1、BEA Confidential. | 1,第4章 非頻變天線,制作：唐慧 主講：唐慧,電波與天線,本章內(nèi)容,4.1 非頻變天線的基本概念 4.2 平面等角螺旋天線 4.3 阿基米德螺旋天線 4.4 對(duì)數(shù)周期天線,4.1 非頻變天線的基本概念,現(xiàn)代通信中，要求天線具有較寬的工作頻帶特性。 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(gè)突破，可將帶寬擴(kuò)展到超過(guò)401，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(guò)21。,習(xí)慣上，若天線的相對(duì)帶寬達(dá)百分之幾十以上，則把這類(lèi)天線稱為寬頻帶天線。若天線的阻抗特性和方向性能在一個(gè)更寬的頻率范圍內(nèi)（例如頻

2、帶寬度為101或更高）保持不變或稍有變化，則把這一類(lèi)天線稱為非頻變天線(Frequency Independent Antenna)。,天線的電性能取決于它的電尺寸，當(dāng)幾何尺寸一定時(shí)，頻率的變化導(dǎo)致電尺寸的變化，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(zhǎng)）按相同比例變化，則天線的特性保持不變。,相似原理,角度條件是指天線的幾何形狀僅僅由角度來(lái)確定，而與其它尺寸無(wú)關(guān)。 例如無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線就是一個(gè)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(wú)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(kāi)始一直擴(kuò)

3、展到無(wú)限遠(yuǎn)。,實(shí)用天線實(shí)現(xiàn)非頻變特性必須滿足的條件,1. 角度條件,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(duì)天線的電性能不會(huì)造成顯著的影響。在這種情況下，有限長(zhǎng)天線就具有無(wú)限長(zhǎng)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)。,由于實(shí)際結(jié)構(gòu)不可能是無(wú)線長(zhǎng)，使得實(shí)際有限長(zhǎng)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，而存在頻率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(zhǎng)。,2.終端效應(yīng)弱,一類(lèi)天線的形狀僅由角度來(lái)確定，可在連續(xù)變化的頻率上得到非頻變特性。如無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線、平

4、面等角螺旋天線以及阿基米德螺旋天線等。,非頻變天線的分類(lèi),另一類(lèi)天線的尺寸按某一特定的比例因子變化，天線在f和f兩頻率上的性能是相同的，在從f到f的中間頻率上,天線性能是變化的，只要f與f的頻率間隔不大，在中間頻率上，天線的性能變化也不會(huì)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(gè)典型例子是對(duì)數(shù)周期天線。,4.2 平面等角螺旋天線 (Planar Equiangular Spiral Antenna),結(jié)構(gòu),雙臂用金屬片制成，具有對(duì)稱性，每一臂都有兩條邊緣線，均為等角螺旋線。,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，稱為螺旋角，它只與螺旋率有關(guān)，即,等角螺旋線

5、,等角螺旋線,等角螺旋天線中，兩個(gè)臂的四條邊緣具有相同的a，若一條邊緣線為r1=r0ea，則只要將該邊緣旋轉(zhuǎn)角，就可得該臂的另一邊緣線r2=r0ea(-)。另一臂相當(dāng)于該臂旋轉(zhuǎn)180而構(gòu)成，即r3=r0ea(-)，r4=r0ea(-)。 如果取/2，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)。,天線結(jié)構(gòu)特征,當(dāng)兩臂的始端饋電時(shí)，可以把兩臂等角螺旋線看成是一對(duì)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(guò)約一個(gè)波長(zhǎng)后就迅速衰減到20dB以下，終端效應(yīng)很弱。,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(duì)形狀的要求。,工作原理,輻射場(chǎng)主要是

6、由結(jié)構(gòu)中周長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)的部分產(chǎn)生的，這個(gè)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(guò)截?cái)帱c(diǎn)的螺旋線部分對(duì)輻射沒(méi)有重大貢獻(xiàn)，在幾何上截去它們將不會(huì)對(duì)保留部分的電性能造成顯著影響。 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(zhǎng)改變后，有效區(qū)的幾何大小將隨波長(zhǎng)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(wú)關(guān)的特性。,“電流截?cái)嘈?yīng)”,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cos，半功率波瓣寬度近似為90。,平面等角螺旋天線的電性能,圓錐等角螺旋

