《天線(xiàn)工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課件第3章

第3章線(xiàn)天線(xiàn)3.1對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)3.2單極子天線(xiàn)3.3八木天線(xiàn)3.4環(huán)形天線(xiàn)3.5螺旋天線(xiàn)3.6

角反射器天線(xiàn)及背射天線(xiàn)

天線(xiàn)的分類(lèi)方法很多，按天線(xiàn)的主體結(jié)構(gòu)形式可分為線(xiàn)天線(xiàn)和面天線(xiàn)。通常，當(dāng)天線(xiàn)輻射體的截面半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，可將該天線(xiàn)歸類(lèi)于線(xiàn)天線(xiàn)。相對(duì)而言，線(xiàn)天線(xiàn)是較為簡(jiǎn)

單的天線(xiàn)形式，因此很多教材對(duì)天線(xiàn)輻射機(jī)理和主要參數(shù)的講述都會(huì)以最原始的線(xiàn)天線(xiàn)——電基本振子作為出發(fā)點(diǎn)。常用的作為基礎(chǔ)類(lèi)型的線(xiàn)天線(xiàn)包括對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)、單極子

天線(xiàn)、環(huán)形天線(xiàn)、螺旋天線(xiàn)、行波線(xiàn)天線(xiàn)(V形、菱形)等。

為適應(yīng)不同的需求，由上述基礎(chǔ)類(lèi)型發(fā)展出各種線(xiàn)天線(xiàn):以增大帶寬為目標(biāo)的領(lǐng)結(jié)形對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)、籠形天線(xiàn)、套筒天線(xiàn)

等；以提高增益為目標(biāo)的八木天線(xiàn)、對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)、線(xiàn)天線(xiàn)陣列等；以易于集成為目標(biāo)的平面印刷天線(xiàn)，如印刷對(duì)稱(chēng)振子、印刷八木天線(xiàn)、印刷對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)等。上述這些天線(xiàn)從機(jī)理

上來(lái)講都可以歸入線(xiàn)天線(xiàn)的類(lèi)別。另外，根據(jù)巴俾涅等效原理，有時(shí)縫隙天線(xiàn)也可以被等效為線(xiàn)天線(xiàn)來(lái)進(jìn)行分析。

本章基于實(shí)際的設(shè)計(jì)需求，重點(diǎn)介紹對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)(包括籠形對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn))、單極子天線(xiàn)(包括套筒單極子天線(xiàn))、八木天線(xiàn)、環(huán)形天線(xiàn)和螺旋天線(xiàn)。而對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)等其他線(xiàn)

天線(xiàn)將在后續(xù)的章節(jié)中結(jié)合寬頻帶設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行介紹。

3.1對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)圖3.1對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)

圖3.1所示的對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)是較為常見(jiàn)的最基本的天線(xiàn)形式之一。它由等長(zhǎng)的兩臂構(gòu)成，在兩臂中間進(jìn)行饋電。其單臂長(zhǎng)度可記為L(zhǎng)。對(duì)稱(chēng)振子的振子截面通常為圓形，半徑可記為a。

對(duì)稱(chēng)振子產(chǎn)生的輻射場(chǎng)是兩個(gè)臂上由饋源激勵(lì)的電流疊加構(gòu)成的，其表達(dá)式為

其中:Im

表示饋電電流對(duì)應(yīng)的峰值(并不一定對(duì)應(yīng)于饋電電流)；l表示天線(xiàn)長(zhǎng)度；

r為對(duì)稱(chēng)振子距觀察點(diǎn)的距離；β0為衰減常數(shù)，其對(duì)應(yīng)的方向函數(shù)為

輸入阻抗為

其中：

Im

、l、β0的意義同式(31)；

α表示對(duì)稱(chēng)振子的相移常數(shù)；

ZCA為對(duì)稱(chēng)振子的特性阻抗。

當(dāng)對(duì)稱(chēng)振子的長(zhǎng)度約為半個(gè)工作波長(zhǎng)時(shí)，稱(chēng)其為半波振子，此時(shí)天線(xiàn)的輸入阻抗為73Ω，可以產(chǎn)生具有良好對(duì)稱(chēng)性的輻射方向圖。半波振子是應(yīng)用最為廣泛的基本天線(xiàn)形式。

