天線工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件：寬頻帶天線

寬頻帶天線4.1寬頻帶天線的概念及應(yīng)用4.2寬頻帶天線的實(shí)現(xiàn)方法4.3寬頻帶加載鞭天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理4.4套筒天線4.5印刷對(duì)振子天線4.6寬帶籠形天線設(shè)計(jì)4.7對(duì)數(shù)周期天氣4.8錐削槽天線

4.1寬頻帶天線的概念及應(yīng)用

天線的工作帶寬，簡(jiǎn)稱天線帶寬，指的是其主要電指標(biāo)如輸入阻抗、增益、主瓣寬度、極化、相位等均滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)的頻率范圍。通常情況下，天線的各項(xiàng)指標(biāo)是隨頻率變化的，因而天線帶寬決定于各項(xiàng)指標(biāo)的頻率特性。若同時(shí)對(duì)幾項(xiàng)指標(biāo)都作具體要求，則應(yīng)以其中最嚴(yán)格的要求作為確定天線帶寬的依據(jù)。天線主要電指標(biāo)均有其各自定義的帶寬，具體如下。

1.方向圖帶寬

方向圖是描述天線輻射特性的重要電參量。當(dāng)頻率偏離設(shè)計(jì)頻率(通常取工作頻帶內(nèi)的中心頻率f0

)時(shí)，有可能發(fā)生主瓣指向偏移、主瓣分裂或萎縮、副瓣電平增大、前后輻射

比下降等，當(dāng)方向圖惡化到不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，即限定了方向圖帶寬。一般來(lái)說(shuō)，高頻段方向圖易迅速惡化，它往往是限制上限工作頻率fmax

的主要因素。

2.增益帶寬

天線的增益帶寬是指增益下降到允許值的頻帶寬度。通常，定義增益下降到工作頻帶內(nèi)最大增益值的50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻帶寬度為3dB增益帶寬。若頻率降低，則天線電尺寸變小，增益帶寬有較明顯下降。因此，該項(xiàng)指標(biāo)往往限定了下限工作頻率fmin

的值。

3.阻抗帶寬

天線的阻抗帶寬一般用饋線上的電壓駐波比(VSWR)來(lái)表示。根據(jù)設(shè)計(jì)者或使用者對(duì)電指標(biāo)的要求，以駐波比低于某一規(guī)定值時(shí)的頻帶寬度為天線的阻抗帶寬。這種表示方法，既反映了天線阻抗的頻率特性，也說(shuō)明了天線與饋線的匹配效果。在天線工程中，這是一項(xiàng)實(shí)用性較強(qiáng)的電指標(biāo)。

4.極化帶寬

對(duì)于橢圓極化天線，這是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)指標(biāo)。工程上，常以最大輻射方向上或主瓣半功率波瓣寬度內(nèi)，軸比小于某一規(guī)定值來(lái)確定極化帶寬。

天線帶寬一般有兩種表示方法，一種為“相對(duì)帶寬”，一種為“倍頻帶寬”。

相對(duì)帶寬的定義為：天線的絕對(duì)帶寬Δf(Δf=fmax-fmin)與工作頻帶內(nèi)的中心頻率f0

之比，即

式中，

fmax和fmin

分別是工作頻帶的上限頻率和下限頻率。

倍頻帶寬的定義是：工作頻帶的上限頻率與下限頻率之比，即

一般情況，窄頻帶天線多使用相對(duì)帶寬表示，而寬頻帶天線通常采用倍頻帶寬表示?！罢迸c“寬”都是相對(duì)的，沒(méi)有嚴(yán)格的定義。習(xí)慣上，

fmax/fmin≥2就認(rèn)為是寬帶天線。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和寬帶無(wú)線電設(shè)備的出現(xiàn)，寬帶無(wú)線電技術(shù)也在不斷地發(fā)展。20世紀(jì)50年代以前，天線帶寬(fmax/fmin

)一般不大于2∶1。50年代在寬帶天線的發(fā)展上出現(xiàn)了一個(gè)突破，這就是由拉姆西(V.HRumsey)于1957年提出的頻率無(wú)關(guān)天線的概念。這類天線的研制成功，把天線帶寬擴(kuò)展到40∶1或更大。目前這類天線獲得了廣泛的應(yīng)用。

但是這類天線需要較大的電尺寸，或者說(shuō)需要占據(jù)一定的空間，而這一條件就使它的應(yīng)用受到了一定的限制，如使用空間有限或難于應(yīng)用于移動(dòng)中的無(wú)線電設(shè)備中等。因此積極開展對(duì)新型的特別是小型化的寬帶天線的理論與實(shí)驗(yàn)研究，仍是當(dāng)前迫切而有重要意義的工作。

為適應(yīng)現(xiàn)代軍事通信、電子對(duì)抗技術(shù)的要求，寬帶通信天線得到了重要的應(yīng)用和發(fā)展。天線的寬頻帶技術(shù)廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、定位、電子對(duì)抗以及保密通信等領(lǐng)域，長(zhǎng)期以來(lái)被作為尖端技術(shù)而保密，近年來(lái)才逐漸被應(yīng)用于民用通信等領(lǐng)域，隨即成為研究熱點(diǎn)并獲得了快速的發(fā)展。

在軍事通信系統(tǒng)中，為了保障通信的質(zhì)量和信息的保密性，軍用短波波段和超短波波段的通信電臺(tái)都廣泛地使用了跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，這就要求天線必須是非調(diào)諧的具有較寬的工

作帶寬的寬帶天線。同時(shí)，越來(lái)越多的滿足不同需要的電子設(shè)備集中在同一載體上，形成了復(fù)雜的電磁環(huán)境，而且不同天線之間由于存在較強(qiáng)的近場(chǎng)耦合而降低了各自的性能指

標(biāo)，采用寬帶天線可以減少天線的數(shù)量，降低相互間的干擾。軍用通信設(shè)備為了減小雷達(dá)散射截面，提高生存能力，要求天線小型化；另外，天線小型化在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中也是提高艦船等設(shè)備的機(jī)動(dòng)能力和快速反應(yīng)能力的必要手段。

在民用通信系統(tǒng)中，由于信道容量不斷擴(kuò)充、傳輸速率不斷提高、服務(wù)方式日漸靈活，要求天線具有寬帶化；各種便攜式電臺(tái)以及民用手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備也需要小型化的天線。

4.2寬頻帶天線的實(shí)現(xiàn)方法

目前，實(shí)現(xiàn)寬帶化的主要技術(shù)手段有以下幾個(gè)方面：(1)采用機(jī)電結(jié)合方法，精心設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)，使之適應(yīng)寬頻帶工作。例如，對(duì)伸縮式短波、超短波直立天線的天線長(zhǎng)度利用機(jī)電結(jié)合的方法進(jìn)行控制，使之在不同頻率上始終保持在串聯(lián)諧振長(zhǎng)度上，即電長(zhǎng)度保持不變，以實(shí)現(xiàn)在相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)具有良好的方向性和阻抗匹配特性。

(2)利用插入阻抗元件或網(wǎng)絡(luò)來(lái)展寬天線的工作帶寬。

將電抗組件、阻抗組件、介質(zhì)材料或有源器件，或是用無(wú)源元件組成的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，置于天線的某一部分之中，其目的或者是為了縮小天線尺寸，或者是為了提高效率，或者是有效改善天線阻抗的頻率特性以便增大帶寬，這種方式稱為天線加載。加載組件可以是有源的或是無(wú)源的，可以是分布參數(shù)組件，也可以是集總參數(shù)組件。利用加載組件的“補(bǔ)償”作用來(lái)展寬頻帶的方法已獲得了廣泛的應(yīng)用。

