第4章非頻變天線

1、第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 第第4章章 非頻變天線非頻變天線 4.1 非頻變天線的基本概念非頻變天線的基本概念 4.2 平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線 4.3 阿基米德螺旋天線阿基米德螺旋天線 4.4 對(duì)數(shù)周期天線對(duì)數(shù)周期天線 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 4.1 非頻變天線的基本概念非頻變天線的基本概念 研究天線除了要分析、研究天線的方向特性和阻抗特性外，還應(yīng)考慮它的使用帶寬問(wèn)題?，F(xiàn)代通信中，要求天線具有較寬的工作頻帶特性，以擴(kuò)頻通信為例，擴(kuò)頻信號(hào)帶寬較之原始信號(hào)帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)10倍，再如通信偵察等領(lǐng)域均要求天線具有很寬的帶寬。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 習(xí)慣上，

2、若天線的相對(duì)帶寬達(dá)百分之幾十以上，則把這類天線稱為寬頻帶天線。若天線的阻抗特性和方向性能在一個(gè)更寬的頻率范圍內(nèi)（例如頻帶寬度為10 1或更高）保持不變或稍有變化，則把這一類天線稱為非頻變天線(FrequencyIndependent Antenna)。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 非頻變天線概念是由拉姆西（V.H.Rumsey）于1957年提出的，使天線的發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)突破，可將帶寬擴(kuò)展到超過(guò)40 1，在此之前，具有寬頻帶方向性和阻抗特性的天線其帶寬不超過(guò)2 1。我們已經(jīng)知道，天線的電性能取決于它的電尺寸，所以當(dāng)幾何尺寸一定時(shí)，頻率的變化導(dǎo)致電尺寸的變化，因而天線的性能也將隨之變化。非

3、頻變天線的導(dǎo)出基于相似原理。相似原理是說(shuō)：若天線的所有尺寸和工作頻率（或波長(zhǎng)）按相同比例變化，則天線的特性保持不變。對(duì)于實(shí)用的天線，要實(shí)現(xiàn)非頻變特性必須滿足以下兩個(gè)條件。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 1. 角度條件 角度條件是指天線的幾何形狀僅僅由角度來(lái)確定，而與其它尺寸無(wú)關(guān)。例如無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線就是一個(gè)典型的例子，由于錐面上只有行波電流存在，故其阻抗特性和方向特性將與頻率無(wú)關(guān)，僅僅決定于圓錐的張角。要滿足“角度條件”，天線結(jié)構(gòu)需從中心點(diǎn)開始一直擴(kuò)展到無(wú)限遠(yuǎn)。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 2. 終端效應(yīng)弱 實(shí)際天線的尺寸總是有限的，與無(wú)限長(zhǎng)天線的區(qū)別就在于它有一個(gè)終端的限制。若

4、天線上電流衰減得快，則決定天線輻射特性的主要部分是載有較大電流的部分，而其延伸部分的作用很小，若將其截除，對(duì)天線的電性能不會(huì)造成顯著的影響。在這種情況下，有限長(zhǎng)天線就具有無(wú)限長(zhǎng)天線的電性能，這種現(xiàn)象就是終端效應(yīng)弱的表現(xiàn)，反之則為終端效應(yīng)強(qiáng)。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 由于實(shí)際結(jié)構(gòu)不可能是無(wú)線長(zhǎng)，使得實(shí)際有限長(zhǎng)天線有一工作頻率范圍，工作頻率的下限是截?cái)帱c(diǎn)處的電流變得可以忽略的頻率，而存在頻率上限是由于饋電端不能再視為一點(diǎn)，通常約為1/8高端截止波長(zhǎng)。 非頻變天線可以分成兩類，一類天線的形狀僅由角度來(lái)確定，可在連續(xù)變化的頻率上得到非頻變特性，如無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線、平面等角螺旋天線以及阿基米德