利用電磁軟件對(duì)對(duì)稱(chēng)振子進(jìn)行仿真時(shí)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。由圖3.2可以看出，天線(xiàn)由矩形片構(gòu)成的饋電端口和兩個(gè)圓柱形輻射臂構(gòu)成。由于振子末端的縮短效應(yīng)，天線(xiàn)的長(zhǎng)度會(huì)略小于半波波長(zhǎng)。圖3.3給出對(duì)稱(chēng)振子產(chǎn)生的三維輻射方向圖，圖3.4給出對(duì)稱(chēng)振子的E面和H面方向圖，圖3.5給出對(duì)稱(chēng)振子的輸入阻抗和S11

參數(shù)。圖3.2對(duì)稱(chēng)振子仿真模型結(jié)構(gòu)圖3.3對(duì)稱(chēng)振子的三維輻射方向圖圖3.4對(duì)稱(chēng)振子的E面和H面方向圖圖3.5對(duì)稱(chēng)振子的輸入阻抗和S11參數(shù)

由圖3.3和圖3.4可以看出，對(duì)稱(chēng)振子產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的“面包圈”形式的輻射方向圖，其H面輻射方向圖呈對(duì)稱(chēng)圓形，

E面輻射方向圖呈“8”字形。

當(dāng)振子長(zhǎng)度變大時(shí)，天線(xiàn)在E面的方向圖波瓣會(huì)逐步變窄，并最終產(chǎn)生裂瓣，如圖3.6所示。

上面的仿真過(guò)程未考慮饋電中的平衡問(wèn)題，實(shí)際的加工過(guò)程中，由同軸線(xiàn)饋電的對(duì)稱(chēng)振子需要加入巴倫以實(shí)現(xiàn)平衡饋電。圖3.7給出一個(gè)U型巴倫。圖3.62l=0.25λ，

0.5λ，

0.625λ，

0.75λ時(shí)的E面方向圖圖3.7對(duì)稱(chēng)振子與U型巴倫的連接

為了進(jìn)一步增強(qiáng)輻射，單極子天線(xiàn)演化為折合偶極天線(xiàn)(也稱(chēng)折合振子)，如圖3.8所示。它是由兩根平行的非常靠近的半波振子在末端相連構(gòu)成的，其中一根振子導(dǎo)體在中央斷開(kāi)，并與傳輸線(xiàn)相連。由于兩根靠得很近的導(dǎo)體之間存在很強(qiáng)的互耦合，在近似為半波長(zhǎng)的諧振長(zhǎng)度上，兩根導(dǎo)體上的電流相同，又由于兩根導(dǎo)體的間距相對(duì)波長(zhǎng)很小，所以?xún)筛鶎?dǎo)體輻射場(chǎng)的相位差可以忽略。因此，折合偶極天線(xiàn)的輻射場(chǎng)是單根導(dǎo)體的兩倍，而輻射功率是單根導(dǎo)體的四倍。

由傳輸線(xiàn)提供的輸入電流與單根導(dǎo)體一樣，所以折合偶極天線(xiàn)歸于輸入電流的輻射電阻是一般半波偶極天線(xiàn)的四倍，即近似為73.1×4=292≈300Ω，因此它適合于與標(biāo)稱(chēng)特性阻抗為300Ω的傳輸線(xiàn)連用。折合偶極天線(xiàn)具有等效調(diào)諧短截傳輸線(xiàn)的特性，在一定程度上能夠補(bǔ)償天線(xiàn)輸入阻抗隨頻率的變化，因此，折合偶極天線(xiàn)的有效工作頻帶比相等粗細(xì)的普

通半波偶極天線(xiàn)要寬。這種折合振子被廣泛用于八木天線(xiàn)的有源振子。圖3.8折合振子

由對(duì)稱(chēng)振子演化而來(lái)的天線(xiàn)包括借助地面鏡像而減小一半尺寸的單極子天線(xiàn)和借助引向振子與反射振子形成的八木天線(xiàn)。下面介紹這兩種天線(xiàn)。

3.2單極子天線(xiàn)

單極子天線(xiàn)也是常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的線(xiàn)天線(xiàn)，在各個(gè)領(lǐng)域尤其是短波、超短波等低頻段通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

