天線原理及設(shè)計5

1、2021-10-18UESTC1天線原理與設(shè)計天線原理與設(shè)計阮成禮阮成禮電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)2021-10-18UESTC2主要內(nèi)容 習(xí)題講解 橢圓V-錐天線2021-10-18UESTC3習(xí) 題-Hertz偶極子 與Hertz偶極子比較，討論對稱振子的方向圖與Hertz偶極子方向圖有何不同？ 重點理解： 電流分布不同將形成不同的方向圖。2021-10-18UESTC4Hertz偶極子 Hertz偶極子：理想化電流元 長度遠遠小于波長 直徑趨近于零，電流絲 均勻電流分布 從中心饋電IxyzpRrz2021-10-18UESTC5Hertz偶極子reKfrEjkr),(),(sin)exp(

2、)4(rjkrzIjEsin,f標準表達式2021-10-18UESTC6Hertz偶極子yxzsin90(c)H-面方向圖E-面方向圖E-面方向圖和H-面方向圖是主平面方向圖。Hertz電偶極子的E-面方向圖是一個雙圓環(huán)，H-面方向圖是一個圓，稱H-面方向圖是全向的。2021-10-18UESTC7對稱振子)()()()(yxzIrJzzdRjkRzIAz)exp()(4比較Hertz偶極子2021-10-18UESTC8對稱振子 與Hertz偶極子比較 相同： 直徑趨近于零，電流絲 從中心饋電 不同： 長度與波長可比 電流非均勻分布2l2021-10-18UESTC9對稱振子), (sin

3、zfAjkzHzdzjkzIAz)cosexp()(22ll 225. 12 l5 . 12 l22 lE-面方向圖2021-10-18UESTC10習(xí)題-電小天線的寬帶技術(shù) 無論是電小偶極子天線還是電小環(huán)天線其帶寬都是非常窄的。要增加電小天線的帶寬，可以從以下幾方面考慮 新原理天線； 采用參差調(diào)諧的概念來展寬頻帶； 采用電振子和磁振子互補的概念來擴展頻帶； 加大阻尼，用犧牲效率的辦法來換取一定頻帶的工作帶寬。2021-10-18UESTC11電小天線的寬帶技術(shù) 新原理天線： 創(chuàng)新是擴展天線帶寬的最重要、最有用的技術(shù)手段； 天線是從傳輸線演變而來，帶有傳輸線的固有特性； V-錐天線等新型天線是

4、最好的電小天線。2021-10-18UESTC12電小天線的寬帶技術(shù) 采用參差調(diào)諧的概念來展寬頻帶： 利用電路原理擴展天線頻帶寬度； 諧振回路數(shù)有限（35個）； 在微帶天線上有很好的應(yīng)用成果。2021-10-18UESTC13電小天線的寬帶技術(shù) 采用電振子和磁振子互補的概念來擴展頻帶： 電小天線有電容性和電感性兩類，天然具有互補特性； 幾何結(jié)構(gòu)上互補的天線，電特性上也有互補特性； 電小天線的輸入電抗變化陡峭，互補作用有限。2021-10-18UESTC14電小天線的寬帶技術(shù) 加大阻尼，用犧牲效率的辦法來換取一定頻帶的工作帶寬： 這是最后的辦法，一般不推薦電阻加載； 對各種天線都有效； 加載電阻

5、匹配改善，效率降低。2021-10-18UESTC15習(xí)題-V-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的理論模型。平面結(jié)構(gòu)，是扇形的一部分2021-10-18UESTC16V-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的理論模型。扇形的兩邊各削去了一部分，當(dāng)然，有損于天線性能。2021-10-18UESTC17V-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的理論模型。當(dāng) 時，變?yōu)槠矫娼Y(jié)構(gòu)；0,2ky“無限長”變?yōu)椤坝邢揲L”?02021-10-18UESTC18V-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的理論模型。)(sin)(cos220