7、天線,1.方向性,因?yàn)槠矫娴冉锹菪炀€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(Conical Equiangular Spiral Antenna),互補(bǔ)天線的阻抗具有下列性質(zhì):,對(duì)于/2的自補(bǔ)天線,2. 阻抗特性,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(chǎng)是這些單元輻射場(chǎng)的疊加，因此等角螺旋天線軸向輻射場(chǎng)的極化與臂長(zhǎng)相關(guān)：當(dāng)頻率很低，全臂長(zhǎng)比波長(zhǎng)小得多時(shí)，為線極化；當(dāng)頻率增高時(shí)，最終會(huì)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(duì)外的方向輻射右旋圓極化波，沿相反方向輻射左旋

8、圓極化波。,3.極化特性,一般而言，平面等角螺旋天線在70錐形范圍內(nèi)接近圓極化。,等角螺旋天線的工作帶寬受其幾何尺寸影響，由內(nèi)徑r0和最外緣的半徑R決定。實(shí)際的圓極化等角螺旋天線，外徑Rmax/4，內(nèi)徑r0(1/41/8)min。根據(jù)臂長(zhǎng)為1.5圈3圈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)a=0.221對(duì)應(yīng)1.5圈螺旋時(shí)，其方向圖最佳。此時(shí)外半徑R=r0e0.221(3)=8.03r0=max/4，在饋電點(diǎn)r=r0e0=r0=min/4，所以該天線可具有的相對(duì)帶寬為,即典型相對(duì)帶寬為81。若要增加相對(duì)帶寬，必須增加螺旋線的圈數(shù)或改變其參數(shù)，相對(duì)帶寬有可能達(dá)到201。,4. 工作帶寬,4.3 阿基米德螺旋天線 (Ar

9、chimedean Spiral Antenna),阿基米德螺旋天線兩個(gè)螺旋臂方程分別是,r0對(duì)應(yīng)于=0 rad的矢徑,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(shí)，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。,工作原理,天線主要輻射是集中在周長(zhǎng)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。,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(duì)應(yīng)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)線段上的電流相位差為+(2/)r。 r=/2，則P和P點(diǎn)相位差為2。兩線段的輻射是同相疊加,工作原

10、理,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(lái)愈廣泛。,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(gè)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?，必須在末端加載，以避免波的反射。,4.4 對(duì)數(shù)周期天線,對(duì)數(shù)周期天線(Log Periodic Antenna, LPA) 基于的相似概念：當(dāng)天線按某一比例因子變換后仍等于它原來(lái)的結(jié)構(gòu)，則天線的頻率為 f 和f 時(shí)性能相同。 對(duì)數(shù)周期振子陣天線（LogPeriodic Dipole Antenna, LPDA），極寬頻帶，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。廣泛應(yīng)用在短波、超短波和微波波段。 以

11、LPDA為例說(shuō)明對(duì)數(shù)周期天線的特性。,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(lái)表示該比例系數(shù)并稱為比例因子，則要求：,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一,相鄰振子之間的距離比值,振子長(zhǎng)度、半徑、振子之間的距離等所有幾何尺寸都按同一比例系數(shù)變化：,常用間隔因子來(lái)表示相鄰振子間的距離，定義為相鄰兩振子間的距離dn與2倍較長(zhǎng)振子的長(zhǎng)度2Ln之比，即,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一,由對(duì)數(shù)周期振子陣天線的頂角有,得出,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一,對(duì)數(shù)周期振子陣天線的頂角與及之間具有如下關(guān)系：,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一,相鄰振子交叉饋電 (Cross Feed)。,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二,“集合線”,在集合線的末端(最長(zhǎng)振子處)可以端接與它的特性阻抗相等的負(fù)載阻抗，也

12、可以端接一段短路支節(jié)。 對(duì)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(zhǎng)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)和（當(dāng)然也包括）對(duì)天線電性能有著重要的影響，是設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)周期振子陣天線的主要參數(shù)。,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二,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(shí)，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。,如果頻率能保證,就對(duì)數(shù)周期振子陣天線來(lái)說(shuō),工作頻率,工作振子,電尺寸,f1（1）,第“1”個(gè)振子,L1/1,f3（3）,第“3”個(gè)振子,L3/3,f2（2）,第“2”個(gè)振子,L2/2,則在這些頻率上天線可以具有不變的