垂直接地的單極子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。假設(shè)地為理想導(dǎo)體，地的影響可以用其鏡像代替，此時(shí)僅在地面上半空間存在電磁場(chǎng)。單極子天線(xiàn)可以等效為直立對(duì)稱(chēng)振子。由于鏡像效應(yīng)，其本身的物理尺寸比對(duì)稱(chēng)振子縮小了1/2，但具有與對(duì)稱(chēng)振子相似的輻射特性，因此采用單極子天線(xiàn)也是天線(xiàn)小型化的一種重要措施。圖3.9單極子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

垂直接地的單極子天線(xiàn)的激勵(lì)電壓是等效的對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)激勵(lì)電壓的一半時(shí)，它們存在于上半空間的輻射場(chǎng)與對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)的輻射場(chǎng)相等，所以單極子天線(xiàn)和等效的偶極天線(xiàn)的上半空間方向函數(shù)和方向圖、主瓣寬度、極化特性、頻帶特性等都相同，并且單極子天線(xiàn)的輸入阻抗是對(duì)應(yīng)的對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)的一半，這是因?yàn)榧?lì)電壓減半而激勵(lì)電流不變。單極子天線(xiàn)的方向系數(shù)是雙極天線(xiàn)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。但由于在低頻段地面損耗增大，因此實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，單極子天線(xiàn)比對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)損耗電阻大，輻射效率低。

單極子天線(xiàn)的仿真模型中最重要的是如何考慮地面的影響。在HFSS軟件仿真中，仿真模型如圖3.10所示。該模型由豎直放置的金屬單極子和根部的饋電端口以及用于模擬無(wú)限大地面的底面構(gòu)成(在算法處理中將該地面等效為無(wú)限大理想導(dǎo)電平面)。

當(dāng)?shù)孛鏋闊o(wú)限大理想地面時(shí)，其產(chǎn)生的輻射方向圖如圖3.11所示。圖3.10單極子天線(xiàn)仿真設(shè)計(jì)示意圖3.11單極子天線(xiàn)方向圖

從計(jì)算結(jié)果可以看出，天線(xiàn)的方向系數(shù)和增益相對(duì)相同長(zhǎng)度的對(duì)稱(chēng)陣子天線(xiàn)提高了3dB。在諧振點(diǎn)，天線(xiàn)的輸入阻抗實(shí)部減小近一半。天線(xiàn)輸入阻抗如圖3.12所示。圖3.12天線(xiàn)輸入阻抗

實(shí)際的應(yīng)用中，單極子天線(xiàn)的底面可能由載體的某一部分來(lái)構(gòu)成。此時(shí)需要提供必要的連接結(jié)構(gòu)來(lái)使天線(xiàn)豎直安裝。圖3.13所示給出了一個(gè)車(chē)載單極子天線(xiàn)使用說(shuō)明圖?？梢?/p>

看出，天線(xiàn)包含底部的鼓形簧，中間的是用于拆卸的連接結(jié)構(gòu)。圖3.13車(chē)載單極子天線(xiàn)

3.3八木天線(xiàn)

對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)和單極子天線(xiàn)在垂直于天線(xiàn)的平面上時(shí)，其方向圖呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)特性；當(dāng)實(shí)用中需要全向覆蓋時(shí)，該類(lèi)天線(xiàn)具有良好的全向覆蓋能力。但實(shí)際中需要定向輻射時(shí)，就需要具有高方向系數(shù)的定向天線(xiàn)。在各類(lèi)線(xiàn)天線(xiàn)當(dāng)中，如圖3.14所示的八木天線(xiàn)因具有良好的方向性而被廣泛應(yīng)用，如用于測(cè)向、遠(yuǎn)距離通信等。該類(lèi)天線(xiàn)在20世紀(jì)20年代由日本東北大學(xué)的八木秀次和宇田太郞兩人發(fā)明，被稱(chēng)為“八木宇田天線(xiàn)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“八木天線(xiàn)”。

八木天線(xiàn)主要由有源振子、引向器和反射器構(gòu)成。有源振子是接饋電結(jié)構(gòu)的單元，有兩種常見(jiàn)形態(tài)：折合振子與直振子。直振子其實(shí)就是1/2波長(zhǎng)對(duì)稱(chēng)振子。折合振子如圖3.8所示，是對(duì)稱(chēng)振子的變形。