加載元件可以放置在天線內(nèi)部或天線的饋電端。從廣義的角度講，天線阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)也算是一種加載方式，用以補(bǔ)償(或變換)天線阻抗隨頻率的變化，從而展寬阻抗帶寬。目前，自動(dòng)天線調(diào)諧器獲得了廣泛的應(yīng)用，它以全自動(dòng)方式，通過(guò)微機(jī)控制，自動(dòng)檢測(cè)阻抗信息，并按照預(yù)定的調(diào)諧軟件改變匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，進(jìn)行快速調(diào)諧和阻抗變換，以使天線系統(tǒng)與同軸電纜(通常取特性阻抗為50Ω)較好匹配，駐波比一般在1.5以下，在每個(gè)頻率點(diǎn)上的調(diào)諧時(shí)間一般在3s以內(nèi)，典型值約為1s。這種由諧振式天線和自動(dòng)天線調(diào)諧器組合而成的整體，稱為調(diào)諧式的寬帶天線系統(tǒng)。它具有尺寸小、總體安裝機(jī)動(dòng)靈活、使用方便、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是一種頗有發(fā)展前途的寬帶化系統(tǒng)。

(3)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的寬帶振子天線。

對(duì)于電振子天線，為了展寬頻帶，通常使振子具有較大的截面，即降低振子的長(zhǎng)度直徑比l/α(簡(jiǎn)稱為長(zhǎng)細(xì)比)，此舉特別對(duì)改善工作頻帶內(nèi)的阻抗特性有明顯的效果。隨著l/α比值下降，輸入阻抗隨頻率變化的敏感性減小，從而改善了阻抗的頻率特性。

加粗圓柱對(duì)稱振子的直徑，雖然可以改善阻抗的頻率特性，但由于圓柱振子的特性阻抗沿其軸向是變化的，因此當(dāng)電流波離開饋電點(diǎn)沿線傳播時(shí)，就會(huì)因特性阻抗的改變而引起部分的反射，因而阻抗帶寬的改善也是有限的。為了使振子沿線各點(diǎn)的特性阻抗Zc處處相等，就要求天線各點(diǎn)到饋電點(diǎn)的距離與直徑之比保持不變。也就是說(shuō)，隨著距離的增加，振子的直徑相應(yīng)加粗，即展開成結(jié)構(gòu)漸變的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙錐天線。從理論上講，無(wú)限長(zhǎng)的雙錐天線可以得到輸入阻抗、方向圖均與頻率無(wú)關(guān)的特性。當(dāng)然，有限長(zhǎng)的雙錐天線由于終端反射而不具有與頻率無(wú)關(guān)的電特性，但是相對(duì)于圓柱振子天線來(lái)說(shuō)，其工作帶寬仍有明顯的改善。

錐角大的雙錐天線，或由它演變而成的盤錐天線，都屬寬帶天線之列，它們?cè)赩HF和UHF頻段中都獲得了廣泛的應(yīng)用。

(4)寬頻帶行波天線系列。

凡電流或電壓分布可用一個(gè)或多個(gè)行波(通常沿同一方向)來(lái)表示的天線，都稱為行波天線或非諧振天線。

某些行波天線之所以具有寬頻帶特性，其原因就在于天線完成將導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)換為自由電磁波能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程是一次性的，即無(wú)反射波返回電源端而形成多次循環(huán)的過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)上述要求，通常有兩種行之有效的方法。

一種是在設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)使天線具有很強(qiáng)的輻射能力，并使天線有足夠的長(zhǎng)度，如在幾個(gè)工作波長(zhǎng)以上。這樣，因輻射作用而使沿線電流波呈現(xiàn)很大的衰減，當(dāng)其到達(dá)終端時(shí)，即使是終端開路，反射波也很小而不足以計(jì)，則可近似認(rèn)為天線具有行波特性，也可以說(shuō)天線完成能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是一次性的。顯然，行波天線在寬頻帶范圍內(nèi)具有較恒定的輸入阻抗值，而且應(yīng)該是近似純電阻性的。屬于這種工作機(jī)理的典型天線，有軸向模螺旋天線等。

另一種是在天線末端接匹配電阻，以吸收可能由于天線末端與自由空間失配而引起的反射波能量，這種天線就稱為加載行波天線。由于天線技術(shù)的發(fā)展，加載電阻的位置不一定在天線終端，也不一定是集中加載。根據(jù)加載情況，又可分為集中加載行波天線和分布加載行波天線兩類。前者可以通過(guò)合理選擇加載的阻抗值以及加載的位置來(lái)調(diào)整天線的電流分布，以使天線在大部分或部分結(jié)構(gòu)上電流呈現(xiàn)行波分布，從而獲得理想的方向特性和阻抗特性。后者是一種連續(xù)的加載形式，令天線內(nèi)阻抗按特定函數(shù)分布，使天線在全部結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)行波電流分布，這種天線與集中加載天線相比，電性能優(yōu)越，但在實(shí)現(xiàn)上技術(shù)難度卻增加了。目前，較普遍使用的加載行波天線仍為集中加載形式，如長(zhǎng)導(dǎo)線行波天線、菱形天線等。

(5)頻率無(wú)關(guān)天線系列。

頻率無(wú)關(guān)(FrequencyIndependent，

FI)或譯為非頻變，專用于表示工作頻帶沒(méi)有理論限制的天線。但由于物理可實(shí)現(xiàn)性因素的限制，天線電性能在所有頻率上，甚至連近似保持恒定都是不可能的。實(shí)際上，頻率無(wú)關(guān)天線是指在工作頻帶內(nèi)，所有電特性隨頻率的變化都是微小的，而此工作頻帶又是非常寬的。一般來(lái)說(shuō)，倍頻帶寬B=fmax/fmin≥10。因此，這類天線有時(shí)也稱為超寬頻帶天線。

天線電性能不能真正做到頻率無(wú)關(guān)的原因，是當(dāng)頻率變化時(shí)，天線的線性電長(zhǎng)度相應(yīng)地發(fā)生了改變。人們從模型測(cè)量技術(shù)中使用的頻率縮比原理得到了啟發(fā)，提出了非頻變天

線的概念及設(shè)想。如果天線以任意比例變換后仍等于它原來(lái)的結(jié)構(gòu)，那么它的電性能將與頻率無(wú)關(guān)。實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的第一種方法是：天線的結(jié)構(gòu)只由角度決定，而不取決于任何特殊的尺寸，有時(shí)稱此為“角度條件”，用這種方法可以得到連續(xù)的縮比天線，如平面等角螺旋天線、圓錐等角螺旋天線等。第二種方法是：

如果天線的各種結(jié)構(gòu)尺寸都按一特定的比例因子τ變換后仍等于它自己，那么在離散的頻率點(diǎn)f和τf上，天線的電性能將是相同的。其阻抗或其他電特性都是頻率對(duì)數(shù)的周期性函數(shù)，周期為lnτ。利用這一原理結(jié)構(gòu)的天線就稱為對(duì)數(shù)天線。當(dāng)然，在f~τf的頻率間隔內(nèi)，天線電性能的變化應(yīng)該是不明顯的。

從理論上講，上述兩類天線的電性能若能真正做到與頻率無(wú)關(guān)，則要求天線結(jié)構(gòu)須從中心點(diǎn)開始一直擴(kuò)展到無(wú)限遠(yuǎn)。就是說(shuō)，如果將此單元向小的方向延伸，所得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)該收斂到一點(diǎn)；若此單元向大的方向延伸，則將使尺寸無(wú)限增加。當(dāng)然，這是不現(xiàn)實(shí)的，實(shí)際天線尺寸總是有限的，有限的結(jié)構(gòu)不僅是角度的函數(shù)，而且也是長(zhǎng)度的函數(shù)。因此，當(dāng)天線為有限長(zhǎng)時(shí)，是否仍具有結(jié)構(gòu)近似為無(wú)限長(zhǎng)時(shí)的非頻變的電性能呢?這就是能否構(gòu)成實(shí)際的非頻變天線的關(guān)鍵所在。有限長(zhǎng)與無(wú)限長(zhǎng)天線的區(qū)別，就在于前者有一個(gè)終端的限制，通常以術(shù)語(yǔ)“終端效應(yīng)”來(lái)說(shuō)明。