5、螺旋天線等。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 另一類天線的尺寸按某一特定的比例因子變化，天線在f和f兩頻率上的性能是相同的，當(dāng)然，在從f到f的中間頻率上,天線性能是變化的，只要f與f的頻率間隔不大，在中間頻率上，天線的性能變化也不會(huì)太大，用這種方法構(gòu)造的天線是寬頻帶的。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型例子是對(duì)數(shù)周期天線。非頻變天線主要應(yīng)用于1010000MHz頻段的諸如電視、定點(diǎn)通信、反射面和透鏡天線的饋源等方面。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 4.2 平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線 4.2.1 平面等角螺旋天線的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖421為平面等角螺旋天線(Planar Equiangular

6、 Spiral Antenna)示意圖，是V.H.Rumsey提出的一種角度天線，雙臂用金屬片制成，具有對(duì)稱性，每一臂都有兩條邊緣線，均為等角螺旋線。等角螺旋線如圖422所示，其極坐標(biāo)方程為0rre（421） 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 式中，r為螺旋線矢徑；為極坐標(biāo)中的旋轉(zhuǎn)角；r0為0時(shí)的起始半徑；1/a為螺旋率，決定螺旋線張開的快慢。 由于螺旋線與矢徑之間的夾角處處相等，因此這種螺旋線稱為等角螺旋線，稱為螺旋角，它只與螺旋率有關(guān)，即1arctana（422） 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖421 平面等角螺旋天線 Rr2r1r3r4第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線

7、圖422 等角螺旋線 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 在圖421所示的等角螺旋天線中，兩個(gè)臂的四條邊緣具有相同的a，若一條邊緣線為r1=r0ea，則只要將該邊緣旋轉(zhuǎn)角，就可得該臂的另一邊緣線r2=r0ea(-)。另一臂相當(dāng)于該臂旋轉(zhuǎn)180而構(gòu)成，即r3=r0ea(-)，r4=r0ea(-)。由于平面等角螺旋天線臂的邊緣僅由角度描述，因而滿足非頻變天線對(duì)形狀的要求。如果取/2，天線的金屬臂與兩臂之間的空氣縫隙是同一形狀，稱為自補(bǔ)結(jié)構(gòu)。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 當(dāng)兩臂的始端饋電時(shí)，可以把兩臂等角螺旋線看成是一對(duì)變形的傳輸線，臂上電流沿線邊傳輸，邊輻射，邊衰減。螺旋線上的每一小段都

8、是一基本輻射片，它們的取向沿螺旋線而變化，總的輻射場(chǎng)就是這些元輻射場(chǎng)的疊加。實(shí)驗(yàn)表明，臂上電流在流過(guò)約一個(gè)波長(zhǎng)后就迅速衰減到20dB以下，終端效應(yīng)很弱。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 因此，輻射場(chǎng)主要是由結(jié)構(gòu)中周長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)的部分產(chǎn)生的，這個(gè)部分通常稱為有效輻射區(qū)，傳輸行波電流。換句話說(shuō)螺旋天線存在“電流截?cái)嘈?yīng)”，超過(guò)截?cái)帱c(diǎn)的螺旋線部分對(duì)輻射沒(méi)有重大貢獻(xiàn)，在幾何上截去它們將不會(huì)對(duì)保留部分的電性能造成顯著影響，因而，可以用有限尺寸的等角螺旋天線在相應(yīng)的寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)近似的非頻變特性。波長(zhǎng)改變后，有效區(qū)的幾何大小將隨波長(zhǎng)成比例地變化，從而可以在一定的帶寬內(nèi)得到近似的與頻率無(wú)關(guān)的特性。

9、第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 4.2.2 平面等角螺旋天線的電性能 1.方向性 自補(bǔ)平面等角螺旋天線的輻射是雙向的，最大輻射方向在平面兩側(cè)的法線方向上。若設(shè)為天線平面的法線與射線之間的夾角，則方向圖可近似表示為cos，半功率波瓣寬度近似為90。 因?yàn)槠矫娴冉锹菪炀€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(Conical Equiangular Spiral Antenna)，如圖4 23所示。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖423 圓錐等角螺旋天線 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 2. 阻抗特性 如前所述，當(dāng)/2時(shí)天線為