這里以四單元天線(xiàn)接收為例來(lái)說(shuō)明八木天線(xiàn)的工作原理。引向器略短于1/2波長(zhǎng)，主振子約等于1/2波長(zhǎng)，反射器略長(zhǎng)于1/2波長(zhǎng)，兩振子間距為1/4波長(zhǎng)。此時(shí)，引向器對(duì)感應(yīng)信號(hào)呈“容性”，相位超前主輻射單元90°;主輻射單元輻射的電磁波經(jīng)1/4波長(zhǎng)傳播后與引向器的輻射場(chǎng)同相疊加，于是信號(hào)得到加強(qiáng)。反射器對(duì)感應(yīng)信號(hào)呈“感性”，相位滯后主輻射單元90°;反射器產(chǎn)生的輻射與主振子產(chǎn)生的輻射相位相差180°，起到了抵消作用。一個(gè)方向加強(qiáng)，一個(gè)方向削弱，便有了強(qiáng)方向性。發(fā)射狀態(tài)作用過(guò)程亦然。該類(lèi)天線(xiàn)的仿真過(guò)程只需要將天線(xiàn)結(jié)構(gòu)直接在仿真軟件中再現(xiàn)即可，這里不再贅述，其場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖3.15所示。圖3.14八木天線(xiàn)圖3.15八木天線(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖

基于傳統(tǒng)的八木天線(xiàn)演化而來(lái)的平面印刷準(zhǔn)八木天線(xiàn)由于采用平面印刷結(jié)構(gòu)、微帶線(xiàn)饋電，因此易于集成，從而成為目前應(yīng)用越來(lái)越廣泛的一種強(qiáng)方向天線(xiàn)，該類(lèi)天線(xiàn)已經(jīng)被

用于機(jī)載大型相控陣列。下面重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。

如圖3.16所示天線(xiàn)的饋電端口采用集總端口，該集總端口與特性阻抗為50Ω的微帶傳輸線(xiàn)連接，該傳輸線(xiàn)與1/4波長(zhǎng)的一段傳輸線(xiàn)連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗變換。阻抗變換器與一個(gè)巴倫相連接，該巴倫的兩個(gè)分支長(zhǎng)度相差半波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)一路信號(hào)和另一路信號(hào)的80°相位差。這兩路反相平衡信號(hào)經(jīng)過(guò)平行雙線(xiàn)饋送到輻射半波振子上。輻射半波振子輻射出的電磁波經(jīng)過(guò)引向器和反射器的作用形成定向輻射。該天線(xiàn)的反射器同時(shí)作為微帶電路的接地板來(lái)使用。圖3.16準(zhǔn)八木天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

需要強(qiáng)調(diào)的是，天線(xiàn)單元在自由空間和陣列中的特性有很大的差異。為了在仿真計(jì)算中把這一特性差異考慮進(jìn)去，可以借助周期性邊界條件的設(shè)置來(lái)模擬天線(xiàn)位于陣列中的特

性。具體的周期性邊界條件的設(shè)置可參看軟件使用說(shuō)明。由于本節(jié)所討論的八木天線(xiàn)正好常被用于大型陣列，所以將其設(shè)計(jì)為周期性邊界條件。圖3.17(a)給出設(shè)計(jì)工作于10GHz

的八木天線(xiàn)的回波損耗仿真結(jié)果，由圖可以看出該天線(xiàn)具有較寬的工作帶寬。

作為對(duì)比圖3.17(b)給出同一天線(xiàn)位于自由空間的回波損耗。由圖3.17(a)和(b)可以看出兩者差別明顯，這也說(shuō)明在進(jìn)行陣列天線(xiàn)的單元設(shè)計(jì)中，必須考慮陣列環(huán)境的影響。圖3.18給出該天線(xiàn)的E面和H面方向圖。由圖可以看出該天線(xiàn)具有良好的交叉極化特性，方向性也有所提高。圖3.17天線(xiàn)回波損耗圖3.17天線(xiàn)回波損耗圖3.18天線(xiàn)E面和H面方向圖

3.4環(huán)形天線(xiàn)

