天線原理與設(shè)計(jì)5課件

1、天線原理與設(shè)計(jì)阮成禮電子科技大學(xué)10/6/20221UESTC天線原理與設(shè)計(jì)阮成禮10/2/20221UESTC主要內(nèi)容習(xí)題講解橢圓V-錐天線10/6/20222UESTC主要內(nèi)容習(xí)題講解10/2/20222UESTC習(xí) 題-Hertz偶極子與Hertz偶極子比較，討論對(duì)稱振子的方向圖與Hertz偶極子方向圖有何不同？重點(diǎn)理解：電流分布不同將形成不同的方向圖。10/6/20223UESTC習(xí) 題-Hertz偶極子與Hertz偶極子比較，討論對(duì)稱振Hertz偶極子Hertz偶極子：理想化電流元長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)直徑趨近于零，電流絲均勻電流分布從中心饋電IxyzpRr10/6/20224UESTCH

2、ertz偶極子Hertz偶極子：理想化電流元IxyzpRrHertz偶極子標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式10/6/20225UESTCHertz偶極子標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式10/2/20225UESTCHertz偶極子yxzsin90(c)H-面方向圖E-面方向圖E-面方向圖和H-面方向圖是主平面方向圖。Hertz電偶極子的E-面方向圖是一個(gè)雙圓環(huán)，H-面方向圖是一個(gè)圓，稱H-面方向圖是全向的。10/6/20226UESTCHertz偶極子yxzsin90(c)H-面方向圖E對(duì)稱振子比較Hertz偶極子10/6/20227UESTC對(duì)稱振子比較Hertz偶極子10/2/20227UESTC對(duì)稱振子與Hertz偶極子比較相同：

3、直徑趨近于零，電流絲從中心饋電不同：長(zhǎng)度與波長(zhǎng)可比電流非均勻分布2l10/6/20228UESTC對(duì)稱振子與Hertz偶極子比較2l10/2/20228UES對(duì)稱振子E-面方向圖10/6/20229UESTC對(duì)稱振子E-面方向圖10/2/20229UESTC習(xí)題-電小天線的寬帶技術(shù)無(wú)論是電小偶極子天線還是電小環(huán)天線其帶寬都是非常窄的。要增加電小天線的帶寬，可以從以下幾方面考慮新原理天線；采用參差調(diào)諧的概念來(lái)展寬頻帶；采用電振子和磁振子互補(bǔ)的概念來(lái)擴(kuò)展頻帶；加大阻尼，用犧牲效率的辦法來(lái)?yè)Q取一定頻帶的工作帶寬。10/6/202210UESTC習(xí)題-電小天線的寬帶技術(shù)無(wú)論是電小偶極子天線還是電小環(huán)天

4、線其電小天線的寬帶技術(shù)新原理天線：創(chuàng)新是擴(kuò)展天線帶寬的最重要、最有用的技術(shù)手段；天線是從傳輸線演變而來(lái)，帶有傳輸線的固有特性；V-錐天線等新型天線是最好的電小天線。10/6/202211UESTC電小天線的寬帶技術(shù)新原理天線：10/2/202211UEST電小天線的寬帶技術(shù)采用參差調(diào)諧的概念來(lái)展寬頻帶：利用電路原理擴(kuò)展天線頻帶寬度；諧振回路數(shù)有限（35個(gè)）；在微帶天線上有很好的應(yīng)用成果。10/6/202212UESTC電小天線的寬帶技術(shù)采用參差調(diào)諧的概念來(lái)展寬頻帶：10/2/2電小天線的寬帶技術(shù)采用電振子和磁振子互補(bǔ)的概念來(lái)擴(kuò)展頻帶：電小天線有電容性和電感性兩類，天然具有互補(bǔ)特性；幾何結(jié)構(gòu)上互

