天线与电波传播第五章.ppt
天 线 与 电 波 传 播第五章 宽频带天线,授课老师：徐云学,5.1 引言,前两章讨论的中心馈电对称振子上的电流幅度均匀分布（常数）电基本振子（电流元）（）线性分布（三角分布）短对称振子（）正弦分布长对称振子（）电流的相位分布均为均匀分布（常数）。对称振子天线由终端开路的长线张开而成，终端开路的长线天线上的电流和电压驻波是两个等幅但反相的波的合成（终端电流为零波节点，终端电压最大波腹点）。且驻波的最大值和最小值点按半波长整数倍重复，零点和最大值点的间隔是,5.1 引言,天线上电流、电压呈驻波分布，有固定的波腹点和波节点，称为驻波天线（Standing Wave Antennas）。驻波天线有明显的谐振特性，故此又称为谐振天线（Resonant Antennas）。这类天线的工作频带较窄，因为频率改变天线的电尺寸随之改变，天线的电性能（如输入阻抗）也随之改变。展宽频带的一个重要途径是使天线电流工作于行波状态，频率变化时，尽管天线电尺寸也变化，但输入阻抗却近似不变，其它电性能变化亦较缓慢。这类天线称为行波天线（TravelingWave Antennas）或非谐振天线（Nonresonant Antennas），如菱形（Rhombic）天线、螺旋（Helical）线和对数周期（Log-Periodic）天线等。,5.1 引言,【宽频带天线实物照片】,5.1 引言,研究天线除了要分析、研究天线的方向特性和阻抗特性外，还应考虑它的使用带宽问题。现代通信中，要求天线具有较宽的工作频带特性，以扩频通信为例，扩频信号带宽较之原始信号带宽远远超过10倍，再如通信侦察等领域均要求天线具有很宽的带宽。【宽频带天线】习惯上，若天线的相对带宽达百分之几十以上，则把这类天线称为宽频带天线。【非频变天线】若天线的阻抗特性和方向性能在一个更宽的频率范围内（例如频带宽度为101或更高）保持不变或稍有变化，则把这一类天线称为非频变天线(Frequency Independent Antenna)。,5.1 引言,非频变天线概念是由拉姆西（）于1957年提出的，使天线的发展产生了一个突破，可将带宽扩展到超过401，在此之前，具有宽频带方向性和阻抗特性的天线其带宽不超过21。天线的电性能取决于它的电尺寸，所以当几何尺寸一定时，频率的变化导致电尺寸的变化，因而天线的性能也将随之变化。非频变天线的导出基于相似原理。【相似原理】若天线的所有尺寸和工作频率（或波长）按相同比例变化，则天线的特性保持不变。对于实用的天线，要实现非频变特性必须满足以下两个条件。,5.1 引言,非频变天线需满足的条件？【角度条件】角度条件是指天线的几何形状仅仅由角度来确定，而与其它尺寸无关。,例如无限长双锥天线就是一个典型的例子，由于锥面上只有行波电流存在，故其阻抗特性和方向特性将与频率无关，仅仅决定于圆锥的张角。要满足“角度条件”，天线结构需从中心点开始一直扩展到无限远。,5.1 引言,非频变天线需满足的条件？【终端效应弱】实际天线的尺寸总是有限的，与无限长天线的区别就在于它有一个终端的限制。若天线上电流衰减得快，则决定天线辐射特性的主要部分是载有较大电流的部分，而其延伸部分的作用很小，若将其截除，对天线的电性能不会造成显著的影响。在这种情况下，有限长天线就具有无限长天线的电性能，这种现象就是终端效应弱的表现，反之则为终端效应强。,【注】由于实际结构不可能是无线长，使得实际有限长天线有一工作频率范围，工作频率的下限是截断点处的电流变得可以忽略的频率，而存在工作频率的上限是由于馈电端不能再视为一点，通常约为1/8高端截止波长。,5.1 引言,【非频变天线的分类】天线的形状仅由角度来确定，可在连续变化的频率上得到非频变特性。