與頻率無關(guān)天線講訴

1、與頻率無關(guān)天線與頻率無關(guān)天線的基本原理判據(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，fh/f 2，主瓣寬度隨頻率增加而變窄（增益提高）； 螺旋天線（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。雙錐天線和V錐天線的輸入阻抗和輻射方向圖確實與頻率無 關(guān)，但是，我們的討論都是在無限長條件下進行的，事實上，當天線 長度有限時，其帶寬將不是與頻率無關(guān)的。Rumsey注意到，設(shè)計與頻率無關(guān)天線，實際上就是盡量減小對天 線長度的依賴性，增大對天線角結(jié)構(gòu)的依賴性。另一個很重要的問題是天線的自補結(jié)

2、構(gòu)。 設(shè)一個金屬天線的輸 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 對偶結(jié)構(gòu)，互補天線的輸入阻抗就為 Zair?；パa天線就像照片的正負 片一樣。一個最簡單的例子就是條帶偶極子天線和同樣形狀的槽天 線，如圖1所示。Babinet 原理（見 Collin:Field theory of guided waves, secondedition, 1.8 SomeEquivalenee Principles,Babinet principle,p.3943,）來自于光學：兩個互補屏在它們不存在時的未照明空間U0n 條帶偶極子圖1.互補的 電偶極子天線 和槽天線任何點上產(chǎn)生相

3、同的照度。把 Babi net原理推廣到電磁學導出如下互metalZair(120二)24= 3600 二 2(1)補天線輸入阻抗之間的重要關(guān)系，即二者的乘積等于一個常數(shù)這里假定沒有電介質(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 長度比半波長稍稍短一點），輸入阻抗等于半波振子阻抗，為 70Q,可以算出互補槽天線的輸入阻抗為Zslot4Zdipole3600 24 70-126.89.1這是半波槽天線的輸入阻抗。兩個互補天線輸入阻抗的乘積等于常數(shù)2,4。如果一個天線是其自己的互補天線，那么其輸入阻抗一定是與頻率無關(guān)的。當一個天線結(jié)構(gòu)

4、與其互補天線完全相等時稱之為自補結(jié) 構(gòu)。可以通過平移和旋轉(zhuǎn)得到自補結(jié)構(gòu)的互補結(jié)構(gòu)。由式（2）可以得到自補天線的輸入阻抗為式（3）是設(shè)計與頻率無關(guān)天線的第二條原則。自補天線是與頻率無 關(guān)天線，但是，也有許多天線并不是自補天線，而它們的輸入阻抗和 很少隨頻率變化。設(shè)計與頻率無關(guān)天線的第三條原則是，用較厚較粗的金屬材料（f atter is better ）。例如，雙錐天線是加粗了的偶極子天線。就 是一般的偶極子天線，僅僅用較粗的導體也可以擴展天線的帶寬。在理想化情況下，與頻率無關(guān)天線應(yīng)當滿足上述三條原則：其結(jié)構(gòu)僅僅與角坐標有關(guān)；是自補結(jié)構(gòu)；金屬材料比較粗大。在天線工程 設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，如果滿足這三條原

5、則，天線設(shè)計比較成功，天線頻帶很 寬。實際上，沒有必要固執(zhí)三原則，當然，這有一定的代價，那就是 輸入阻抗等天線參數(shù)將隨頻率變化，而不再為常數(shù)。在許多應(yīng)用場合， 天線參數(shù)變化并不嚴重，常常是可以接受的。與頻率無關(guān)天線的另一個特性是其自相似性（self-scali ng orself-similarity ），輻射只發(fā)生在天線的其中一部分，這一部分的尺 寸（長度）接近半波長、或者（周長）是一個波長，這個區(qū)域稱之為 天線的有效的區(qū)域。隨著頻率的增加，有效區(qū)域逐漸向天線尺寸較小 的部分移動，那里的輻射長度約為半波長。與頻率無關(guān)天線大體分為兩類：螺旋（spiral ）天線和對數(shù)周期 天線。下面分別討論螺