10、自補(bǔ)結(jié)構(gòu)，自補(bǔ)是互補(bǔ)的特殊情況?；パa(bǔ)天線類似于攝影中的像片和底片，互補(bǔ)天線的一個(gè)例子是金屬帶做成的對(duì)稱振子和無(wú)限大金屬平面上的縫隙，互補(bǔ)天線的阻抗具有下列性質(zhì):（423） 對(duì)于自補(bǔ)結(jié)構(gòu)，由上式可得 （424） 202）（金屬縫隙ZZ5 .18820縫隙金屬ZZ第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 3.極化特性 一般而言，平面等角螺旋天線在70錐形范圍內(nèi)接近圓極化。天線有效輻射區(qū)內(nèi)的每一段螺旋線都是基本輻射單元，但它們的取向沿螺旋線變化，總的輻射場(chǎng)是這些單元輻射場(chǎng)的疊加，因此等角螺旋天線軸向輻射場(chǎng)的極化與臂長(zhǎng)相關(guān)。當(dāng)頻率很低，全臂長(zhǎng)比波長(zhǎng)小得多時(shí)，為線極化；當(dāng)頻率增高時(shí)，最終會(huì)變成圓極化。在許多

11、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)。極化旋向與螺旋線繞向有關(guān)，例如，圖421所示平面等角螺旋天線沿紙面對(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。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 4. 工作帶寬 等角螺旋天線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，外徑Rmax/4，內(nèi)徑r0(1/41/8)min。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(3)=8.03r0=max/4，在饋電點(diǎn)r=r0e0=r0=min/4，所以該天線可具有的相對(duì)

12、帶寬為第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 即典型相對(duì)帶寬為8 1。若要增加相對(duì)帶寬，必須增加螺旋線的圈數(shù)或改變其參數(shù)，相對(duì)帶寬有可能達(dá)到20 1。maxmax0minmin0/48.028.03/4rr（425） 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 4.3 阿基米德螺旋天線阿基米德螺旋天線 阿基米德螺旋天線(Archimedean Spiral Antenna)如圖431(a)所示，這種天線像許多螺旋天線一樣，采用印刷電路技術(shù)很容易制造。天線的兩個(gè)螺旋臂方程分別是 1020()rrrr（431） 式中r0對(duì)應(yīng)于=0rad的矢徑。這一天線的性能基本上與等角螺旋天線類似。 第第4 4章章 非頻

13、變天線非頻變天線 圖431 阿基米德螺旋天線 QOPP(a)(b)第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 我們可以近似地將螺旋線等效為雙線傳輸線，根據(jù)傳輸線理論，兩根傳輸線上的電流反相，當(dāng)兩線之間的間距很小時(shí)，傳輸線不產(chǎn)生輻射。因此表面看,似乎螺旋線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，在圖431(b)中分別用虛線和實(shí)線表示這兩個(gè)臂。研究圖中P、P點(diǎn)處的兩線段，設(shè) ，即P和Q為兩臂上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)線段上的電流相位差為+(2/)r。 POQQ第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 若設(shè)r=/2，則P和P點(diǎn)相位差為2。因此，若滿足上述條件，兩線段的輻射是同相疊加而非相消的。 換句話說(shuō)

14、，天線主要輻射是集中在周長(zhǎng)約等于的螺旋環(huán)帶上，稱之為有效輻射帶。隨著頻率的變化，有效輻射帶也隨之變化，故阿基米德螺旋天線具有寬頻帶特性。雖然這一天線可以在很寬頻帶上工作，但它不是一個(gè)真正的非頻變天線，因?yàn)殡娏髟诠ぷ鲄^(qū)后不明顯減小，因而不能滿足截?cái)嘁?，必須在末端加載,以避免波的反射。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 通過(guò)在螺旋平面一側(cè)裝置圓柱形反射腔構(gòu)成背腔式阿基米德螺旋天線(CavityBacked Archimedean Spiral Antenna)，可得到單一主瓣，它可以嵌裝在運(yùn)載體的表面下。 阿基米德螺旋天線具有寬頻帶、圓極化、尺寸小、效率高以及可以嵌裝等優(yōu)點(diǎn)，故目前其應(yīng)用愈來(lái)