當(dāng)天線在饋電端被激勵(lì)后，波離開饋電點(diǎn)沿著結(jié)構(gòu)傳輸，

在到達(dá)終端之前，電流波必須因有效輻射而有較大的衰減，這樣，即使是把靠近終端的部分截尾，也不會(huì)對(duì)電性能有顯著的影響。其次，饋電端的幾何結(jié)構(gòu)也不可能縮小至無(wú)限小以至于一點(diǎn)，也有個(gè)始端截尾的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)，它主要影響天線高頻段的電性能。如果將滿足“角度條件”的天線或?qū)?shù)周期天線的終端(始端也是一種終端)部分截尾，對(duì)天線電特性沒(méi)有顯著的影響，則有限尺寸的天線就可以在相當(dāng)寬的頻帶范圍內(nèi)具有非頻變天線的電特性。這種現(xiàn)象就稱為“終端效應(yīng)”小，這是構(gòu)成實(shí)際非頻變天線的重要條件。

“終端效應(yīng)”的大小與天線結(jié)構(gòu)形式和合理的尺寸設(shè)計(jì)有關(guān)。例如，雙圓錐形天線是一種滿足“角度條件”的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)其為無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，天線的方向性、阻抗特性均與頻率無(wú)關(guān)。然而錐面上的電流隨著與饋電點(diǎn)距離的增加而緩慢地減小，當(dāng)天線為有限長(zhǎng)時(shí)，由于終端不連續(xù)而引起的反射，將使天線輻射特性與天線的電長(zhǎng)度有明顯的依從關(guān)系，因而它就不是非頻變天線。有些天線雖具有有限尺寸的對(duì)數(shù)周期幾何結(jié)構(gòu)，但因“終端效應(yīng)”大而不具備對(duì)數(shù)周期天線的電特性。因此說(shuō)，一個(gè)成功的非頻變天線，除應(yīng)具有滿足“角度條件”或?qū)?shù)周期幾何結(jié)構(gòu)的特征外，還應(yīng)具有截尾后“終端效應(yīng)”小的性質(zhì)。

(6)利用一副天線的多模工作方式來(lái)展寬工作帶寬。

一般來(lái)說(shuō)，天線在基模和高次模工作時(shí)，要求其電性能變化較小，但也有個(gè)別應(yīng)用場(chǎng)合，卻有著不同的要求。如果能設(shè)計(jì)一種天線，當(dāng)它用于基模工作時(shí)構(gòu)成較低頻段的天線，而用高次模工作時(shí)構(gòu)成高頻段天線，就可以在天線體積、尺寸不變的情況下獲得較寬的工作帶寬。這種多模工作方式已成功地應(yīng)用在短波波段。

除此之外，還可利用組合復(fù)用技術(shù)、分形技術(shù)等來(lái)展寬天線帶寬。本章以下幾節(jié)將為大家介紹幾種應(yīng)用極為廣泛的寬帶天線形式，包括寬頻帶加載鞭天線、套筒天線、印刷對(duì)

稱振子天線、寬帶籠形天線、對(duì)數(shù)周期天線以及錐削槽天線。

4.3寬頻帶加載鞭天線

鞭天線是線天線的一種，是垂直接地的單極天線。鞭天線作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的天線形式，在各個(gè)領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用。寬頻帶加載鞭天線通過(guò)加載和寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)等手段展寬鞭天線工作帶寬，以達(dá)到寬頻帶工作的目的。下面我們對(duì)這種天線進(jìn)行介紹和研究。

4.3.1寬頻帶加載鞭天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

寬頻帶加載鞭天線是垂直接地的單極天線，假設(shè)地為理想導(dǎo)體，地對(duì)天線的影響可以用天線鏡像代替，并且僅在地面上半空間存在電磁場(chǎng)。如圖4.1所示，寬頻帶加載鞭天線其本身的物理尺寸比對(duì)稱振子縮小1/2，但具有與對(duì)稱振子相似的輻射特性，因此這是天線小型化的一種重要措施。

當(dāng)寬頻帶加載鞭天線的激勵(lì)電壓是等效的對(duì)稱振子的一半時(shí)，存在于上半空間的輻射場(chǎng)相等，所以寬頻帶加載鞭天線和等效的對(duì)稱振子天線上半空間的方向函數(shù)和方向圖相同，主瓣寬度、極化特性、頻帶特性等都相同。且寬頻帶加載鞭天線的輸入阻抗是對(duì)稱振子的一半，這是因?yàn)榧?lì)電壓減半而激勵(lì)電流不變。寬頻帶加載鞭天線的方向系數(shù)是對(duì)稱振子的兩倍，這是因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)不變而輻射功率減半，只在半空間輻射造成的。寬頻帶加載鞭天線比對(duì)稱振子損耗電阻大，輻射效率低。寬頻帶加載鞭天線輻射效率可以參考圖4.2來(lái)分析。圖4.1寬頻帶加載鞭天線結(jié)構(gòu)示意圖圖4.2寬頻帶加載鞭天線輻射效率分析

假設(shè)寬頻帶加載鞭天線在地面以上的高度為h，則采用電流元積分法可以得到上半空間天線的輻射場(chǎng)為

其中：

I0為輸入端電流；k

為自由空間相移常數(shù)。

寬頻帶加載鞭天線的特性阻抗和輸入電抗的計(jì)算公式為

其中，

D為天線的直徑。輻射電阻的近似公式為

損耗電阻的近似公式為

式中，

A為一個(gè)在2~7之間的常數(shù)。如果R∑?RL

，那么

此時(shí)，提高h(yuǎn)可以顯著增大ηA

，使其幾乎與h3成正比。

4.3.2天線的設(shè)計(jì)

下面我們以圖4.3所示的經(jīng)典寬頻帶加載鞭天線結(jié)構(gòu)為例來(lái)介紹。天線高度為H

，天線的地面直徑大小為D，天線加載位置距地面高度為h

，饋線特性阻抗為Z0

，天線輸入阻抗為Zi

，采用集總加載的R、L、C并聯(lián)電路形式給天線加載；寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)采用π形或T形網(wǎng)絡(luò)，由理論上無(wú)耗的集總感容元件的串并聯(lián)組成。圖4.3天線模型及匹配網(wǎng)絡(luò)

用一體化優(yōu)化方法對(duì)天線模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用目標(biāo)函數(shù)：

將這其中產(chǎn)生的變量運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行總體優(yōu)化，即進(jìn)行寬帶天線一體化設(shè)計(jì)。加載結(jié)構(gòu)及寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)如圖4.

