微波技術(shù)課件第六章教材

第6章線天線6.1對(duì)稱振子6.2離散元直線陣6.3地面對(duì)天線性能的影響6.4幾種常見(jiàn)的線天線6.5平面陣列天線6.1對(duì)稱振子對(duì)稱振子由兩段同樣粗細(xì)，長(zhǎng)度各為l的直導(dǎo)體組成，兩導(dǎo)體內(nèi)端接饋線，兩導(dǎo)體內(nèi)端間距，可忽略不計(jì)。對(duì)稱振子與基本電振子的主要區(qū)別是：對(duì)稱振子的長(zhǎng)度并非遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，振子上各點(diǎn)至遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)的距離不能認(rèn)為是相等的，振子上各點(diǎn)的電流也不相等。可以根據(jù)場(chǎng)的疊加原理分析對(duì)稱振子，即先把對(duì)稱振子分成許多微分段，將每一微分段看成基本電振子，然后再積分求對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)。圖6-1-1對(duì)稱振子6.1.1對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)1.對(duì)稱振子上的電流分布采用開(kāi)路線近似將開(kāi)路線張開(kāi)，得對(duì)稱振子上的電流分布圖6-1-2終端開(kāi)路線上的電流分布圖6-1-3對(duì)稱振子上的電流分布6.1.1對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)2.對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)表達(dá)式取兩個(gè)微分段利用疊加原理6.1.1對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)3.遠(yuǎn)區(qū)近似對(duì)遠(yuǎn)區(qū)（、均遠(yuǎn)大于），可近似認(rèn)為射線、是相互平行的，且與的差別對(duì)場(chǎng)強(qiáng)幅值的影響很小由于相位因子是周期函數(shù)，與的距離差引起的相位差不可忽略6.1.1對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)4.輻射場(chǎng)的遠(yuǎn)區(qū)近似對(duì)稱振子的方向性函數(shù)與振子臂的電長(zhǎng)度有關(guān)圖6-1-4不同臂長(zhǎng)的對(duì)稱振子在E面的方向圖6.1.1對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)臂長(zhǎng)的對(duì)稱振子，稱為半波振子圖6-1-5半波振子的方向圖(a)E面方向圖(b)H面方向圖6.1.2對(duì)稱振子的輻射功率、

輻射電阻和方向性系數(shù)1.輻射功率與輻射電阻對(duì)稱振子的輻射功率等于離開(kāi)振子中心的球面上能流密度的積分輻射電阻以波腹電流作參考的定義是半波振子的。6.1.2對(duì)稱振子的輻射功率、

輻射電阻和方向性系數(shù)2.方向性系數(shù)對(duì)稱振子的方向性系數(shù)對(duì)稱振子的最大方向性系數(shù)半波振子的。6.1.3對(duì)稱振子的輸入阻抗采用有耗開(kāi)路線近似圖6-1-7輸入電抗曲線圖6-1-6輸入電阻曲線6.1.4對(duì)稱振子的饋電對(duì)稱振子兩臂電流呈對(duì)稱分布，因而要求饋線兩輸出端上的電流等幅反相（平衡饋電）。在短波和米波波段可用平行雙導(dǎo)線饋電。在分米波和厘米波段需用同軸線饋電。圖6-1-8同軸線的不對(duì)稱饋電6.1.4對(duì)稱振子的饋電1.U形管平衡變換器結(jié)構(gòu)：同軸主饋線分為兩路，一路的芯線在a點(diǎn)直接接振子的一臂，另一路的芯線經(jīng)一段相同規(guī)格的同軸線段后在b點(diǎn)接振子的另一臂。U形管外導(dǎo)體在輸出端接地。工作原理：同軸線上相隔的兩點(diǎn)間信號(hào)等幅反相，實(shí)現(xiàn)對(duì)振子的平衡饋電。這種平衡變換器是窄帶的。圖6-1-9U形管對(duì)稱變換器6.1.4對(duì)稱振子的饋電2.分流式平衡變換器結(jié)構(gòu)：在同軸線旁附加一段長(zhǎng)，直徑與同軸線外導(dǎo)體相同的金屬桿即構(gòu)成分流式平衡變換器。這種平衡變換器是寬帶的。工作原理在中心頻率，附加金屬桿與同軸線外導(dǎo)體構(gòu)成短路線，它對(duì)同軸線外導(dǎo)體的分流電流開(kāi)路，使振子兩臂電氣上對(duì)稱。當(dāng)偏離中心頻率時(shí)，由于對(duì)稱振子與平行雙導(dǎo)線的輸入阻抗于a、b兩點(diǎn)并聯(lián)，且二者的輸入電抗符號(hào)相反，起到補(bǔ)償作用。同時(shí)，流過(guò)附加金屬桿的電流與同軸線外導(dǎo)體的外壁電流等幅反相，起到電流補(bǔ)償作用，從而使振子兩臂上的電流仍然呈對(duì)稱分布。圖6-1-10分流式平衡變換器6.2離散元直線陣

