北大天線理論課件：第四章行波天線new

1、第四章 行波天線天線上電流按行波分布的天線稱為行波天線（Travelling Wave Antenna）。行波天線具有如下特點：1) 電流為行波分布，不存在反射電流；2) 輸入阻抗和方向圖對頻率變化不敏感；3) 頻帶寬，絕對帶寬可達(dá)；4) 效率低。常用的行波天線主要有菱形天線、V形天線和螺旋天線等，用于短波波段的無線通信。4.1 長導(dǎo)線天線長度大于一個波長、其上電流按行波分布的導(dǎo)線構(gòu)成的天線，稱為長導(dǎo)線天線。為使導(dǎo)線上傳輸單一的行波電流，通常在其末端接一匹配負(fù)載以抑制反射波，見下圖所示。行波長導(dǎo)線天線4.1.1 輻射場假設(shè)導(dǎo)線沿軸放置，線上電流幅度相等、相位連續(xù)滯后。線上電流可以表示成：遠(yuǎn)區(qū)輻

2、射場為：式中r為原點到場點的距離，為射線與z軸之間的夾角。由此得到長導(dǎo)線天線的方向函數(shù)為：下圖是根據(jù)上式畫出的行波長導(dǎo)線天線的方向圖。長導(dǎo)線天線方向圖隨長度的變化導(dǎo)線長度為時的立體方向圖如上圖所示。方向圖特點：1) 沿軸線方向沒有輻射；2) 隨增長，最大輻射方向逐漸靠近軸線，同時主瓣變窄，副瓣增大、數(shù)目增多；3) 當(dāng)很大時，主瓣方向隨的變化很小，方向性具有寬頻帶特性。4.1.2 性能參數(shù)1) 最大輻射角與零點位置方向函數(shù)可以改寫成：當(dāng)很長時，項隨的變化比項要快得多，天線的最大輻射方向由決定。令則有：即：取，得到最大輻射角為：令，則有：由此得到零點出現(xiàn)的位置為：2) 輻射電阻由坡印廷矢量得到長導(dǎo)

3、線天線的輻射功率為：其中。由此得到輻射阻抗為：長行波長導(dǎo)線的輻射電阻在范圍內(nèi)，終端電阻應(yīng)等于輻射電阻的值。3) 方向系數(shù)由歸一化方向函數(shù)可得到方向系數(shù)表達(dá)式為：4) 輸入阻抗行波長導(dǎo)線的輸入阻抗幾乎是純電阻，假設(shè)長導(dǎo)線終端接有負(fù)載，輸入阻抗為：當(dāng)端接的負(fù)載與傳輸線匹配時，傳輸線上電流為行波分布，此時長導(dǎo)線天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，即。4.2 V形天線長導(dǎo)線天線的方向系數(shù)較低、副瓣高并且最大輻射張角受控于天線長度。因此工程上很少采用。為了克服長導(dǎo)線天線的缺點，常將兩根長導(dǎo)線組合在一起，其一端與饋線相連，另一端張開構(gòu)成V形天線。如下圖所示。V形天線的結(jié)構(gòu)通常是對稱的，即，。為使天線兩臂上

4、的電流按行波分布，形成單向輻射特性，必須消除V形端口處的反射。方法是在端口處接一電阻，其阻值等于V形傳輸線的特性阻抗，該端接電阻也可一分為二，各自與地連接，見下圖所示。V形天線單臂的方向圖為錐形，相對軸線的最大張角為。當(dāng)V形張角時，兩臂方向圖在V形角分線方向上疊加，構(gòu)成V形天線方向圖的主瓣。理論計算表明，當(dāng)時，可獲得理想的V形行波天線的方向圖。V形天線的副瓣來源于兩臂產(chǎn)生的方向圖中不參與疊加的另半個主波束。而天線所在平面以外，兩臂方向圖的疊加使得V形天線的方向圖較為復(fù)雜。4.2 菱形天線菱形天線由兩個V形天線在開口端相連接構(gòu)成，如下圖所示。一只銳角饋電，另一銳角端接一個與菱形天線特性阻抗相等的

