與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)講訴

1、與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)的基本原理判據(jù)：輻射方向圖一輸入阻抗在仏/fi a10的頻帶內(nèi)保持為常數(shù)極化特性 相位中心例如：面天線(xiàn)，fh/f 2，主瓣寬度隨頻率增加而變窄（增益提高）； 螺旋天線(xiàn)（圓柱形）的軸向模式的輸入阻抗和相位中心在 fh/fi 2的 頻帶內(nèi)保持為常數(shù)，但是，其主瓣寬度隨頻率增加而變窄。雙錐天線(xiàn)和V錐天線(xiàn)的輸入阻抗和輻射方向圖確實(shí)與頻率無(wú) 關(guān)，但是，我們的討論都是在無(wú)限長(zhǎng)條件下進(jìn)行的，事實(shí)上，當(dāng)天線(xiàn) 長(zhǎng)度有限時(shí)，其帶寬將不是與頻率無(wú)關(guān)的。Rumsey注意到，設(shè)計(jì)與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)，實(shí)際上就是盡量減小對(duì)天 線(xiàn)長(zhǎng)度的依賴(lài)性，增大對(duì)天線(xiàn)角結(jié)構(gòu)的依賴(lài)性。另一個(gè)很重要的問(wèn)題是天線(xiàn)的自補(bǔ)結(jié)

2、構(gòu)。 設(shè)一個(gè)金屬天線(xiàn)的輸 入阻抗為Zmetal，把金屬換成介質(zhì)（大氣），把介質(zhì)換成金屬就得到其 對(duì)偶結(jié)構(gòu)，互補(bǔ)天線(xiàn)的輸入阻抗就為 Zair?；パa(bǔ)天線(xiàn)就像照片的正負(fù) 片一樣。一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子就是條帶偶極子天線(xiàn)和同樣形狀的槽天 線(xiàn)，如圖1所示。Babinet 原理（見(jiàn) Collin:Field theory of guided waves, secondedition, 1.8 SomeEquivalenee Principles,Babinet principle,p.3943,）來(lái)自于光學(xué)：兩個(gè)互補(bǔ)屏在它們不存在時(shí)的未照明空間U0n 條帶偶極子圖1.互補(bǔ)的 電偶極子天線(xiàn) 和槽天線(xiàn)任何點(diǎn)上產(chǎn)生相

3、同的照度。把 Babi net原理推廣到電磁學(xué)導(dǎo)出如下互metalZair(120二)24= 3600 二 2(1)補(bǔ)天線(xiàn)輸入阻抗之間的重要關(guān)系，即二者的乘積等于一個(gè)常數(shù)這里假定沒(méi)有電介質(zhì)材料和磁介質(zhì)材料的自由空間，如果是別的介質(zhì)，式（1）中應(yīng)代入相應(yīng)介質(zhì)的波阻抗。如果條帶偶極子是諧振的（其 長(zhǎng)度比半波長(zhǎng)稍稍短一點(diǎn)），輸入阻抗等于半波振子阻抗，為 70Q,可以算出互補(bǔ)槽天線(xiàn)的輸入阻抗為Zslot4Zdipole3600 24 70-126.89.1這是半波槽天線(xiàn)的輸入阻抗。兩個(gè)互補(bǔ)天線(xiàn)輸入阻抗的乘積等于常數(shù)2,4。如果一個(gè)天線(xiàn)是其自己的互補(bǔ)天線(xiàn)，那么其輸入阻抗一定是與頻率無(wú)關(guān)的。當(dāng)一個(gè)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

