上，除能够提供有效的NVIS通信外，还具有结构稳定、风阻系数小、轮廓低以及雷达散射截面积小等性能，使得该天线很适合应用作车载天线。
图3.1 宽带短波半环NVIS天线系统结构图
如图3.1所示这种天线包括金属鞭状半环、RLC并联等效网络、终端加载电阻，天调系统，同轴线以及天线反射板。其中，RLC并联等效网络加载于金属鞭状半环的顶部中间；终端加载电阻其一端与金属鞭状半环鞭的终端固定连接，另一端与安装金属鞭状半环的载体（反射板）通过螺纹固定连接，天调系统的输出端与天线鞭的输入端，天调系统的输入端与同轴线的输出端固定连接，实现电信号的连通。从而，同轴线、天调系统、金属鞭状半环天线鞭、加载于天线鞭顶部中间的RLC并联等效网络、加载于天线鞭终端与反射板之间的终端加载电阻、以及承载天线的反射板（天线载体）共同构成本天线系统。
这种天线在短波频段电压驻波系数可在1.5以下，回波损耗小，增益高、结构稳定，除能够提供有效的NVIS通信外，具有风阻系数小、轮廓低以及雷达散射截面积小等性能，能够更好地符合车载天线、特别是军用车天线环境所考虑的重要因素。
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3.1.2 宽带短波NVIS半环鞭天线的原理
在我们所研究的区域之外，可以用假想的电荷或电流来代替原来的边界，只要这些电荷或电流和区域中原有的电荷或电流产生的场满足原来的边界条件，则根据电磁场唯一性定理，两种情况在所研究的空间中有相同的解。称假想的电荷或电流为原有的电荷或电流的镜像，称这种处理方法为镜像法。如果实际地面与理想情况差别较大，例如地面不是理想导电面或者金属面不是无限大的平面，则应对此作适当修正。在理想导电平面上，一垂直放置的电基本振子，它辐射的是垂直极化波，当光程相同时，直射线和反射线的电场矢量是等幅同相的，故为正镜像，亦即镜像振子和实际振子上的电流是等幅同相的；反之，水平放置的一电基本振子，镜像振子和实际振子的电流是等幅反相的，为负镜像；倾斜放置的电基本振子的电流可看作是垂直电流与水平电流的叠加。而任意一线天线均可分成苦干首尾相接的电基本振子，因而可由每个电基本振子的镜像得出整个天线的镜像。对于垂直放置在理想导电面上的半环天线，有镜像原理可等效为垂直放置的偶极振子天线。
车载半环鞭天线依据所配置的车辆大致可以分成履带式和胶轮式两类。根据镜像原理，对于两种半环天线配置，其工作原理可以看作垂直放置的单环天线和上下放置的双环天线两种情况。因为等效环天线半径小于工作波长，因此可以用电小环天线辐射特性来估这种天线的辐射方向图。典型电小环天线为一全向辐射天线，其H面方向图为8字型，E面方向图为圆形。在实际车辆加载的情况下，由于车辆尺寸有限及地面非理想导电，实际镜像辐射方向略偏离垂直方向。
根据上述设计原理，本设计的车载宽带短波NVIS半环鞭天线结构如图3.1所示，该天线为鞭状半环结构，通过在天线半环顶部中央加载RLC并联等效网络以及在终端加载电阻来进一部改善普通短波半环鞭天线上的电流分布，从而进一步改善该种天线的辐射特性、阻抗特性等，大幅度提高天线的带宽，以便在此基础上采用天调匹配系统（其功能包括频率检测、天线驻波检测、预调控制等），实现大幅度改善馈电点全频段的阻抗特性，实现全频带匹配，最终构成性能优越的车载短波通信天线系统。
3.1.3 宽带短波NVIS半环鞭天线设计方案
如图3.1所示，其中：1是金属（如特种钢）鞭状半环，被集中加载网络2分成两段，并通过集中加载网络2固定连接实现电信号的连通，其作为天线的辐射
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