13、電特性。 因?yàn)閷?duì)數(shù)周期振子陣天線各振子尺寸滿足Ln+1/Ln=，就要求這些頻率滿足n+1/n=或fn+1/fn=1/。 如果取得十分接近于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(wú)限大，那么該天線的工作頻帶就可以達(dá)到無(wú)限寬。,該式表明，只有當(dāng)工作頻率的對(duì)數(shù)作周期性變化時(shí)(周期為ln(1/)，天線的電性能才保持不變，所以，把這種天線稱為對(duì)數(shù)周期天線。,能實(shí)現(xiàn)天線電性能不變的頻率滿足 fn+1 / fn = 1 /,取對(duì)數(shù)得,實(shí)驗(yàn)證實(shí)對(duì)數(shù)周期振子陣天線上存在著類(lèi)似于一個(gè)振子工作的一個(gè)電尺寸一定的“輻射區(qū)”或“有效區(qū)”，區(qū)域內(nèi)的振子長(zhǎng)度在/2附近，具有較強(qiáng)的激勵(lì)，對(duì)

14、輻射將作出主要貢獻(xiàn)。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，該區(qū)域會(huì)在天線上前后移動(dòng)（例如頻率增加時(shí)向短振子一端移動(dòng)），使天線的電性能保持不變。,實(shí)際對(duì)數(shù)周期振子陣天線的電特性,實(shí)驗(yàn)證實(shí)，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，即便比例因子值不是非常接近于1，也能使該頻率之間的天線電性能與 fn 或 fn+1時(shí)的相當(dāng)接近。所以對(duì)數(shù)周期振子陣天線能得到廣泛應(yīng)用。,對(duì)數(shù)周期振子陣天線上存在著“電流截?cái)嘈?yīng)”，即“輻射區(qū)”后面的較長(zhǎng)振子激勵(lì)電流呈現(xiàn)迅速下降的現(xiàn)象。正因?yàn)檫@一特點(diǎn)，對(duì)數(shù)周期振子陣天線才有可能從無(wú)限大結(jié)構(gòu)上截去長(zhǎng)振子那邊無(wú)用的部分后，還能在一定的頻率范圍內(nèi)近似保持理想的無(wú)限大結(jié)構(gòu)時(shí)的電特性。,傳輸區(qū),輻射區(qū),非激勵(lì)區(qū),對(duì)數(shù)周期振子陣天

15、線的三個(gè)工作區(qū)域,“傳輸區(qū)”，各對(duì)稱振子的電長(zhǎng)度很短，振子的輸入阻抗（容抗）很大，因而激勵(lì)電流很小，所以它們的輻射很弱，主要起傳輸線的作用。 “非激勵(lì)區(qū)”，由于輻射區(qū)的對(duì)稱振子處于諧振狀態(tài)，振子的激勵(lì)電流很大，已將傳輸線送來(lái)的大部分能量輻射出去，能夠傳送到非激勵(lì)區(qū)的能量剩下很少，所以該區(qū)的對(duì)稱振子激勵(lì)電流也就變得很小，這種現(xiàn)象就是前面提到的“電流截?cái)唷爆F(xiàn)象。由于振子的激勵(lì)電流很小，對(duì)外輻射自然也很弱。,在不同頻率下LPDA振子輸入端的電流分布,輻射區(qū)定義為激勵(lì)電流值等于最大激勵(lì)電流1/3的那兩個(gè)振子之間的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的振子數(shù)Na原則上由幾何參數(shù)和決定，通?？梢酝ㄟ^(guò)經(jīng)驗(yàn)公式,工作頻帶高端“截?cái)?/p>

16、常數(shù)” K1=1.01-0.519,工作頻帶高端“截?cái)喑?shù)” K2=7.103-21.32 + 21.98 - 7.30 +(21.82-66+ 62.122 - 18.293),輻射區(qū)的振子數(shù)一般不少于三個(gè)。輻射區(qū)內(nèi)的振子數(shù)越多，天線的方向性就越強(qiáng)，增益也會(huì)越高。為了簡(jiǎn)明地分析輻射區(qū)的工作原理，只取三個(gè)振子作為代表。,輻射區(qū)的工作原理,輻射區(qū),指天線在饋電點(diǎn)（集合線始端）所呈現(xiàn)的阻抗。 當(dāng)高頻能從天線饋電點(diǎn)輸入以后，電磁能將沿集合線向前傳輸，傳輸區(qū)的振子，電長(zhǎng)度很小，輸入端呈現(xiàn)較大的容抗，因而它們輸入端的電流很小，它們的主要影響相當(dāng)于在集合線的對(duì)應(yīng)點(diǎn)并聯(lián)上一個(gè)個(gè)附加電容，從而改變了集合線的分

