非頻變天線1課件

第4章非頻變天線4.1非頻變天線的基本概念4.2平面等角螺旋天線4.3阿基米德螺旋天線4.4對數(shù)周期天線4.1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，還應考慮它的使用帶寬問題?，F(xiàn)代通信中，要求天線具有較寬的工作頻帶特性，以擴頻通信為例，擴頻信號帶寬較之原始信號帶寬遠遠超過10倍，再如通信偵察等領域均要求天線具有很寬的帶寬。習慣上，若天線的相對帶寬達百分之幾十以上，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更寬的頻率范圍內（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(FrequencyIndependentAntenna)。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)展產生了一個突破，可將帶寬擴展到超過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2∶1。我們已經知道，天線的電性能取決于它的電尺寸，所以當幾何尺寸一定時，頻率的變化導致電尺寸的變化，因而天線的性能也將隨之變化。非頻變天線的導出基于相似原理。相似原理是說：若天線的所有尺寸和工作頻率（或波長）按相同比例變化，則天線的特性保持不變。對于實用的天線，要實現(xiàn)非頻變特性必須滿足以下兩個條件。角度條件是指天線的幾何形狀僅僅由角度來確定，而與其它尺寸無關。例如無限長雙錐天線就是一個典型的例子，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關，僅僅決定于圓錐的張角。要滿足“角度條件”，天線結構需從中心點開始一直擴展到無限遠。1.角度條件非頻變天線可以分成兩類，一類天線的形狀僅由角度來確定，可在連續(xù)變化的頻率上得到非頻變特性，如無限長雙錐天線、平面等角螺旋天線以及阿基米德螺旋天線等。另一類天線的尺寸按某一特定的比例因子τ變化，天線在f和τf兩頻率上的性能是相同的，當然，在從f到τf的中間頻率上,天線性能是變化的，只要f與τf的頻率間隔不大，在中間頻率上，天線的性能變化也不會太大，用這種方法構造的天線是寬頻帶的。這種結構的一個典型例子是對數(shù)周期天線。非頻變天線主要應用于10～10000MHz頻段的諸如電視、定點通信、反射面和透鏡天線的饋源等方面。4.2.1平面等角螺旋天線的結構和工作原理圖4―2―1為平面等角螺旋天線(PlanarEquiangularSpiralAntenna)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4―2―2所示，其極4.2平面等角螺旋天線（4―2―1）圖4―2―1平面等角螺旋天線坐標方程為圖4―2―2等角螺旋線（4―2―2）式中，r為螺旋線矢徑；φ為極坐標中的旋轉角；r0為φ＝0°時的起始半徑；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Ψ處處相等，因此這種螺旋線稱為等角螺旋線，Ψ稱為螺旋角，它只與螺旋率有關，即圖4―2―2等角螺旋線圖4―2―2等角螺旋線在圖4―2―1所示的等角螺旋天線中，兩個臂的四條邊緣具有相同的a，若一條邊緣線為r1=r0eaφ，則只要將該邊緣旋轉δ角，就可得該臂的另一邊緣線r2=r0ea(φ-δ)。另一臂相當于該臂旋轉180°而構成，即r3=r0ea(φ-π)，r4=r0ea(φ-π-δ)。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形狀的要求。如果取δ＝π/2，天線的金屬臂與兩臂之間的空氣縫隙是同一形狀，稱為自補結構。圖4―2―1平面等角螺旋天線當兩臂的始端饋電時，可以把兩臂等角螺旋線看成是一對變形的傳輸線，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是一基本輻射片，它們的取向沿螺旋線而變化，總的輻射場就是這些元輻射場的疊加。實驗表明，臂上電流在流過約一個波長后就迅速衰減到20dB以下，終端效應很弱。因此，輻射場主要是由結構中周長約為一個波長以內的部分產生的，這個部分通常稱為有效輻射區(qū)，傳輸行波電流。換句話說螺旋天線存在“電流截斷效應”，超過截斷點的螺旋線部分對輻射沒有重大貢獻，在幾何上截去它們將不會對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的寬頻帶內實現(xiàn)近似的非頻變特性。波長改變后，有效區(qū)的幾何大小將隨波長成比例地變化，從而可以在一定的帶寬內得到近似的與頻率無關的特性。（4―2―3）對于自補結構，由上式可得（4―2―4）2.阻抗特性如前所述，當δ＝π/2時天線為自補結構，自補是互補的特殊情況?；パa天線類似于攝影中的像片和底片，互補天線的一個例子是金屬帶做成的對稱振子和無限大金屬平面上的縫隙，互補天線的阻抗具有下列性質:一般而言，平面等角螺旋天線在θ≤70°錐形范圍內接近圓極化。天線有效輻射區(qū)內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，總的輻射場是這些單元輻射場的疊加，因此等角螺旋天線軸向輻射場的極化與臂長相關。當頻率很低，全臂長比波長小得多時，為線極化；當頻率增高時，最終會變成圓極化。在許多實用情況下，軸比小于等于2的典型值發(fā)生在全臂長約為一個波長時,極化旋向與螺旋線繞向有關，例如，圖4―2―1所示平面等角螺旋天線沿紙面對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。3.極化特性4.