天線(xiàn)與電波傳播(第二版)-課件4

4.1非頻變天線(xiàn)的基本概念4.2平面等角螺旋天線(xiàn)

4.3阿基米德螺旋天線(xiàn)4.4對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)習(xí)題四

1.角度條件

角度條件是指天線(xiàn)的幾何形狀僅僅由角度來(lái)確定，而與其它尺寸無(wú)關(guān)。

2.終端效應(yīng)弱

實(shí)際天線(xiàn)的尺寸總是有限的，與無(wú)限長(zhǎng)天線(xiàn)的區(qū)別就在于它有一個(gè)終端的限制。4.1非頻變天線(xiàn)的基本概念4.2.1平面等角螺旋天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖4-2-1為平面等角螺旋天線(xiàn)(PlanarEquiangularSpiralAntenna)示意圖，是V.H.Rumsey提出的一種角度天線(xiàn)，雙臂用金屬片制成，具有對(duì)稱(chēng)性，每一臂都有兩條邊緣線(xiàn)，均為等角螺旋線(xiàn)。等角螺旋線(xiàn)如圖4-2-2所示，其極坐標(biāo)方程為

r=r0eaφ

(4-2-1)4.2平面等角螺旋天線(xiàn)由于螺旋線(xiàn)與矢徑之間的夾角Ψ處處相等，因此這種螺旋線(xiàn)稱(chēng)為等角螺旋線(xiàn)，Ψ稱(chēng)為螺旋角，它只與螺旋率有關(guān)，即

Ψ=arctan

(4-2-2)圖4-2-1平面等角螺旋天線(xiàn)圖4-2-2等角螺旋線(xiàn)4.2.2平面等角螺旋天線(xiàn)的電性能

1.方向性

自補(bǔ)平面等角螺旋天線(xiàn)的輻射是雙向的，最大輻射方向在平面兩側(cè)的法線(xiàn)方向上。若設(shè)θ為天線(xiàn)平面的法線(xiàn)與射線(xiàn)之間的夾角，則方向圖可近似表示為cosθ，半功率波瓣寬度近似為90°。

因?yàn)槠矫娴冉锹菪炀€(xiàn)是雙向輻射的，為了得到單向輻射，可采用附加反射(或吸收)腔體，也可以做成圓錐形等角螺旋天線(xiàn)(ConicalEquiangularSpiralAntenna)，如圖4-2-3所示。圖4-2-3圓錐等角螺旋天線(xiàn)

2.阻抗特性

如前所述，當(dāng)δ＝π/2時(shí)天線(xiàn)為自補(bǔ)結(jié)構(gòu)，自補(bǔ)是互補(bǔ)的特殊情況?；パa(bǔ)天線(xiàn)類(lèi)似于攝影中的像片和底片，互補(bǔ)天線(xiàn)的一個(gè)例子是金屬帶做成的對(duì)稱(chēng)振子和無(wú)限大金屬平面上的縫隙，互補(bǔ)天線(xiàn)的阻抗具有下列性質(zhì):

Z縫隙·Z金屬=

(4-2-3)對(duì)于自補(bǔ)結(jié)構(gòu)，由上式可得

Z金屬=Z縫隙==188.5Ω

(4-2-4)

3.極化特性

一般而言，平面等角螺旋天線(xiàn)在θ≤70°錐形范圍內(nèi)接近圓極化。

在許多實(shí)用情況下，軸比小于等于2的典型值發(fā)生在全臂長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)。極化旋向與螺旋線(xiàn)繞向有關(guān)，例

如，圖4-2-1所示平面等角螺旋天線(xiàn)沿紙面對(duì)外的方向輻射右旋圓極化波，沿相反方向輻射左旋圓極化波。

4.工作帶寬

等角螺旋天線(xiàn)的工作帶寬受其幾何尺寸影響，由內(nèi)徑r0和最外緣的半徑R決定。實(shí)際的圓極化等角螺旋天線(xiàn)，外徑R≈λmax/4，內(nèi)徑r0≈(1/4～1/8)λmin。根據(jù)臂長(zhǎng)為1.5圈～3圈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)a=0.221對(duì)應(yīng)1.5圈螺旋時(shí)，其方向圖最佳。此時(shí)外半徑R=r0e0.221(3π)=8.03r0=λmax/4，在饋電點(diǎn)r=r0e0=r0=λmin/4，所以該天線(xiàn)可具有的帶寬為

(4-2-5)阿基米德螺旋天線(xiàn)(ArchimedeanSpiralAntenna)如圖4-3-1(a)所示，這種天線(xiàn)像許多螺旋天線(xiàn)一樣，采用印刷電路技術(shù)很容易制造。天線(xiàn)的兩個(gè)螺旋臂方程分別是