4、與其互補(bǔ)天線(xiàn)完全相等時(shí)稱(chēng)之為自補(bǔ)結(jié) 構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)平移和旋轉(zhuǎn)得到自補(bǔ)結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。由式（2）可以得到自補(bǔ)天線(xiàn)的輸入阻抗為式（3）是設(shè)計(jì)與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)的第二條原則。自補(bǔ)天線(xiàn)是與頻率無(wú) 關(guān)天線(xiàn)，但是，也有許多天線(xiàn)并不是自補(bǔ)天線(xiàn)，而它們的輸入阻抗和 很少隨頻率變化。設(shè)計(jì)與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)的第三條原則是，用較厚較粗的金屬材料（f atter is better ）。例如，雙錐天線(xiàn)是加粗了的偶極子天線(xiàn)。就 是一般的偶極子天線(xiàn)，僅僅用較粗的導(dǎo)體也可以擴(kuò)展天線(xiàn)的帶寬。在理想化情況下，與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足上述三條原則：其結(jié)構(gòu)僅僅與角坐標(biāo)有關(guān)；是自補(bǔ)結(jié)構(gòu)；金屬材料比較粗大。在天線(xiàn)工程 設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，如果滿(mǎn)足這三條原

5、則，天線(xiàn)設(shè)計(jì)比較成功，天線(xiàn)頻帶很 寬。實(shí)際上，沒(méi)有必要固執(zhí)三原則，當(dāng)然，這有一定的代價(jià)，那就是 輸入阻抗等天線(xiàn)參數(shù)將隨頻率變化，而不再為常數(shù)。在許多應(yīng)用場(chǎng)合， 天線(xiàn)參數(shù)變化并不嚴(yán)重，常常是可以接受的。與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)的另一個(gè)特性是其自相似性（self-scali ng orself-similarity ），輻射只發(fā)生在天線(xiàn)的其中一部分，這一部分的尺 寸（長(zhǎng)度）接近半波長(zhǎng)、或者（周長(zhǎng)）是一個(gè)波長(zhǎng)，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)之為 天線(xiàn)的有效的區(qū)域。隨著頻率的增加，有效區(qū)域逐漸向天線(xiàn)尺寸較小 的部分移動(dòng)，那里的輻射長(zhǎng)度約為半波長(zhǎng)。與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)大體分為兩類(lèi)：螺旋（spiral ）天線(xiàn)和對(duì)數(shù)周期 天線(xiàn)。下面分別討論螺

6、旋天線(xiàn)和對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)。螺旋天線(xiàn)（spiral antennas ）螺旋天線(xiàn)及其變形天線(xiàn)在結(jié)構(gòu)上或者是嚴(yán)格自補(bǔ)結(jié)構(gòu)，或者非常接近于自補(bǔ)結(jié)構(gòu)，因此，螺旋天線(xiàn)的頻帶非常寬，可以達(dá)到40:1 其中等角螺旋天線(xiàn)是最早研究的 螺旋天線(xiàn)，文獻(xiàn)中基本的分析方 法都是用等角螺旋天線(xiàn)來(lái)表述的。如圖2所示，等角螺旋線(xiàn)的普遍公式為r =rea ：(4)其中ro是=0的矢徑，a是常數(shù)，它控制了螺旋線(xiàn)張開(kāi)的速度。a 0表示右旋螺旋線(xiàn)，a :：: 0表示左旋螺旋線(xiàn)。用等角螺旋線(xiàn)構(gòu)造一個(gè)平面等角螺旋天線(xiàn)，如圖3所示。有兩個(gè)金屬輻射臂，每個(gè)輻射臂由兩個(gè)圖3.平面等角螺旋天線(xiàn)邊緣，分別用邊緣1、邊緣2、邊緣3、邊緣4表示。邊緣僅

7、旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，即1是嚴(yán)格的等角螺旋線(xiàn)，由 式(4)給出。邊緣2是和邊 緣1相同的等角螺旋線(xiàn)，僅“ =T0ea( 。天線(xiàn)是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),另一個(gè)輻射臂的兩個(gè)邊緣分別Fea(。因?yàn)樘炀€(xiàn)是自補(bǔ)結(jié)構(gòu)的，所以、，2這種情況下其輻射方向圖示對(duì)稱(chēng)的平面等角螺旋天線(xiàn)輻射方向圖輸入阻抗極化特性在很寬的頻帶內(nèi)保持幾乎為常數(shù)。饋電點(diǎn)在天線(xiàn)的中心。各個(gè)半徑 ri和張開(kāi)速度a決定了天線(xiàn)的性能。用展開(kāi)比；表示張開(kāi)速度a更方便，；表示螺旋線(xiàn)變化一圈半徑的增加因子2 a - e -(5):的典型值是4,由此可以算出a =0.221。天線(xiàn)工作頻帶的上限fh受饋 電點(diǎn)結(jié)構(gòu)的限制，當(dāng)展開(kāi)比；：=4時(shí)，最小半徑r0大約是fh的四分之一