5、補(bǔ)的天線，電特性上也有互補(bǔ)特性；電小天線的輸入電抗變化陡峭，互補(bǔ)作用有限。10/6/202213UESTC電小天線的寬帶技術(shù)采用電振子和磁振子互補(bǔ)的概念來(lái)擴(kuò)展頻帶：1電小天線的寬帶技術(shù)加大阻尼，用犧牲效率的辦法來(lái)?yè)Q取一定頻帶的工作帶寬：這是最后的辦法，一般不推薦電阻加載；對(duì)各種天線都有效；加載電阻匹配改善，效率降低。10/6/202214UESTC電小天線的寬帶技術(shù)加大阻尼，用犧牲效率的辦法來(lái)?yè)Q取一定頻帶的習(xí)題-V-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機(jī)載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的理論模型。平面結(jié)構(gòu)，是扇形的一部分10/6/202215UESTC習(xí)題-V-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機(jī)載電子系統(tǒng)常用天線，試

6、給V-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機(jī)載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的理論模型。扇形的兩邊各削去了一部分，當(dāng)然，有損于天線性能。10/6/202216UESTCV-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機(jī)載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的V-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機(jī)載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的理論模型。當(dāng) 時(shí)，變?yōu)槠矫娼Y(jié)構(gòu)；“無(wú)限長(zhǎng)”變?yōu)椤坝邢揲L(zhǎng)”10/6/202217UESTCV-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機(jī)載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的V-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機(jī)載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的理論模型。圓V-錐天線的輸入阻抗與圓錐角 無(wú)關(guān)。非對(duì)稱圓V-錐天線的輸入阻抗與圓錐角 有關(guān)。10/6/202218UES

7、TCV-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機(jī)載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的V-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機(jī)載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的理論模型。設(shè)則圓V-錐天線的輸入阻抗為機(jī)載馬刀式天線是單極子天線，其輸入阻抗是偶極子天線的一半，即50歐姆，這僅僅是其理論值。與扇形單極子天線相比，兩邊分別被削去了一部分，天線的長(zhǎng)度也不是無(wú)限長(zhǎng)，從而產(chǎn)生反射，輸入阻抗將不是純電阻，反射引入了輸入電抗?？梢酝ㄟ^(guò)加載方式改善其輸入阻抗特性。10/6/202219UESTCV-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機(jī)載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的V-錐天線的應(yīng)用通過(guò)加載方式改善其輸入阻抗特性。10/6/202220UESTCV-錐天線的應(yīng)用

8、通過(guò)加載方式改善其輸入阻抗特性。10/2/2電容耦合雙折合Bowtie天線 10/6/202221UESTC電容耦合雙折合Bowtie天線 10/2/202221UESV-錐天線的應(yīng)用有圓V-錐天線， 試求解其輸入阻抗？當(dāng) 角改變時(shí)對(duì)輸入阻抗的影響如何？10/6/202222UESTCV-錐天線的應(yīng)用有圓V-錐天線， 試求解V-錐天線的應(yīng)用對(duì)稱圓V-錐天線輸入阻抗與圓錐角無(wú)關(guān)；輻射面的張角 時(shí)，由公式實(shí)際上 天線是自補(bǔ)結(jié)構(gòu)天線，上面的結(jié)果也說(shuō)明了這一點(diǎn)。10/6/202223UESTCV-錐天線的應(yīng)用對(duì)稱圓V-錐天線輸入阻抗與圓錐角無(wú)關(guān)；實(shí)際上非對(duì)稱圓V-錐天線 10/6/202224UEST

9、C非對(duì)稱圓V-錐天線 10/2/202224UESTC非對(duì)稱圓V-錐天線 增大，天線輻射片之間的距離增加 ，天線輸入阻抗增大。與頻率無(wú)關(guān)僅僅與角坐標(biāo) 有關(guān)10/6/202225UESTC非對(duì)稱圓V-錐天線 增大，天線輻射片之間的橢圓V-錐天線 對(duì)稱結(jié)構(gòu)橢圓V-錐天線，其輻射臂位于橢圓任意對(duì)稱位置。金屬輻射臂僅僅是角坐標(biāo)(,) 的函數(shù)，而與徑向坐標(biāo)r 無(wú)關(guān)。兩金屬輻射臂分別位于 (a) 方位 和(- )處，兩金屬輻射臂以yz坐標(biāo)面為對(duì)稱； (b) 方位 和 處, 以xz坐標(biāo)面為對(duì)稱； (c) 方位 和(+ )處, 以 z軸為對(duì)稱。 10/6/202226UESTC橢圓V-錐天線 對(duì)稱結(jié)構(gòu)橢圓V-