(4-3-1)4.3阿基米德螺旋天線(xiàn)我們可以近似地將螺旋線(xiàn)等效為雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)，根據(jù)傳輸線(xiàn)理論，兩根傳輸線(xiàn)上的電流反相，當(dāng)兩線(xiàn)之間的間距很小時(shí)，傳輸線(xiàn)不產(chǎn)生輻射。因此表面看,似乎螺旋線(xiàn)的輻射是彼此抵消的，事實(shí)并不盡然。為了明顯地將兩臂分開(kāi)，在圖4-3-1(b)中分別用虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)表示這兩個(gè)臂。圖4-3-1阿基米德螺旋天線(xiàn)4.4.1對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)

對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖4-4-1所示。它由若干個(gè)對(duì)稱(chēng)振子組成，在結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)：

4.4對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)圖4-4-1對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)

(1)所有振子尺寸以及振子之間的距離等都有確定的比例關(guān)系。若用τ來(lái)表示該比例系數(shù)并稱(chēng)為比例因子，則要求：

(4-4-1)

(4-4-2)由圖4-4-1知，相鄰振子之間的距離為dn=Rn-Rn+1，dn+1=Rn+1-Rn+2，…，其比值

(4-4-3)

即間距也是成τ的比例關(guān)系。綜合以上幾何關(guān)系可知,不論振子長(zhǎng)度、半徑還是振子之間的距離等所有幾何尺寸都按同一比例系數(shù)τ變化：

(4-4-4)實(shí)用中常常用間隔因子σ來(lái)表示相鄰振子間的距離，它被定義為相鄰兩振子間的距離dn與2倍較長(zhǎng)振子的長(zhǎng)度2Ln之比，即

(4-4-5)圖4-4-1中的α稱(chēng)為對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的頂角。它與τ及σ之間具有如下關(guān)系：

(4-4-6a)或α=2arctan

(4-4-6b)

(2)相鄰振子交叉饋電(CrossFeed)。

通常把給各振子饋電的那一段平行線(xiàn)稱(chēng)為“集合線(xiàn)”，以區(qū)別于整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)的饋線(xiàn)。在集合線(xiàn)的末端(最長(zhǎng)振子處)可以端接與它的特性阻抗相等的負(fù)載阻抗，也可以端接一段

短路支節(jié)。適當(dāng)調(diào)節(jié)短路支節(jié)的長(zhǎng)度，可以減少電磁波在集合線(xiàn)終端的反射。4.4.2對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的工作原理

對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)具有極寬的工作帶寬，達(dá)到10∶1或更寬一些。

如果設(shè)想當(dāng)工作頻率按比例τ變化時(shí)，仍然保持天線(xiàn)的電尺寸不變，則在這些頻率上天線(xiàn)就能保持相同的電特性。由于能實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)電性能不變的頻率滿(mǎn)足fn+1/fn=1/τ，對(duì)它取對(duì)數(shù)得到

(4-4-7)圖4-4-2給出τ=0.917，σ=0.169，工作頻率為200~600MHz的對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)在頻率分別為200、400、600MHz時(shí)各振子激勵(lì)電流的分布情況。該圖說(shuō)明在不同頻率時(shí)確實(shí)有相應(yīng)的部分振子得到較強(qiáng)的激勵(lì)，超過(guò)該區(qū)域以后的較長(zhǎng)振子的激勵(lì)電流很快地受到“截?cái)唷?。圖4-4-2在不同頻率下LPDA振子輸入端的電流分布通常把輻射區(qū)定義為激勵(lì)電流值等于最大激勵(lì)電流1/3的那兩個(gè)振子之間的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的振子數(shù)Na原則上由幾何參數(shù)τ和σ決定，通?？梢酝ㄟ^(guò)經(jīng)驗(yàn)公式

(4-4-8)近似確定。其中K1和K2分別為工作頻帶高端和低端的“截?cái)喑?shù)”，由下列經(jīng)驗(yàn)公式確定：

K1=1.01-0.519τ(4-4-9)

K2=7.10τ3-21.3τ2+21.98τ-7.30

+σ(21.82-66τ+62.12τ2-18.29τ3)(4-4-10)輻射區(qū)的振子數(shù)一般不少于三個(gè)。輻射區(qū)內(nèi)的振子數(shù)越多，天線(xiàn)的方向性就越強(qiáng)，增益也會(huì)越高。為了簡(jiǎn)明地分析輻射區(qū)的工作原理，我們不妨只取三個(gè)振子作為代表，如圖4-4-3所示。圖4-4-3輻射區(qū)的工作原理假定振子“b”諧振(Lb=λ/2)，則該振子輸入端的電壓Ub和電流Ib同相，如圖4-4-3(b)所示。