6.2.1離散元直線陣的輻射場(chǎng)及方向圖乘積定理1.輻射場(chǎng)根據(jù)場(chǎng)的迭加原理，直線陣在遠(yuǎn)區(qū)P點(diǎn)的輻射場(chǎng)圖6-2-1離散元直線陣

6.2.1離散元直線陣的輻射場(chǎng)及方向圖乘積定理1.輻射場(chǎng)由平行線近似各單元結(jié)構(gòu)相同由相同單元構(gòu)成的直線陣的輻射場(chǎng)

6.2.1離散元直線陣的輻射場(chǎng)及方向圖乘積定理2.方向圖乘積定理由相同單元構(gòu)成的直線陣的方向性函數(shù)是單元因子與陣因子的乘積稱為單元因子，僅與天線單元的形式有關(guān)。稱為陣因子，與天線陣的單元數(shù)、饋電電流分布和單元間距分布有關(guān)，而與天線單元的形式無(wú)關(guān)。

6.2.1離散元直線陣的輻射場(chǎng)及方向圖乘積定理3.理想點(diǎn)源直線陣?yán)硐朦c(diǎn)源的單元因子=常數(shù)。理想點(diǎn)源直線陣的輻射場(chǎng)理想點(diǎn)源直線陣的方向性函數(shù)6.2.2二元陣1.二元陣的陣因子理想點(diǎn)源二元陣沿z軸排列，理想點(diǎn)源的間距為，電流為、，且二元陣的陣因子為圖6-2-2理想點(diǎn)源二元陣6.2.2二元陣

2.二元陣實(shí)例

例6-2-l

兩結(jié)構(gòu)相同的半波振子沿z軸排列，如圖6-2-3所示。設(shè)兩振子等幅同相饋電，中心間距為。求此二元陣在E面(平面)和H面(平面)的方向圖。圖6-2-3例6-2-1中的二元陣陣因子半波振子的歸一化方向性函數(shù)解已知，，，6.2.2二元陣二元陣的方向性函數(shù)及歸一化方向性函數(shù)分別為6.2.2二元陣圖6-2-4例6-2-1中二元陣的方向圖a)E面b)H面6.2.2二元陣

例6-2-2

兩半波振子按圖6-2-5a所示排列。設(shè)兩振子中心間距，。求此二元陣的E面方向圖。a)

圖6-2-5二元半波振子陣解已知，，，半波振子的方向性函數(shù)6.2.2二元陣

2.二元陣實(shí)例

例6-2-2根據(jù)方向圖乘積定理，二元陣的方向性函數(shù)二元陣在E面(平面，)的歸一化方向性函數(shù)6.2.2二元陣圖6-2-5二元半波振子陣a)二元半波振子陣坐標(biāo)系b)E面(xz平面)方向圖6.2.3均勻直線陣1.均勻直線陣的陣因子均勻直線陣是指相鄰單元等間距，各單元饋電電流等幅分布，而相位則依次等量遞增或遞減的直線陣。