6、旋天線和對數(shù)周期天線。螺旋天線（spiral antennas ）螺旋天線及其變形天線在結(jié)構(gòu)上或者是嚴格自補結(jié)構(gòu)，或者非常接近于自補結(jié)構(gòu)，因此，螺旋天線的頻帶非常寬，可以達到40:1 其中等角螺旋天線是最早研究的 螺旋天線，文獻中基本的分析方 法都是用等角螺旋天線來表述的。如圖2所示，等角螺旋線的普遍公式為r =rea ：(4)其中ro是=0的矢徑，a是常數(shù)，它控制了螺旋線張開的速度。a 0表示右旋螺旋線，a :：: 0表示左旋螺旋線。用等角螺旋線構(gòu)造一個平面等角螺旋天線，如圖3所示。有兩個金屬輻射臂，每個輻射臂由兩個圖3.平面等角螺旋天線邊緣，分別用邊緣1、邊緣2、邊緣3、邊緣4表示。邊緣僅

7、旋轉(zhuǎn)了一個角度，即1是嚴格的等角螺旋線，由 式(4)給出。邊緣2是和邊 緣1相同的等角螺旋線，僅“ =T0ea( 。天線是對稱結(jié)構(gòu),另一個輻射臂的兩個邊緣分別Fea(。因為天線是自補結(jié)構(gòu)的，所以、，2這種情況下其輻射方向圖示對稱的平面等角螺旋天線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)。饋電點在天線的中心。各個半徑 ri和張開速度a決定了天線的性能。用展開比；表示張開速度a更方便，；表示螺旋線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。天線工作頻帶的上限fh受饋 電點結(jié)構(gòu)的限制，當展開比；：=4時，最小半徑r0大約是fh的四分之一

8、波長。一個等效標準就是饋電區(qū)域的周長2二ro =c/fh1。螺旋線在饋電點結(jié)束，與傳輸線連接起來。天線工作頻帶的下限取決于天線總的 半徑R差不多是fl的四分之一波長。也就是說，緊緊包圍整個天線 的圓周長C決定了最低頻率的波長C=2：R=.|。最大半徑和最小半徑 之比即是天線的頻帶寬度。實驗研究表明，有半圈到三圈的螺旋線對參數(shù)a和:比較不敏感。有一圈半的螺旋線接近最佳值。例如，a = 0.221，R二20.221（廠=8.03r。也 就是說，lh =8.03。8:1德帶寬是典型值，設(shè)計得好可以達到40:1的 帶寬。按照式（3）自補平面等角螺旋天線的輸入阻抗應(yīng)為 188.5歐姆 實際上，實驗得到的

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沿著一個輻射臂通向天線中心的饋電點。 為了保持平衡常常在另一個輻射臂安裝一個仿制的同軸線。自補平面等角螺旋天線的輻射方向圖是雙向的，主波瓣從螺旋線 平面指向兩邊。場方向圖近似于COST，z軸垂直于螺旋線平面。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)方向取決于螺旋線張開方向。例如圖3,離開紙面方向的是右旋圓極化，進入紙面的是左旋圓極化。Archimedean 螺旋天線圖4. Archimedean螺旋天線圖4給出了另一種平面螺旋天線:Archimedean螺旋天線，和許多其它類

10、型 的螺旋天線一樣，這種平 面螺旋天線容易用印刷電 路技術(shù)生產(chǎn)出來。兩個螺 旋線的方程為： r , r （ -二） Archimedea n螺旋線與極角成正比，而不是等角螺旋線的指數(shù)關(guān)系， 因此，螺旋線張開速度慢很多。用Archimedean螺旋天線的簡單幾何結(jié)構(gòu)可以解釋與頻率無關(guān)天 線的工作原理。有效區(qū)域是天線上與輻射相關(guān)的部分， 借助于有效區(qū) 域容易理解天線的輻射帶寬。從與頻率無關(guān)天線的饋電點到有效區(qū) 域，天線電流是傳輸線模式，它們產(chǎn)生的遠區(qū)輻射場互相抵消。對于 彎曲結(jié)構(gòu)，有效區(qū)域出現(xiàn)在天線上周長大約是一個波長的部位，對于直導線結(jié)構(gòu)或者邊緣，有效區(qū)域出現(xiàn)在天線尺寸大約是半波長的部 位。超出

