超宽带电磁学10

1、 从天线的电特性来理解，无频变天线应具有不随频率变化的方向图、输入阻抗、极化特性、相位中心，等 很少有天线能够完全满足这些要求。 平面螺旋天线角形结构，宽频带特性。用更为简单的几何图形（直线和圆弧）来构建，则天线结构将会进一步简化简化。 平面蝴蝶结天线，全向波束，线极化波。 天线长度有限，电流在辐射面末端反射，从而限制了天线的带宽。 用更简单的几何图形比如直线和圆弧来构建平面螺旋，则天线结构将会进一步简化。 由于天线长度有限，电流在金属辐射面末端突然中止，产生反射，从而限制了天线的带宽。 在天线边缘加上周期性的齿形结构周期性的齿形结构，电流沿径向更快地衰减，从而导致宽频带特性。 这种天线称为齿

2、形对数周期平面天线，是对数周期天线系列中的一种形式。 齿的作用是阻碍径向电流，形成横向电流，且横向电流大于径向电流。在使用频率极限范围内，电流沿圆弧形齿向外流出，使径向电流到达天线终端时已经微不足道。(2 )nn(2 )annRRnR e( -1)2 )- 210(2 )01ananannRr eeRr e11nnaa借助平面等角螺旋天线公式来构建，齿的外端位置可写成 相邻齿的外端位置相对比值为 相邻齿的内半径之比 称为缩比因子称为缩比因子 1nnRa另外引进一个结构因子 用以描述齿宽度的相对比值 因此只要给定和则天线各个齿的径向位置全部确定。1R+1n/nff)1 (1/logflogflo

3、gnn+=+ nfnR根据频率无关原理，如果工作频率与相对应，则有 取对数，有 这表明，天线电性能天线电性能按频率的对数周期重复出现，周期周期是(1/ )log激活区激活区在一般情况下，各个角量之间的关系是： 0180=+=+ 2适当调整齿的角度和尺寸，=当和时，构成自补天线。 由此得到齿形自补对数周期平面天线角度要求nnnna/RR/a1+=0135=045=自补天线具有宽频带特性，其输入阻抗的理论值是188.5。 如果齿的宽度和间隙是均等的，即 =111,nnnnRaRa20.=03090.=075实验表明，半功率波束宽度随的增加而增加。当时，半功率束宽大约是方向图在辐射平面法线方向上有二

4、个主瓣，极化方向与齿的边缘平行。当齿的长度退化为零时，即天线变为蝴蝶结平面结构， 0=，极化方向与中心导体带的边缘平行 齿的长度大约等于1/4波长的齿片上会形成明显大于其他齿片上的电流，这是天线辐射的主要电流区域，是天线的激活区，是与频率无关天线的关键特征。 对不同的工作频率，激活区沿着中心导带前后移动，频率升高时激活区移向馈电端方向，频率降低时激活区移向半径增加方向。 激活区的存在是天线具有超宽带的前提。 根据工作带宽，在天线两端适当的位置截断，可构成有限尺寸的满足要求的宽频带天线。 天线设计所遵循的基本原则是：最大齿长等于1/4波长决定了低端工作频率，最小齿长等于1/4波长决定了高端工作频

5、率。 天线的自补结构保证了天线性能在一个周期中不会出现大的波动。对数周期天线输入阻抗随频率的变化关系 特点是定向辐射，在z方向存在一个宽的主波束。 在 范围内，方向图差不多与频率无关。 在z轴上，场主要沿y方向线性极化， 在x方向存在一个微小的交叉极化项，源于径向电流。典型的交叉极化分量低于y方向极化分量18dB。 劈形结构天线的输入阻抗随弯折角度的减小而减小，在 时，输入阻抗只有 。006030030=70 从实用和易于构建的观点，如果能将圆弧形齿做成直线形而不显著改变天线性能，将十分有益。 实践表明，结构的这种简化对天线的性能影响很小，因此变形对数周期天线在天线工程中得到了充分重视和开发应

6、用。 梯形齿对数周期天线，这种天线的性能与弯曲边缘天线的性能是类似的。 将梯形齿对数周期天线按图6.5的方式弯折，得到梯形齿对数周期劈形天线结构。 对于弯曲边缘和直边缘二种齿劈天线结构，其辐射方向图是类似的，但梯形结构具有更好的阻抗特性，对 ，在一个周期中，阻抗的变化大约只有1.6:1。060 梯形对数周期线天线经弯折后可以构成定向的劈形天线，性能与（平面金属）对应天线相类似。 对 劈角的测量表明， E面和H面的半功率束宽为660， 增益为9.2dB， 前后比为12.3dB。 在10:1带宽范围，天线的平均输入阻抗为 ， 驻波比为1.45。 主波束在沿轴线从锥顶点向外的方向， 且为线性极化。0

7、45=110 在HF、VHF、UHF频段的工程项目中得到广泛应用，称之为（LPDA）； 由一系列在馈点处向外连续增长的平行直线偶极子所组成，按对数周期规律排列； 用平行双导线对各振子馈电，平行双导线称为集合线，相邻振子是反相馈电的，即集合线对各单元振子馈电是采用交叉方式进行的。 主馈线用同轴线对天线馈电，为了实现相邻单元交叉馈电的目的，采用图6.9所示的结构。馈电同轴线穿过作为集合线的一根馈电管到达馈电端，外导体就接在这根馈电管上，而内导体适当延伸以后接到另一要馈电管上，因此，这种馈电方式本身就起到宽频带的不平衡平衡转换不平衡平衡转换作用。11nnRR11222+=nnnnR/LR/LtanN

8、NnnnnRL.RLRL.RL=+111111nnnnRLRL角限制了偶极子的长度，LPDA的缩比因子有 因此得到这表明，相邻线元位置的比值等于相邻偶极子长度的比值。这表明，相邻线元位置的比值等于相邻偶极子长度的比值。 LPDA的空间因子定义为nnLd2=nnnnnnRRRRRd)-1 (-1/2)/2tan(n=LRn/2)2tan()-(1nnLd =因为得到/2)4tan(-12=nnLd)4-1(21 -tan=可以得到所有尺寸的缩比关系 11nnnnRLRLnnnnnnddLLRR111+=21LL2UNL和 LPDA存在一个激活区，激活区DA长度接近四分之一波长， DA上分布着比其

9、它DA上更多的电流。工作原理类似于八木天线，比四分之一波长长的DA相当于反射器，比四分之一波长短的DA相当于引向器。辐射方向图即天线劈尖指向最大主波束方向。随着工作频率的改变，激活区移动到天线的不同区域，因此工作频带可粗略地由最长DA长度对应最低频率的半波长；最短DA长度对应最高频率的半波长。 图6.10曲线表明：对一个确定的 值，如果 不同，则天线的增益也不同，而且对同一 值，一般有两个 使得增益值相同。 对于每一个 值，总可以找到唯一的 值，使天线的增益最大，这个值即称为最优的 值。 对所有的 值，最优的 差不多处在一条直线上，如图6.10中的虚直线所示。 还可以看出，高增益需要大的 值，这要求各个偶极子阵元长度的缓慢展开，通常取0.9580.=0.150.08= （1973） DeVito给出了，不同偶极子阵元数从N=12到47所对应的最大增益曲线。 该曲线表明，对每一个确定的 ，对应着最优的天线根数N，可以使天线增益达到最大。 通过比较得知，该曲线上的值比图6.10上部曲线优化 值对应的增益要稍大些，