均勻直線陣的陣因子均勻直線陣的歸一化陣因子6.2.3均勻直線陣1.均勻直線陣的陣因子（1）均勻直線陣的陣因子是的周期函數(shù)，周期為。（2）均勻直線陣的方向圖相對(duì)于陣軸具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，即陣因子僅是的函數(shù)。（3）表示兩相鄰單元輻射場(chǎng)的相位差。

圖6-2-7與的關(guān)系曲線(通用方向圖)6.2.3均勻直線陣2.幾種常見(jiàn)均勻直線陣（1）邊射直線陣邊射直線陣：最大輻射方向垂直于陣軸的直線陣邊射直線陣是等幅同相饋電直線陣圖6-2-9時(shí)5元邊射陣的方向圖6.2.3均勻直線陣2.幾種常見(jiàn)均勻直線陣（2）端射直線陣端射直線陣：最大輻射方向在陣軸方向的直線陣陣中的各單元電流的相位沿最大輻射方向依次滯后或或圖6-2-10，時(shí)5元端射陣的方向圖6.2.3均勻直線陣（3）相位掃描直線陣如果天線陣不轉(zhuǎn)動(dòng)，僅隨時(shí)間按一定規(guī)律變化，則最大輻射方向連同整個(gè)方向圖就能在一定空域內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)方向圖掃描。圖6-2-11相位掃描陣和頻率掃描陣的原理圖相位掃描陣頻率掃描陣6.2.3均勻直線陣圖6-2-12相位掃描陣的E面方向圖(，)a)

θM=90°b)

θM=75°c)

θM=30°d)

θM=0°6.2.3均勻直線陣3.柵瓣和間距的選擇單元間距過(guò)大時(shí)天線方向圖在所對(duì)應(yīng)的方向?qū)⒂卸鄠€(gè)最大值相同的大波瓣。通常稱對(duì)應(yīng)的大波瓣為主瓣，等于其它值對(duì)應(yīng)的大波瓣為柵瓣。消除柵瓣最大值的條件消除整個(gè)柵瓣的條件6.2.4均勻直線陣的方向性分析1.零輻射方向和主瓣寬度（1）零輻射方向（2）主瓣的零功率寬度（3）主瓣的半功率寬度（主瓣寬度）6.2.4均勻直線陣的方向性分析（4）幾種長(zhǎng)均勻直線陣（）的零輻射方向和主瓣寬度。邊射陣6.2.4均勻直線陣的方向性分析端射陣6.2.4均勻直線陣的方向性分析相位掃描陣，當(dāng)，時(shí)6.2.4均勻直線陣的方向性分析2.副瓣電平（1）副瓣最大值方向（2）副瓣最大值（3）副瓣電平第一副瓣電平

