天線與電波傳播第五章

天線與電波傳播第五章第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六§5.1引言 前兩章討論的中心饋電對稱振子上的電流幅度均勻分布（常數(shù)）－電基本振子（電流元）（）線性分布（三角分布）－短對稱振子（）正弦分布－長對稱振子（） 電流的相位分布均為均勻分布（常數(shù)）。對稱振子天線由終端開路的長線張開而成，終端開路的長線天線上的電流和電壓駐波是兩個等幅但反相的波的合成（終端電流為零－波節(jié)點(diǎn)，終端電壓最大－波腹點(diǎn)）。且駐波的最大值和最小值點(diǎn)按半波長整數(shù)倍重復(fù)，零點(diǎn)和最大值點(diǎn)的間隔是第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六§5.1引言 天線上電流、電壓呈駐波分布，有固定的波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)，稱為駐波天線（StandingWaveAntennas）。駐波天線有明顯的諧振特性，故此又稱為諧振天線（ResonantAntennas）。這類天線的工作頻帶較窄，因?yàn)轭l率改變天線的電尺寸隨之改變，天線的電性能（如輸入阻抗）也隨之改變。 展寬頻帶的一個重要途徑是使天線電流工作于行波狀態(tài)，頻率變化時，盡管天線電尺寸也變化，但輸入阻抗卻近似不變，其它電性能變化亦較緩慢。這類天線稱為行波天線（TravelingWaveAntennas）或非諧振天線（NonresonantAntennas），如菱形（Rhombic）天線、螺旋（Helical）線和對數(shù)周期（Log-Periodic）天線等。第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六§5.1引言【寬頻帶天線實(shí)物照片】第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六§5.1引言 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題。現(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)頻信號帶寬較之原始信號帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10倍，再如通信偵察等領(lǐng)域均要求天線具有很寬的帶寬。

【寬頻帶天線】習(xí)慣上，若天線的相對帶寬達(dá)百分之幾十以上，則把這類天線稱為寬頻帶天線。

【非頻變天線】若天線的阻抗特性和方向性能在一個更寬的頻率范圍內(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(FrequencyIndependentAntenna)。第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六§5.1引言 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)生了一個突破，可將帶寬擴(kuò)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。 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，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。 非頻變天線的導(dǎo)出基于相似原理。

【相似原理】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(shí)用的天線，要實(shí)現(xiàn)非頻變特性必須滿足以下兩個條件。第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六§5.1引言 非頻變天線需滿足的條件？

【角度條件】

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(guān)。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(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)展到無限遠(yuǎn)。第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六§5.1引言

非頻變天線需滿足的條件？

【終端效應(yīng)弱】

實(shí)際天線的尺寸總是有限的，與無限長天線的區(qū)別就在于它有一個終端的限制。若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，對天線的電性能不會造成顯著的影響。在這種情況下，有限長天線就具有無限長天線的電性能，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)。

【注】由于實(shí)際結(jié)構(gòu)不可能是無線長，使得實(shí)際有限長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，而存在工作頻率的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。第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六§5.1引言

【非頻變天線的分類】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。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，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(gòu)造的天線是寬頻帶的。這種結(jié)構(gòu)的一個典型例子是對數(shù)周期天線。第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.2平面等角螺旋天線

【天線結(jié)構(gòu)】由兩個臂構(gòu)成，雙臂用金屬片制成，具有圓對稱性，每一臂都有兩條邊緣線，均為等角螺旋線?？赏ㄟ^印刷電路技術(shù)腐蝕在介質(zhì)板材上。第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.2平面等角螺旋天線

等角螺旋線極坐標(biāo)方程為

為螺旋線矢徑；

為極坐標(biāo)中的旋轉(zhuǎn)角；

為

時的起始半徑；為螺旋率，決定螺旋線張開的快慢。稱為螺旋角，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，它只與螺旋率有關(guān)。第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.2平面等角螺旋天線 等角螺旋天線中，兩個臂的四條邊緣具有相同的

。如果取，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)。若第一條邊緣等角螺旋線方程將第一條等角螺旋線旋轉(zhuǎn)

角等角螺旋天線第一個臂將第一個臂旋轉(zhuǎn)180°等角螺旋天線第二個臂第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.2平面等角螺旋天線