工作帶寬等角螺旋天線的工作帶寬受其幾何尺寸影響，由內徑r0和最外緣的半徑R決定。實際的圓極化等角螺旋天線，外徑R≈λmax/4，內徑r0≈(1/4～1/8)λmin。根據(jù)臂長為1.5圈～3圈的實驗結果看，當a=0.221對應1.5圈螺旋時，其方向圖最佳。此時外半徑R=r0e0.221(3π)=8.03r0=λmax/4，在饋電點r=r0e0=r0=λmin/4，所以該天線可具有的相對帶寬為即典型相對帶寬為8∶1。若要增加相對帶寬，必須增加螺旋線的圈數(shù)或改變其參數(shù)，相對帶寬有可能達到20∶1。（4―2―5）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，當兩線之間的間距很小時，傳輸線不產生輻射。因此表面看,似乎螺旋線的輻射是彼此抵消的，事實并不盡然。為了明顯地將兩臂分開，在圖4―3―1(b)中分別用虛線和實線表示這兩個臂。研究圖中P、P′點處的兩線段，設，即P和Q為兩臂上的對應點，對應線段上的電流相位差為π，由Q點沿螺旋臂到P′點的弧長近似等于πr，這里r為的長度，故P點和P′點電流的相位差為π+(2π/λ)πr。圖4―3―1阿基米德螺旋天線若設r=λ/2π，則P和P′點相位差為2π。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，天線主要輻射是集中在周長約等于λ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，但它不是一個真正的非頻變天線，因為電流在工作區(qū)后不明顯減小，因而不能滿足截斷要求，必須在末端加載,以避免波的反射。通過在螺旋平面一側裝置圓柱形反射腔構成背腔式阿基米德螺旋天線(CavityBackedArchimedeanSpiralAntenna)，可得到單一主瓣，它可以嵌裝在運載體的表面下。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，故目前其應用愈來愈廣泛。4.4對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線(LogPeriodicAntenna,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：當天線按某一比例因子τ變換后仍等于它原來的結構，則天線的頻率為f和τf時性能相同。對數(shù)周期天線有多種型式，其中1960年提出的對數(shù)周期振子陣天線（LogPeriodicDipoleAntenna,LPDA），因具有極寬的頻帶特性，而且結構比較簡單，所以很快在短波、超短波和微波波段得到了廣泛應用。我們將以LPDA為例說明對數(shù)周期天線的特性。圖4―4―1對數(shù)周期振子陣天線（4―4―3）式中,Ln和an是第n個對稱振子的全長及半徑；Rn為第n個對稱振子到天線“頂點”（圖4―4―1中的“O”點）的距離；n為對稱振子的序列編號，從離開饋電點最遠的振子，即最長的振子算起。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，…，其比值即間距也是成τ的比例關系。綜合以上幾何關系可知,不論振子長度、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）實用中常常用間隔因子σ來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倍較長振子的長度2Ln之比，即（4―4―5）圖4―4―1中的α稱為對數(shù)周期振子陣天線的頂角。由例如圖4―4―6所示的對數(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轉換成了平行雙導線。作為整個天線系統(tǒng)的饋電線是同軸線，而直接與各振子連接的則是“集合線”。在集合線的末端(最長振子處)可以端接與它的特性阻抗相等的負載阻抗，也可以端接一段短路支節(jié)。適當調節(jié)短路支節(jié)的長度，可以減少電磁波在集合線終端的反射。當然，在最長振子處也可以不端接任何負載，具體情況可由調試結果選定。4.4.2對數(shù)周期振子陣天線的工作原理對數(shù)周期振子陣天線具有極寬的工作帶寬，達到10∶1或更寬一些。可以從概念上這樣來理解它的工作原理。在前面的學習中我們已經看到天線的方向特性、阻抗特性等等都是天線電尺寸的函數(shù)。如果設想當工作頻率按比例τ變化時，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。對數(shù)周期振子陣天線的饋電點選在最短振子處。天線的最大輻射方向將由最長振子端朝向最短振子的這一邊。天線的幾何結構參數(shù)σ和τ（當然也包括α）對天線電性能有著重要的影響，是設計對數(shù)周期振子陣天線的主要參數(shù)。該區(qū)域會在天線上前后移動（例如頻率增加時向短振子一端移動），使天線的電性能保持不變。另外，實驗還證實，對數(shù)周期振子陣天線上存在著“電流截斷效應”，即“輻射區(qū)”后面的較長振子激勵電流呈現(xiàn)迅速下降的現(xiàn)象，正因為對數(shù)周期振子陣天線具有這一特點，才有可能從無限大結構上截去長振子那邊無用的部分以后，還能在一定的頻率范圍內近似保持理想的無限大結構時的電特性。圖4―4―2給出τ=0.917，σ=0.619，工作頻率為200~600MHz的對數(shù)周期振子陣天線在頻率分別為200,300,600MHz時各振子激勵電流的分布情況。該圖說明在不同頻率時確實有相應的部分振子得到較強的激勵，超過該區(qū)域以后的較長振子的激勵電流很快地受到“截斷”。圖4―4―2在不同頻率下LPDA振子輸入端的電流分布原則上在