6.2.4均勻直線陣的方向性分析3.方向性系數(shù)邊射陣的方向性系數(shù)端射陣的方向性系數(shù)6.2.5不等幅等間距邊射直線陣1.三角形分布、二項(xiàng)式分布、倒三角形分布及其比較圖6-2-13幾種電流幅度分布(n=5，d=λ/2)(a)等幅分布；(b)三角形分布；(c)二項(xiàng)式分布；(d)倒三角形分布6.2.5不等幅等間距邊射直線陣（2）二項(xiàng)式分布（3）倒三角形分布（1）三角形分布6.2.5不等幅等間距邊射直線陣（4）相互間的比較就饋電電流而言，二項(xiàng)式分布由中心向外的遞減率要大于三角形分布，等幅分布的遞減率為零，倒三角形分布則是遞增分布（或者說(shuō)遞減率為負(fù)數(shù)）。就副瓣電平而言，二項(xiàng)式分布最低（沒(méi)有副瓣），按三角形分布、等幅分布、倒三角形分布依次升高。可見(jiàn)饋電電流從中心向外的遞減率越大，副瓣電平越低。6.2.5不等幅等間距邊射直線陣圖6-2-145元邊射陣(d=λ/2)方向圖(a)等幅分布(b)三角形分布(c)二項(xiàng)式分布(d)倒三角形分布6.2.5不等幅等間距邊射直線陣2.道爾夫－契比雪夫分布道爾夫－契比雪夫分布是一種對(duì)副瓣電平和主瓣寬度呈最優(yōu)折衷的分布，因其陣因子由契比雪夫多項(xiàng)式描述而得名。在所有對(duì)稱于中心的遞減型饋電電流分布陣中，在給定的副瓣電平（或主瓣寬度）下，它的主瓣寬度最窄（或副瓣電平最低），而且具有等副瓣的特點(diǎn)，因此，被稱為最優(yōu)邊射陣。工程中提出了多種準(zhǔn)最優(yōu)邊射陣，如泰勒（Taylor）分布陣、貝利斯（Bayliss）分布陣等，并且?guī)缀跻殉蔀楣I(yè)標(biāo)準(zhǔn)。6.3地面對(duì)天線性能的影響6.3.1鏡像法1.一般概念鏡像法是在所研究的區(qū)域之外，用一些假想的電荷、電流代替場(chǎng)問(wèn)題的邊界，假如這些電荷、電流和所研究的區(qū)域原有的電荷、電流一起產(chǎn)生的電磁場(chǎng)滿足原問(wèn)題的邊界條件，那么，該電磁場(chǎng)就是待求的場(chǎng)解。6.3.1鏡像法2.基本電振子對(duì)無(wú)限大理想導(dǎo)體平面的鏡像3.鏡像法的表述用基本電振子的鏡像代替無(wú)限大理想導(dǎo)體平面后，原問(wèn)題的場(chǎng)解等于原振子產(chǎn)生的場(chǎng)與其鏡像產(chǎn)生的場(chǎng)的疊加，也就是說(shuō)，原問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化成等效二元陣問(wèn)題。圖6-3-1基本電振子的鏡像(a)垂直振子(b)水平振子(c)傾斜振子6.3.2理想地面對(duì)天線方向性的影響1.對(duì)垂直對(duì)稱振子的影響垂直對(duì)稱振子的鏡像是正鏡像，等效二元陣的間距，電流。垂直對(duì)稱振子在理想地面上半空間的方向性函數(shù)圖6-3-2垂直對(duì)稱振子的鏡像(a)半波振子(b)全波振子6.3.2理想地面對(duì)天線方向性的影響圖6-3-3理想地面上垂直對(duì)稱振子E面方向圖6.3.2理想地面對(duì)天線方向性的影響2.對(duì)水平對(duì)稱振子的影響水平對(duì)稱振子的鏡像是負(fù)鏡像，等效二元陣的間距，電流。水平對(duì)稱振子在理想地面上半空間的方向性函數(shù)圖6-3-4水平對(duì)稱振子的鏡像(a)半波振子(b)全波振子6.3.2理想地面對(duì)天線方向性的影響圖6-3-5理想地面上水平對(duì)稱振子H面方向圖6.3.2理想地面對(duì)天線方向性的影響3.討論隨著天線高度的增加，無(wú)論垂直還是水平振子，其方向圖的波瓣數(shù)均是增加的；垂直振子沿地面總具有最大輻射，水平振子沿地面總是無(wú)輻射，與天線高度無(wú)關(guān)；隨著天線高度的增加，水平振子方向圖最靠近地面的波瓣的仰角愈低。6.3.3實(shí)際地面對(duì)天線方向性的影響1.地面主反射區(qū)（菲涅爾區(qū)）（1）菲涅爾區(qū)的概念Dn的軌跡是一個(gè)與半徑對(duì)應(yīng)的以點(diǎn)Q、P為焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球面。該橢球面所包圍的空間為菲涅爾區(qū)，并稱半徑與所對(duì)應(yīng)的橢球面之間的環(huán)形空間為第n菲涅爾區(qū)，相應(yīng)的半波帶則稱為第n菲涅爾帶。

