《天线与电波传播》第4章.ppt

1、4.1 非频变天线的基本概念非频变天线的基本概念 4.2 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线 4.3 阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线 4.4 对数周期天线对数周期天线 习题四习题四 1.角度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。2.终端效应弱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。4.1非频变天线的基本概念非频变天线的基本概念 4.2.1平面等角螺旋天线的结构和工作原理平面等角螺旋天线的结构和工作原理图4-2-1为平面等角螺旋天线(Planar Equiangular Spiral Antenna)示意图，是V.H.R

2、umsey提出的一种角度天线，双臂用金属片制成，具有对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角螺旋线。等角螺旋线如图4-2-2所示，其极坐标方程为 r=r0ea (4-2-1)4.2平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线 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，称为螺旋角，它只与螺旋率有关，即=arctan (4-2-2)a1图 4-2-1平面等角螺旋天线图4-2-2等角螺旋线4.2.2平面等角螺旋天线的电性能平面等角螺旋天线的电性能1.方向性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。若设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

3、cos，半功率波瓣宽度近似为90。因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)，如图4-2-3 所示。图 4-2-3圆锥等角螺旋天线2.阻抗特性阻抗特性如前所述，当/2时天线为自补结构，自补是互补的特殊情况。互补天线类似于摄影中的像片和底片，互补天线的一个例子是金属带做成的对称振子和无限大金属平面上的缝隙，互补天线的阻抗具有下列性质:Z缝隙Z金属=(4-2-3)202对于自补结构，由上式可得 Z金属=Z缝隙=188.5 (4-2-4)203.极化特性极化特性

4、一般而言，平面等角螺旋天线在70锥形范围内接近圆极化。在许多实用情况下，轴比小于等于2的典型值发生在全臂长约为一个波长时。极化旋向与螺旋线绕向有关，例如，图4-2-1所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。4.工作带宽工作带宽等角螺旋天线的工作带宽受其几何尺寸影响，由内径r0和最外缘的半径R决定。实际的圆极化等角螺旋天线，外径Rmax/4，内径r0(1/41/8)min。根据臂长为1.5圈3圈的实验结果看，当a=0.221对应1.5圈螺旋时，其方向图最佳。此时外半径R=r0e0.221(3)=8.03r0=max/4，在馈电点r=r0e0=r0=min

5、/4，所以该天线可具有的带宽为 (4-2-5)03.804.84/4/00minmaxminmaxrr阿基米德螺旋天线(Archimedean Spiral Antenna)如图4-3-1(a)所示，这种天线像许多螺旋天线一样，采用印刷电路技术很容易制造。天线的两个螺旋臂方程分别是 (4-3-1)4.3阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线 )(0 0201arrarr我们可以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。为了明显地将两臂分开，在图4-3-1(b)中分别用虚线和

6、实线表示这两个臂。图 4-3-1阿基米德螺旋天线4.4.1对数周期振子阵天线的结构对数周期振子阵天线的结构对数周期振子阵天线的结构如图4-4-1所示。它由若干个对称振子组成，在结构上具有以下特点：4.4对数周期天线对数周期天线 图 4-4-1对数周期振子阵天线(1)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。若用来表示该比例系数并称为比例因子，则要求：(4-4-1)(4-4-2)nnnnaaLL11nnRR1由图4-4-1知，相邻振子之间的距离为dn=Rn-Rn+1，dn+1=Rn+1-Rn+2，其比值 (4-4-3)1()1(11211nnnnnnnnRRRRRRdd即间距也是成的比

7、例关系。综合以上几何关系可知,不论振子长度、半径还是振子之间的距离等所有几何尺寸都按同一比例系数变化：(4-4-4)nnnnnnnnddRRaaLL1111实用中常常用间隔因子来表示相邻振子间的距离，它被定义为相邻两振子间的距离dn与2倍较长振子的长度2Ln之比，即 (4-4-5)图4-4-1中的称为对数周期振子阵天线的顶角。它与及之间具有如下关系：(4-4-6a)或=2arctan (4-4-6b)nnLd22tan412nnLd41(2)相邻振子交叉馈电(Cross Feed)。通常把给各振子馈电的那一段平行线称为“集合线”，以区别于整个天线系统的馈线。在集合线的末端(最长振子处)可以端接

8、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。4.4.2对数周期振子阵天线的工作原理对数周期振子阵天线的工作原理对数周期振子阵天线具有极宽的工作带宽，达到10 1或更宽一些。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。由于能实现天线电性能不变的频率满足fn+1/fn=1/，对它取对数得到 (4-4-7)1lnlnln1nnff图4-4-2给出=0.917，=0.169，工作频率为200600 MHz的对数周期振子阵天线在频率分别为200、400、600 MHz时各振子激励电流

9、的分布情况。该图说明在不同频率时确实有相应的部分振子得到较强的激励，超过该区域以后的较长振子的激励电流很快地受到“截断”。图 4-4-2在不同频率下LPDA振子输入端的电流分布通常把辐射区定义为激励电流值等于最大激励电流1/3的那两个振子之间的区域。这个区域的振子数Na原则上由几何参数和决定，通常可以通过经验公式 (4-4-8)lg)/lg(112KKNa近似确定。其中K1和K2分别为工作频带高端和低端的“截断常数”，由下列经验公式确定：K1=1.01-0.519 (4-4-9)K2=7.103-21.32+21.98-7.30 +(21.82-66+62.122-18.293)(4-4-10