從純粹的電磁等效的角度來(lái)看，載有電流的一段導(dǎo)電線(xiàn)可以產(chǎn)生電磁輻射，載有磁流的一段“導(dǎo)磁線(xiàn)”也可以產(chǎn)生輻射。但在自然界目前尚未發(fā)現(xiàn)磁單極子和磁流，因此磁流僅在等效的意義上有效。載有電流的環(huán)形天線(xiàn)產(chǎn)生的輻射場(chǎng)可以等效為一個(gè)磁偶極子，其產(chǎn)生的輻射場(chǎng)和電偶極子產(chǎn)生的場(chǎng)呈對(duì)偶關(guān)系。因此，環(huán)形金屬圈也可以構(gòu)成天線(xiàn)，形成環(huán)形天線(xiàn)。環(huán)形天線(xiàn)通常被用于電磁場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量，如雷擊放電的磁場(chǎng)測(cè)量。在低頻通信領(lǐng)域，環(huán)形天線(xiàn)也有廣泛的應(yīng)用。

圖3.19為環(huán)形天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。可以看出，天線(xiàn)主要由饋電結(jié)構(gòu)、金屬環(huán)和可變調(diào)諧電容構(gòu)成。調(diào)諧電容通過(guò)加載可變電容來(lái)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)諧振頻率的變化，從而使天線(xiàn)的工作頻率可在一定范圍內(nèi)調(diào)整。需要指出的是，環(huán)形天線(xiàn)不一定做成圓環(huán)，有時(shí)為裝卸方便或者其他原因也可以做成不規(guī)則的閉合環(huán)形。但從周長(zhǎng)和面積比來(lái)看，圓環(huán)是最佳的選擇。圖3.19環(huán)形天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3.20所示是兩種用于短波頻段近垂入射天波通信的車(chē)載環(huán)形天線(xiàn)，前者呈現(xiàn)矩形環(huán)，后者為不規(guī)則雙環(huán)。后者是由Harris公司提供的2009FullLoop型天線(xiàn)，該天線(xiàn)的使

用說(shuō)明如圖3.21所示，仿真模型如圖3.22所示。可以看出，該天線(xiàn)為雙環(huán)天線(xiàn)，仿真中加入了地面的影響，并在天線(xiàn)中加入了加載電容，同時(shí)天線(xiàn)底部的饋電結(jié)構(gòu)加入了環(huán)形彈簧。圖3.20車(chē)載環(huán)形天線(xiàn)圖3.212009Full-Loop天線(xiàn)使用說(shuō)明示意圖圖3.222009Full-Loop天線(xiàn)仿真模型

若進(jìn)一步考慮天線(xiàn)受載體的影響，還可以進(jìn)一步加入載體模型，如圖3.23所示。

需要指出的是，由于環(huán)形天線(xiàn)在短波頻段時(shí)其電尺寸較小，因此可裝載的環(huán)形天線(xiàn)尺寸，例如半徑為1~2m的單純的環(huán)形天線(xiàn)無(wú)法諧振于預(yù)期的頻段內(nèi)，需要借助加載的電容

來(lái)將其調(diào)整到預(yù)期的頻段內(nèi)。這里的仿真，重點(diǎn)驗(yàn)證加載電容的作用。圖3.24給出天線(xiàn)在加載和不加載時(shí)的輸入阻抗，可以看出通過(guò)加載，天線(xiàn)在6MHz形成了諧振。但該天線(xiàn)無(wú)法借助固定的電容形成寬帶，因此電容值需根據(jù)工作頻點(diǎn)進(jìn)行變化，其不同電容值對(duì)應(yīng)的諧振頻率如圖3.25所示。圖3.23環(huán)形天線(xiàn)、地面和車(chē)輛模型圖3.24天線(xiàn)輸入阻抗圖3.25不同電容值對(duì)應(yīng)的諧振頻率

3.5螺旋天線(xiàn)

螺旋天線(xiàn)是另一類(lèi)非常重要的寬頻帶線(xiàn)天線(xiàn)。螺旋天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3.26所示，其由同軸饋線(xiàn)、接地板和螺旋線(xiàn)構(gòu)成。圖3.26螺旋天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