8、波長(zhǎng)。一個(gè)等效標(biāo)準(zhǔn)就是饋電區(qū)域的周長(zhǎng)2二ro =c/fh1。螺旋線(xiàn)在饋電點(diǎn)結(jié)束，與傳輸線(xiàn)連接起來(lái)。天線(xiàn)工作頻帶的下限取決于天線(xiàn)總的 半徑R差不多是fl的四分之一波長(zhǎng)。也就是說(shuō)，緊緊包圍整個(gè)天線(xiàn) 的圓周長(zhǎng)C決定了最低頻率的波長(zhǎng)C=2：R=.|。最大半徑和最小半徑 之比即是天線(xiàn)的頻帶寬度。實(shí)驗(yàn)研究表明，有半圈到三圈的螺旋線(xiàn)對(duì)參數(shù)a和:比較不敏感。有一圈半的螺旋線(xiàn)接近最佳值。例如，a = 0.221，R二20.221（廠(chǎng)=8.03r。也 就是說(shuō)，lh =8.03。8:1德帶寬是典型值，設(shè)計(jì)得好可以達(dá)到40:1的 帶寬。按照式（3）自補(bǔ)平面等角螺旋天線(xiàn)的輸入阻抗應(yīng)為 188.5歐姆 實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)得到的

9、輸入阻抗約為120歐姆，這主要是由于有限厚度 的金屬輻射臂和同軸饋電線(xiàn)沿著一個(gè)輻射臂通向天線(xiàn)中心的饋電點(diǎn)。 為了保持平衡常常在另一個(gè)輻射臂安裝一個(gè)仿制的同軸線(xiàn)。自補(bǔ)平面等角螺旋天線(xiàn)的輻射方向圖是雙向的，主波瓣從螺旋線(xiàn) 平面指向兩邊。場(chǎng)方向圖近似于COST，z軸垂直于螺旋線(xiàn)平面。半功 率波束寬度約為90O。在很大角度范圍內(nèi)（偏離寬邊方向700）,近似為圓極化。極化旋轉(zhuǎn)方向取決于螺旋線(xiàn)張開(kāi)方向。例如圖3,離開(kāi)紙面方向的是右旋圓極化，進(jìn)入紙面的是左旋圓極化。Archimedean 螺旋天線(xiàn)圖4. Archimedean螺旋天線(xiàn)圖4給出了另一種平面螺旋天線(xiàn):Archimedean螺旋天線(xiàn)，和許多其它類(lèi)

10、型 的螺旋天線(xiàn)一樣，這種平 面螺旋天線(xiàn)容易用印刷電 路技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)。兩個(gè)螺 旋線(xiàn)的方程為： r , r （ -二） Archimedea n螺旋線(xiàn)與極角成正比，而不是等角螺旋線(xiàn)的指數(shù)關(guān)系， 因此，螺旋線(xiàn)張開(kāi)速度慢很多。用Archimedean螺旋天線(xiàn)的簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu)可以解釋與頻率無(wú)關(guān)天 線(xiàn)的工作原理。有效區(qū)域是天線(xiàn)上與輻射相關(guān)的部分， 借助于有效區(qū) 域容易理解天線(xiàn)的輻射帶寬。從與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)的饋電點(diǎn)到有效區(qū) 域，天線(xiàn)電流是傳輸線(xiàn)模式，它們產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)互相抵消。對(duì)于 彎曲結(jié)構(gòu)，有效區(qū)域出現(xiàn)在天線(xiàn)上周長(zhǎng)大約是一個(gè)波長(zhǎng)的部位，對(duì)于直導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)或者邊緣，有效區(qū)域出現(xiàn)在天線(xiàn)尺寸大約是半波長(zhǎng)的部 位。超出