4所示。圖4.4優(yōu)化加載及匹配網(wǎng)絡(luò)

天線在50MHz時(shí)E面、H面理論方向圖如圖4.5所示。

天線計(jì)算增益曲線如圖4.6所示。

天線駐波曲線如圖4.7所示。

圖4.8所示為寬頻帶加載鞭天線實(shí)物。圖4.5天線在50MHz時(shí)的理論方向圖圖4.6優(yōu)化后天線計(jì)算增益曲線圖4.7優(yōu)化后天線駐波曲線圖4.8鞭天線實(shí)物照片

4.4套筒天線

粗振子有較低的特性阻抗，而不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式可以起到類似電路中的參差調(diào)諧的作用，從而有效地展寬阻抗帶寬。一種加粗振子并實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱饋電的簡(jiǎn)單方法，是在天線的輻射體外面加上一個(gè)與之同軸的金屬套筒，形成所謂的套筒天線。金屬套筒相當(dāng)于一個(gè)粗振子，加之其特殊的饋電方式，使得這種結(jié)構(gòu)的天線的阻抗特性明顯優(yōu)于普通振子天線。

一般套筒天線的相對(duì)帶寬至少可以達(dá)到一個(gè)倍頻程以上。而且套筒的形式也是多種多樣的，改變套筒天線的結(jié)構(gòu)形式，能夠使其應(yīng)用于不同的工作環(huán)境，但是其基本理論都源自典型的套筒單極子天線。套筒天線是由單極或偶極天線通過(guò)加粗振子實(shí)現(xiàn)寬頻帶的線天線。

4.4.1套筒天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

典型的套筒單極子天線的結(jié)構(gòu)如圖4.9所示。圖4.9典型套筒單極子天線的結(jié)構(gòu)

其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：上輻射體長(zhǎng)度l；套筒長(zhǎng)度L，

L分為L(zhǎng)1

和L2兩部分，其中L1

是饋電點(diǎn)到套筒開口處的長(zhǎng)度，

L2是饋電點(diǎn)到套筒底部的長(zhǎng)度；上輻射體的直徑d和套筒直徑D。理論分析和試驗(yàn)表明，對(duì)天線電特性起決定作用的參數(shù)是套筒單極子的總長(zhǎng)度H=l+L以及上輻射體的長(zhǎng)度與套筒長(zhǎng)度之比l/L。

與普通單極子天線類似，套筒單極子天線的總長(zhǎng)度通常取為工作頻段下限頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4，即L+l=λmax/4。在總長(zhǎng)度確定的情況下，天線的電性能主要取決于上輻射體長(zhǎng)度與套筒長(zhǎng)度之比l/L。當(dāng)套筒天線的總長(zhǎng)度L+l≤λ/2時(shí)，由于套筒上輻射體和套筒外壁上的電流同相位，因此輻射方向圖隨l/L的變化不明顯；當(dāng)頻率升高時(shí)，

l/L的取值對(duì)方向圖的影響將增大。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)l/L=2.25時(shí)，套筒天線方向圖在4∶1頻帶范圍內(nèi)變化最小，并可使天線的旁瓣電平最低，所以通常認(rèn)為l/L=2.25是套筒單極子天線的最佳長(zhǎng)度比。

套筒天線饋電點(diǎn)處的輸入阻抗可看成是一段長(zhǎng)為L(zhǎng)1、負(fù)載阻抗為Zα的傳輸線與某一段長(zhǎng)為L(zhǎng)2的短路傳輸線的串聯(lián)。這里，

Zα是天線上輻射體作為單極子天線的輸入阻抗，兩段傳輸線的特性阻抗分別為Zc1

和Zc2

，而且

其中，

d'是饋電點(diǎn)同軸線的外徑，如果它與輻射體直徑相等，則Zc1=Zc2。饋電點(diǎn)的輸入阻抗為

上輻射體輸入阻抗主要取決于上輻射體的電長(zhǎng)度l/λ和長(zhǎng)徑比l/d。適當(dāng)?shù)剡x擇l/L、l/d以及D/d等參數(shù)，同時(shí)在套筒內(nèi)移動(dòng)饋電點(diǎn)的位置，也就是改變L1/L2的值，可以有效地改善天線的阻抗特性，降低饋線上的駐波比。

4.4.2天線的設(shè)計(jì)

套筒單極子天線作為一種寬頻帶天線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信及遙感系統(tǒng)中，在實(shí)際應(yīng)用中，套筒單極子天線通常置于有限大地面上。正是基于這種安置，套筒單極子天線作為一種車載天線已經(jīng)顯現(xiàn)出它特有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、方向圖穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但是套筒單極子天線作為車載天線使用時(shí)，往往有較嚴(yán)格的高度限制，因此在設(shè)計(jì)中需要考慮天線縱向尺寸的降低。加粗套筒單極子輻射體是很好的減小天線尺寸的方法，下面我們以一個(gè)套筒單極天線設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)說(shuō)明。

套筒單極子天線基本模型如圖4.10所示。

圖4.10加粗輻射體的套筒天線

天線結(jié)構(gòu)中輻射體的半徑、高度，套筒半徑、高度以及地板半徑都是影響套筒天線特性的敏感參量。上述參量變化時(shí)天線駐波比曲線如圖4.11所示。

圖4.11天線駐波與參量變化的關(guān)系圖4.11天線駐波與參量變化的關(guān)系圖4.11天線駐波與參量變化的關(guān)系

從圖4.11(a)可以看出，套筒半徑b主要影響天線中高頻段，隨著套筒半徑的增加，中頻段天線駐波明顯下降，而高頻端變化也很明顯。隨著半徑的增加，駐波先是降低，當(dāng)半徑大到一定程度后又升高，所以在套筒調(diào)節(jié)時(shí)要注意度的把握。從圖4.11(b)可以看出，套筒高度h2的增加，主要使天線在中頻段的駐波有一定的下降，而對(duì)低頻段和高頻端沒(méi)有太大的影響，可以通過(guò)適度調(diào)高套筒高度來(lái)優(yōu)化天線在中頻段的匹配，但是天線的總高度不能超出實(shí)際工程的要求。

從圖4.11(c)可以看出，隨著地面半徑R的增加，低頻段的駐波明顯變小，有力地拓展了低端的帶寬，同時(shí)中頻段的駐波有一點(diǎn)點(diǎn)增大，而高頻段變化并不是很明顯。從中也可以看出，地面增大對(duì)天線的電性能有很大的好處，所以在滿足實(shí)際工程對(duì)于地面大小要求的情況下應(yīng)該盡可能采取較大的地面。天線駐波比的理論曲線如圖4.12所示。

圖4.12套筒天線駐波比曲線

套筒天線理論方向圖如圖4.13所示。由圖可見，在這兩個(gè)給出的頻點(diǎn)上，方向圖都有較大的上翹，這也使天線在這兩個(gè)頻點(diǎn)處的水平方向增益比較低。理論上來(lái)講，如果地板為無(wú)限大，那么對(duì)于普通單極天線而言，不存在方向圖上翹問(wèn)題，因此有限地板上單極天線方向圖的上翹以及由此造成的天線水平方向增益較低等問(wèn)題是普遍存在且亟待解決的問(wèn)題。圖4.13218MHz和356MHz時(shí)E面方向圖

4.5印刷對(duì)稱振子天線

直立線天線是常用的全向垂直極化天線，其中對(duì)稱振子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛用于通信、雷達(dá)、探測(cè)等各種無(wú)線電設(shè)備中，適用于短波、超短波甚至微波。它可單獨(dú)作為天線用，也可用作陣列單元，或用作反射面天線的饋源。對(duì)稱振子是常用的典型全向天線，在工程應(yīng)用中，當(dāng)對(duì)天線的尺寸及重量有著嚴(yán)格的要求時(shí)，普通對(duì)稱振子就很難滿足要求了。而印刷對(duì)稱振子天線具有以下優(yōu)點(diǎn)：

重量輕、體積小、剖面低，可以做成共形天線；制造成本低，易于大量生產(chǎn)；可以做得很薄，不影響裝載的飛行器的空氣動(dòng)力性能；無(wú)需作大的變動(dòng)，天線就能很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上；饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時(shí)制作。因此，印刷對(duì)稱振子天線具有更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。我們將對(duì)印刷對(duì)稱振子的結(jié)構(gòu)及其寬帶工作原理進(jìn)行研究。

4.5.1印刷對(duì)稱振子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和寬帶工作的實(shí)現(xiàn)

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

印刷對(duì)稱振子是除微帶貼片天線外的又一類微帶輻射單元。其近似處理是假定對(duì)振子電流分布進(jìn)行分析，如果基片厚度遠(yuǎn)小于介質(zhì)中波長(zhǎng)或者振子為諧振長(zhǎng)度，則認(rèn)為印刷對(duì)