10、錐天線，其輻射臂位于橢圓任意橢圓V-錐天線 YZ橢圓V-錐天線：是圓V-錐天線加工誤差的結(jié)果 ；是圓V-錐天線受外力作用的結(jié)果 ；是更普遍模型。10/6/202227UESTC橢圓V-錐天線 YZ橢圓V-錐天線：10/2/202227U普遍模型角形結(jié)構(gòu)天線，只有TEM波存在，則用共形變換方法可以得到橢圓V-錐天線的嚴(yán)格解。這三種橢圓V-錐天線是普遍模型：當(dāng)模數(shù)k0時(shí), 橢圓V-錐天線變?yōu)閂-形三角板天線，也稱為Bowtie天線；當(dāng)模數(shù)k1時(shí), 橢圓V-錐天線變?yōu)閳A截面V-錐天線。10/6/202228UESTC普遍模型角形結(jié)構(gòu)天線，只有TEM波存在，則用共形變換方法可以球錐坐標(biāo)系 10/6/2

11、02229UESTC球錐坐標(biāo)系 10/2/202229UESTC球錐坐標(biāo)系橢圓錐面，它和天線的輻射面重合。球錐坐標(biāo)系的坐標(biāo)面是所表示的一組以z軸為對(duì)稱的xyz10/6/202230UESTC球錐坐標(biāo)系橢圓錐面，它和天線的輻射面重合。球錐坐標(biāo)系的坐標(biāo)面球錐坐標(biāo)系為對(duì)稱的橢圓錐面。球錐坐標(biāo)系的另一個(gè)坐標(biāo)面是所表示的一組以y軸10/6/202231UESTC球錐坐標(biāo)系為對(duì)稱的橢圓錐面。球錐坐標(biāo)系的另一個(gè)坐標(biāo)面是所表示球錐坐標(biāo)系是徑向坐標(biāo)，表示一組球面。10/6/202232UESTC球錐坐標(biāo)系是徑向坐標(biāo)，表示一組球面。10/2/202232U橢圓V-錐天線橢圓V-錐天線有兩個(gè)表示天線結(jié)構(gòu)的極角平面結(jié)

12、構(gòu)變?yōu)閳AV-錐天線10/6/202233UESTC橢圓V-錐天線橢圓V-錐天線有兩個(gè)表示天線結(jié)構(gòu)的極角平面結(jié)構(gòu)Helmholtz方程在球錐坐標(biāo)系中Helmholtz方程的形式為10/6/202234UESTCHelmholtz方程在球錐坐標(biāo)系中Helmholtz方程的二維波方程輻射電磁場(chǎng)都是球面波形式 做坐標(biāo)變換（積分變換）方程簡(jiǎn)化為10/6/202235UESTC二維波方程輻射電磁場(chǎng)都是球面波形式 做坐標(biāo)變換（積分變換）方映射這是一個(gè) 平面上的Laplace 方程。k 是模數(shù)。經(jīng)過(guò)式(3.83)的變換之后，式(3.82)變?yōu)?其中是Jacobi 橢圓函數(shù)，是完全橢圓積分，10/6/20223

13、6UESTC映射這是一個(gè) 平面上的Laplace 方程映射的圓錐面映射為一組平面，即平面上的一組的直線。 當(dāng) ，有10/6/202237UESTC映射的圓錐面映射為一組平面，即平面上的一組的直線。 當(dāng) 第一類橢圓V-錐天線以yz坐標(biāo)面為對(duì)稱的橢圓V-錐天線(EVA1)及其坐標(biāo)變換 10/6/202238UESTC第一類橢圓V-錐天線以yz坐標(biāo)面為對(duì)稱的橢圓V-錐天線(EVEVA1映射描述以yz坐標(biāo)面為對(duì)稱的橢圓V-錐天線(EVA1)：輻射臂位于 和 處，yz坐標(biāo)面是零電位面，根據(jù)對(duì)稱性可以僅取 的半?yún)^(qū)域來(lái)研究。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后 的區(qū)域映射為 和 之間的條帶形區(qū)域。金屬輻射振子映射為垂直于 軸的金

