天線技術(shù) 課件(西電第二版)第7章

1、第 7章 寬 頻 帶 天 線 第 7 章 寬 頻 帶 天 線 7.1 寬頻帶天線的條件寬頻帶天線的條件 7.2 螺旋天線螺旋天線 7.3 對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線 7.4 寬頻帶天線的應(yīng)用寬頻帶天線的應(yīng)用 習(xí)題習(xí)題6 第 7章 寬 頻 帶 天 線 7.1 寬頻帶天線的條件寬頻帶天線的條件 1. 角度條件角度條件 滿足角度條件是指天線的形狀僅取決于角度， 而與其他尺寸無關(guān)。換句話說，當(dāng)工作頻率變化時，天線的形狀、尺寸與波長之間的相應(yīng)關(guān)系不變。圖 7-1 所示為平面等角螺旋天線的一等角螺旋線。 “等角”是指螺旋線與矢徑間的夾角處處相等。 等角螺旋線的極坐標(biāo)方程為 err0(7-1-1)式中，r0是

2、對應(yīng)于=0 時的矢徑；是決定螺旋線張開快慢的一個參量，1/稱為螺旋率。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 圖 7-1 平面等角螺旋天線r0r第 7章 寬 頻 帶 天 線 2. 終端效應(yīng)弱終端效應(yīng)弱 實際天線的尺寸總是有限的，有限尺寸的結(jié)構(gòu)不僅是角度的函數(shù)，也是長度的函數(shù)。因此，當(dāng)天線為有限長時，是否具有近似無限長時的特性，是能否構(gòu)成實際的非頻變天線的關(guān)鍵。 如果天線上的電流衰減很快，則天線輻射特性主要由載有較大電流的那部分決定，而其余部分作用較小，若將其截去，對天線的電性能影響也不大，這樣的有限長天線就具有近似無限長天線的電性能，這種現(xiàn)象就稱為終端效應(yīng)弱。 終端效應(yīng)的強弱取決于天線的結(jié)構(gòu)。 滿足上

3、述兩條件，即構(gòu)成非頻變天線。非頻變天線分成兩大類：等角螺旋天線和對數(shù)周期天線。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 7.2 螺螺 旋旋 天天 線線 7.2.1 螺旋天線的輻射特性與極化特性螺旋天線的輻射特性與極化特性 平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線 如圖 7-2 所示是按角度條件由兩個對稱金屬臂組成的平面等角螺旋天線，它可看成是一變形的傳輸線。 圖中，螺旋線與矢徑的夾角(稱為螺旋角)為一常數(shù)，它只和螺旋率有關(guān)，即tan=1/a。當(dāng)轉(zhuǎn)角從=0逆時針增大時， 不斷增大直至無窮大；當(dāng)轉(zhuǎn)角從=0順時針增大時，以指數(shù)規(guī)律減小，向原點逼近。 每個臂的邊緣線都滿足式(7-1-1)的曲線方程且具有相同的， 只要將

4、臂的一個邊緣線旋轉(zhuǎn)角就會與該臂的另一個邊緣線重合。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 圖圖 7-2 平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線第 7章 寬 頻 帶 天 線 若令天線的一個金屬臂的兩個邊緣為 r1=r0e, r2=r0e(-) 則天線的另一個臂具有對稱結(jié)構(gòu)形式，即r3=r0e(-), r4=r0e(-)。 取/2，這時天線的金屬臂與兩臂之間的縫隙的形狀相同，即兩者互相補償，稱為自補結(jié)構(gòu)。 已知自補天線的阻抗具有下述性質(zhì)： z縫隙z金屬=(60)2 (7-2-1)對于自補結(jié)構(gòu)，由上式得 z縫隙=z金屬=60188.5 (7-2-2)第 7章 寬 頻 帶 天 線 可以將天線兩臂看成是一對變形的傳輸