15、愈廣泛。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 4.4 對(duì)數(shù)周期天線對(duì)數(shù)周期天線 對(duì)數(shù)周期天線(Log Periodic Antenna,LPA)于1957年提出，是非頻變天線的另一類型，它基于以下相似概念：當(dāng)天線按某一比例因子變換后仍等于它原來(lái)的結(jié)構(gòu)，則天線的頻率為f和f時(shí)性能相同。對(duì)數(shù)周期天線有多種型式，其中1960年提出的對(duì)數(shù)周期振子陣天線（LogPeriodic Dipole Antenna,LPDA），因具有極寬的頻帶特性，而且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所以很快在短波、超短波和微波波段得到了廣泛應(yīng)用。我們將以LPDA為例說(shuō)明對(duì)數(shù)周期天線的特性。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 4.4.1 對(duì)

16、數(shù)周期振子陣天線的結(jié)構(gòu) 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的結(jié)構(gòu)如圖441所示。它由若干個(gè)對(duì)稱振子組成，在結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)： （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。若用來(lái)表示該比例系數(shù)并稱為比例因子，則要求： 111nnnnnnLaLaRR（441） （442） 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖441 對(duì)數(shù)周期振子陣天線 ORn1Rndn第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 式中,Ln和an是第n個(gè)對(duì)稱振子的全長(zhǎng)及半徑；Rn為第n個(gè)對(duì)稱振子到天線“頂點(diǎn)”（圖441中的“O”點(diǎn)）的距離；n為對(duì)稱振子的序列編號(hào)，從離開饋電點(diǎn)最遠(yuǎn)的振子，即最長(zhǎng)的振子算起。 由圖441知，相鄰振子之間的

17、距離為 dn=Rn-Rn+1，dn+1=Rn+1-Rn+2，其比值11211(1)(1)nnnnnnnndRRRdRRR（443） 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 即間距也是成的比例關(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)變化： 1111nnnnnnnnLaRdLaRd（444） 實(shí)用中常常用間隔因子來(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2nndL（445） 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖441中的稱為對(duì)數(shù)周期振子陣天線的頂角。它與及之間具有如下關(guān)系：124tan212ar

18、ctan4ndL（446a） （446b） 這里利用了 (1)2tan2nnLd第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 的關(guān)系式，該式由 1/2(1),tan2nnnnnnLdRRRR得出。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 （2）相鄰振子交叉饋電(Cross Feed)。 通常把給各振子饋電的那一段平行線稱為“集合線”，以區(qū)別于整個(gè)天線系統(tǒng)的饋線。例如圖446所示的對(duì)數(shù)周期振子陣天線是用同軸電纜作饋線的，但在給各振子饋電時(shí)轉(zhuǎn)換成了平行雙導(dǎo)線。作為整個(gè)天線系統(tǒng)的饋電線是同軸線，而直接與各振子連接的則是“集合線”。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 在集合線的末端(最長(zhǎng)振子處)可以端接與它的特

19、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終端的反射。當(dāng)然，在最長(zhǎng)振子處也可以不端接任何負(fù)載，具體情況可由調(diào)試結(jié)果選定。 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的饋電點(diǎn)選在最短振子處。天線的最大輻射方向?qū)⒂勺铋L(zhǎng)振子端朝向最短振子的這一邊。天線的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和（當(dāng)然也包括）對(duì)天線電性能有著重要的影響，是設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)周期振子陣天線的主要參數(shù)。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 4.4.2 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的工作原理 對(duì)數(shù)周期振子陣天線具有極寬的工作帶寬，達(dá)到10 1或更寬一些?？梢詮母拍钌线@樣來(lái)理解它的工作原理。 在前面的學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)看到天線的方向特性、阻抗特性等等

20、都是天線電尺寸的函數(shù)。如果設(shè)想當(dāng)工作頻率按比例變化時(shí)，仍然保持天線的電尺寸不變，則在這些頻率上天線就能保持相同的電特性。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 就對(duì)數(shù)周期振子陣天線來(lái)說(shuō)，假定工作頻率為f1（1）時(shí)，只有第“1”個(gè)振子工作，其電尺寸為L(zhǎng)1/1，其余振子均不工作；當(dāng)工作頻率升高到f3（3）時(shí)，換成只有第“2”個(gè)振子工作，電尺寸為L(zhǎng)2/2，其余振子均不工作；當(dāng)工作頻率升高到f2（2）時(shí)，只有第“3”個(gè)振子工作，電尺寸為L(zhǎng)3/3;依次類推。顯然，如果這些頻率能保證 123123,LLL第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 則在這些頻率上天線可以具有不變的電特性。因?yàn)閷?duì)數(shù)周期振子陣天線各振