14、屬帶。金屬帶的邊緣坐標(biāo)分別是 和 。10/6/202239UESTCEVA1映射描述以yz坐標(biāo)面為對(duì)稱的橢圓V-錐天線(EVA1正弦變換10/6/202240UESTC正弦變換10/2/202240UESTC正弦變換把z1平面上左半條帶區(qū)域映射為z2平面的上半平面，使z1平面上的A、B、C、D、E和F都映射到z2平面的實(shí)軸上相應(yīng)的A、B、C、D、E和F 。 這是非對(duì)稱共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。10/6/202241UESTC正弦變換把z1平面上左半條帶區(qū)域映射為z2平面的上半平面，使共面波導(dǎo)縫寬a、b和中心導(dǎo)體帶寬d分別為是第一類Legendre完全橢圓積分。 10/6/202242UESTC共面波導(dǎo)縫寬

15、a、b和中心導(dǎo)體帶寬d分別為是第一類Legend分式線性變換把平面上非對(duì)稱共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)映射為平面上對(duì)稱共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 是常數(shù)。10/6/202243UESTC分式線性變換把平面上非對(duì)稱共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)映射為平面上對(duì)稱共面波許瓦茨變換共面波導(dǎo)變?yōu)槠叫邪鍌鬏斁€，沒(méi)有邊緣效應(yīng)。10/6/202244UESTC許瓦茨變換共面波導(dǎo)變?yōu)槠叫邪鍌鬏斁€，沒(méi)有邊緣效應(yīng)。10/2/平行板傳輸線單位長(zhǎng)度電容平行板傳輸線單位長(zhǎng)度電容C根據(jù)克林公式10/6/202245UESTC平行板傳輸線單位長(zhǎng)度電容平行板傳輸線單位長(zhǎng)度電容C根據(jù)克林公EVA1的輸入阻抗橢圓V-錐天線(EVA1)的輸入阻抗為與頻率無(wú)關(guān)的純電阻性參數(shù)，與輻

16、射臂位置輻射臂半張角有關(guān)；而與橢圓參數(shù)的關(guān)系是由模數(shù)體現(xiàn)出來(lái)。10/6/202246UESTCEVA1的輸入阻抗橢圓V-錐天線(EVA1)的輸入阻抗為與頻比較第一步 第二步第三步第四步10/6/202247UESTC比較第一步 10/2/202247UESTC第二類橢圓V-錐天線以xz坐標(biāo)面為對(duì)稱的橢圓V-錐天線(EVA2)及其坐標(biāo)變換jF-jF+10/6/202248UESTC第二類橢圓V-錐天線以xz坐標(biāo)面為對(duì)稱的橢圓V-錐天線(EVEVA2映射描述以xz坐標(biāo)面為對(duì)稱的橢圓V-錐天線(EVA2)：輻射臂位于 和 處，xz坐標(biāo)面是零電位面，根據(jù)對(duì)稱性可以僅取 的半?yún)^(qū)域來(lái)研究。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后

17、的區(qū)域映射為 和 之間的條帶形區(qū)域。金屬輻射振子映射為垂直于 軸的金屬帶。金屬帶的邊緣坐標(biāo)分別是 和 。10/6/202249UESTCEVA2映射描述以xz坐標(biāo)面為對(duì)稱的橢圓V-錐天線(EVA2簡(jiǎn)化分析可以做簡(jiǎn)單的坐標(biāo)平移，然后利用EVA1的結(jié)果求得橢圓V-錐天線(EVA2)的輸入阻抗。詳細(xì)的變換如圖3.27所示。從圖3.27a到圖3.27b是把 條帶區(qū)域向下移動(dòng) 的距離，變?yōu)?條帶區(qū)域。從圖3.27b到圖3.27c是用正弦變換式(3.85)得到的，相應(yīng)的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縫寬a、b和中心導(dǎo)體帶寬d分別為10/6/202250UESTC簡(jiǎn)化分析可以做簡(jiǎn)單的坐標(biāo)平移，然后利用EVA1的結(jié)果求得橢圓