如无限长双锥天线、平面等角螺旋天线以及阿基米德螺旋天线等。天线的尺寸按某一特定的比例因子变化，天线在f和f 两频率上的性能是相同的，在从 f 到f 的中间频率上，天线性能是变化的，只要 f 与f 的频率间隔不大，在中间频率上，天线的性能变化也不会太大，用这种方法构造的天线是宽频带的。这种结构的一个典型例子是对数周期天线。,5.2 平面等角螺旋天线,【天线结构】由两个臂构成，双臂用金属片制成，具有圆对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角螺旋线。可通过印刷电路技术腐蚀在介质板材上。,5.2 平面等角螺旋天线,等角螺旋线极坐标方程为,为螺旋线矢径；为极坐标中的旋转角；为 时的起始半径；为螺旋率，决定螺旋线张开的快慢。,称为螺旋角，由于螺旋线与矢径之间的夹角 处处相等，因此这种螺旋线称为等角螺旋线，它只与螺旋率有关。,5.2 平面等角螺旋天线,等角螺旋天线中，两个臂的四条边缘具有相同的。,如果取，天线的金属臂与两臂之间的空气缝隙是同一形状，称为自补结构。,若第一条边缘等角螺旋线方程,将第一条等角螺旋线旋转 角,等角螺旋天线第一个臂,将第一个臂旋转180,等角螺旋天线第二个臂,5.2 平面等角螺旋天线,【工作原理】由于平面等角螺旋天线臂的边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形状的要求。当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一 对变形的传输线，臂上电流沿线边传输，边辐射，边衰减。实验表明，臂上电流在流过约一个波长后就迅速衰减到 20dB以下，终端效应很弱。,【电流截断效应】辐射场主要是由结构中周长约为一个波长以内的部分产生的，这个部分通常称为有效辐射区，传输行波电流。螺旋天线存在“电流截断效应”，超过截断点的螺旋线部分对辐射没有重大贡献，在几何上截去它们将不会对保留部分的电性能造成显著影响，因而，可以用有限尺寸的等角螺旋天线在相应的宽频带内实现近似的非频变特性。波长改变后，有效辐射区的几何大小将随波长成比例地变化，从而可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的特性。,馈电装置,5.2 平面等角螺旋天线,【方向性】自补平面等角螺旋天线的辐射是双向的，最大辐射方向在平面两侧的法线方向上。为天线平面的法线与射线之间的夹角，则方向图可近似表示为,半功率波瓣宽度近似为。平面等角螺旋天线是双向辐射的，为了得到单向辐射，可采用附加反射（或吸收）腔体，也可以做成圆锥形等角螺旋天线(Conical Equiangular Spiral Antenna),圆锥形等角螺旋天线,5.2 平面等角螺旋天线,【阻抗特性】,互补天线的阻抗具有下列性质:,对于 的自补天线,5.2 平面等角螺旋天线,【极化特性】一般平面等角螺旋天线在 的锥形范围内接近圆极化。天线有效辐射区内的每一段螺旋线都是基本辐射单元，但它们的取向沿螺旋线变化，总的辐射场是这些单元辐射场的叠加，因此等角螺旋天线轴向辐射场的极化与臂长相关：当频率很低，全臂长比波长小得多时，为线极化；当频率增高时，最终会变成圆极化。极化旋向与螺旋线绕向有关。例如，图示平面等角螺旋天线沿纸面对外的方向辐射右旋圆极化波，沿相反方向辐射左旋圆极化波。,5.2 平面等角螺旋天线,【工作带宽】等角螺旋天线的工作带宽受其几何尺寸影响，由内半径 和最外缘的半径 决定。实际的圆极化等角螺旋天线，外径，内径。根据臂长为1.5圈3圈的实验结果看，当 对应1.5圈螺旋时，其方向图最佳。