超寬帶電磁學(xué)10

1、無(wú)頻變天線無(wú)頻變天線 從天線的電特性來(lái)理解，無(wú)頻變天線應(yīng)具有不隨頻率變化的方向圖、輸入阻抗、極化特性、相位中心，等 很少有天線能夠完全滿足這些要求。 平面螺旋天線平面螺旋天線平面螺旋天線角形結(jié)構(gòu)，寬頻帶特性。用更為簡(jiǎn)單的幾何圖形（直線和圓?。﹣?lái)構(gòu)建，則天線結(jié)構(gòu)將會(huì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化。 平面蝴蝶結(jié)天線，全向波束，線極化波。 天線長(zhǎng)度有限，電流在輻射面末端反射，從而限制了天線的帶寬。 用更簡(jiǎn)單的幾何圖形比如直線和圓弧來(lái)構(gòu)建平面螺旋，則天線結(jié)構(gòu)將會(huì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化。 由于天線長(zhǎng)度有限，電流在金屬輻射面末端突然中止，產(chǎn)生反射，從而限制了天線的帶寬。 在天線邊緣加上周期性的齒形結(jié)構(gòu)周期性的齒形結(jié)構(gòu)，電流沿徑向更快

2、地衰減，從而導(dǎo)致寬頻帶特性。 這種天線稱為齒形對(duì)數(shù)周期平面天線，是對(duì)數(shù)周期天線系列中的一種形式。 齒的作用是阻礙徑向電流，形成橫向電流，且橫向電流大于徑向電流。在使用頻率極限范圍內(nèi)，電流沿圓弧形齒向外流出，使徑向電流到達(dá)天線終端時(shí)已經(jīng)微不足道。構(gòu)建構(gòu)建齒形平面對(duì)數(shù)周期天線齒形平面對(duì)數(shù)周期天線(2 )nn(2 )annRRnR e( -1)2 )- 210(2 )01ananannRr eeRr e11nnaa借助平面等角螺旋天線公式來(lái)構(gòu)建，齒的外端位置可寫成 相鄰齒的外端位置相對(duì)比值為 相鄰齒的內(nèi)半徑之比 稱為縮比因子稱為縮比因子 1nnRa另外引進(jìn)一個(gè)結(jié)構(gòu)因子 用以描述齒寬度的相對(duì)比值 因此

3、只要給定和則天線各個(gè)齒的徑向位置全部確定。1R頻率無(wú)關(guān)原理頻率無(wú)關(guān)原理/對(duì)數(shù)周期對(duì)數(shù)周期+1n/nff)1 (1/logflogflognn+=+ nfnR根據(jù)頻率無(wú)關(guān)原理，如果工作頻率與相對(duì)應(yīng)，則有 取對(duì)數(shù)，有 這表明，天線電性能天線電性能按頻率的對(duì)數(shù)周期重復(fù)出現(xiàn)，周期周期是(1/ )log激活區(qū)激活區(qū)自補(bǔ)天線自補(bǔ)天線在一般情況下，各個(gè)角量之間的關(guān)系是： 0180=+=+ 2適當(dāng)調(diào)整齒的角度和尺寸，=當(dāng)和時(shí)，構(gòu)成自補(bǔ)天線。 由此得到齒形自補(bǔ)對(duì)數(shù)周期平面天線角度要求nnnna/RR/a1+=0135=045=自補(bǔ)天線具有寬頻帶特性，其輸入阻抗的理論值是188.5。 如果齒的寬度和間隙是均等的，

4、即 =111,nnnnRaRa20.=03090.=075實(shí)驗(yàn)表明，半功率波束寬度隨的增加而增加。當(dāng)時(shí)，半功率束寬大約是方向圖在輻射平面法線方向上有二個(gè)主瓣，極化方向與齒的邊緣平行。當(dāng)齒的長(zhǎng)度退化為零時(shí)，即天線變?yōu)楹Y(jié)平面結(jié)構(gòu)， 0=，極化方向與中心導(dǎo)體帶的邊緣平行 齒的長(zhǎng)度大約等于1/4波長(zhǎng)的齒片上會(huì)形成明顯大于其他齒片上的電流，這是天線輻射的主要電流區(qū)域，是天線的激活區(qū)，是與頻率無(wú)關(guān)天線的關(guān)鍵特征。 對(duì)不同的工作頻率，激活區(qū)沿著中心導(dǎo)帶前后移動(dòng)，頻率升高時(shí)激活區(qū)移向饋電端方向，頻率降低時(shí)激活區(qū)移向半徑增加方向。 激活區(qū)的存在是天線具有超寬帶的前提。 根據(jù)工作帶寬，在天線兩端適當(dāng)?shù)奈恢媒財(cái)?/p>

5、，可構(gòu)成有限尺寸的滿足要求的寬頻帶天線。 天線設(shè)計(jì)所遵循的基本原則是：最大齒長(zhǎng)等于1/4波長(zhǎng)決定了低端工作頻率，最小齒長(zhǎng)等于1/4波長(zhǎng)決定了高端工作頻率。 天線的自補(bǔ)結(jié)構(gòu)保證了天線性能在一個(gè)周期中不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)。輸入阻抗變化輸入阻抗變化對(duì)數(shù)周期天線輸入阻抗隨頻率的變化關(guān)系 自補(bǔ)對(duì)數(shù)周期天線半功率波瓣寬度與自補(bǔ)對(duì)數(shù)周期天線半功率波瓣寬度與的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線 特點(diǎn)是定向輻射，在z方向存在一個(gè)寬的主波束。 在 范圍內(nèi)，方向圖差不多與頻率無(wú)關(guān)。 在z軸上，場(chǎng)主要沿y方向線性極化， 在x方向存在一個(gè)微小的交叉極化項(xiàng)，源于徑向電流。典型的交叉極化分量低于y方向極化分量18dB。 劈形結(jié)構(gòu)天線的輸入阻抗