由于對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)上的振子幾何長(zhǎng)度及間距按比例因子τ改變，當(dāng)工作頻率改變時(shí)，諧振振子(Ln≈λ/2)的位置就可以沿著天線(xiàn)的集合線(xiàn)向前或向后移動(dòng)，同時(shí)，還能始

終保持諧振點(diǎn)到頂點(diǎn)“O”的電尺寸不變，因而天線(xiàn)的電特性可以保持基本不變。4.4.3對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的電特性

1.輸入阻抗

對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的輸入阻抗是指它在饋電點(diǎn)(集合線(xiàn)始端)所呈現(xiàn)的阻抗。

圖4-4-4給出了圖4-4-2所示的對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)在不同頻率上的方向圖，增益G和輸入阻抗Zin。圖4-4-4LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗

2.方向圖與方向系數(shù)

由前面的分析可知對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)為端射式天線(xiàn)，最大輻射方向?yàn)檠刂暇€(xiàn)從最長(zhǎng)振子指向最短振子的方向。因?yàn)楫?dāng)工作頻率變化時(shí),天線(xiàn)的輻射區(qū)可以在天線(xiàn)上前后移動(dòng)而保持相似的特性，其方向圖隨頻率的變化也是較小的，如圖4-4-4所示。除了對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)方向圖具有寬帶特性之外，它的半功率角與幾何參數(shù)τ以及σ還有一定的關(guān)系，表4-4-1和4-4-2分別給出了E面和H面半功率角與τ及σ的關(guān)系?？偟膩?lái)看，τ越大，輻射區(qū)的振子數(shù)越多，天線(xiàn)的方向性越強(qiáng)，方向圖的半功率角就越小。表4-4-1對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)E面方向圖半功率角2θ0.5E與τ、σ的關(guān)系表4-4-2對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)H面方向圖半功率角2θ0.5H與τ、σ的關(guān)系對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的方向系數(shù)也與幾何參數(shù)τ和σ有關(guān)。它們的關(guān)系示于圖4-4-5。該圖說(shuō)明對(duì)應(yīng)于某一τ值，間隔因子存在一個(gè)最佳值σopt。

對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的效率也較高，所以它的增益系數(shù)近似等于方向系數(shù)，即

G=ηAD≈D

(4-4-11)圖4-4-5方向系數(shù)D與τ和σ的關(guān)系曲線(xiàn)

3.極化

和引向天線(xiàn)相似，對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)也是線(xiàn)極化天線(xiàn)。

4.帶寬

對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的輻射區(qū)對(duì)振子長(zhǎng)度有一定要求，所以它的工作帶寬將基本上由最長(zhǎng)及最短振子尺寸限制。一般要求頻帶低端的最長(zhǎng)振子長(zhǎng)度L1滿(mǎn)足：

L1=K1λL

(4-4-12)高端的最短振子長(zhǎng)度LN滿(mǎn)足：

LN=K2λH

(4-4-13)4.4.4對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的實(shí)際結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用于超短波的對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)大都采用同軸電纜饋電。為了實(shí)現(xiàn)交叉饋電，通常由兩根等粗細(xì)的金屬管構(gòu)成集合線(xiàn)，讓同軸電纜從其中的一根穿入到饋電點(diǎn)以后，將外導(dǎo)體焊在該金屬管上，將內(nèi)導(dǎo)體引出來(lái)焊到另一根金屬管上，振子的兩臂分別交替地焊在集合線(xiàn)的兩根金屬管上，如圖4-4-6所示。圖4-4-6超短波LPDA的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖4-4-9為一種垂直振子式短波對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)(VerticalDipoleShortWaveLPD)，適用于傳播距離在1500km以遠(yuǎn)的短波天波，工作于垂直極化。振子用軟導(dǎo)線(xiàn)制成。圖4-4-7水平振子式短波對(duì)數(shù)周期天數(shù)圖4-4-8水平振子式對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的架設(shè)圖4-4-9垂直極化短波對(duì)數(shù)周期短波天線(xiàn)4.4.5其它形式的對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)

對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)是一種頻帶很寬的天線(xiàn)。除了前面講過(guò)的對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)以外，還有其它許多成功的形式。它們的基本特點(diǎn)是幾何結(jié)構(gòu)具有一定的比例，比例因子為τ。圖4-4-10～4-4-13給出了幾種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式。圖4-4-10梯形片齒結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)圖4-4-11梯形線(xiàn)齒結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)圖4-4