5、線，在螺旋天線的始端由電壓激勵激起電流并沿兩臂邊傳輸、邊輻射、邊衰減， 臂上每一小段均可看成一個基本輻射元，總輻射場就是這些基本元輻射場的疊加。實驗證明，臂上電流在流過一個波長的臂長后， 電流迅速衰減到-20 dB以下。因此其有效輻射區(qū)就是周長約為一個波長以內(nèi)的部分。這種性質(zhì)符合終端效應(yīng)弱的條件。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 自補等角螺旋天線的最大輻射方向垂直于天線平面，且為雙向輻射, 即在天線平面的兩側(cè)各有一個主波束。設(shè)天線平面的法線與幅射線之間的夾角為，其方向圖可以近似表示為cos。 在的錐角范圍內(nèi)，場的極化接近于圓極化，極化方向由螺旋線張開的方向決定。天線的工作頻帶由截止半徑r0和天線

6、最外緣的半徑R0決定。通常取一圈半螺旋來設(shè)計這一天線， 即外徑R003。若以=0.221代入，可得R08.03r0，則工作波長的上下限為min(48) r0，max4R0, 帶寬在8倍頻程以上。 幾何參量和對天線性能也有影響：愈小，螺旋線的曲率愈小，電流沿臂衰減愈快， 波段性能愈好；則與天線的輸入阻抗有關(guān)。但和對天線方向圖的影響均不大。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 也可將平面的雙臂等角螺旋天線繞制在一個旋轉(zhuǎn)的圓錐面上，這就構(gòu)成了圓錐形等角螺旋天線。這一天線在沿錐尖方向具有最強的輻射，可以實現(xiàn)錐尖方向的單向輻射，它的其他性質(zhì)與平面等角螺旋天線類似， 且方向圖仍然保持寬頻帶和圓極化特性。平面和圓

7、錐等角螺旋天線的頻率范圍可以達到20倍頻程或者更大。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 式（7-1-1）又可寫為如下形式： 0ln1rra因此， 等角螺旋天線又稱為對數(shù)螺旋天線。 （7-2-3） 第 7章 寬 頻 帶 天 線 阿基米德螺旋天線阿基米德螺旋天線 另一種常用的平面螺旋天線是阿基米德螺旋天線，如圖7-3（）所示。該天線臂曲線的極坐標(biāo)方程（可參照圖7-1）為 0rr （7-2-4） 式中，r0是對應(yīng)于=0的矢徑。天線的兩個螺旋臂分別是r1 r0 和r2 r0(-)。為了明顯地將兩臂分開，在圖7-3（）中分別用虛線和實線表示這兩個臂。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 由圖可知，由于兩臂交錯盤旋

8、，且兩臂上的電流是反相的，表面看似乎其輻射是彼此相消的，但事實并非如此。研究圖中和點處的兩線段，設(shè)OP和OQ相等，即P和Q為兩臂上的對應(yīng)點，對應(yīng)線段上電流的相位差為，由Q點沿螺旋臂到點的弧長近似等于r，這里為OQ的長度。故P點和點電流的相位差為+r=+2/r, 若設(shè)r=/2,則P點和點的電流相位差為2。因此，若滿足上述條件，則兩線段的輻射是同相疊加而非相消的。也就是說, 這一天線的主要輻射集中在r=/2的螺旋線上，這稱為有效輻射帶。隨著頻率的變化，有效輻射帶也隨之而變，但由此產(chǎn)生的方向圖的變化卻不大，故阿基米德螺旋天線也具有寬頻帶特性。如果在這一天線面的一側(cè)加一圓柱形反射腔，就構(gòu)成了背腔式阿基

9、米德螺旋天線，它可以嵌裝在運載體的表面下。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 圖 7-3 阿基米德螺旋天線(a) 天線的兩個螺旋臂； (b) 分別用虛線和實線表示兩個臂 rOQPP(a)(b)第 7章 寬 頻 帶 天 線 7.2.2 螺旋天線的饋電方法螺旋天線的饋電方法 平面螺旋天線可以用一對平衡線沿軸向向天線的始端饋電。 由于在工作區(qū)以后電流衰減很快，因此利用終端效應(yīng)弱的特性可以制成一個巴倫。巴倫可以避免在與輸入端相連的同軸線外導(dǎo)體上激勵起電流。將同軸饋電裝置沿螺旋的一個臂焊起來。 這個螺旋在工作區(qū)以后的結(jié)構(gòu)上將不激勵起電流，此時同軸線外屏蔽導(dǎo)體成為天線的一部分。為保持對稱，在另一臂上也焊上一根