21、子尺寸滿足Ln+1/Ln=，就要求這些頻率滿足n+1/n=或fn+1/fn=1/。如果我們把取得十分接近于1，則能滿足以上要求的天線的工作頻率就趨近連續(xù)變化。假如天線的幾何結(jié)構(gòu)為無(wú)限大，那么該天線的工作頻帶就可以達(dá)到無(wú)限寬。 由于能實(shí)現(xiàn)天線電性能不變的頻率滿足fn+1/fn=1/，對(duì)它取對(duì)數(shù)得到11lnlnlnnnff（447） 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 該式表明，只有當(dāng)工作頻率的對(duì)數(shù)作周期性變化時(shí)(周期為ln(1/)，天線的電性能才保持不變，所以，把這種天線稱為對(duì)數(shù)周期天線。 實(shí)際上并不是對(duì)應(yīng)于每個(gè)工作頻率只有一個(gè)振子在工作，而且天線的結(jié)構(gòu)也是有限的。這樣一來(lái)，以上的分析似乎完全

22、不能成立。然而值得慶幸的是,實(shí)驗(yàn)證實(shí)了對(duì)數(shù)周期振子陣天線上確實(shí)存在著類似于一個(gè)振子工作的一個(gè)電尺寸一定的“輻射區(qū)”或“有效區(qū)”，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的振子長(zhǎng)度在/2附近，具有較強(qiáng)的激勵(lì)，對(duì)輻射將作出主要貢獻(xiàn)。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，該區(qū)域會(huì)在天線上前后移動(dòng)（例如頻率增加時(shí)向短振子一端移動(dòng)），使天線的電性能保持不變。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 另外，實(shí)驗(yàn)還證實(shí)，對(duì)數(shù)周期振子陣天線上存在著“電流截?cái)嘈?yīng)”，即“輻射區(qū)”后面的較長(zhǎng)振子激勵(lì)電流呈現(xiàn)迅速下降的現(xiàn)象，正因?yàn)閷?duì)數(shù)周期振子陣天線具有這一特點(diǎn)，才有可能從無(wú)限大結(jié)構(gòu)上截去長(zhǎng)振子那邊無(wú)用的部分以后，還能在一定的頻率范圍內(nèi)近似保持理想的無(wú)限大結(jié)構(gòu)時(shí)的電特

23、性。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖442給出=0.917，=0.619，工作頻率為200600MHz的對(duì)數(shù)周期振子陣天線在頻率分別為200 ,300 ,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?。第? 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖442 在不同頻率下LPDA振子輸入端的電流分布 0.172 m0.75 m(a)第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 振子輸入端電流振幅相對(duì)分布振子序列編號(hào)600 MHz400 MHz200 MHz0.910.80.70.60.50.40.30.

24、20.10024681012141618(b)圖442 在不同頻率下LPDA振子輸入端的電流分布 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 原則上在 和fn之間的頻率上，天線難以滿足電尺寸不變。但是大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，即便比例因子值不是非常接近于1，也能使該頻率之間的天線電性能與fn或fn+1時(shí)的相當(dāng)接近。所以對(duì)數(shù)周期振子陣天線能得到廣泛應(yīng)用。 根據(jù)對(duì)數(shù)周期振子陣天線上各部分對(duì)稱振子的工作情況，人們把整個(gè)天線分成三個(gè)工作區(qū)域：除“輻射區(qū)”以外，從電源到輻射區(qū)之間的一段，稱為“傳輸區(qū)”；“輻射區(qū)”以后的部分為“非激勵(lì)區(qū)”，又稱“非諧振區(qū)”。下面分別介紹這三個(gè)區(qū)域的工作情況。 11()nnff