6、00KKZabZZcc圓V-錐天線的輸入阻抗與圓錐角 無關(guān)。00sinabZZc0非對稱圓V-錐天線的輸入阻抗與圓錐角 有關(guān)。02021-10-18UESTC19V-錐天線的應(yīng)用馬刀式天線是機載電子系統(tǒng)常用天線，試給出它的理論模型。設(shè)530則圓V-錐天線的輸入阻抗為100)53(sin)37(sin2)(sin)2(sin2)(sin)(cos200000KKZKKZKKZZccc機載馬刀式天線是單極子天線，其輸入阻抗是偶極子天線的一半，即50歐姆，這僅僅是其理論值。與扇形單極子天線相比，兩邊分別被削去了一部分，天線的長度也不是無限長，從而產(chǎn)生反射，輸入阻抗將不是純電阻，反射引入了輸入電抗?？?/p>

7、以通過加載方式改善其輸入阻抗特性。2021-10-18UESTC20V-錐天線的應(yīng)用 通過加載方式改善其輸入阻抗特性。2021-10-18UESTC21電容耦合雙折合電容耦合雙折合BowtieBowtie天線天線 0123456789101112131415-16-14-12-10-8-6-4-202468 new antenna bowtie dual folded bowite G(0,0) (dB)FREQUENCY (GHz)2021-10-18UESTC22V-錐天線的應(yīng)用 有圓V-錐天線， 試求解其輸入阻抗？當(dāng) 角改變時對輸入阻抗的影響如何？45,40)(sin)(cos2000K

8、KZZc00sinabZZc02021-10-18UESTC23V-錐天線的應(yīng)用 對稱圓V-錐天線輸入阻抗與圓錐角無關(guān)； 輻射面的張角 時，由公式4502)45(sin)45(cos2)(sin)(cos2000cccZKKZKKZZ實際上 天線是自補結(jié)構(gòu)天線，上面的結(jié)果也說明了這一點。4502021-10-18UESTC24非對稱圓非對稱圓V-V-錐天線錐天線 00sinabZZc12)sin)(sinsin(sin21da2211)sin)(sinsin(sindb02021-10-18UESTC25非對稱圓非對稱圓V-V-錐天線錐天線0 增大，天線輻射片之間的距離增加 ，天線輸入阻抗增大

9、。),(),(sin021000fbafabZZc與頻率無關(guān)僅僅與角坐標 有關(guān),2021-10-18UESTC26橢圓橢圓V-V-錐天線錐天線 對稱結(jié)構(gòu)橢圓V-錐天線，其輻射臂位于橢圓任意對稱位置。金屬輻射臂僅僅是角坐標(,) 的函數(shù)，而與徑向坐標r 無關(guān)。 兩金屬輻射臂分別位于 (a) 方位 和(- )處，兩金屬輻射臂以yz坐標面為對稱； (b) 方位 和 處, 以xz坐標面為對稱； (c) 方位 和(+ )處, 以 z軸為對稱。 0000002021-10-18UESTC27橢圓橢圓V-V-錐天線錐天線 YZ橢圓橢圓V-錐天線：錐天線：是圓是圓V-錐天線加工誤差的結(jié)果錐天線加工誤差的結(jié)果

10、；是圓是圓V-錐天線受外力作用的結(jié)果錐天線受外力作用的結(jié)果 ；是更普遍模型。2021-10-18UESTC28普遍模型普遍模型角形結(jié)構(gòu)天線，只有TEM波存在，則用共形變換方法可以得到橢圓V-錐天線的嚴格解。這三種橢圓V-錐天線是普遍模型： 當(dāng)模數(shù)k0時, 橢圓V-錐天線變?yōu)閂-形三角板天線，也稱為Bowtie天線； 當(dāng)模數(shù)k1時, 橢圓V-錐天線變?yōu)閳A截面V-錐天線。2021-10-18UESTC29球錐坐標系球錐坐標系 cossinrx sincos122kry22sin1coskrzk01k122 kk0202021-10-18UESTC30球錐坐標系球錐坐標系橢圓錐面，它和天線的輻射面重

11、合。常數(shù)球錐坐標系的坐標面是所表示的一組以z軸為對稱的xyz常數(shù)x2021-10-18UESTC31球錐坐標系球錐坐標系為對稱的橢圓錐面。常數(shù)球錐坐標系的另一個坐標面是所表示的一組以y軸2021-10-18UESTC32球錐坐標系球錐坐標系常數(shù)rr是徑向坐標，表示一組球面。2021-10-18UESTC33橢圓V-錐天線0,2ky)cosarccos(,kyx橢圓V-錐天線有兩個表示天線結(jié)構(gòu)的極角xykcoscos1,kxy平面結(jié)構(gòu)變?yōu)閳AV-錐天線2021-10-18UESTC34HelmholtzHelmholtz方程方程在球錐坐標系中Helmholtz方程的形式為01112022ghghk