稱振子電流為正弦分布是有效的。

印刷對(duì)稱振子采用雙面印刷的平行雙線饋電結(jié)構(gòu)，為了分析其性能，把二者分成兩部分處理。一部分是印刷偶極子輻射臂，另一部分為饋電平行雙線部分。輻射臂可以等效為

一個(gè)半徑為De

、長(zhǎng)度為2le的對(duì)稱振子。中心饋電印刷振子的等效半徑為

式中：

w為振子臂的寬度；t為印刷線厚度(對(duì)印刷偶極子來(lái)說(shuō)，印刷線可近似認(rèn)為是零厚度，可忽略不計(jì))。

振子輻射臂長(zhǎng)度L=2l，考慮到印刷對(duì)稱振子的兩個(gè)端頭效應(yīng)，振子的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)修正，修正量為振子寬度w的1/4，即

式中：

2l為振子實(shí)際幾何長(zhǎng)度。

圖4.14所示的振子采用雙面印刷結(jié)構(gòu)，饋電采用雙面印刷平行雙線，對(duì)稱振子的阻抗接近75Ω，無(wú)法直接與50Ω饋電系統(tǒng)相連，為了滿足匹配要求，可通過(guò)饋電平行雙線進(jìn)行λ/4阻抗變換從而達(dá)到匹配，如圖4.15所示。根據(jù)傳輸線理論方程可知，一段長(zhǎng)度為λ/4的平行雙線阻抗變換，其計(jì)算公式為

其中：

Z0為需要達(dá)到的饋電系統(tǒng)的特性阻抗；Rl為對(duì)稱振子阻抗，將其看做負(fù)載；

Z'0為λ/4平行雙線阻抗變換段的特性阻抗。

容易得到阻抗變換段的特性阻抗為

通過(guò)阻抗變換段的特性阻抗，即可得到該段平行雙線的線寬和線長(zhǎng)。圖4.14采用平行雙線饋電的雙面印刷對(duì)稱振子圖4.15λ/4阻抗變換

2.寬頻帶工作方法

對(duì)稱振子天線的諧振帶寬很窄，其VSWR<2.0的相對(duì)帶寬在10%左右。展寬其帶寬的簡(jiǎn)單有效的方法就是增加振子的直徑。圖4.16給出印刷對(duì)稱振子天線結(jié)構(gòu)。采用寬邊印刷對(duì)稱振子可以有效展寬帶寬，振子寬度增加后，天線的輸入阻抗隨頻率變化趨于緩慢，有助于天線帶寬的展寬。另外，寬振子也可以認(rèn)為是一種分布式容性加載，使得輸入阻抗趨于容性。隨著振子寬度的增加，輸入電阻隨頻率的變化更加平緩，但是輸入電抗趨于容性，不易匹配。通過(guò)并聯(lián)一段開路或短路匹配枝節(jié)，并調(diào)節(jié)枝節(jié)的長(zhǎng)度對(duì)輸入阻抗的虛部進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)匹配。圖4.16印刷對(duì)稱振子天線結(jié)構(gòu)

另一種展寬帶寬的方法就是使用套筒的概念，即給印刷對(duì)稱振子結(jié)構(gòu)引入套筒結(jié)構(gòu)，這樣也同樣可以有效地展寬天線帶寬。

4.5.2天線的設(shè)計(jì)

上節(jié)介紹過(guò)寬振子結(jié)構(gòu)能夠有效地展寬印刷對(duì)稱振子天線的帶寬，但引入套筒偶極子的方式能夠更進(jìn)一步展寬帶寬。天線尺寸限制不嚴(yán)格時(shí)可以采用加寄生振子的方法，即開敞式套筒結(jié)構(gòu)，如圖4.17所示。也就是說(shuō)，在原來(lái)的印刷振子臂旁邊加兩根寄生振子，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)整后，得到更寬的頻帶特性。主要調(diào)試的參數(shù)包括印刷對(duì)稱振子的寬度w、臂長(zhǎng)L、寄生振子與印刷對(duì)稱振子之間的距離s、寄生振子長(zhǎng)度l和匹配枝節(jié)的長(zhǎng)度ld。圖4.17開敞式印刷套筒偶極子天線

從圖4.18所示的駐波曲線可以看出，加寄生振子可以將帶寬進(jìn)一步展寬到50%(VSWR<2.0)，但是此時(shí)天線的橫向尺寸太大，不利于天線的小型化。圖4.19為高、中、低頻點(diǎn)的E面和H面方向圖。圖4.18駐波曲線圖4.19高、中、低頻點(diǎn)的方向圖

另一種印刷式套筒天線的結(jié)構(gòu)如圖4.20所示，即在天線罩的外表面采用共形的方式敷銅作為套筒，里面仍然采用前面算好的印刷偶極子。由于印刷對(duì)稱振子本身就需要天線罩的支撐，因此合理巧妙地利用天線罩的圓周介質(zhì)特性，在其表面印刷一層銅，就可以在起到支撐作用以外還起到套筒的作用。該敷銅層的高度略大于振子的臂長(zhǎng)，天線罩的直徑約為印刷振子寬度的兩倍。

這種特殊結(jié)構(gòu)的套筒天線能夠?qū)崿F(xiàn)65%(VSWR<2.0)以上的阻抗帶寬。其駐波比曲線如圖4.21所示。該天線的E面方向圖如圖4.22所示。圖4.22(a)中，

255~500MHz之間的方向圖很好，最大輻射方向在水平方向，且水平方向增益大于2dB。但是當(dāng)頻率大于500MHz時(shí)，

E面方向圖產(chǎn)生變化，如圖4.22(b)所示，最大輻射方向偏離水平面，510MHz處水平增益下降到1.5dB左右，

520MHz時(shí)方向圖最大輻射方向上翹，水平面增益為0.4~0.8dB，這是因?yàn)轲侂娖叫须p線和匹配枝節(jié)部分也有輻射場(chǎng)，因此導(dǎo)致振子上下不對(duì)稱，出現(xiàn)方向圖的上翹。530MHz時(shí)水平增益為-3.5dB，此時(shí)的E面方向圖出現(xiàn)水平凹陷，最大輻射方向已經(jīng)偏離水平方向。圖4.23給出了天線各頻點(diǎn)的水平面方向圖。圖4.20封閉式印刷套筒天線圖4.21封閉式印刷套筒的駐波曲線圖4.22封閉式印刷套筒的E面方向圖圖4.23各頻點(diǎn)的水平面方向圖

上述兩種方法實(shí)際上都是采用加粗振子直徑的方法來(lái)展寬帶寬的，但在印刷板上增加寄生振子會(huì)對(duì)天線小型化不利。在實(shí)際的工程中，另外一種用于低頻段增加天線帶寬的方法是采用籠形天線。

4.6寬帶籠形天線設(shè)計(jì)

籠形天線實(shí)際上是粗振子天線的一種替代。已經(jīng)有理論證明，加粗振子的方法可以展寬天線的帶寬。但是采用金屬材料構(gòu)成粗振子會(huì)使天線的重量嚴(yán)重超過(guò)設(shè)計(jì)可以容忍的程度，在低頻領(lǐng)域這一矛盾會(huì)更為明顯和嚴(yán)重。籠形天線實(shí)際上是低特性阻抗的對(duì)稱振子，它將對(duì)稱振子的一臂由單根導(dǎo)線改為由多根導(dǎo)線組成的籠子，兩端用籠圈固定后接圓錐以方便饋電。

這相當(dāng)于加粗了振子的直徑，使天線的輸入阻抗隨工作波長(zhǎng)的變化比較緩慢，從而使天線具有寬帶性。如果采用適當(dāng)?shù)钠ヅ浞椒?，還能夠增大天線的工作波段范圍。圖4.24為EMC測(cè)試中常用的ETS.Lindrgen公司的3110C籠形雙錐天線示意圖。