螺旋天線(xiàn)的特性取決于螺旋直徑與波長(zhǎng)的比值d/λ0

。d/λ0<0.18時(shí)，天線(xiàn)的最大輻射方向在與螺旋垂直的平面內(nèi)，這種輻射模式稱(chēng)為法向模式，相應(yīng)的天線(xiàn)稱(chēng)為法向模螺旋天線(xiàn)。當(dāng)0.25<d/λ0<0.45時(shí)，螺旋一圈的長(zhǎng)度約為一個(gè)波長(zhǎng)，天線(xiàn)的最大輻射方向沿螺旋的軸向，這種模式稱(chēng)為軸向模式，相應(yīng)的天線(xiàn)稱(chēng)為軸向模螺旋天線(xiàn)。當(dāng)d/λ0

進(jìn)一步加大時(shí)，方向圖變?yōu)殄F形，最大輻射方向形成一圓錐面，圓錐軸與螺旋軸重合。

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)螺旋天線(xiàn)一圈的周長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，螺旋導(dǎo)線(xiàn)上的電流主要是沿導(dǎo)線(xiàn)傳播的行波，因此作為行波天線(xiàn)的螺旋天線(xiàn)應(yīng)指粗螺旋天線(xiàn)。螺旋天線(xiàn)由同軸線(xiàn)饋電，同

軸線(xiàn)的內(nèi)導(dǎo)體與由金屬桿或金屬管繞制的螺旋線(xiàn)相連，外導(dǎo)體和一個(gè)金屬圓盤(pán)相連。金屬盤(pán)的作用是減小同軸線(xiàn)外導(dǎo)體外表面的電流，從而減小輸入阻抗在工作頻段內(nèi)的變化以及

抑制后向輻射。由于軸向模螺旋天線(xiàn)上的電流接近行波，天線(xiàn)末端的反射很小，故接地板的影響可以忽略，其尺寸要求也不嚴(yán)格，一般直徑大于半個(gè)波長(zhǎng)即可。盤(pán)不一定用實(shí)心金

屬板，也可以用徑向或環(huán)向的導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)。

這里我們介紹HFSS軟件的一個(gè)輔助模塊，稱(chēng)為nsoftHFSSDesignKit。其軟件設(shè)計(jì)界面如圖3.27所示。

該軟件提供了常用天線(xiàn)的自動(dòng)建模功能。這里首先選擇螺旋天線(xiàn)Helix中的軸向模，并將增益設(shè)置為12dB，頻率設(shè)定為1GHz。點(diǎn)擊“CreatModel”按鈕，便生成圖3.28所示的螺旋天線(xiàn)模型。圖3.27AnsoftHFSSDesignKit軟件設(shè)計(jì)界面

圖3.28所示的軸向模螺旋天線(xiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖3.27。圖3.29給出了該天線(xiàn)主極化和交叉極化的E面方向圖。由圖可以看出，天線(xiàn)主極化增益達(dá)到12.15dB，已達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；天線(xiàn)的交叉極化隔離度達(dá)到16dB。圖3.30給出的回波損耗顯示天線(xiàn)具有很寬的阻抗帶寬。因此，螺旋天線(xiàn)可作為寬帶高增益圓極化天線(xiàn)來(lái)使用。圖3.28軸向模螺旋天線(xiàn)圖3.29天線(xiàn)主極化和交叉極化的E面方向圖圖3.30天線(xiàn)回波損耗仿真結(jié)果

3.6角反射器天線(xiàn)及背射天線(xiàn)

1.角反射器另一個(gè)能用線(xiàn)性振子產(chǎn)生10~12dB增益的實(shí)用天線(xiàn)為角反射器天線(xiàn)。角反射器天線(xiàn)結(jié)構(gòu)原理圖如圖3.31所示。從圖中可以看出，角反射器天線(xiàn)由具有一定夾角的兩個(gè)平面反射板和受激勵(lì)的振子構(gòu)成。通常將前者稱(chēng)為夾角反射器，后者稱(chēng)為饋源或受激天線(xiàn)(受激單元)。圖3.31角反射器天線(xiàn)結(jié)構(gòu)原理圖

利用鏡像原理很容易看出角反射器天線(xiàn)的受激勵(lì)單元會(huì)在兩個(gè)反射面上形成鏡像，所以角反射器天線(xiàn)可以被等效為三個(gè)鏡像再加上受激天線(xiàn)所構(gòu)成的四個(gè)線(xiàn)性振子所形成的