12、rrrr22cos1kg22sin1kg22220cossinkkrg202/ ggh202/ ggh2021-10-18UESTC35二維波方程 輻射電磁場都是球面波形式 rjkrf)exp(),(0),()()(fgggg做坐標變換（積分變換）方程簡化為2021-10-18UESTC36映射映射這是一個 平面上的Laplace 方程。k 是模數(shù)。經(jīng)過式(3.83)的變換之后，式(3.82)變?yōu)?),(kF)(kK其中是Jacobi 橢圓函數(shù)，是完全橢圓積分，0),(),(2222ff),(),2()(cos1022kFkKxkdx),(sin1022kFxkdx2021-10-18UEST

13、C37映射映射常數(shù)的圓錐面映射為一組平面，即平面上的一組常數(shù)的直線。 0常數(shù)),2()(0kFkK當(dāng) ，有01),(sin100220kFxkdx),(sin110221kFxkdx2021-10-18UESTC38第一類橢圓第一類橢圓V-V-錐天線錐天線以yz坐標面為對稱的橢圓V-錐天線(EVA1)及其坐標變換 2021-10-18UESTC39EVA1EVA1映射描述映射描述以yz坐標面為對稱的橢圓V-錐天線(EVA1)：輻射臂位于 和 處，yz坐標面是零電位面，根據(jù)對稱性可以僅取 的半?yún)^(qū)域來研究。經(jīng)過坐標變換后 的區(qū)域映射為 和 之間的條帶形區(qū)域。金屬輻射振子映射為垂直于 軸的金屬帶。金

14、屬帶的邊緣坐標分別是 和 。000 x)(kK)(kK),(10kjF),(10kjF0 x2021-10-18UESTC40正弦變換正弦變換)2sin(12ZKjZjZ12021-10-18UESTC41正弦變換正弦變換 把z1平面上左半條帶區(qū)域映射為z2平面的上半平面，使z1平面上的A、B、C、D、E和F都映射到z2平面的實軸上相應(yīng)的A、B、C、D、E和F 。 這是非對稱共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。2021-10-18UESTC42共面波導(dǎo)縫寬a、b和中心導(dǎo)體帶寬d分別為是第一類Legendre完全橢圓積分。 ),(2sin110kFKa),(2sin110kFKb),(2sin),(2sin1010k

15、FKkFKd)(kKK2021-10-18UESTC43分式線性變換 把平面上非對稱共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)映射為平面上對稱共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 23ZZ,是常數(shù)。2021-10-18UESTC44許瓦茨變換共面波導(dǎo)變?yōu)槠叫邪鍌鬏斁€，沒有邊緣效應(yīng)。2021-10-18UESTC45平行板傳輸線單位長度電容 平行板傳輸線單位長度電容C)()(20bbkKkKC)11 (21SSkbabddbaS)(根據(jù)克林公式vCZc112 2bbkk2021-10-18UESTC46EVA1EVA1的輸入阻抗的輸入阻抗橢圓V-錐天線(EVA1)的輸入阻抗為)()(601bbckKkKZ1與頻率無關(guān)的純電阻性參數(shù)，與輻射臂位置0

16、 xxykcoscos輻射臂半張角有關(guān)；而與橢圓參數(shù)的關(guān)系是由模數(shù)體現(xiàn)出來。2021-10-18UESTC47比較比較01222lnzjyxz 第一步 第二步 第三步 第四步)exp(111jjyxz2tan3002224)sin)(1(zxxdxz)sin(2333jzjyxz),2()(cos1022kFkKxkdx),(sin1022kFxkdx)2sin(12ZKjZ23ZZ3002224)sin)(1(zxxdxz2021-10-18UESTC48第二類橢圓第二類橢圓V-V-錐天線錐天線以xz坐標面為對稱的橢圓V-錐天線(EVA2)及其坐標變換jF-jF+2021-10-18UEST