圖4.24籠形雙錐天線

從圖可以看出，該天線由支撐結(jié)構(gòu)、巴倫和雙錐籠構(gòu)成。從原理上來(lái)看，該天線就是一個(gè)錐形加粗的對(duì)稱振子，只不過(guò)原本錐型的實(shí)心導(dǎo)電振子被更為輕巧的具有相同外形的籠形導(dǎo)體替代。對(duì)稱振子的兩臂采用錐形，使天線在較寬的頻帶內(nèi)的輻射阻抗保持穩(wěn)定從而加寬帶寬。錐形結(jié)構(gòu)的最粗處加入了由中心導(dǎo)體到籠子輻條的加載結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化天線特性。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，僅利用天線外形的設(shè)計(jì)雖然可以使天線在較寬的帶寬范圍內(nèi)保持方向圖的穩(wěn)定，但是天線的輸入阻抗變化仍然較為劇烈。為此，必須引入天線的寬頻帶匹配技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶匹配。因此，實(shí)際的寬頻帶天線設(shè)計(jì)必須將天線輻射結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和天線的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。

由于匹配網(wǎng)絡(luò)的引入使天線的帶寬不僅取決于天線的具體結(jié)構(gòu)，而且取決于天線結(jié)構(gòu)與匹配網(wǎng)絡(luò)共同優(yōu)化的結(jié)果，因此天線的最優(yōu)外形就未必采用已經(jīng)由經(jīng)典理論所證明的錐

形結(jié)構(gòu)，也可以采用其他的外形結(jié)構(gòu)并配合饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬頻帶，例如曲線漸變的外形。

已經(jīng)有很多經(jīng)典的書目對(duì)寬匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)深入的理論分析。近幾年發(fā)展出的實(shí)頻法以天線的實(shí)際輸入阻抗作為依據(jù)來(lái)進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)良好的匹配

效果。但傳統(tǒng)的匹配電路屬于無(wú)源匹配，受到增益帶寬限制理論的束縛，無(wú)法得到很寬的頻帶和較高的增益。而使用具有負(fù)阻特性元件的有源匹配電路，則可以突破增益帶寬限制

理論的束縛，實(shí)現(xiàn)更寬的阻抗帶寬。近幾年，基于負(fù)阻元器件的匹配方法在電小天線寬帶匹配方面的應(yīng)用再次引起了廣泛的關(guān)注。

本節(jié)介紹采用曲線外形設(shè)計(jì)籠形天線，并采用負(fù)阻元器件進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的技術(shù)。

籠形天線外形如圖4.25所示。天線的兩臂由12根金屬構(gòu)成的籠形結(jié)構(gòu)構(gòu)成?；\形由兩段拋物線連接而成。H為天線總長(zhǎng)，

L1為上臂長(zhǎng)度，

R1

為最大半徑，

R2

為頂部半徑，通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)以及拋物線的參數(shù)，可以獲得最佳的阻抗帶寬。天線由中心進(jìn)行饋電。仿真模型如圖4.26所示，仿真結(jié)果如圖4.27所示。圖4.25籠形天線外形示意圖圖4.26籠形天線仿真模型

由仿真結(jié)果可以看出，天線在290~765MHz的頻段范圍內(nèi)駐波比均小于2，阻抗帶寬達(dá)到2.6個(gè)倍頻程。其增益方向圖如圖4.28所示，天線基本符合對(duì)稱振子輻射方向特性，具有水平全向性和垂直面倒8字，增益在3dB以上，但是隨著頻率的逐漸提高，會(huì)出現(xiàn)裂瓣。下面分析天線的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。圖4.27籠形天線匹配前后的駐波比(VSWR)曲線圖4.28300MHz時(shí)的增益方向圖

這里首先通過(guò)在饋電端使用一個(gè)傳統(tǒng)LC匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配。通過(guò)優(yōu)化，最終使該曲線振子天線在258~1370MHz頻帶內(nèi)工作，達(dá)到5個(gè)倍頻程，如圖4.27所示；匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件值如圖4.29和表4.1所示。圖4.29匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步拓展帶寬，引入具有負(fù)元件值的非福斯特有源匹配方法，其匹配原理如圖4.30所示。由圖可以看出，負(fù)LC元件，具有與常規(guī)LC元件相反的阻抗特性曲線，從而能夠獲得極寬的匹配帶寬。下面首先介紹基于NIC電路的負(fù)阻抗器件設(shè)計(jì)。圖4.30非福斯特匹配原理

非福斯特電路可基于NICNegativeImpedanceConvertor)變換電路實(shí)現(xiàn)，

NIC電路將具有正值的LC元件通過(guò)電路變換等效為具有負(fù)值的LC元件。常用的NIC變換電路主要有基于晶體管的變換和基于運(yùn)放的變換兩種，這里給出基于晶體管的NIC變換電路?；诰w管的NIC電路又可分為電流轉(zhuǎn)換型(INIC)、電壓轉(zhuǎn)換型(VNIC)或者接地型、浮地型等。

圖4.31所示為一種負(fù)阻抗變換電路原理圖，圖中V1

、V2為晶體管，

ZL為負(fù)載阻抗，Zin為從輸入端看進(jìn)去的等效阻抗。正常工作狀態(tài)下，晶體管基極和發(fā)射極之間的電壓為一個(gè)很小的導(dǎo)通電壓，一般只有0.7~0.8V左右，所以可認(rèn)為晶體管b、e端無(wú)壓降；而基極電流只有集電極的1/β(β一般取值在20~200之間)，所以基極處相當(dāng)于開路；晶體管電流全部從集電極流向發(fā)射極，因此節(jié)點(diǎn)b和節(jié)點(diǎn)d相當(dāng)于短路，輸入端電壓Uin

等于負(fù)載電壓UL

；

同時(shí)，電阻R1、R2兩端電壓等幅反相，電流方向相反，因此輸入電流Iin

和負(fù)載電流IL反相，那么輸入端的等效阻抗就等于-R1/R2倍的負(fù)載阻抗，即

圖4.31NIC變換原理圖

當(dāng)負(fù)載ZL為電感或者電容時(shí)，即可獲得等效的負(fù)電感和負(fù)電容。這就是非福斯特NIC變換電路的變換原理。通過(guò)選擇合適的偏置電阻和負(fù)載阻抗，即可獲得所需的具有負(fù)值的元器件。取負(fù)載ZL=2μH

，電阻R1=R2

，且添加偏置電路后，仿真結(jié)果如圖4.32所示。可以看出，通過(guò)該變換電路，可以在10~35MHz頻段內(nèi)獲得一個(gè)-2μH的等效電感，該頻段內(nèi)的等效電感起伏范圍小于0.37μH，電阻絕對(duì)值小于1.08，可等效為一理想電感?；谕瑯拥脑砗碗娐?，可以獲得任意的-L或者-C。圖4.32NIC電路仿真結(jié)果

相對(duì)圖4.30的直接應(yīng)用，這里將負(fù)阻器件引入匹配網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)上述曲線型對(duì)稱振子天線設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件值如圖4.29和表4.1所示；采用基于NIC的變換電路實(shí)現(xiàn)，如圖4.31所示，結(jié)果如圖4.32所示?？梢钥闯觯啾葌鹘y(tǒng)匹配方法，非福斯特匹配明顯提高了帶寬，使匹配后的帶寬達(dá)到14個(gè)倍頻程。