第n菲涅爾帶的半徑圖6-3-6菲涅爾半波帶及其半徑的計(jì)算a）菲涅爾半波帶的形成b)半波帶半徑的計(jì)算6.3.3實(shí)際地面對(duì)天線方向性的影響（2）地面主反射區(qū)的確定由于第1菲涅爾帶對(duì)點(diǎn)P的場(chǎng)的貢獻(xiàn)最大，它所對(duì)應(yīng)的地面反射區(qū)稱為主反射區(qū)。確定地面主反射區(qū)的步驟如下：

1）連接Q

P交地面于點(diǎn)O，作OD⊥Q

P，并使OD等于第1菲涅爾帶的半徑；

2）以Q

、P為焦點(diǎn)，過(guò)點(diǎn)D作旋轉(zhuǎn)橢球，該橢球?qū)Φ孛娴慕孛鏋橐粰E圓，稱為地面主反射區(qū)。圖6-3-7鏡像天線的菲涅爾橢球及地面主反射區(qū)6.3.3實(shí)際地面對(duì)天線方向性的影響2.光滑平坦地面及瑞利準(zhǔn)則鏡象法只適用于光滑平坦地面。將光滑平坦地面用反射系數(shù)描述地面起伏的最大高度滿足瑞利準(zhǔn)則時(shí)可視為光滑平坦地面。瑞利準(zhǔn)則6.3.3實(shí)際地面對(duì)天線方向性的影響3.用鏡像法求直射波和地面反射波的合成場(chǎng)（1）實(shí)際地面上的垂直基本電振子在地面上半空間的輻射場(chǎng)E面方向性函數(shù)圖6-3-8實(shí)際地面上垂直基本電振子6.3.3實(shí)際地面對(duì)天線方向性的影響（1）實(shí)際地面上的垂直基本電振子圖6-3-9實(shí)際地面上h=λ/2時(shí)垂直基本電振子方向圖6.3.3實(shí)際地面對(duì)天線方向性的影響（2）實(shí)際地面上的水平基本電振子在地面上半空間的輻射場(chǎng)面方向函數(shù)圖6-3-10實(shí)際地面上h=λ/2時(shí)水平基本電振子方向圖6.3.3實(shí)際地面對(duì)天線方向性的影響（3）討論一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際地面對(duì)垂直電振子的影響比對(duì)水平電振子要大，尤其是在低仰角區(qū)；實(shí)際地面上，垂直天線低空性能較好，水平天線存在低空探測(cè)盲區(qū)；實(shí)際地面上天線的增益比理想地面時(shí)要??；對(duì)不同的實(shí)際地面，方向圖形狀的變化并不大，但隨著n減小，各波瓣之間的零點(diǎn)消失。6.4幾種常見(jiàn)的線天線6.4.1折合振子結(jié)構(gòu)：由短路線折疊而成，折疊后的上下兩導(dǎo)體間距遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。

電流分布：兩導(dǎo)體上的電流方向相同，且分布規(guī)律和半波振子的相同。折合振子的輻射電阻

圖6-4-1折合振子a)終端短路線b）構(gòu)成及電流分布圖6-4-2兩導(dǎo)體直徑不等的折合振子6.4.2引向天線1.引向天線的結(jié)構(gòu)由一個(gè)饋有高頻電流的有源振子（輻射器）和若干無(wú)源振子構(gòu)成，各振子中心固定在與它們垂直的一根金屬支桿上。（1）輻射器：常采用輸入電阻較大的折合振子作輻射。（2）引向器和反射器：一般采用普通的對(duì)稱振子。圖6-4-3引向天線的結(jié)構(gòu)6.4.2引向天線2.引向天線初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇振子數(shù)N的選擇。振子數(shù)N取決于給定的增益（方向性系數(shù)）或波瓣寬度。振子間距的選擇。振子間距取決于給定的方向圖和阻抗特性。圖6-4-4引向天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)6.4.2引向天線3.引向天線的方向圖

