環形天線

衛星技術的不斷發展，需要更大口徑的天線進行微弱信號的收集和傳遞。受限於運載裝置，天線越來越多應用於通信衛星、對地觀測衛星、微波遙感、深空探測器等航天器中。星載可展開天線一般分為板式可展開、充氣式可展開、自回彈式可展開及網狀可展開天線。其中，網狀可展開天線由於收納比高、面密度低的優點而成為研究熱點。

星載網狀天線一般包括纏繞肋展開天線、傘狀展開天線、環形展開天線、構架式可展開天線和模塊式可展開天線。其中，環形可展開天線以其優越的性能在衛星通信、對地觀測等方面得到了成功的應用，其能夠實現 6 ～ 150m 口徑的可展開天線，且隨著天線口徑的增大，天線質量不會成比例增加，是目前大型星載可展開天線的理想結構形式。

環形天線一般由周邊展開桁架和索網系統組成，是指展開桁架結構位於周邊，中心及徑向全部由索網系統組成的星載天線。環形天線周邊展開桁架一般為多邊形結構，通過多邊形結構周期性重複相互連接形成一個封閉的“環”狀結構。周邊展開桁架的展開形式決定了環形天線的展開形式，目前已經有多種展開形式的環形天線開始了研究工作。

根據環形天線的周長L相對與波長λ的大小，環形天線可分為電大環（L≥λ）、中等環（λ/4≤L≤λ）和電小環（L<λ/4）三類。

環形天線的終端負載阻抗可以為零，也可以等於環的特性阻抗，其上的電流分佈和平行傳輸線類似。電小環上的電流近似按等幅同相分佈。電大環上電流為駐波分佈。當端接負載的阻抗等於環的特性阻抗時，環上的電流為行波分佈。

依據電磁輻射的二重性原理，電小環和垂直於環面放置的小電偶極天線的輻射場除將電和磁的量互換外都是類似的，即在環面的平面上方向圖是圓，環軸所在平面上方向圖是8字形，沿環軸方向的輻射為零。

環可以是空心的或磁芯的；單匝的或多匝的。理論和實驗證明，輻射場與環的面積、匝數和環上的電流成正比，與工作波長的平方和距離成反比；與環的形狀關係不大。

環直徑增大時，電流按駐波分佈，最常用的是周長為一個工作波長的環，環的形狀除圓形外有矩形、菱形和三角形等。在一邊中點饋電的方環，垂直於環面的方向上輻射最強，在此方向上場的極化平行於含饋電點的環邊，在沿含饋電點環邊軸線方向輻射為零，諧振時輸入阻抗約為 100歐，增益約為3.09分貝。其他形狀的環形天線與此類似。這種環常用以組成超短波天線陣，如構成雙環或四環形電視天線和環形八木天線等。

載行波的載入環的方向圖為心臟形，在由負載指向饋電點方向上接收最強，輸入阻抗等於環的特性阻抗(一般設計為300歐)，可用作電視接收天線。

環形天線由於其收攏體積小，適用於大口徑及超大口徑天線，成為國內外研究和應用的重點。通過對環形天線結構展開形式的研究發現，研究目標主要集中在兩個方面： ①是如何通過縮小環形天線的收攏體積提高其展開口徑； ②是如何通過提高展開桁架的剛度提高環形天線的型面精度穩定性。

實現提高環形天線展開口徑和型面精度穩定性兩方面目標的主要技術途徑是：①Astromesh 系列環形天線、EGS 環形天線、Harris 環形天線等是改變周期性重複的多邊形單元的展開/收攏形式； ②上下兩層展開桁架、內外兩層展開桁架以及錐形桁架等環形天線是改變多邊形單元的周期性重複方式。

目前，已經有多個環形天線進入應用階段，但市場主要由美國 Northrop Grumman 公司 Astromesh 系列環形天線和 Harris 公司環形天線壟斷。對環形天線結構的發展開可以通過對現有環形天線的借鑒和創新，進行環形天線的開發和應用，促進衛星有效載荷的發展，滿足移動通信、微波遙感、對地觀測、深孔探測等應用需求。

電小環天線是實際中應用最多的，如收音機中的天線、攜帶型電台接受天線、無線電導航定位天線、場強計的探頭天線等。電大環天線主要用作定向陣列天線的單元。