4.7對(duì)數(shù)周期天線

對(duì)數(shù)周期天線是非頻變天線的一種類型，它是根據(jù)“相似”概念構(gòu)成的：當(dāng)天線按照某一特定的比例因子τ變化后，仍為它原來(lái)的結(jié)構(gòu)。這樣，出現(xiàn)在頻率f和τf間的天線性能將在τf和τ2f的頻率范圍內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)。依此類推，天線的電性能基本上在很寬的范圍內(nèi)不隨頻率變化。對(duì)數(shù)周期天線的形式有很多種，大體分為平面型和立體型兩類，目前廣泛應(yīng)用的對(duì)數(shù)周期偶極子陣(簡(jiǎn)稱LPD天線)是對(duì)數(shù)周期天線中最簡(jiǎn)單的一種。下面我們就以LPD天線為例來(lái)討論并分析對(duì)數(shù)周期天線。

4.7.1對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖4.33所示，

LPD天線的結(jié)構(gòu)是按下列關(guān)系設(shè)計(jì)的：

式中，

d、R和l分別是相鄰振子的間距、振子到頂點(diǎn)的距離和振子一臂的長(zhǎng)度。振子總數(shù)為N。天線采用均勻雙線饋電。向振子饋電的雙線稱為集合線，以區(qū)別于天線的主饋線。相鄰振子同集合線交叉連接，俗稱交叉饋電。天線饋電點(diǎn)接在短振子一端。天線的幾何結(jié)構(gòu)主要取決于參數(shù)τ、α和σ

，它們之間滿足下列關(guān)系：圖4.33對(duì)數(shù)周期偶極子(LPD)天線

如果LPD天線向長(zhǎng)振子方向延伸到無(wú)限遠(yuǎn)，在短振子方向精確地按比例系數(shù)τ一直短到無(wú)限小，如圖4.33所示，那么從饋電點(diǎn)向外看，每當(dāng)頻率變化τ倍時(shí)，天線的電結(jié)構(gòu)完全相同，只是向外推移了一個(gè)、二個(gè)、三個(gè)…振子而已，因此在f、τf、τ2f、τ3f…這些頻率點(diǎn)上，由于電尺寸完全相同，天線的電性能也完全相同。但是，在

f~τf、τf~τ2f、τ2f~τ3f…等頻率區(qū)間內(nèi)，頻率的變化與點(diǎn)尺寸結(jié)構(gòu)的變化并不相同，天線的電性能自然會(huì)變化。

如果取這些頻率周期的對(duì)數(shù)，則有：

顯然，頻率的對(duì)數(shù)周期是相同的。這就是說(shuō)，當(dāng)頻率f連續(xù)變化時(shí)，天線的電特性隨著頻率的對(duì)數(shù)作周期性變化；如果τ取值接近于1，則在頻率周期內(nèi)電性能變化不大，從而實(shí)現(xiàn)了非頻變特性。

2.工作原理

當(dāng)天線饋電后，由信號(hào)源供給的電磁能量沿集合線傳輸，依次對(duì)各振子進(jìn)行激勵(lì)。只有長(zhǎng)度接近諧振長(zhǎng)度的這部分振子才能激勵(lì)起較大的電流，向空間形成有效的輻射，通常稱這部分振子為有效區(qū)或是輻射區(qū)；而遠(yuǎn)離諧振長(zhǎng)度的那些振子上的電流都很小，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)幾乎沒(méi)有什么貢獻(xiàn)。這就是說(shuō)，對(duì)某一工作頻率而言，各振子由于電尺寸不同而起著不同的作用，通常按三個(gè)區(qū)域———傳輸區(qū)、輻射區(qū)和未激勵(lì)區(qū)來(lái)闡述它們的作用。

(1)傳輸區(qū)。傳輸區(qū)指從饋電點(diǎn)到輻射區(qū)之間的這一段短振子區(qū)域。由于振子電尺寸很小，輸入阻抗大，故振子上電流小，可忽略其輻射效應(yīng)。這個(gè)區(qū)域主要起傳輸電磁能量的作用。

(2)輻射區(qū)。輻射區(qū)包括長(zhǎng)度接近諧振半波長(zhǎng)的幾個(gè)振子及其相應(yīng)的集合線部分，通常是指諧振振子和長(zhǎng)度略小于諧振長(zhǎng)度的2、3個(gè)振子及長(zhǎng)度略大于諧振長(zhǎng)度的1、2個(gè)振子所共同組成的4~6個(gè)振子的輻射區(qū)。這些振子能有效地吸收從集合線傳輸來(lái)的導(dǎo)波能量，并轉(zhuǎn)向空間輻射，從而形成自由電磁波。

(3)未激勵(lì)區(qū)。通常它包括所有長(zhǎng)度稍大于或很大于諧振長(zhǎng)度的那部分長(zhǎng)振子及其相應(yīng)的集合線部分。未激勵(lì)區(qū)的存在主要是由于沿集合線傳輸?shù)碾姶拍芰勘惠椛鋮^(qū)有效地

“吸收”了，致使超過(guò)輻射區(qū)后，振子上的電流便迅速減小到可以忽略不計(jì)的程度，因而它對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的貢獻(xiàn)是微不足道的，故命名為未激勵(lì)區(qū)。該區(qū)的存在減小了終端反射效應(yīng)。

4.7.2分析方法和電性能

要求解對(duì)數(shù)周期天線的電特性，先要確定對(duì)數(shù)周期結(jié)構(gòu)上的電流分布；然后計(jì)算電流分布的輻射場(chǎng)，將LPD天線的N個(gè)單元振子等效為N個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，以dn為間距并聯(lián)在集合線上，應(yīng)用電路理論求各二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入電流，從而得到各振子的電流分布以及天線的輸入阻抗；再以振子的電流分布求輻射場(chǎng)。由于各振子不是相似元，不能應(yīng)用方向圖乘積定理。根據(jù)疊加原理求各振子所有輻射場(chǎng)的矢量和，得到整個(gè)天線的輻射場(chǎng)。

對(duì)數(shù)周期天線的方向系數(shù)D與結(jié)構(gòu)、尺寸等有關(guān)，特別是τ、σ對(duì)其影響最大。σ一定時(shí)，

τ值越大則方向系數(shù)D值愈高，但是在相同的結(jié)構(gòu)帶寬條件下，τ值愈大，所需的振子就越多。振子過(guò)多，不僅會(huì)使天線造價(jià)增加而且會(huì)使天線的尺寸過(guò)長(zhǎng)。通常τ=0.8~0.95；在τ值選定的情況下，

σ值由小到大變化時(shí)，

D值隨之增加，達(dá)到最大值后下降，這說(shuō)明對(duì)應(yīng)于一定的τ值有一最佳的σ值存在，這是因?yàn)樵谶@樣的組合下，各振子的電流比是恰當(dāng)?shù)?，從而獲得了最大的方向系數(shù)。圖4.34給出了對(duì)數(shù)周期天線的方向系數(shù)D與參數(shù)τ、σ的最佳關(guān)系。集合線特性阻抗的變化對(duì)方向系數(shù)D影響不明顯。圖4.34D與τ、σ的關(guān)系圖

天線的輸入阻抗受許多因素制約，但是它的數(shù)值主要取決于集合線的特性阻抗，它是由集合線的形式和結(jié)構(gòu)決定的。為了配合同軸電纜饋電，集合線特性阻抗一般取100~200Ω；

天線的輸入阻抗也與振子的長(zhǎng)細(xì)比有關(guān)，也就是和振子的特性阻抗有關(guān)。實(shí)際上，對(duì)數(shù)周期天線的輸入阻抗在工作波段內(nèi)還是有變化的。這是因?yàn)椋?/p>

(1)傳輸區(qū)和輻射區(qū)不可能做到理想匹配，短振子和間距也不可能做到任意小，總要截除一段，這樣就使輻射區(qū)相位中心到實(shí)際饋電點(diǎn)的尺寸是隨頻率變化的，所以輸入阻抗也會(huì)隨著頻率的改變而有些波動(dòng)。