25、第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 在“傳輸區(qū)”，各對(duì)稱振子的電長(zhǎng)度很短，振子的輸入阻抗（容抗）很大，因而激勵(lì)電流很小，所以它們的輻射很弱，主要起傳輸線的作用。在“非激勵(lì)區(qū)”，由于輻射區(qū)的對(duì)稱振子處于諧振狀態(tài)，振子的激勵(lì)電流很大，已將傳輸線送來(lái)的大部分能量輻射出去，能夠傳送到非激勵(lì)區(qū)的能量剩下很少，所以該區(qū)的對(duì)稱振子激勵(lì)電流也就變得很小，這種現(xiàn)象就是前面提到的“電流截?cái)唷爆F(xiàn)象。由于振子的激勵(lì)電流很小，對(duì)外輻射自然也很弱。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 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)和決定，通?？梢酝ㄟ^(guò)經(jīng)驗(yàn)公

26、式21lg(/)1lgaKKN （448） 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 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=1.01-0.519 （449） K2=7.103-21.32+21.98-7.30+ (21.82-66+62.122-18.293)（4410） 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 43所示。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖443 輻射區(qū)的工作原理 abcdadbUaIaIaUcIcUaUc

27、UbIbacac(a)(b)第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 4.4.3 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的電特性 1.輸入阻抗 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的輸入阻抗是指它在饋電點(diǎn)（集合線始端）所呈現(xiàn)的阻抗。當(dāng)高頻能從天線饋電點(diǎn)輸入以后，電磁能將沿集合線向前傳輸，傳輸區(qū)的那些振子，電長(zhǎng)度很小，輸入端呈現(xiàn)較大的容抗，因而它們輸入端的電流很小，它們的主要影響相當(dāng)于在集合線的對(duì)應(yīng)點(diǎn)并聯(lián)上一個(gè)個(gè)附加電容，從而改變了集合線的分布參數(shù)，使集合線的特性阻抗降低（傳輸線的特性阻抗與分布電容的平方根成反比）。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 輻射區(qū)是集合線的主要負(fù)載，由集合線送來(lái)的高頻能量幾乎被輻射區(qū)的振子全部吸收，并轉(zhuǎn)向

28、空間輻射。輻射區(qū)后面的非諧振區(qū)的振子比諧振長(zhǎng)度大得多，由于它們能夠得到的高頻能量很小，能從集合線終端反射的能量也就非常小。如果再加上集合線終端所接的短路支節(jié)長(zhǎng)度的適當(dāng)調(diào)整，就可以使集合線上的反射波成分降到最低程度，于是可以近似地認(rèn)為集合線上載行波。因而對(duì)數(shù)周期振子陣天線的輸入阻抗就近似地等于考慮到傳輸區(qū)振子影響后的集合線特性阻抗，其基本上是電阻性的，電抗成分不大。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖444給出了圖442所示的對(duì)數(shù)周期振子陣天線在不同頻率上的方向圖，增益G和輸入阻抗Zin。 由該圖可以看出對(duì)數(shù)周期振子陣天線的輸入阻抗在工作頻帶（200600MHz）內(nèi)確實(shí)具有較小的電抗成分而且

29、電阻部分變化也不太大，因而便于在帶寬內(nèi)與饋線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖444 LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗 0f200 MHzG8.75 dBZin69j712015018090603033030027024021010.5第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖444 LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖444 LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖444 LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 2.方向圖與方向系數(shù) 由前面的分析可知對(duì)數(shù)周期振子陣天線為

30、端射式天線，最大輻射方向?yàn)檠刂暇€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),天線的輻射區(qū)可以在天線上前后移動(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444所示。圖中給出了頻率分別為200、400、600MHz時(shí)的E面和H面方向圖，實(shí)線為E面方向圖，虛線為H面方向圖。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 根據(jù)該圖可以預(yù)計(jì)，當(dāng)工作頻率低于頻帶低端頻率（本圖中為200MHz）時(shí)，例如150MHz，由于天線的最長(zhǎng)振子不能滿足該頻率輻射區(qū)對(duì)天線長(zhǎng)度的要求(150MHz時(shí)，要求輻射區(qū)中的最長(zhǎng)振子L1/1/2，而該天線的L1=0.75m，L1/=0.75/2=0.3750.5)，