10、)辐射区的振子数一般不少于三个。辐射区内的振子数越多，天线的方向性就越强，增益也会越高。为了简明地分析辐射区的工作原理，我们不妨只取三个振子作为代表，如图4-4-3所示。图 4-4-3辐射区的工作原理假定振子“b”谐振(Lb=/2)，则该振子输入端的电压Ub和电流Ib同相，如图4-4-3(b)所示。由于对数周期振子阵天线上的振子几何长度及间距按比例因子改变，当工作频率改变时，谐振振子(Ln/2)的位置就可以沿着天线的集合线向前或向后移动，同时，还能始终保持谐振点到顶点“O”的电尺寸不变，因而天线的电特性可以保持基本不变。4.4.3对数周期振子阵天线的电特性对数周期振子阵天线的电特性1.输入阻抗

11、输入阻抗对数周期振子阵天线的输入阻抗是指它在馈电点(集合线始端)所呈现的阻抗。图4-4-4给出了图4-4-2所示的对数周期振子阵天线在不同频率上的方向图，增益G和输入阻抗Zin。图 4-4-4LPDA的方向图、增益和输入阻抗 2.方向图与方向系数方向图与方向系数由前面的分析可知对数周期振子阵天线为端射式天线，最大辐射方向为沿着集合线从最长振子指向最短振子的方向。因为当工作频率变化时,天线的辐射区可以在天线上前后移动而保持相似的特性，其方向图随频率的变化也是较小的，如图4-4-4所示。除了对数周期振子阵天线方向图具有宽带特性之外，它的半功率角与几何参数以及还有一定的关系，表4-4-1和4-4-2

12、分别给出了E面和H面半功率角与及的关系。总的来看，越大，辐射区的振子数越多，天线的方向性越强，方向图的半功率角就越小。表表4-4-1对数周期振子阵天线对数周期振子阵天线E面方向图面方向图 半功率角半功率角20.5E与与、的关系的关系 表表4-4-2对数周期振子阵天线对数周期振子阵天线H面方向图面方向图 半功率角半功率角20.5H与与、的关系的关系 对数周期振子阵天线的方向系数也与几何参数和有关。它们的关系示于图4-4-5。该图说明对应于某一值，间隔因子存在一个最佳值opt。对数周期振子阵天线的效率也较高，所以它的增益系数近似等于方向系数，即G=ADD (4-4-11)图 4-4-5方向系数D与

13、和的关系曲线3.极化极化和引向天线相似，对数周期振子阵天线也是线极化天线。4.带宽带宽对数周期振子阵天线的辐射区对振子长度有一定要求，所以它的工作带宽将基本上由最长及最短振子尺寸限制。一般要求频带低端的最长振子长度L1满足：L1=K1L (4-4-12)高端的最短振子长度LN满足：LN=K2H (4-4-13)4.4.4对数周期振子阵天线的实际结构与应用对数周期振子阵天线的实际结构与应用实际应用于超短波的对数周期振子阵天线大都采用同轴电缆馈电。为了实现交叉馈电，通常由两根等粗细的金属管构成集合线，让同轴电缆从其中的一根穿入到馈电点以后，将外导体焊在该金属管上，将内导体引出来焊到另一根金属管上，

14、振子的两臂分别交替地焊在集合线的两根金属管上，如图4-4-6所示。图 4-4-6超短波LPDA的实际结构图4-4-9为一种垂直振子式短波对数周期天线(Vertical Dipole Short Wave LPD)，适用于传播距离在1500 km以远的短波天波，工作于垂直极化。振子用软导线制成。图4-4-7水平振子式短波对数周期天数图 4-4-8水平振子式对数周期天线的架设图4-4-9垂直极化短波对数周期短波天线4.4.5其它形式的对数周期天线其它形式的对数周期天线对数周期天线是一种频带很宽的天线。除了前面讲过的对数周期振子阵天线以外，还有其它许多成功的形式。它们的基本特点是几何结构具有一定的比

15、例，比例因子为。图4-4-104-4-13给出了几种常见的结构形式。图 4-4-10梯形片齿结构对数周期天线图 4-4-11梯形线齿结构对数周期天线图4-4-10为梯形片齿结构；图4-4-11为梯形线齿结构；图4-4-12为三角形线齿结构；图4-4-13为振子型结构，其中图(a)为楔形，图(b)为共面的对数周期振子阵天线。对于楔形结构，天线的最大辐射方向为楔形尖所指的方向。振子型结构可以认为是由片齿结构演变而来：将图4-4-10的齿片宽度减小到接近于零，就得到了图4-4-13所示的振子型结构。再让2=0就得到了图4-4-13(b)所示的结构，即前面讨论过的对数周期振子阵天线。表4-4-3给出了

16、梯形线齿结构对数周期天线的一些电特性，可供参考。图 4-4-12三角形线齿结构对数周期天线图 4-4-13振子形结构对数周期天线 表表4-4-3梯形线齿结构对数周期天线的电性能梯形线齿结构对数周期天线的电性能 1.简述等角螺旋天线的非频变原理。2.简述对数周期天线宽频带工作原理。3.设计一副工作频率为200400 MHz的对数周期天线，要求增益为9.5 dB。已知在满足D9.5 dB的条件下，0.895，0.165。习题四习题四 4.已知某对数周期偶极子天线的周期率=0.88，间隔因子0.14，最长振子全长L1=100 cm，最短振子长25.6cm，试估算它的工作频率范围。对于LPDA，定义：结构带宽工作带宽其中，Lmax为最小振子臂长；Lmin为最短振子臂长；Bar=1.1+30.7(1-)。minmaxLLBsarsBBB