和fn之間的頻率上，天線難以滿足電尺寸不變。但是大量實驗證實，只要設計得當，即便比例因子τ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時的相當接近。所以對數(shù)周期振子陣天線能得到廣泛應用。根據(jù)對數(shù)周期振子陣天線上各部分對稱振子的工作情況，人們把整個天線分成三個工作區(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“非激勵區(qū)”，又稱“非諧振區(qū)”。下面分別介紹這三個區(qū)域的工作情況。在“非激勵區(qū)”，由于輻射區(qū)的對稱振子處于諧振狀態(tài)，振子的激勵電流很大，已將傳輸線送來的大部分能量輻射出去，能夠傳送到非激勵區(qū)的能量剩下很少，所以該區(qū)的對稱振子激勵電流也就變得很小，這種現(xiàn)象就是前面提到的“電流截斷”現(xiàn)象。由于振子的激勵電流很小，對外輻射自然也很弱。通常把輻射區(qū)定義為激勵電流值等于最大激勵電流1/3的那兩個振子之間的區(qū)域。這個區(qū)域的振子數(shù)Na原則上由幾何參數(shù)τ和在“傳輸區(qū)”，各對稱振子的電長度很短，振子的輸入阻抗（容抗）很大，因而激勵電流很小，所以它們的輻射很弱，主要起傳輸線的作用。圖1―4―7對稱振子的輸入阻抗曲線近似確定。其中K1和K2分別為工作頻帶高端和低端的“截斷常數(shù)”，由下列經驗公式確定：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。輻射區(qū)內的振子數(shù)越多，天線的方向性就越強，增益也會越高。為了簡明地分析輻射區(qū)的工作原理，我們不妨只取三個振子作為代表，如圖4―4―3所示。（4―4―8）σ決定，通常可以通過經驗公式圖4―4―3輻射區(qū)的工作原理4.4.3對數(shù)周期振子陣天線的電特性1.輸入阻抗對數(shù)周期振子陣天線的輸入阻抗是指它在饋電點（集合線始端）所呈現(xiàn)的阻抗。當高頻能從天線饋電點輸入以后，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于在集合線的對應點并聯(lián)上一個個附加電容，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）。輻射區(qū)是集合線的主要負載，由集合線送來的高頻能量幾乎被輻射區(qū)的振子全部吸收，并轉向空間輻射。輻射區(qū)后面的非諧振區(qū)的振子比諧振長度大得多，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)長度的適當調整，就可以使集合線上的反射波成分降到最低程度，于是可以近似地認為集合線上載行波。因而對數(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。圖4―4―4給出了圖4―4―2所示的對數(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。由該圖可以看出對數(shù)周期振子陣天線的輸入阻抗在工作頻帶（200~600MHz）內確實具有較小的電抗成分而且電阻部分變化也不太大，因而便于在帶寬內與饋線實現(xiàn)阻抗匹配。