圖6-4-78元引向天線的方向圖6.4.3對(duì)數(shù)周期天線1.對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)振子數(shù)為N；天線饋電點(diǎn)接在短振子一端；振子間通過(guò)特性阻抗為的平行雙線交叉連接，稱為集合線。是振子末端包絡(luò)線的夾角，稱為L(zhǎng)PDA的內(nèi)角。、和分別是振子到頂點(diǎn)的距離，相鄰振子的間距和振子一臂的長(zhǎng)度圖6-4-8LPDA的外形圖6-4-9LPDA的結(jié)構(gòu)尺寸和饋電6.4.3對(duì)數(shù)周期天線2.對(duì)數(shù)周期天線的工作原理天線結(jié)構(gòu)尺寸的對(duì)數(shù)是等差級(jí)數(shù)，公差為。當(dāng)頻率變化倍時(shí)，天線的電結(jié)構(gòu)將完全相同，只不過(guò)饋電點(diǎn)向長(zhǎng)振子方向推移了個(gè)振子而已。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了LPDA的接近于非頻變的特性。從各個(gè)振子的輻射情況看，可分為三部分靠近饋電點(diǎn)的前端振子，為傳輸區(qū)。中部的長(zhǎng)度約為的振子，為有效輻射區(qū)。離饋電點(diǎn)更遠(yuǎn)的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于的振子，為輻射死區(qū)。6.4.3對(duì)數(shù)周期天線3.LPDA的增益LPDA的增益取決于參數(shù)和。高增益時(shí)要求值較大。存在一最佳增益曲線，如圖中虛線所示。圖6-4-10LPDA的增益圖6.4.4螺旋天線1.螺旋天線的幾何特性螺旋天線的幾何參數(shù)有螺旋直徑、螺距和圈數(shù)。導(dǎo)出參數(shù)有螺距角和圈長(zhǎng)

圖6-4-11螺旋天線及其幾何參數(shù)

6.4.4螺旋天線螺旋天線的輻射特性基本上決定于螺旋的直徑與波長(zhǎng)之比。按輻射模式區(qū)分，有（1）法向模螺旋天線；（2）軸向模螺旋天線；（3）圓錐模螺旋天線。圖6-4-12螺旋天線的三種輻射模式6.4.4螺旋天線2.軸向模螺旋天線的輻射特性（1）最大輻射方向的形成合成輻射場(chǎng)由如下因素確定：（1）波程差。由波程差引起的相位差為零；（2）電流方向。由于兩個(gè)單元的電流方向相反會(huì)使輻射場(chǎng)和反相；（3）電流相位。由于兩個(gè)單元的電流反相，會(huì)使輻射場(chǎng)和反相。圖6-4-13螺旋天線最大輻射方向的形成6.4.4螺旋天線（2）圓極化的實(shí)現(xiàn)由于螺旋線上的電流沿螺圈不斷旋轉(zhuǎn)，其所輻射的電場(chǎng)矢量方向也將在空間不斷旋轉(zhuǎn)，因此沿z軸方向的輻射場(chǎng)是近似圓極化的。（3）輸入阻抗當(dāng)每一圈的周長(zhǎng)接近時(shí)，模為優(yōu)勢(shì)模，其特點(diǎn)是在天線終端的反射很小，使螺旋線上近似為行波，且輸入阻抗近似為純電阻。對(duì)優(yōu)勢(shì)模，輸入阻抗（Ω）6.4.4螺旋天線（4）方向性函數(shù)（當(dāng)，時(shí)）

半功率主瓣寬度（°）零值主瓣寬度（°）方向性系數(shù)6.4.4螺旋天線圖6-4-16軸向模螺旋天線的實(shí)測(cè)方向圖圖6-4-15單圈螺旋線的xy平面方向圖(，L/λ=1.07)6.5平面陣列天線6.5.1陣列天線的組成與饋電1.陣列天線的組成陣列天線由排成矩陣陣列的對(duì)稱振子和金屬反射網(wǎng)組成。各對(duì)稱振子具有相同的結(jié)構(gòu)，金屬反射網(wǎng)距天線陣面平行放置，尺寸略大于陣面。圖6-5-1陣列天線的組成6.5.1陣列天線的組成與饋電2.陣列天線的饋電（1）同相等幅饋電圖6-5-2平行雙線交叉饋電圖6-5-3