31、故天線將有著較大的尾瓣，增益比設(shè)計(jì)值10dB要低得多；反之，當(dāng)工作頻率高于頻帶高端頻率時(shí)，如果最短振子長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，不能滿足輻射區(qū)的要求，方向圖也會(huì)有較大變化。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 而在本圖中設(shè)計(jì)時(shí)多加了一個(gè)最短振子，其尺寸為0.172m，在f=650MHz時(shí)，相當(dāng)于L/=0.172/0.462=0.370.5，仍基本滿足650MHz時(shí)對(duì)輻射區(qū)的要求，所以其方向圖只比頻率為600MHz時(shí)稍差一點(diǎn)。 另外，由該圖還可以看出，對(duì)數(shù)周期振子陣天線的E面方向圖總是較H面的要窄一些。這是合理的，因?yàn)閱蝹€(gè)振子在H面內(nèi)沒(méi)有方向性而在E面卻有一定的方向性。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 除

32、了對(duì)數(shù)周期振子陣天線方向圖具有寬帶特性之外，它的半功率角與幾何參數(shù)以及還有一定的關(guān)系，表441和442分別給出了E面和H面半功率角與及的關(guān)系?？偟膩?lái)看，越大，輻射區(qū)的振子數(shù)越多，天線的方向性越強(qiáng)，方向圖的半功率角就越小。 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 表 441 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 表 442 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的方向系數(shù)也與幾何參數(shù)和有關(guān)。它們的關(guān)系示于圖445。該圖說(shuō)明對(duì)應(yīng)于某一值，間隔因子存在一個(gè)最佳值opt。 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的效率也較高，所以它的增益系數(shù)近似等于方向系數(shù)，即 G=DD （4411）第第4 4章章 非頻變

33、天線非頻變天線 圖445 方向系數(shù)D與和的關(guān)系曲線 1.0 0.98 0.96 0.94 0.92 0.90 0.880.86 0.84 0.82 0.80 0.78比例因子0.060.080.100.120.140.160.180.200.22間隔因子11.511dB10.510dB9.59dB8.58dB7.5最佳12dB第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 前面的分析表明，在任何一個(gè)工作頻率上，對(duì)數(shù)周期振子陣天線只有輻射區(qū)的部分振子對(duì)輻射起主要作用，而并非所有振子都對(duì)輻射作重要貢獻(xiàn)，所以它的方向性不可能做到很強(qiáng)。方向圖的波束寬度一般都是幾十度，方向系數(shù)或天線增益也只有10dB左右，屬于中

34、等增益天線范疇。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 3.極化 和引向天線相似，對(duì)數(shù)周期振子陣天線也是線極化天線。當(dāng)它的振子面水平架設(shè)時(shí)，輻射或接收水平極化波；當(dāng)它的振子面垂直架設(shè)時(shí)，輻射或接收垂直極化波。 4.帶寬 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的輻射區(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滿足：第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 L1=K1L （4412） 高端的最短振子長(zhǎng)度LN滿足： LN=K2H （4413） 式中,L和H分別為最低及最高工作波長(zhǎng)；K1和K2分別由式(449)及(4410)確定。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天

35、線 4.4.4 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的實(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，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的兩根金屬管上，如圖446所示。第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 圖446 超短波LPDA的實(shí)際結(jié)構(gòu) 饋點(diǎn)振子同軸電纜穿入第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 為了縮小對(duì)數(shù)周期振子陣天線的橫向尺寸，可以對(duì)其中較長(zhǎng)的幾個(gè)振子使用類似于鞭狀天線加感、加容的方法。 對(duì)數(shù)周期振子陣天線在短波波段也得到了應(yīng)用。圖447為一種水平振子式短波對(duì)數(shù)周期天線(Horizontal Dipole Short Wave LPD)，它的陣面對(duì)地面傾斜角，且短振子一端高度較低。這樣架設(shè)的好處是,當(dāng)頻率改變時(shí)能保持天線的電高度（H/）近似不變，從而保持天線的最大輻射方向不變。其原理可通過(guò)圖448說(shuō)明：當(dāng)工作頻率發(fā)生變化時(shí)， 第第4 4章章 非頻變天線非頻變天線 對(duì)數(shù)周期天線上的輻射區(qū)隨之移動(dòng)，頻率低時(shí)在高處，頻率高時(shí)