11、有效區(qū)域，天線(xiàn)電流比較小，因?yàn)椋蟛糠帜芰恳呀?jīng)在有效 區(qū)域輻射出去。一副高效天線(xiàn)的長(zhǎng)度上就好像是無(wú)限延伸的。 很顯然， 隨著頻率的改變有效區(qū)域沿著天線(xiàn)移動(dòng)。因?yàn)槁菪€(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)是光 滑的，當(dāng)頻率降低，有效區(qū)域沿著螺旋線(xiàn)向外移動(dòng)，但是，其電器特 性保持不變。于是，就產(chǎn)生了自相似和與頻率無(wú)關(guān)的結(jié)果。現(xiàn)在進(jìn)一步給出螺旋天線(xiàn)如何工作的物理解釋。參見(jiàn)圖 4. 在 F1 和F2點(diǎn)給兩個(gè)輻射臂饋電，相位差 1800，用相反的電流方向表示。 輻射臂 1（- ）上的電流是向內(nèi)的，輻射臂 2（+）上的電流是向外的。 從饋電點(diǎn)到輻射臂端點(diǎn)的長(zhǎng)度 F1A和FA相等，因此相位移也相等， 保持了如圖4所示的電流方向。在圖

12、4中有效區(qū)域用AA，表示，該 處的圓周長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)。假設(shè)，在這個(gè)區(qū)域電流的幅值幾乎不變， 但是，沿著輻射臂其相位就象行波一樣變化。 有效區(qū)域的圓周長(zhǎng)約為 一個(gè)波長(zhǎng)，所以，Ai點(diǎn)和Ai /點(diǎn)、A點(diǎn)和A /點(diǎn)之間路徑的電長(zhǎng)度約 半波長(zhǎng)，相位差則為1800，把點(diǎn)、A /點(diǎn)的電流指向反向，貝S A點(diǎn)和Ai /點(diǎn)、A點(diǎn)和A /點(diǎn)電流指向相同。考慮到兩個(gè)輻射臂是反 相饋電的，兩個(gè)輻射臂相鄰點(diǎn)，即 A點(diǎn)、點(diǎn)和A點(diǎn)、Ai,點(diǎn)變成 同相位點(diǎn)了。這使得天線(xiàn)寬邊方向的輻射加強(qiáng)，得到最大輻射。在小 于有效區(qū)域的部分，電長(zhǎng)度比較小，基本保持傳輸線(xiàn)模式，而輻射很 弱。通常在螺旋線(xiàn)終端加載電阻負(fù)載，以便保持無(wú)反射行波狀態(tài)

13、。現(xiàn)在討論螺旋天線(xiàn)的圓極化特性。在有效區(qū)域，螺旋線(xiàn)上相距四 分之一圈的兩點(diǎn)相位差900。例如，Ai點(diǎn)和Bi點(diǎn)，A點(diǎn)相位落后Bi點(diǎn) 相位 900，空間上電流方向是正交的，電流幅值差不多相等。這樣一 來(lái)，滿(mǎn)足了圓極化輻射的全部條件。如圖 4所示，從紙面出來(lái)是左旋 圓極化（LHCP波，這是因?yàn)槁菪€(xiàn)是左旋纏繞；進(jìn)入紙面則是右旋 圓極化（RHCP波。基于上述討論很清楚，螺旋天線(xiàn)產(chǎn)生兩個(gè)垂直于螺旋線(xiàn)平面的主 波束。大多數(shù)應(yīng)用要求單方向輻射，只有一個(gè)主波束，這可以在螺旋 天線(xiàn)背后加一個(gè)大的地平面來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用的結(jié)構(gòu)是在螺旋天線(xiàn)背后加 一個(gè)金屬腔，形成背腔阿基米德螺旋天線(xiàn)。固定尺寸的“背腔”將破 壞螺旋天線(xiàn)與