5、匹配負(fù)載，使導(dǎo)線上形成行波電流。4.2.1 工作原理菱形天線單臂行波導(dǎo)線的最大輻射方向與其軸線的張角由導(dǎo)線的長度決定，適當(dāng)選擇菱形天線的銳角和四臂導(dǎo)線長度，可使與單臂最大輻射張角相等，即：也就是四根行波單導(dǎo)線各有一個最大輻射方向指向長對角線方向。菱形天線的輻射場為四根行波導(dǎo)線輻射場的矢量和。在長對角線方向，菱形天線1、2兩根行波導(dǎo)線合成電場矢量的總相位差為： （*）其中為兩導(dǎo)線上對應(yīng)電流源到觀察點波程差引起的相位差；為對應(yīng)電流源的相位差；為電場極化方向引起的相位差。由上圖（a）可以得到：帶入（*）式中，并令有：也就是說，在長對角線方向行波導(dǎo)線1、2的合成場同向疊加。在長對角線方向，對行波導(dǎo)線1

6、、3來說，波程差引起的相位差，電流源相位，電場極化相差，合成電場矢量總相位為：即行波導(dǎo)線1、3輻射場在對角線方向同向疊加，見上圖（b）。以上分析說明，菱形天線各邊的輻射場在長對角線方向上相同疊加，使得菱形天線的最大輻射方向指向負(fù)載方向，具有單向輻射特性。而在其它方向上，天線各邊輻射場不同相，疊加后形成多個副瓣，且副瓣電平較大，這是菱形天線的主要缺點。4.2.2 方向函數(shù)實際應(yīng)用中，常將菱形天線水平地架設(shè)在地面上，地面對天線性能的影響可用其鏡像等效。由于是負(fù)鏡像，菱形天線與其鏡像構(gòu)成等幅反相二元陣，因而沿地面方向為零輻射。菱形天線的分析較為繁瑣，這里只給出方向函數(shù)的公式。菱形天線過長軸的垂直平面

7、的方向函數(shù)為：式中為菱形的半鈍角，為主波束對地面的仰角，為天線的架設(shè)高度。當(dāng)?shù)扔谧畲筝椛浞较蜓鼋菚r，即，水平平面方向函數(shù)為：式中為相對于菱形長對角線的方位角。一般來說，菱形天線四臂的電長度越長，波瓣越窄，最大輻射方向的仰角越小，副瓣越多。下圖為根據(jù)上式畫出的菱形天線水平平面和垂直平面方向圖。菱形天線的輸入阻抗帶寬很寬，可達(dá)5：1。而方向圖帶寬由于受架設(shè)高度的影響，一般僅為2：1或3：1。4.2.3 尺寸選擇菱形天線最大輻射仰角與四臂的長度和架設(shè)高度有著密切的關(guān)系，菱形天線的設(shè)計要確保天線的最大仰角等于通信仰角，在此基礎(chǔ)上確定四臂的長度和架設(shè)高度。由菱形天線垂直平面的方向函數(shù)可知，要使取最大值，

8、必須使方向函數(shù)中每個因子為最大。令得到天線的架設(shè)高度應(yīng)為： （1）令，得到四臂的長度為： （2）而由，可得到菱形半鈍角為： （3）在通信仰角和工作頻率確定的前提下，根據(jù)上面（1）、（2）和（3）便可計算出菱形天線四臂的長度、菱形鈍角和架設(shè)高度，完成天線的設(shè)計。4.3螺旋天線（Helical Antenna）一根導(dǎo)線繞成螺旋狀，構(gòu)成螺旋天線。螺旋天線通常用同軸線饋電，螺旋線的一端與同軸線的內(nèi)導(dǎo)體相連，同軸線的外導(dǎo)體與垂直于天線的圓形接地板相連。接地板的直徑約為，用以減弱同軸線外表面的感應(yīng)電流，改善天線的輻射特性，同時減弱后向輻射。螺旋天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)有螺旋圈數(shù)N、直徑D、螺距S，導(dǎo)線半徑。天線長度