10、假同軸線。這種裝置被稱為無限巴倫（infinite balun）。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 7.3 對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線 7. 對數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)特點與工作原理對數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)特點與工作原理 齒狀對數(shù)周期天線齒狀對數(shù)周期天線 1） 結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 齒狀對數(shù)周期天線的基本結(jié)構(gòu)是將金屬板刻成齒狀，如圖7-4所示，齒的分布是按等角螺旋線設(shè)計的，齒是不連續(xù)的，其長度是由從原點發(fā)出的兩根直線之間的夾角決定的。若從螺旋線中心沿著矢徑方向看去， 同一臂上第個齒內(nèi)緣的矢徑為 )2(0nnerr（7-3-1） 第 7章 寬 頻 帶 天 線 則第個齒內(nèi)緣的矢徑為 2)1(01nnerr第n+1 個齒

11、和第n個齒內(nèi)緣的矢徑之比為 2)2(02)1(01eererrrnnnn(為小于的常數(shù)） 同理，同一臂相鄰齒外緣的比值也是一個常數(shù)，即 11nnRR稱為周期率，它給出了天線結(jié)構(gòu)的周期。 （7-3-3） （7-3-2） 第 7章 寬 頻 帶 天 線 圖7-4 平面對數(shù)周期天線rn1rn第 7章 寬 頻 帶 天 線 圖 7-5 梯齒形對數(shù)周期天線（） 齒片結(jié)構(gòu); （） 導(dǎo)線結(jié)構(gòu) (a)(b)lnln1rnrn1rn2Rn2Rn1RnWn2Wn1Wn第 7章 寬 頻 帶 天 線 ） 工作原理 對于無限長的結(jié)構(gòu)，當(dāng)天線的工作頻率變化倍，即頻率從f變到f，2f，3f,時，天線的電結(jié)構(gòu)完全相同，因此在這些

12、離散的頻率點f，f，2f,上具有相同的電特性。但在ff, f2f,頻率間隔內(nèi)，天線的電性能有些變化，只要這種變化不超過一定的指標(biāo)，就可認為天線基本上具有非頻變特性。由于天線的這一性能可以在很寬的頻率范圍中以ln(1/)為周期作重復(fù)性變化，故命名為對數(shù)周期天線。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 實際上，天線不可能無限長，而齒的主要作用是阻礙徑向電流。實驗證明: 齒片上的橫向電流遠大于徑向電流，如果齒長恰好等于諧振長度(即齒的一臂約等于4)，則該齒具有最大的橫向電流，且附近的幾個齒上也具有一定幅度的橫向電流。而那些齒長遠大于諧振長度的各齒，其電流會迅速衰減到諧振長度上電流最大值的30dB以下，這說明

13、天線的終端效應(yīng)很弱， 因此有限長天線近似具有無限長天線的特性。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 對數(shù)周期偶極子天線（簡稱）對數(shù)周期偶極子天線（簡稱） 1） 結(jié)構(gòu)特點 對數(shù)周期偶極子天線是由N個長度不同的對稱振子，按一定間距排列在同一平面內(nèi)構(gòu)成的。各振子末端的連線交于一點， 稱做頂點。該天線的結(jié)構(gòu)依據(jù)下列關(guān)系設(shè)計： 1111nnnnnnddrrll（7-3-4） 其中: n為振子序號，最長振子的序號為；l表示振子的長度; 表示相鄰振子的間距; 表示由頂點到振子的垂直距離;稱作周期率。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 對數(shù)周期偶極子天線的結(jié)構(gòu)如圖7-6所示，天線的幾何結(jié)構(gòu)主要取決于參數(shù)、和， 它們之間