14、頻率無(wú)關(guān)的特性。許多商業(yè)產(chǎn)品在背腔內(nèi)加載吸收材 料，以減少背腔的諧振作用；這樣又引入了損耗。典型的背腔阿基米 德螺旋天線(xiàn)性能參數(shù)為，半功率波束寬度HP=750,軸比AR=1dB，增 益G=5dB帶寬超過(guò)10:1，輸入阻抗約120歐姆，接近實(shí)數(shù)。等角螺 旋天線(xiàn)的性能與此類(lèi)似螺旋天線(xiàn)是一種平衡結(jié)構(gòu)，通常要與非平衡的同軸線(xiàn)連接，這就圖.5圓錐等角螺旋天線(xiàn)必須用到平衡/非平衡變換器（balun ），將在以后的章節(jié)中介紹。根 據(jù)經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出的背腔阿基米德 螺旋天線(xiàn)的輻射方向圖為F（R 二 cos5.8（0.53巧（6）圓錐等角螺旋天線(xiàn)非平面型螺旋天線(xiàn)常用來(lái)產(chǎn)生單一主波束，從而避免 了采用背腔結(jié)構(gòu)。把平面等

15、角螺旋天線(xiàn)放到圓錐表面形 成圓錐等角螺旋天線(xiàn)。圓錐 等角螺旋線(xiàn)方程為=e(asE 平面等角螺旋線(xiàn)是補(bǔ)=90的特殊情況，其中h是圓錐半張角。圓錐等角螺旋天線(xiàn)金屬輻射臂的一個(gè)邊緣ri由式（7）給出，另一個(gè)邊緣2 =e（an，對(duì)于自補(bǔ)結(jié)構(gòu)二叮2。把這個(gè)輻射臂旋轉(zhuǎn)180得到另 一個(gè)輻射臂。輻射臂邊緣與圓錐母線(xiàn)保持夾角:-為常數(shù)，a 二 cot ：（8）圓錐等角螺旋天線(xiàn)有單一的主波束， 指向就是圓錐的軸線(xiàn)方向（從圓 錐離開(kāi)錐頂?shù)姆较颍?。自補(bǔ)結(jié)構(gòu)可以得到最佳輻射方向圖。當(dāng)h 15， :=75時(shí)，典型的輻射方向圖：最大輻射方向 v -180， HP =80。因 為天線(xiàn)結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的，所以，輻射方向圖也幾乎

16、是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的。 在所有方向上輻射場(chǎng)都非常接近圓極化，極化旋轉(zhuǎn)方向取決與螺旋線(xiàn) 的繞向。當(dāng)偏離軸向時(shí)，軸比將增加（橢圓度增加）。輸入阻抗可近似表示為Z0 = 300 =15（8）其中用度數(shù)表示，即輻射臂兩個(gè)邊緣之間的夾角。對(duì)于自補(bǔ)結(jié)構(gòu):=90，由式（8）算出Z。16，很接近式（3）給出的188.5 Q的 理論值。片和對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗沒(méi)有太大影響。設(shè)計(jì)圓錐等角螺旋天線(xiàn)還是比較簡(jiǎn)單的。工作頻率的上限 fh取決 于圓錐頂點(diǎn)截?cái)嗵幍闹睆絛 , dh/4，工作頻率的下限fl取決于圓 錐底面的直徑B , B = 3，| /8。一般-h小于15，而二-70。當(dāng)二h = 10 , -=73，則前后比為 15dB, AR 3dB。其它形式的螺旋天線(xiàn)除了上述主模式工作外，螺旋天線(xiàn)還可以工作在其他高階奇模式。這時(shí)有效區(qū)域的周長(zhǎng)為波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。 對(duì)螺旋天線(xiàn)的雙臂同