,内半径：,该天线可具有的相对带宽为,若要增加相对带宽，必须增加螺旋线的圈数或改变其参数，相对带宽有可能达到201。,外半径：,5.3 阿基米德螺旋天线,【阿基米德螺旋天线】由若干个一定宽度的阿基米德螺旋线构成。一般为两个或者四个。以两个螺旋线为例，则他们螺旋线方程为,两个：,四个：,5.3 阿基米德螺旋天线,【工作原理】近似地将螺旋线等效为双线传输线，根据传输线理论，两根传输线上的电流反相，当两线之间的间距很小时，传输线不产生辐射。因此表面看，似乎螺旋线的辐射是彼此抵消的，事实并不尽然。,研究图中P、P点处的两线段，设，即P和Q为两臂上的对应点，对应P、P线段上的电流相位差为，则P和P点相位差为2。两线段的辐射是同相叠加,5.3 阿基米德螺旋天线,【辐射特性】天线主要辐射是集中在周长约等于 的螺旋环带上，称之为有效辐射带。随着频率的变化，有效辐射带也随之变化，故阿基米德螺旋天线具有宽频带特性。虽然阿基米德螺旋天线天线可以在很宽频带上工作，但它不是一个真正的非频变天线，因为电流在工作区后不明显减小，因而不能满足截断要求，通常在末端加载，以避免波的反射。通过在螺旋平面一侧装置圆柱形反射腔构成背腔式阿基米德螺旋天线(Cavity Backed Archimedean Spiral Antenna)，可得到单一主瓣，它可以嵌装在运载体的表面下。阿基米德螺旋天线具有宽频带、圆极化、尺寸小、效率高以及可以嵌装等优点，故目前其应用愈来愈广泛。,5.4 对数周期天线,【对数周期天线】（Log Periodic Antenna,LPA）于1957年提出，是非频变天线的另一类型，它基于相似概念：当天线按某一比例因子 变换后仍等于它原来的结构，则天线的频率为 和 时性能相同。对数周期天线有多种型式，其中1960年提出的对数周期振子阵天线（Log Periodic Dipole Antenna,LPDA），因具有极宽的频带特性，而且结构比较简单，所以很快在短波、超短波和微波波段得到了广泛应用。,5.4 对数周期天线,【天线结构】,交叉馈电；比例关系；所有振子尺寸以及振子之间的距离等都有确定的比例关系。若用 来表示该比例因子，则有：,振子长度,顶点到振子间距,振子粗细,对阵振子中心馈电间隙,5.4 对数周期天线,相邻振子之间的距离比值,实用中常常用间隔因子，它被定义为相邻两振子间的距离 与2倍较长振子的长度 之比，即,由对数周期振子阵天线的顶角 有,5.4 对数周期天线,对数周期振子阵天线的顶角 与 及 之间具有如下关系：,相邻振子交叉馈电,集合线,5.4 对数周期天线,在集合线的末端(最长振子处)可以端接与它的特性阻抗相等的负载阻抗，也可以端接一段短路支节。适当调节短路支节的长度，可以减少电磁波在集合线终端的反射。当然，在最长振子处也可以不端接任何负载，具体情况可由调试结果选定。对数周期振子阵天线的馈电点选在最短振子处。天线的最大辐射方向将由最长振子端朝向最短振子的这一边。天线的几何结构参数 与 及 对天线电性能有着重要的影响，是设计对数周期振子阵天线的主要参数。,5.4 对数周期天线,【工作原理】对数周期振子阵天线具有极宽的工作带宽，达到101或更宽。天线的方向特性、阻抗特性等等都是天线电尺寸的函数。如果设想当工作频率按比例 变化时，仍然保持天线的电尺寸不变，则在这些频率上天线就能保持相同的电特性。即宽频带特性。,工作频率,工作振子,电尺寸,f1（1）,第“1”个振子,L1/1,f3（3）,第“3”个振子,L3/3,f2（2）,第“2”个振子,L2/2,5.4 对数周期天线,如果频率能保证 则在这些频率上天线可以具有不变的电特性。对于对数周期振子阵天线各振子尺寸满足,如果频率满足,满足,如果取对数,5.4 对数周期天线,说明当工作频率的对数作周期性变化时(周期为ln(1/)，天线的电性能才保持不变，所以，把这种天线称为对数周期天线。