14、滿足下列關(guān)系： tan414tannnnnldrl（7-3-5） （7-3-6） 其中，為各振子臂末端連線的夾角。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 圖 7-6 對數(shù)周期偶極子天線陣 Nn212l1R1ddndn1rn1rn(a)(b)2第 7章 寬 頻 帶 天 線 LPDA的結(jié)構(gòu)特點表明，當(dāng)序號為n的振子的長度與位置確定后，就可按式(7-3-4)求出向頂點或其反向延伸的無限多個振子的長度和位置。換句話說，按比例系數(shù)變換天線結(jié)構(gòu)后仍等于原來結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)尺寸的對數(shù)以ln為周期。由于天線的性能取決于天線結(jié)構(gòu)的電尺寸，那么天線呈現(xiàn)相同性能時的頻率也有同樣的對數(shù)周期。若隨著振子序號的增加，振子的長度和距頂

15、點的距離依次減小倍， 即 lnlnlnlnln11nnnnlrll（7-3-7） 相應(yīng)地則有： 1lnlnln,11nnnnffff第 7章 寬 頻 帶 天 線 上式表明，LPDA的天線結(jié)構(gòu)和性能均以ln為周期重復(fù)變化，這就是對數(shù)周期天線名稱的由來。 當(dāng)然，當(dāng)頻率從fn 變到fn+1時，天線性能會隨之變化。當(dāng)比例系數(shù)較大(接近1)時，天線參數(shù)在一個周期內(nèi)的變化不大。 這樣一來，可在極寬的頻率范圍(10多倍頻程)內(nèi)使天線參數(shù)變化不大，從而實現(xiàn)非頻變特性，即寬頻帶特性。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 2） 工作原理 從饋電點對天線進行饋電后，電磁能量將沿集合線傳輸， 依次對各振子激勵。天線上那些長

16、度為半波長左右的振子就發(fā)生諧振，諧振振子的阻抗主要主要取決于阻抗的實部, 并在2l=/2的半波長振子上產(chǎn)生最大電流。天線的輻射場主要由這些半波長左右的振子決定。由半波振子到天線末端(最長振子方向)，振子上的電流迅速減小，一般經(jīng)過兩三個振子就接近于零值，這種現(xiàn)象稱作“截除效應(yīng)”。正因為有這種效應(yīng)，才允許天線結(jié)構(gòu)上的突然截斷，才有可能使有限的天線結(jié)構(gòu)具有理想的無限長天線結(jié)構(gòu)同樣的電特性。天線末端那些電流為零值的長振子組成了“未激勵區(qū)”，它們沒有被集合線上的電流激勵， 也不輻射能量， 就好像不存在一樣。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 7.3.2 對數(shù)偶極子天線的阻抗特性和方向特性對數(shù)偶極子天線的阻抗

17、特性和方向特性通常可將LPDA分為三個區(qū)域： (1) 饋電點附近的短振子區(qū)為傳輸區(qū)； (2) 振子臂長接近諧振長度(/2)時的區(qū)域為輻射區(qū)； (3) 振子臂更長的未激勵區(qū)。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 傳輸區(qū)中對稱振子的臂長遠小于波長， 呈現(xiàn)很大容抗。由于振子的輸入阻抗很高，電流很小，輻射作用微弱，因此該區(qū)中的諸振子可看成是對集合線加載的并聯(lián)電容。這個區(qū)域的作用是傳輸高頻電磁能量, 所以稱為傳輸區(qū)。當(dāng)天線饋電后，能量沿雙絞線傳輸。當(dāng)能量行至長度接近諧振長度的振子，或者說振子的長度接近于半波長時，發(fā)生諧振，振子上的輸入阻抗呈現(xiàn)純電阻，電流較大， 向空間產(chǎn)生有效的輻射。整個天線的輻射主要由這部分