11、有效區(qū)域，天線電流比較小，因為，大部分能量已經(jīng)在有效 區(qū)域輻射出去。一副高效天線的長度上就好像是無限延伸的。 很顯然， 隨著頻率的改變有效區(qū)域沿著天線移動。因為螺旋線的幾何結(jié)構(gòu)是光 滑的，當頻率降低，有效區(qū)域沿著螺旋線向外移動，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關(guān)的結(jié)果。現(xiàn)在進一步給出螺旋天線如何工作的物理解釋。參見圖 4. 在 F1 和F2點給兩個輻射臂饋電，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。 從饋電點到輻射臂端點的長度 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 處的圓周長約為一個波長。假設(shè)，在這個區(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)域的圓周長約為 一個波長，所以，Ai點和Ai /點、A點和A /點之間路徑的電長度約 半波長，相位差則為1800，把點、A /點的電流指向反向，貝S A點和Ai /點、A點和A /點電流指向相同?？紤]到兩個輻射臂是反 相饋電的，兩個輻射臂相鄰點，即 A點、點和A點、Ai,點變成 同相位點了。這使得天線寬邊方向的輻射加強，得到最大輻射。在小 于有效區(qū)域的部分，電長度比較小，基本保持傳輸線模式，而輻射很 弱。通常在螺旋線終端加載電阻負載，以便保持無反射行波狀態(tài)

13、?，F(xiàn)在討論螺旋天線的圓極化特性。在有效區(qū)域，螺旋線上相距四 分之一圈的兩點相位差900。例如，Ai點和Bi點，A點相位落后Bi點 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，滿足了圓極化輻射的全部條件。如圖 4所示，從紙面出來是左旋 圓極化（LHCP波，這是因為螺旋線是左旋纏繞；進入紙面則是右旋 圓極化（RHCP波?；谏鲜鲇懻摵芮宄菪炀€產(chǎn)生兩個垂直于螺旋線平面的主 波束。大多數(shù)應(yīng)用要求單方向輻射，只有一個主波束，這可以在螺旋 天線背后加一個大的地平面來實現(xiàn)。常用的結(jié)構(gòu)是在螺旋天線背后加 一個金屬腔，形成背腔阿基米德螺旋天線。固定尺寸的“背腔”將破 壞螺旋天線與

14、頻率無關(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10:1，輸入阻抗約120歐姆，接近實數(shù)。等角螺 旋天線的性能與此類似螺旋天線是一種平衡結(jié)構(gòu)，通常要與非平衡的同軸線連接，這就圖.5圓錐等角螺旋天線必須用到平衡/非平衡變換器（balun ），將在以后的章節(jié)中介紹。根 據(jù)經(jīng)驗導出的背腔阿基米德 螺旋天線的輻射方向圖為F（R 二 cos5.8（0.53巧（6）圓錐等角螺旋天線非平面型螺旋天線常用來產(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、角螺旋天線放到圓錐表面形 成圓錐等角螺旋天線。圓錐 等角螺旋線方程為=e(asE 平面等角螺旋線是補=90的特殊情況，其中h是圓錐半張角。圓錐等角螺旋天線金屬輻射臂的一個邊緣ri由式（7）給出，另一個邊緣2 =e（an，對于自補結(jié)構(gòu)二叮2。把這個輻射臂旋轉(zhuǎn)180得到另 一個輻射臂。輻射臂邊緣與圓錐母線保持夾角:-為常數(shù)，a 二 cot ：（8）圓錐等角螺旋天線有單一的主波束， 指向就是圓錐的軸線方向（從圓 錐離開錐頂?shù)姆较颍?。自補結(jié)構(gòu)可以得到最佳輻射方向圖。當h 15， :=75時，典型的輻射方向圖：最大輻射方向 v -180， HP =80。因 為天線結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)對稱的，所以，輻射方向圖也幾乎

16、是旋轉(zhuǎn)對稱的。 在所有方向上輻射場都非常接近圓極化，極化旋轉(zhuǎn)方向取決與螺旋線 的繞向。當偏離軸向時，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，即輻射臂兩個邊緣之間的夾角。對于自補結(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。片和對天線輸入阻抗沒有太大影響。設(shè)計圓錐等角螺旋天線還是比較簡單的。工作頻率的上限 fh取決 于圓錐頂點截斷處的直徑d , 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。當二h = 10 , -=73，則前后比為 15dB, AR 3dB。其它形式的螺旋天線除了上述主模式工作外，螺旋天線還可以工作在其他高階奇模式。這時有效區(qū)域的周長為波長的奇數(shù)倍。 對螺旋天線的雙臂同