,然而在，频率区间内，频率的变化使结构的电尺寸并不相同，天线的电特性自然会变化。但如果取得十分接近于1，则能满足以上要求的天线的工作频率就趋近连续变化。假如天线的几何结构为无限大，那么该天线的工作频带就可以达到无限宽。,5.4 对数周期天线,对数周期阵子阵天线沿集合线分成三个区域，即传输区、辐射区和非激励区。传输区：馈电点附近长度远小于 的短阵子所在的区域，该区域阵子电长度很短，输入容抗很大，因而激励电流很小，辐射很弱，集合线上的导波能量经过该区域时衰减很小，主要起传输线的作用。辐射区 长度约等于的几个阵子所在的区域，该区域阵子处于谐振或准谐振状态，电流激励较强，起主要辐射作用。当工作频率变化时，辐射区会在天线上前后移动，使天线的电性能保持不变。辐射区阵子数一般不少于三个，阵子数越多天线的方向性越强，增益也越高。,5.4 对数周期天线,非辐射区 辐射区后面的部分为非辐射区，由于集合线上传输的能量绝大多数被辐射区的阵子吸收，传送到非激励区的能量很少，因此该区域激励电流很弱，阵子几乎处于未激励状态。非辐射区阵子激励电流迅速下降，存在电流截断效应，正是这一点，使得在一定的频率范围内有限大结构近似实现无限大结构时的电特性。,5.4 对数周期天线,【电特性】输入阻抗 集合线上传输的电流近似为行波，因此对数周期阵子阵天线的输入阻抗基本上是电阻性的，电抗成分不大。方向图与增益系数 对数周期阵子阵天线为端射式天线，最大辐射方向由长阵子指向短阵子。当频率变化时，天线的辐射区在天线上前后移动而保持相似的特性，其方向图随频率变化较小，具有宽带特性。下表给出了天线E面、H面半功率波瓣宽度与几何参数 及 的关系。,5.4 对数周期天线,5.4 对数周期天线,5.4 对数周期天线,由表格可以看出，越大，辐射区阵子数越多，方向性越强，方向图的半功率角就越小。对数周期阵子阵天线的效率较高，其增益近似等于方向系数，一般在10dB左右。下图给出了对数周期阵子阵天线增益的等值线，它是 和 的二元函数。要得到高增益就要有较大的 值，意味着天线展开缓慢、阵子数增多、纵向尺寸变长。图中虚线为最佳增益曲线，对于给定的增益值，按最佳增益曲线设计时得到的比例因子最小，也即阵子数最少、天线纵向尺寸最短。图中下半部分给出了当阵子数在1247范围内变化时，天线的最大增益曲线。,5.4 对数周期天线,5.4 对数周期天线,极化特性 线极化天线，水平架设时是水平极化天线，垂直架设时是垂直极化天线。带宽 对数周期阵子阵天线的工作带宽大致由最长阵子和最短阵子尺寸决定。,例：设计一个对数周期阵子阵天线，工作频率为200600MHz，设计增益为9dB。,5.4 对数周期天线,由增益图可得最佳设计参数为：,工作下限频率 对应的波长为：,最长阵子的长度为：,工作下限频率 对应的波长为：,最短阵子的长度为：,由 可得各阵子的长度为：,5.4 对数周期天线,由于 已经短于频率上限对应的最短阵子的长度，因此阵列长度终止于。由 得到相邻阵子间隔为：,5.4 对数周期天线,在高频端追加4个阵子，便得到18个单元的对数周期阵子阵天线,5.4 对数周期天线,集合线上电压分布,5.4 对数周期天线,各振子端口电流相对振幅分布,5.4 对数周期天线,由图可见当工作频率 时，有效辐射区共有5个阵子，其中3个阵子上电流分布最强。当工作频率 时，第14个阵子连同追加的4个阵子构成了天线高端的辐射区。其它频率点情况类似，只不过有效辐射区发生了移动。天线增益、方向图和阻抗,5.4 对数周期天线,5.4 对数周期天线,5.4 对数周期天线,5.4 对数周期天线,对数周期天线的应用,