18、振子產(chǎn)生，因此將它稱為輻射區(qū)。由于大部分能量已被輻射區(qū)輻射出去，使集合線傳至未激勵區(qū)的能量很弱， 此區(qū)域的振子呈現(xiàn)高感抗，因此，振子上的電流很小， 其輻射微不足道，對輻射幾乎沒有貢獻。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 大量實驗證明，輻射區(qū)包含諧振振子、略小于諧振長度的23個振子和略長于諧振長度的12個振子，這些振子有效地吸收從集合線傳來的能量并向空間輻射。對數(shù)周期天線的最大輻射方向是沿連接各振子中心的軸線指向短振子方向的， 是端射型的。 工程上采用下述近似方法計算天線的輸入阻抗： (1) 假定輻射區(qū)是傳輸區(qū)的等效負載，兩者匹配良好，傳輸區(qū)近似處于行波狀態(tài)。 (2) 計算集合線的特性阻抗時， 應(yīng)考

19、慮短振子的加載影響。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 由以上假定可知，天線的輸入電阻Rin近似等于容性加載傳輸線的特性阻抗Z0c。由于電容加載的作用，Z0cZ0，Z0為不加載時傳輸線的特性阻抗。當(dāng)增加或減小時，短振子的加載作用增大，Z0c比Z0低得更多; 反之，則Z0c接近Z0 。當(dāng)l/(2)增大時，等效電容減小，加載影響變?nèi)酰琙0c趨近Z0值。一般來說，在短波波段，主饋線為雙線傳輸線時，可取Z0c250450；在超短波波段，為了配合同軸電纜饋電，可取Z0c =100200。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 作為一個例子，圖7-7示出了一個18元LPDA在三種頻率下振子輸入端的電流分布。該例是設(shè)計

20、一副200600MHz LPDA， 要求D9dB。選該天線尺寸為：=0.917，2=2 arctan(ln/Rn)=14, =0.169。由所給頻段可知，當(dāng)f=fmin=200MHz時， 取最長振子l1=(1/2)max=0.75 m，當(dāng)f=fmax=600 MHz時，取最短諧振振子的長度lN=(1/2)min=0.25 m。為保證高頻端的電特性， 應(yīng)在諧振振子前增加單元數(shù)， 例如取lN (3/8)min=0.187 m。 由結(jié)構(gòu)帶寬Bs=l1/lN可算出N=17。為保證頻段兩端均滿足要求， 選取N=18，則lN=0.172m。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 圖 7-7 18元LPDA在三種頻

21、率下振子輸入端的電流分布 123456789101214161800.20.40.60.81.0各振子輸入端電流(相對值)振子序號600 MHz300 MHz200 MHz(a)0.75 m0.172 m(b)第 7章 寬 頻 帶 天 線 當(dāng)集合線平均特性阻抗Z0=83時，由圖7-7中電流分布曲線可見，頻率增高時，輻射區(qū)向短振子方向移動。f=200 MHz時， n=3的振子接近諧振，電流最大；f=300 MHz時， n=8的振子諧振；f=600MHz時，n=15的振子諧振。從電流分布曲線可看出傳輸區(qū)、輻射區(qū)與未激勵區(qū)的電流分布情況。 圖 7-8給出該LPDA在頻率分別為200 MHz、300

22、MHz、450 MHz、600 MHz時的方向圖。從圖中可見，方向圖形狀基本不變。方向性系數(shù)與阻抗如表7-1所示。 第 7章 寬 頻 帶 天 線 圖 7-8 LPDA的方向圖(a) f=200 MHz; (b) f=300MHz; (c) f=450 MHz; (d) f=600 MHz 0901800.250.5 0.751.0E面H面E面H面0900.250.50.751.0180(a)(b)9000.250.5 0.751.01800180900.250.5 0.751.0(c)(d)E面H面E面H面第 7章 寬 頻 帶 天 線 表表7-1 圖圖7-8 所示的所示的LPDA的方向性系數(shù)與輸入阻抗的方向性系數(shù)與輸入阻抗 第 7章 寬 頻 帶 天 線 7.3.3 對數(shù)周期天線的極化特性與寬頻帶特性對數(shù)周期天線的極化特性與寬頻帶特性 對數(shù)周期天線電場的極化方向平行于振子方向，為線極化天線。當(dāng)天線工作頻率變化時，不同頻率的高頻電磁能量是由天線的不同部分輻射的。 頻率高的由短振子輻射；頻率低的由長振子輻射。當(dāng)頻率