9、，螺旋周長，一圈導(dǎo)線長度，導(dǎo)線總長度。螺旋天線另一重要參數(shù)是螺距角，它是螺旋線的切線與垂直于軸線的平面之間的夾角?？捎上率酱_定：當(dāng)時，螺旋天線退化成匝數(shù)為N的圓環(huán)天線；時，螺旋天線變成了導(dǎo)線天線。調(diào)整螺旋天線的電尺寸，可改變天線的輻射特性。螺旋天線有兩種主要的工作模式，當(dāng)螺旋直徑（通常）時，天線的最大輻射方向垂直于天線軸向，稱為法向（側(cè)射）模式；當(dāng)螺旋直徑時，最大輻射方向為天線的軸向，稱為軸向（端射）模式。4.3.1 法向模螺旋天線法向模螺旋天線也稱為螺旋鞭天線，遠(yuǎn)區(qū)輻射場與的偶極子或半徑的電流環(huán)的輻射場類似，在垂直軸向輻射場最大，沿軸向輻射最小。當(dāng)螺距角時，法向模螺旋天線變成直徑為D的電流環(huán)

10、，而時，變成電偶極子。因此法向模螺旋天線的輻射場可以用電偶極子輻射場和電流環(huán)的輻射場來描述。法向模螺旋天線可看成由N個小電流環(huán)和N個基本電振子串接而成，如下圖所示。由于螺旋電尺寸很小，沿線電流可以認(rèn)為是等幅同相分布，遠(yuǎn)區(qū)場方向圖與螺旋的圈數(shù)N無關(guān)。法向模螺旋天線的輻射場可看成是N圈單螺旋輻射場的疊加，而單個螺旋由一個長為S的基本電陣子和一個半徑為D的小電流環(huán)構(gòu)成?；倦婈囎舆h(yuǎn)區(qū)電場為：小電流環(huán)的輻射電場為：單個螺旋的輻射電場為上面兩式的矢量和。兩個相互垂直分量的方向函數(shù)均為，相位相差，因此合成場是橢圓極化波。橢圓極化波的軸比表示為：當(dāng)時，軸比，螺旋線變成小電流環(huán)，輻射場為水平線極化波；當(dāng)時，螺

11、旋線變成垂直放置的基本電陣子，輻射場為垂直線極化波。而當(dāng)時，得到圓極化波，因此輻射場為圓極化波的條件為：螺距角為：螺旋天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足上述條件時，除的軸線方向以外，在其它任何方向的輻射場均為圓極化。法向模螺旋天線的長度，輻射特性對結(jié)構(gòu)參數(shù)依賴性很強，因此其帶寬較窄，效率也較低，工程上很少應(yīng)用。4.3.2 軸向模螺旋天線軸向模螺旋天線，線上電流按行波分布，最大輻射方向位于天線的軸向，遠(yuǎn)區(qū)輻射場為圓極化波。天線的增益為15dB左右，而且橫截面尺寸較小，在UHF頻段很受歡迎，可應(yīng)用于衛(wèi)星通信。軸向模式要求螺旋周長C約等于一個波長，實際上只要滿足下面條件：周長:，螺距:，螺距角:。并且圈數(shù)適中,就能得到良好的圓極化特性. 性能參數(shù)：1） 方向函數(shù)螺旋線上行波電流分布使天線產(chǎn)生軸向端射特性，螺旋天線可看成N個大圓環(huán)等間距排列在z軸上的端射陣，元函數(shù)為(大環(huán)天線的方向函數(shù))，由方向圖乘積定