17、布參數(shù)，使集合線的特性阻抗降低（傳輸線的特性阻抗與分布電容的平方根成反比）。,1.輸入阻抗,輻射區(qū)是集合線的主要負(fù)載，由集合線送來(lái)的高頻能量幾乎被輻射區(qū)的振子全部吸收，并轉(zhuǎn)向空間輻射。輻射區(qū)后面的非諧振區(qū)的振子比諧振長(zhǎng)度大得多，由于它們能夠得到的高頻能量很小，能從集合線終端反射的能量也就非常小。如果再加上集合線終端所接的短路支節(jié)長(zhǎng)度的適當(dāng)調(diào)整，就可以使集合線上的反射波成分降到最低程度，于是可以近似地認(rèn)為集合線上載行波。 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的輸入阻抗就近似地等于考慮到傳輸區(qū)振子影響后的集合線特性阻抗，其基本上是電阻性的，電抗成分不大。,輸入阻抗,由前面的分析知對(duì)數(shù)周期振子陣天線為端射式天線，最大

18、輻射方向?yàn)檠刂暇€從最長(zhǎng)振子指向最短振子的方向。 因?yàn)楫?dāng)工作頻率變化時(shí),天線的輻射區(qū)可以在天線上前后移動(dòng)而保持相似的特性，其方向圖隨頻率的變化也是較小的。,2.方向圖與方向系數(shù),除了對(duì)數(shù)周期振子陣天線方向圖具有寬帶特性外，其半功率角與幾何參數(shù)以及還有一定的關(guān)系:越大，輻射區(qū)的振子數(shù)越多，天線的方向性越強(qiáng)，方向圖的半功率角就越小。 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的效率也較高，所以它的增益系數(shù)近似等于方向系數(shù)，即,G=DD,方向圖,對(duì)數(shù)周期振子陣天線的方向系數(shù)也與幾何參數(shù)和有關(guān)。,該圖說(shuō)明對(duì)應(yīng)于某一值，間隔因子存在一個(gè)最佳值opt。,方向系數(shù),在任何一個(gè)工作頻率上，對(duì)數(shù)周期振子陣天線只有輻射區(qū)的部分振子對(duì)輻

19、射起主要作用，而并非所有振子都對(duì)輻射作重要貢獻(xiàn)，所以它的方向性不可能做到很強(qiáng)。方向圖的波束寬度一般都是幾十度，方向系數(shù)或天線增益也只有10dB左右，屬于中等增益天線范疇。,對(duì)數(shù)周期振子陣天線,例,=0.917，=0.619，工作頻率為200600MHz的對(duì)數(shù)周期振子陣天線在不同頻率上的方向圖，增益G和輸入阻抗Zin。,LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗,LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗,LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗,LPDA的方向圖、增益和輸入阻抗,輸入阻抗 對(duì)數(shù)周期振子陣天線的輸入阻抗在工作頻帶（200600MHz）內(nèi)確實(shí)具有較小的電抗成分而且電阻部分變化也不太大，因而便于在帶寬內(nèi)與饋線實(shí)

20、現(xiàn)阻抗匹配。,由該圖可以看出,當(dāng)工作頻率低于頻帶低端頻率（本圖中為200MHz）時(shí)，由于天線的最長(zhǎng)振子不能滿足該頻率輻射區(qū)對(duì)天線長(zhǎng)度的要求(如150MHz時(shí)，要求輻射區(qū)中的最長(zhǎng)振子L1/1/2，而該天線的L1=0.75m，L1/=0.75/2=0.3750.5)，故天線將有著較大的尾瓣，增益比設(shè)計(jì)值10dB要低得多； 當(dāng)工作頻率高于頻帶高端頻率時(shí)，如果最短振子長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，不能滿足輻射區(qū)的要求，方向圖也會(huì)有較大變化。,2. 方向圖,而在本例設(shè)計(jì)時(shí)多加了一個(gè)最短振子，其尺寸為0.172m，在f=650MHz時(shí)，相當(dāng)于L/=0.172/0.462=0.370.5，仍基本滿足650MHz時(shí)對(duì)輻射區(qū)的要求，所以其方向圖只比頻率為600MHz時(shí)稍差一點(diǎn)。 另外，對(duì)數(shù)周期振子陣天線的E面方向圖總是較H面的要窄一些。因?yàn)閱蝹€(gè)振子在H面內(nèi)沒(méi)有方向性而在E面卻有一定的方向性。,對(duì)數(shù)周期振子陣天線是線極化天線。當(dāng)它的振子面水平架設(shè)