圖4―4―4LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗圖4―4―4LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗圖4―4―4LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗圖4―4―4LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗由前面的分析可知對數(shù)周期振子陣天線為端射式天線，最大輻射方向為沿著集合線從最長振子指向最短振子的方向。因為當工作頻率變化時,天線的輻射區(qū)可以在天線上前后移動而保持相似的特性，其方向圖隨頻率的變化也是較小的，如圖4―4―4所示。圖中給出了頻率分別為200、400、600MHz時的E面和H面方向圖，實線為E面方向圖，虛線為H面方向圖。

根據(jù)該圖可以預計，當工作頻率低于頻帶低端頻率（本圖中為200MHz）時，例如150MHz，由于天線的最長振子不能滿足該頻率輻射區(qū)對天線長度的要求(150MHz時，要求輻射區(qū)中的最長振子L1/λ≥1/2，而該天線的L1=0.75m，L1/λ=0.75/2=0.375<0.5)，故天線將有著較大的尾瓣，增益比設計值10dB要低得多；反之，當工作頻率高于頻帶高端頻率時，如果最短振子長度過長，不能滿足輻射區(qū)的要求，方向圖也會有較大變化。2.方向圖與方向系數(shù)而在本圖中設計時多加了一個最短振子，其尺寸為0.172m，在f=650MHz時，相當于L/λ=0.172/0.462=0.37<0.5，仍基本滿足650MHz時對輻射區(qū)的要求，所以其方向圖只比頻率為600MHz時稍差一點。另外，由該圖還可以看出，對數(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，因為單個振子在H面內沒有方向性而在E面卻有一定的方向性。除了對數(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)τ以及σ還有一定的關系，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的關系?？偟膩砜?，τ越大，輻射區(qū)的振子數(shù)越多，天線的方向性越強，方向圖的半功率角就越小。表4―4―1表4―4―2對數(shù)周期振子陣天線的方向系數(shù)也與幾何參數(shù)τ和σ有關。它們的關系示于圖4―4―5。該圖說明對應于某一τ值，間隔因子存在一個最佳值σopt。對數(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=ηD≈D（4―4―11）前面的分析表明，在任何一個工作頻率上，對數(shù)周期振子陣天線只有輻射區(qū)的部分振子對輻射起主要作用，而并非所有振子都對輻射作重要貢獻，所以它的方向性不可能做到很強。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，屬于中等增益天線范疇。圖4―4―5方向系數(shù)D與τ和σ的關系曲線

3.極化和引向天線相似，對數(shù)周期振子陣天線也是線極化天線。當它的振子面水平架設時，輻射或接收水平極化波；當它的振子面垂直架設時，輻射或接收垂直極化波。4.帶寬對數(shù)周期振子陣天線的輻射區(qū)對振子長度有一定要求，所以它的工作帶寬將基本上由最長及最短振子尺寸限制。一般要求頻帶低端的最長振子長度L1滿足：L1=K1λL

（4―4―12）高端的最短振子長度LN滿足：LN=K2λH（4―4―13）式中,λL和λH分別為最低及最高工作波長；K1和K2分別由式(4―4―9)及(4―4―10)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）4.4.4對數(shù)周期振子陣天線的實際結構與應用實際應用于超短波的對數(shù)周期振子陣天線大都采用同軸電纜饋電。為了實現(xiàn)交叉饋電，通常由兩根等粗細的金屬管構成集合線，讓同軸電纜從其中的一根穿入到饋電點以后，圖4―4―6超短波LPDA的實際結構將外導體焊在該金屬管上，將內導體引出來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4―4―6所示。為了縮小對數(shù)周期振子陣天線的橫向尺寸，可以對其中較長的幾個振子使用類似于鞭狀天線加感、加容的方法。這樣架設的好處是,當頻率改變時能保持天線的電高度（H/λ）近似不變，從而保持天線的最大輻射方向不變。圖4―4―7水平振子式短波對數(shù)周期天數(shù)對數(shù)周期振子陣天線在短波波段也得到了應用。圖4―4―7為一種水平振子式短波對數(shù)周期天線(HorizontalDipoleShortWaveLPD)，它的陣面對地面傾斜Ψ角，且短振子一端高度較低。d值減小，H也隨之減小，但因d/λ保持不變,H/λ仍可保持不變，保證其最大輻射仰角

保持不變。其原理可通過圖4―4―8說明：當工作頻率發(fā)生變化時，對數(shù)周期天線上的輻射區(qū)隨之移動，頻率低時在高處，頻率高時向低處移，因而天線輻射的“相位中心”高度隨之移動。若天線相位中心與O的距離為