17、C49EVA2EVA2映射描述映射描述以xz坐標面為對稱的橢圓V-錐天線(EVA2)：輻射臂位于 和 處，xz坐標面是零電位面，根據(jù)對稱性可以僅取 的半?yún)^(qū)域來研究。經(jīng)過坐標變換后 的區(qū)域映射為 和 之間的條帶形區(qū)域。金屬輻射振子映射為垂直于 軸的金屬帶。金屬帶的邊緣坐標分別是 和 。000y0)(2kK),(10kjF),(10kjF0y2021-10-18UESTC50簡化分析簡化分析 可以做簡單的坐標平移，然后利用EVA1的結(jié)果求得橢圓V-錐天線(EVA2)的輸入阻抗。詳細的變換如圖3.27所示。從圖3.27a到圖3.27b是把 條帶區(qū)域向下移動 的距離，變?yōu)?條帶區(qū)域。從圖3.27b到圖

18、3.27c是用正弦變換式(3.85)得到的，相應(yīng)的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縫寬a、b和中心導(dǎo)體帶寬d分別為)(2 , 0kK)(kK)(),(kKkKAa1Bb1BAd2sinKFKA2sinKFKB),(10kFF),(10kFF2021-10-18UESTC51第三類橢圓第三類橢圓V-V-錐天線錐天線jF-jF+以z軸為對稱的橢圓V-錐天線(EVA3)及其坐標變換 2021-10-18UESTC52橢圓橢圓V-V-錐天線錐天線EVA3EVA3 以z軸為對稱 , 條帶形區(qū)域的寬度,2K 向下移動距離,以及A 和B 共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縫寬a、b和中心導(dǎo)體帶寬d， 得到橢圓V-錐天線(EVA3)的輸入阻抗。

19、2021-10-18UESTC53三類橢圓V-錐天線2021-10-18UESTC54三角板天線的物理模型三角板天線的物理模型 橢圓橢圓V-V-錐天線（錐天線（EVAEVA）是一種具有普遍性的物理模型。當(dāng)橢）是一種具有普遍性的物理模型。當(dāng)橢圓錐的模數(shù)圓錐的模數(shù)1cos/cosxyk時，橢圓時，橢圓V-V-錐天線退化為圓錐天線退化為圓V-V-錐天線；當(dāng)橢圓錐的模數(shù)錐天線；當(dāng)橢圓錐的模數(shù)時，橢圓時，橢圓V-V-錐天線退化為三角板天線（錐天線退化為三角板天線（TVATVA）。所以可以用）。所以可以用橢圓橢圓V-V-錐天線錐天線k k值趨于零時的輸入阻抗值來逼近三角板天線值趨于零時的輸入阻抗值來逼近三

20、角板天線的輸入阻抗。的輸入阻抗。0k2021-10-18UESTC55橢圓橢圓V-V-錐天線退化為三角板天線錐天線退化為三角板天線2021-10-18UESTC56EVA1退化為TVA12021-10-18UESTC57EVA2退化為TVA22021-10-18UESTC58EVA3退化為TVA32021-10-18UESTC59新結(jié)構(gòu)天線新結(jié)構(gòu)天線 當(dāng)橢圓錐的模數(shù)趨于模數(shù)趨于0 0時，每一種形式的橢圓V-錐天線 (圖3.31a)退化為一種相應(yīng)形式的三角板天線(圖3.31b)。 TVA1天線的一個輻射臂在第一掛限，另一個輻射臂在第二掛限（EVA1和TVA1），TEM喇叭天線； TVA2天線的一個輻射臂在第一掛限，另一個輻射臂在第四卦限（EVA2和TVA2），槽天線； TVA3天線的一個輻射臂在第一掛限，另一個輻射臂在第三掛限（EVA3和TVA3），一種上下輻射臂錯開的TEM喇叭天線。2021-10-18UESTC60橢圓V錐天線EVA1橢圓V錐天線EVA1輸入阻抗隨1的變化 2021-10-18UESTC61三角板天線計算結(jié)果三角板天線計算結(jié)果三角板天線輸入阻抗隨張角的變化三角板天線輸入阻抗隨張角的變化2021-10-18UESTC62，橢