“陣列”天線(xiàn)。從這個(gè)角度上來(lái)說(shuō)，角反射器天線(xiàn)被歸入線(xiàn)天線(xiàn)。

角反射的激勵(lì)振子可以采用碟形振子或者直接采用線(xiàn)性對(duì)稱(chēng)振子?？梢詤⒄?qǐng)D3.32來(lái)觀察天線(xiàn)其他相關(guān)尺寸的選擇，主要包括夾角的選擇、振子到角反射器棱邊的距離S、角反射器的高度H和反射板寬度L。

常用的夾角有90°和60°，

90°夾角反射器在天線(xiàn)頂點(diǎn)間距S=λ/2時(shí)，其相對(duì)于參考的λ/2天線(xiàn)的增益接近于10dB。當(dāng)間距超過(guò)某個(gè)值后，波束將分裂成多瓣，當(dāng)S=1.

0λ時(shí)，方向圖波瓣分成兩瓣。間距再增大到1.2λ時(shí)，主瓣仍回到?=0方向，但出現(xiàn)了副瓣，此時(shí)它相對(duì)于λ/2天線(xiàn)的增益為12.9dB。當(dāng)導(dǎo)體板無(wú)限延伸，S=2.0λ時(shí)的方向性最大，但振子饋點(diǎn)的輸入阻抗較高(達(dá)122Ω左右)。將間距調(diào)小至0.32λ，在理論上會(huì)產(chǎn)生70Ω輸入阻抗，而增益的增加值則可略去不計(jì)。碟形天線(xiàn)經(jīng)常用作饋源，因?yàn)榕c普通直線(xiàn)振子相比，它具有出色的阻抗帶寬特性。

當(dāng)然，制作無(wú)限延伸的導(dǎo)電板是不可能和沒(méi)必要的。通過(guò)射線(xiàn)跟蹤法可看出，長(zhǎng)度值L=2S是比較合理的最小長(zhǎng)度，它可使有限尺寸的導(dǎo)電板不會(huì)削弱主瓣。高度H通常選擇為饋源長(zhǎng)度的1~1.2倍，以減小振子饋源向背后區(qū)域的直接輻射。有限延伸的板會(huì)導(dǎo)致方向圖寬于無(wú)限板對(duì)應(yīng)的方向圖。

有限尺寸板對(duì)饋源激勵(lì)點(diǎn)阻抗的影響可以忽略。圖3.32天線(xiàn)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)尺寸

這里設(shè)計(jì)一副夾直角反射器天線(xiàn)，受激天線(xiàn)選用簡(jiǎn)單的0.46λ偶極子天線(xiàn)，反射器邊長(zhǎng)取為2倍的天線(xiàn)頂點(diǎn)的間距，間距S=0.2λ。仿真結(jié)果如圖3.33和圖3.34所示。圖3.33夾角反射器天線(xiàn)駐波曲線(xiàn)圖3.34夾角反射器天線(xiàn)增益方向圖

圖3.35給出了一個(gè)實(shí)際的角反射器天線(xiàn)實(shí)物圖。圖3.35角反射器天線(xiàn)實(shí)物圖

2.背射天線(xiàn)

與角反射器天線(xiàn)相比，圖3.36所示的背射天線(xiàn)結(jié)構(gòu)變化較大。首先，反射器改用一個(gè)直徑較大的反射圓盤(pán)M;其次，圖3.32所示的角反射器天線(xiàn)中的有源對(duì)稱(chēng)振子由引向天線(xiàn)代替，引向天線(xiàn)的輻射方向背離主反射面;最后，引向天線(xiàn)的最末一個(gè)引向器的后面被加上了一個(gè)略小的反射圓盤(pán)R。M、R之間的軸向距離L為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，這樣就構(gòu)成了背射天線(xiàn)。

這種天線(xiàn)的基本特點(diǎn)是:由有源振子激勵(lì)的電磁波在M、R兩反射面的作用下，沿軸向的電磁場(chǎng)基本上是駐波分布的。類(lèi)似于漏腔諧振器的作用，電磁能量將沿軸向從圓盤(pán)R周?chē)沫h(huán)形空隙(系指由M、R面積差構(gòu)成的環(huán)帶)輻射出去，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)各振子長(zhǎng)度及間距、反射面M和R的大小及位置，在最佳條件下可