【工作原理】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。當(dāng)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。

實(shí)驗(yàn)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(yīng)很弱。

【電流截?cái)嘈?yīng)】輻射場主要是由結(jié)構(gòu)中周長約為一個波長以內(nèi)的部分產(chǎn)生的，這個部分通常稱為有效輻射區(qū)，傳輸行波電流。螺旋天線存在“電流截?cái)嘈?yīng)”，超過截?cái)帱c(diǎn)的螺旋線部分對輻射沒有重大貢獻(xiàn)，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(yīng)的寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)近似的非頻變特性。波長改變后，有效輻射區(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(nèi)得到近似的與頻率無關(guān)的特性。饋電裝置第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.2平面等角螺旋天線

【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。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

,半功率波瓣寬度近似為。平面等角螺旋天線是雙向輻射的，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(ConicalEquiangularSpiralAntenna)圓錐形等角螺旋天線第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.2平面等角螺旋天線

【阻抗特性】互補(bǔ)天線的阻抗具有下列性質(zhì):對于

的自補(bǔ)天線第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.2平面等角螺旋天線

【極化特性】一般平面等角螺旋天線在的錐形范圍內(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(guān)：當(dāng)頻率很低，全臂長比波長小得多時，為線極化；當(dāng)頻率增高時，最終會變成圓極化。極化旋向與螺旋線繞向有關(guān)。例如，圖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。第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.2平面等角螺旋天線

【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)半徑和最外緣的半徑

決定。實(shí)際的圓極化等角螺旋天線，外徑

，內(nèi)徑。根據(jù)臂長為1.5圈～3圈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)

對應(yīng)1.5圈螺旋時，其方向圖最佳。內(nèi)半徑：該天線可具有的相對帶寬為若要增加相對帶寬，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(dá)到20∶1。外半徑：第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.3阿基米德螺旋天線

【阿基米德螺旋天線】由若干個一定寬度的阿基米德螺旋線構(gòu)成。一般為兩個或者四個。以兩個螺旋線為例，則他們螺旋線方程為兩個：四個：第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.3阿基米德螺旋天線

【工作原理】

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，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。研究圖中P、P′點(diǎn)處的兩線段，設(shè)，即P和Q為兩臂上的對應(yīng)點(diǎn)，對應(yīng)P、P′線段上的電流相位差為，，則P和P′點(diǎn)相位差為2π。兩線段的輻射是同相疊加第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.3阿基米德螺旋天線

【輻射特性】天線主要輻射是集中在周長約等于

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。雖然阿基米德螺旋天線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?yàn)殡娏髟诠ぷ鲄^(qū)后不明顯減小，因而不能滿足截?cái)嘁?，通常在末端加載，以避免波的反射。通過在螺旋平面一側(cè)裝置圓柱形反射腔構(gòu)成背腔式阿基米德螺旋天線(CavityBackedArchimedeanSpiralAntenna)，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)用愈來愈廣泛。第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4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，它基于相似概念：當(dāng)天線按某一比例因子變換后仍等于它原來的結(jié)構(gòu)，則天線的頻率為

和

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(jié)構(gòu)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(yīng)用。第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線

【天線結(jié)構(gòu)】交叉饋電；比例關(guān)系；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。若用來表示該比例因子，則有：—

振子長度—

頂點(diǎn)到振子間距—

振子粗細(xì)—

對陣振子中心饋電間隙第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線 相鄰振子之間的距離比值實(shí)用中常常用間隔因子，它被定義為相鄰兩振子間的距離

與2倍較長振子的長度之比，即由對數(shù)周期振子陣天線的頂角有第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線 對數(shù)周期振子陣天線的頂角與

及

之間具有如下關(guān)系：相鄰振子交叉饋電集合線第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線 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(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)的長度，可以減少電磁波在集合線終端的反射。當(dāng)然，在最長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)

與

及

對天線電性能有著重要的影響，是設(shè)計(jì)對數(shù)周期振子陣天線的主要參數(shù)。第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線