18、第三類橢圓V-錐天線jF-jF+以z軸為對(duì)稱的橢圓V-錐天線(EVA3)及其坐標(biāo)變換 10/6/202251UESTC第三類橢圓V-錐天線jF-jF+以z軸為對(duì)稱的橢圓V-錐天線橢圓V-錐天線EVA3以z軸為對(duì)稱 ,條帶形區(qū)域的寬度,2K 向下移動(dòng)距離,以及A 和B共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縫寬a、b和中心導(dǎo)體帶寬d，得到橢圓V-錐天線(EVA3)的輸入阻抗。 10/6/202252UESTC橢圓V-錐天線EVA3以z軸為對(duì)稱 ,10/2/202252三類橢圓V-錐天線10/6/202253UESTC三類橢圓V-錐天線10/2/202253UESTC三角板天線的物理模型 橢圓V-錐天線（EVA）是一種具有

19、普遍性的物理模型。當(dāng)橢圓錐的模數(shù)時(shí)，橢圓V-錐天線退化為圓V-錐天線；當(dāng)橢圓錐的模數(shù)時(shí)，橢圓V-錐天線退化為三角板天線（TVA）。所以可以用橢圓V-錐天線k值趨于零時(shí)的輸入阻抗值來(lái)逼近三角板天線的輸入阻抗。10/6/202254UESTC三角板天線的物理模型 橢圓V-錐天線（EVA）是一種具有普遍橢圓V-錐天線退化為三角板天線10/6/202255UESTC橢圓V-錐天線退化為三角板天線10/2/202255UESTEVA1退化為TVA110/6/202256UESTCEVA1退化為TVA110/2/202256UESTCEVA2退化為TVA210/6/202257UESTCEVA2退化為TV

20、A210/2/202257UESTCEVA3退化為TVA310/6/202258UESTCEVA3退化為TVA310/2/202258UESTC新結(jié)構(gòu)天線當(dāng)橢圓錐的模數(shù)趨于0時(shí)，每一種形式的橢圓V-錐天線 (圖3.31a)退化為一種相應(yīng)形式的三角板天線(圖3.31b)。 TVA1天線的一個(gè)輻射臂在第一掛限，另一個(gè)輻射臂在第二掛限（EVA1和TVA1），TEM喇叭天線； TVA2天線的一個(gè)輻射臂在第一掛限，另一個(gè)輻射臂在第四卦限（EVA2和TVA2），槽天線；TVA3天線的一個(gè)輻射臂在第一掛限，另一個(gè)輻射臂在第三掛限（EVA3和TVA3），一種上下輻射臂錯(cuò)開的TEM喇叭天線。10/6/20225

21、9UESTC新結(jié)構(gòu)天線當(dāng)橢圓錐的模數(shù)趨于0時(shí)，每一種形式的橢圓V-錐天線橢圓V錐天線EVA1橢圓V錐天線EVA1輸入阻抗隨的變化 10/6/202260UESTC橢圓V錐天線EVA1橢圓V錐天線EVA1輸入阻抗隨的變化 1三角板天線計(jì)算結(jié)果三角板天線輸入阻抗隨張角的變化10/6/202261UESTC三角板天線計(jì)算結(jié)果三角板天線輸入阻抗隨張角的變化10/2/2，橢圓V錐天線EVA1輸入阻抗隨模數(shù) 的變化。其中 ，。10/6/202262UESTC，橢圓V錐天線EVA1輸入阻抗隨模數(shù) 的變化。其中 EVA輸入阻抗隨的 變化 在附近阻抗曲線變化趨勢(shì)發(fā)生改變，當(dāng)幾條阻抗曲線粘合在一起。 10/6/202263UESTCEVA輸入阻抗隨的 變化 在附近阻抗曲線變化趨勢(shì)發(fā)