6、隨彎折角度的減小而減小，在 時(shí)，輸入阻抗只有 。006030030=70 從實(shí)用和易于構(gòu)建的觀點(diǎn)，如果能將圓弧形齒做成直線形而不顯著改變天線性能，將十分有益。 實(shí)踐表明，結(jié)構(gòu)的這種簡(jiǎn)化對(duì)天線的性能影響很小，因此變形對(duì)數(shù)周期天線在天線工程中得到了充分重視和開(kāi)發(fā)應(yīng)用。 梯形齒對(duì)數(shù)周期天線，這種天線的性能與彎曲邊緣天線的性能是類似的。 將梯形齒對(duì)數(shù)周期天線按圖6.5的方式彎折，得到梯形齒對(duì)數(shù)周期劈形天線結(jié)構(gòu)。 對(duì)于彎曲邊緣和直邊緣二種齒劈天線結(jié)構(gòu)，其輻射方向圖是類似的，但梯形結(jié)構(gòu)具有更好的阻抗特性，對(duì) ，在一個(gè)周期中，阻抗的變化大約只有1.6:1。060 梯形對(duì)數(shù)周期線天線經(jīng)彎折后可以構(gòu)成定向的劈形

7、天線，性能與（平面金屬）對(duì)應(yīng)天線相類似。 對(duì) 劈角的測(cè)量表明， E面和H面的半功率束寬為660， 增益為9.2dB， 前后比為12.3dB。 在10:1帶寬范圍，天線的平均輸入阻抗為 ， 駐波比為1.45。 主波束在沿軸線從錐頂點(diǎn)向外的方向， 且為線性極化。045=110 在HF、VHF、UHF頻段的工程項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用，稱之為（LPDA）； 由一系列在饋點(diǎn)處向外連續(xù)增長(zhǎng)的平行直線偶極子所組成，按對(duì)數(shù)周期規(guī)律排列； 用平行雙導(dǎo)線對(duì)各振子饋電，平行雙導(dǎo)線稱為集合線，相鄰振子是反相饋電的，即集合線對(duì)各單元振子饋電是采用交叉方式進(jìn)行的。 主饋線用同軸線對(duì)天線饋電，為了實(shí)現(xiàn)相鄰單元交叉饋電的目的，采

8、用圖6.9所示的結(jié)構(gòu)。饋電同軸線穿過(guò)作為集合線的一根饋電管到達(dá)饋電端，外導(dǎo)體就接在這根饋電管上，而內(nèi)導(dǎo)體適當(dāng)延伸以后接到另一要饋電管上，因此，這種饋電方式本身就起到寬頻帶的不平衡平衡轉(zhuǎn)換不平衡平衡轉(zhuǎn)換作用。11nnRR11222+=nnnnR/LR/LtanNNnnnnRL.RLRL.RL=+111111nnnnRLRL角限制了偶極子的長(zhǎng)度，LPDA的縮比因子有 因此得到這表明，相鄰線元位置的比值等于相鄰偶極子長(zhǎng)度的比值。這表明，相鄰線元位置的比值等于相鄰偶極子長(zhǎng)度的比值。 LPDA的空間因子定義為nnLd2=nnnnnnRRRRRd)-1 (-1/2)/2tan(n=LRn/2)2tan()

9、-(1nnLd =因?yàn)榈玫娇s比關(guān)系縮比關(guān)系/2)4tan(-12=nnLd)4-1(21 -tan=可以得到所有尺寸的縮比關(guān)系 11nnnnRLRLnnnnnnddLLRR111+=LPDALPDA21LL2UNL和 LPDA存在一個(gè)激活區(qū)，激活區(qū)DA長(zhǎng)度接近四分之一波長(zhǎng)， DA上分布著比其它DA上更多的電流。工作原理類似于八木天線，比四分之一波長(zhǎng)長(zhǎng)的DA相當(dāng)于反射器，比四分之一波長(zhǎng)短的DA相當(dāng)于引向器。輻射方向圖即天線劈尖指向最大主波束方向。隨著工作頻率的改變，激活區(qū)移動(dòng)到天線的不同區(qū)域，因此工作頻帶可粗略地由最長(zhǎng)DA長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)最低頻率的半波長(zhǎng)；最短DA長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)最高頻率的半波長(zhǎng)。 圖6.10曲

10、線表明：對(duì)一個(gè)確定的 值，如果 不同，則天線的增益也不同，而且對(duì)同一 值，一般有兩個(gè) 使得增益值相同。 對(duì)于每一個(gè) 值，總可以找到唯一的 值，使天線的增益最大，這個(gè)值即稱為最優(yōu)的 值。 對(duì)所有的 值，最優(yōu)的 差不多處在一條直線上，如圖6.10中的虛直線所示。 還可以看出，高增益需要大的 值，這要求各個(gè)偶極子陣元長(zhǎng)度的緩慢展開(kāi)，通常取0.9580.=0.150.08= （1973） DeVito給出了，不同偶極子陣元數(shù)從N=12到47所對(duì)應(yīng)的最大增益曲線。 該曲線表明，對(duì)每一個(gè)確定的 ，對(duì)應(yīng)著最優(yōu)的天線根數(shù)N，可以使天線增益達(dá)到最大。 通過(guò)比較得知，該曲線上的值比圖6.10上部曲線優(yōu)化 值對(duì)應(yīng)的