【工作原理】對數(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。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(shè)想當(dāng)工作頻率按比例變化時，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。即寬頻帶特性。工作頻率工作振子電尺寸f1（λ1）第“1”個振子L1/λ1f3（λ3）第“3”個振子L3/λ3f2（λ2）第“2”個振子L2/λ2………第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線 如果頻率能保證 則在這些頻率上天線可以具有不變的電特性。 對于對數(shù)周期振子陣天線各振子尺寸滿足如果頻率滿足電性能不變滿足如果取對數(shù)第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線 說明當(dāng)工作頻率的對數(shù)作周期性變化時(周期為ln(1/τ))，天線的電性能才保持不變，所以，把這種天線稱為對數(shù)周期天線。 然而在，，，頻率區(qū)間內(nèi)，頻率的變化使結(jié)構(gòu)的電尺寸并不相同，天線的電特性自然會變化。 但如果τ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)為無限大，那么該天線的工作頻帶就可以達(dá)到無限寬。第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線 對數(shù)周期陣子陣天線沿集合線分成三個區(qū)域，即傳輸區(qū)、輻射區(qū)和非激勵區(qū)。 傳輸區(qū)： 饋電點(diǎn)附近長度遠(yuǎn)小于的短陣子所在的區(qū)域，該區(qū)域陣子電長度很短，輸入容抗很大，因而激勵電流很小，輻射很弱，集合線上的導(dǎo)波能量經(jīng)過該區(qū)域時衰減很小，主要起傳輸線的作用。

輻射區(qū) 長度約等于的幾個陣子所在的區(qū)域，該區(qū)域陣子處于諧振或準(zhǔn)諧振狀態(tài)，電流激勵較強(qiáng)，起主要輻射作用。當(dāng)工作頻率變化時，輻射區(qū)會在天線上前后移動，使天線的電性能保持不變。輻射區(qū)陣子數(shù)一般不少于三個，陣子數(shù)越多天線的方向性越強(qiáng)，增益也越高。第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線

非輻射區(qū) 輻射區(qū)后面的部分為非輻射區(qū)，由于集合線上傳輸?shù)哪芰拷^大多數(shù)被輻射區(qū)的陣子吸收，傳送到非激勵區(qū)的能量很少，因此該區(qū)域激勵電流很弱，陣子幾乎處于未激勵狀態(tài)。非輻射區(qū)陣子激勵電流迅速下降，存在電流截?cái)嘈?yīng)，正是這一點(diǎn)，使得在一定的頻率范圍內(nèi)有限大結(jié)構(gòu)近似實(shí)現(xiàn)無限大結(jié)構(gòu)時的電特性。第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線

【電特性】

輸入阻抗 集合線上傳輸?shù)碾娏鹘茷樾胁?，因此對?shù)周期陣子陣天線的輸入阻抗基本上是電阻性的，電抗成分不大。

方向圖與增益系數(shù) 對數(shù)周期陣子陣天線為端射式天線，最大輻射方向由長陣子指向短陣子。當(dāng)頻率變化時，天線的輻射區(qū)在天線上前后移動而保持相似的特性，其方向圖隨頻率變化較小，具有寬帶特性。 下表給出了天線E面、H面半功率波瓣寬度與幾何參數(shù)及的關(guān)系。

第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線 由表格可以看出，越大，輻射區(qū)陣子數(shù)越多，方向性越強(qiáng)，方向圖的半功率角就越小。 對數(shù)周期陣子陣天線的效率較高，其增益近似等于方向系數(shù)，一般在10dB左右。 下圖給出了對數(shù)周期陣子陣天線增益的等值線，它是和的二元函數(shù)。要得到高增益就要有較大的值，意味著天線展開緩慢、陣子數(shù)增多、縱向尺寸變長。圖中虛線為最佳增益曲線，對于給定的增益值，按最佳增益曲線設(shè)計(jì)時得到的比例因子最小，也即陣子數(shù)最少、天線縱向尺寸最短。圖中下半部分給出了當(dāng)陣子數(shù)在12~47范圍內(nèi)變化時，天線的最大增益曲線。第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六5.4對數(shù)周期天線

極化特性 線極化天線，水平架設(shè)時是水平極化天線，垂直架設(shè)時是垂直極化天線。

帶寬 對數(shù)周期陣子陣天線的工作帶寬大致由最長陣子和最短陣子尺寸決定。例：設(shè)計(jì)一個對數(shù)周期陣子陣天線，工作頻率為200~600MHz，設(shè)計(jì)增益為9dB。第36頁，共