(2)理想對(duì)數(shù)周期天線所有部分都應(yīng)嚴(yán)格地按照τ的比例設(shè)計(jì)，因而集合線的間距也要隨著陣子長(zhǎng)度的增大而加大，這在實(shí)際結(jié)構(gòu)中難以完全實(shí)現(xiàn)，因此也會(huì)使阻抗在工作波

段內(nèi)產(chǎn)生一些變化。實(shí)驗(yàn)證明，若集合線的間距遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，采用均勻間距對(duì)阻抗的影響也不算太大。

4.7.3對(duì)數(shù)周期天線的設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)周期偶極子天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇，應(yīng)在滿足所要求的天線增益、方向圖、輸入阻抗等電指標(biāo)的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)具有最小尺寸。在同樣滿足方向系數(shù)的情況下，

τ和σ有多種組合，因此就必須進(jìn)行多次計(jì)算，以尋求較合理的結(jié)構(gòu)尺寸。一般計(jì)算步驟如下：

(1)τ和σ值選取。根據(jù)要求的方向系數(shù)，利用圖4.34選擇適當(dāng)?shù)摩雍挺抑?，通常取?0.8~0.95，

σ=0.08~0.51較合適。

(2)根據(jù)選定的τ和σ值計(jì)算結(jié)構(gòu)角α：

(3)計(jì)算結(jié)構(gòu)帶寬Bs。根據(jù)選定的τ和σ值利用下式計(jì)算出輻射區(qū)帶寬Bαs，則有：

其中，為工作帶寬，通常是給出的原始數(shù)據(jù)之一。

(4)計(jì)算天線的軸向長(zhǎng)度L。根據(jù)幾何關(guān)系可以推出：

式中，

λmax

是工作波長(zhǎng)中的最長(zhǎng)波長(zhǎng)。

(5)計(jì)算振子數(shù)目N：

若計(jì)算得出的N值不是整數(shù)，應(yīng)將小數(shù)進(jìn)位取整數(shù)。

(6)振子長(zhǎng)度ln及間距dn的計(jì)算。設(shè)最長(zhǎng)振子長(zhǎng)度為l1=λmax

/2，按照對(duì)數(shù)周期結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和式(4－16)可以計(jì)算。

(7)集合線特性阻抗的計(jì)算和饋電方式的考慮。

4.7.4天線的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)意義上，天線的設(shè)計(jì)多采用高頻端饋電方案。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，如果工作頻率較高，饋線結(jié)構(gòu)的物理尺寸往往要大于最高頻端的偶極子，若使用高頻端饋電，饋線會(huì)對(duì)高頻振子的輻射產(chǎn)生反射效果，從而改變其天線的方向圖。當(dāng)然也有一些方案采用垂直饋電或者多層介質(zhì)饋電，以提高天線的性能，但缺點(diǎn)是制作復(fù)雜度較高，同時(shí)不便于集成。

因此，在天線設(shè)計(jì)時(shí)，人們提出了從低頻端饋電的方案。由此帶來(lái)的問(wèn)題在于：首先，在較寬頻段內(nèi)，低頻振子在其奇數(shù)倍頻(3倍頻、5倍頻、7倍頻等)的頻點(diǎn)處同樣工作，勢(shì)必產(chǎn)生一定的有害輻射，加大旁瓣的增益；其次，對(duì)于高頻頻率，其能量傳輸?shù)狡渲C振振子往往要經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的衰減，這也在一定程度上降低了主瓣的增益。

一種在最低頻振子和饋線之間引入一反射器的對(duì)數(shù)周期天線能夠有效地解決該問(wèn)題。該反射器的長(zhǎng)度和位置不同于傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)結(jié)構(gòu)的反射器，通過(guò)該反射器，可以對(duì)低頻振子在奇數(shù)倍頻時(shí)的方向圖加以調(diào)整，使兩側(cè)的副瓣向主瓣靠攏，進(jìn)而提高整個(gè)陣列的增益，同時(shí)有效減小天線的物理尺寸。

對(duì)于對(duì)數(shù)周期陣列部分的設(shè)計(jì)可以遵循如下步驟：

(1)決定對(duì)數(shù)周期天線的總體結(jié)構(gòu)，即比例因子τ、間距因子σ和偶極子單元的個(gè)數(shù)N。τ的取值范圍一般為0.8~0.96，但是為了保證在高頻段有盡量少的振子處于高次模狀態(tài)，在設(shè)計(jì)超寬帶天線時(shí)，常將τ的取值適當(dāng)減小。以τ=0.65為例，這在理論上保證了天線在3~4.6倍頻只有最低頻率振子會(huì)出現(xiàn)有害輻射。一般選取τ=0.65，

σ=0.167，

N=8。

(2)確定最低工作頻率的偶極子單元的長(zhǎng)度L1，其計(jì)算公式為

其中，

λoffmax是天線最長(zhǎng)波長(zhǎng)，其計(jì)算公式為

式中：

c是真空中的波速；εeff

是等效介電常數(shù)。εeff

使用微帶線的計(jì)算公式近似：

式中：

εr是介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)；

h是介質(zhì)基板的厚度；

W是第一偶極子單元的寬度。

綜合考慮以上因素，我們選取第一振子的物理尺寸為L(zhǎng)1

=18mm，

W1=3mm。

(3)利用比例關(guān)系計(jì)算其他振子的物理尺寸和位置：

如圖4.35所示，

Sn

為兩相鄰振子中心位置的間距。根據(jù)遞推關(guān)系，可設(shè)計(jì)出偶極子對(duì)數(shù)周期陣列。

在傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)周期天線的設(shè)計(jì)中，往往采用物理尺寸較大的等效地面，或者采用一個(gè)與整個(gè)陣列振子尺寸成比例的附加振子作為反射器，從而保證第一振子的反向輻射能夠充分反射。使用一個(gè)長(zhǎng)度略微大于第一振子的矩形金屬貼片作為反射壁，這樣可以調(diào)整反射后第一振子的背向輻射的副瓣方向，使兩副瓣向主瓣靠攏，副瓣的能量集合在主瓣上，提高了端射性。

圖4.36為附加了反射器的偶極子陣列的雙面透視示意圖，其駐波比曲線如圖4.37所示。天線的饋電方式采用了從微帶線到集合雙線直線漸變的饋電結(jié)構(gòu)，阻抗由50Ω過(guò)渡到51Ω。圖4.35對(duì)數(shù)周期陣列局部示意圖圖4.36附加反射器的偶極子陣列雙面透視示意圖

圖4.37附加反射器的偶極子陣列的VSWR

天線的實(shí)物圖如圖4.38所示。圖4.38對(duì)數(shù)周期天線

該天線的增益如圖4.39所示。天線從3.5GHz左右開始進(jìn)入工作狀態(tài)，總的增益平均值可達(dá)到6dB，高頻端的增益高于5dB。其物理解釋為，在3.5GHz以下由于反射器沒(méi)有完全反射能量，造成了部分能量的逸出，因此增益只有3~4dB；在3.5GHz以上，較低頻率逐漸工作，增益進(jìn)一步升高；在GHz以上，由于前端引向器數(shù)量的減少，增益有所降低，符合對(duì)數(shù)周期天線的原理。圖4.39天線的增益

圖4.40是4GHz、6GHz、8GHz和10GHz天線的E面方向圖，圖4.41是天線的H面方向圖。由方向圖可以總結(jié)出以下特點(diǎn)：

(1)天線的最大輻射方向在端射方向上，輻射的能量集中在主瓣上。

(2)4個(gè)頻點(diǎn)天線的前后比均超過(guò)10dB。

(3)在較低頻率，

E面的主瓣波束逐漸變窄，符合對(duì)數(shù)周期天線的特性。在10GHz時(shí)，由于超過(guò)了3個(gè)倍頻，第一振子上有電流分布，反射器開始起作用，反射后的副瓣靠近主瓣，其波瓣反而變寬。圖4.404GHz、6GHz、8GHz和