微波技术课件第六章教材

第6章线天线6.1对称振子6.2离散元直线阵6.3地面对天线性能的影响6.4几种常见的线天线6.5平面阵列天线6.1对称振子对称振子由两段同样粗细，长度各为l的直导体组成，两导体内端接馈线，两导体内端间距，可忽略不计。对称振子与基本电振子的主要区别是：对称振子的长度并非远小于波长，振子上各点至远场点的距离不能认为是相等的，振子上各点的电流也不相等。可以根据场的叠加原理分析对称振子，即先把对称振子分成许多微分段，将每一微分段看成基本电振子，然后再积分求对称振子的辐射场。图6-1-1对称振子6.1.1对称振子的辐射场1.对称振子上的电流分布采用开路线近似将开路线张开，得对称振子上的电流分布图6-1-2终端开路线上的电流分布图6-1-3对称振子上的电流分布6.1.1对称振子的辐射场2.对称振子的辐射场表达式取两个微分段利用叠加原理6.1.1对称振子的辐射场3.远区近似对远区（、均远大于），可近似认为射线、是相互平行的，且与的差别对场强幅值的影响很小由于相位因子是周期函数，与的距离差引起的相位差不可忽略6.1.1对称振子的辐射场4.辐射场的远区近似对称振子的方向性函数与振子臂的电长度有关图6-1-4不同臂长的对称振子在E面的方向图6.1.1对称振子的辐射场臂长的对称振子，称为半波振子图6-1-5半波振子的方向图(a)E面方向图(b)H面方向图6.1.2对称振子的辐射功率、

辐射电阻和方向性系数1.辐射功率与辐射电阻对称振子的辐射功率等于离开振子中心的球面上能流密度的积分辐射电阻以波腹电流作参考的定义是半波振子的。6.1.2对称振子的辐射功率、

辐射电阻和方向性系数2.方向性系数对称振子的方向性系数对称振子的最大方向性系数半波振子的。6.1.3对称振子的输入阻抗采用有耗开路线近似图6-1-7输入电抗曲线图6-1-6输入电阻曲线6.1.4对称振子的馈电对称振子两臂电流呈对称分布，因而要求馈线两输出端上的电流等幅反相（平衡馈电）。在短波和米波波段可用平行双导线馈电。在分米波和厘米波段需用同轴线馈电。图6-1-8同轴线的不对称馈电6.1.4对称振子的馈电1.U形管平衡变换器结构：同轴主馈线分为两路，一路的芯线在a点直接接振子的一臂，另一路的芯线经一段相同规格的同轴线段后在b点接振子的另一臂。U形管外导体在输出端接地。工作原理：同轴线上相隔的两点间信号等幅反相，实现对振子的平衡馈电。这种平衡变换器是窄带的。图6-1-9U形管对称变换器6.1.4对称振子的馈电2.分流式平衡变换器结构：在同轴线旁附加一段长，直径与同轴线外导体相同的金属杆即构成分流式平衡变换器。这种平衡变换器是宽带的。工作原理在中心频率，附加金属杆与同轴线外导体构成短路线，它对同轴线外导体的分流电流开路，使振子两臂电气上对称。当偏离中心频率时，由于对称振子与平行双导线的输入阻抗于a、b两点并联，且二者的输入电抗符号相反，起到补偿作用。同时，流过附加金属杆的电流与同轴线外导体的外壁电流等幅反相，起到电流补偿作用，从而使振子两臂上的电流仍然呈对称分布。图6-1-10分流式平衡变换器6.2离散元直线阵

6.2.1离散元直线阵的辐射场及方向图乘积定理1.辐射场根据场的迭加原理，直线阵在远区P点的辐射场图6-2-1离散元直线阵

6.2.1离散元直线阵的辐射场及方向图乘积定理1.辐射场由平行线近似各单元结构相同由相同单元构成的直线阵的辐射场

6.2.1离散元直线阵的辐射场及方向图乘积定理2.方向图乘积定理由相同单元构成的直线阵的方向性函数是单元因子与阵因子的乘积称为单元因子，仅与天线单元的形式有关。称为阵因子，与天线阵的单元数、馈电电流分布和单元间距分布有关，而与天线单元的形式无关。

6.2.1离散元直线阵的辐射场及方向图乘积定理3.理想点源直线阵理想点源的单元因子=常数。理想点源直线阵的辐射场理想点源直线阵的方向性函数6.2.2二元阵1.二元阵的阵因子理想点源二元阵沿z轴排列，理想点源的间距为，电流为、，且二元阵的阵因子为图6-2-2理想点源二元阵6.2.2二元阵

2.二元阵实例

例6-2-l

两结构相同的半波振子沿z轴排列，如图6-2-3所示。设两振子等幅同相馈电，中心间距为。求此二元阵在E面(平面)和H面(平面)的方向图。图6-2-3例6-2-1中的二元阵阵因子半波振子的归一化方向性函数解已知，，，6.2.2二元阵二元阵的方向性函数及归一化方向性函数分别为6.2.2二元阵图6-2-4例6-2-1中二元阵的方向图a)E面b)H面6.2.2二元阵

例6-2-2

两半波振子按图6-2-5a所示排列。设两振子中心间距，。求此二元阵的E面方向图。a)

图6-2-5二元半波振子阵解已知，，，半波振子的方向性函数6.2.2二元阵

2.二元阵实例

例6-2-2根据方向图乘积定理，二元阵的方向性函数二元阵在E面(平面，)的归一化方向性函数6.2.2二元阵图6-2-5二元半波振子阵a)二元半波振子阵坐标系b)E面(xz平面)方向图6.2.3均匀直线阵1.均匀直线阵的阵因子均匀直线阵是指相邻单元等间距，各单元馈电电流等幅分布，而相位则依次等量递增或递减的直线阵。

均匀直线阵的阵因子均匀直线阵的归一化阵因子6.2.3均匀直线阵1.均匀直线阵的阵因子（1）均匀直线阵的阵因子是的周期函数，周期为。（2）均匀直线阵的方向图相对于阵轴具有旋转对称性，即阵因子仅是的函数。（3）表示两相邻单元辐射场的相位差。

图6-2-7与的关系曲线(通用方向图)6.2.3均匀直线阵2.几种常见均匀直线阵（1）边射直线阵边射直线阵：最大辐射方向垂直于阵轴的直线阵边射直线阵是等幅同相馈电直线阵图6-2-9时5元边射阵的方向图6.2.3均匀直线阵2.几种常见均匀直线阵（2）端射直线阵端射直线阵：最大辐射方向在阵轴方向的直线阵阵中的各单元电流的相位沿最大辐射方向依次滞后或或图6-2-10，时5元端射阵的方向图6.2.3均匀直线阵（3）相位扫描直线阵如果天线阵不转动，仅随时间按一定规律变化，则最大辐射方向连同整个方向图就能在一定空域内往复运动，即实现方向图扫描。图6-2-11相位扫描阵和频率扫描阵的原理图相位扫描阵频率扫描阵6.2.3均匀直线阵图6-2-12相位扫描阵的E面方向图(，)a)

θM=90°b)

θM=75°c)

θM=30°d)

θM=0°6.2.3均匀直线阵3.栅瓣和间距的选择单元间距过大时天线方向图在所对应的方向将有多个最大值相同的大波瓣。通常称对应的大波瓣为主瓣，等于其它值对应的大波瓣为栅瓣。消除栅瓣最大值的条件消除整个栅瓣的条件6.2.4均匀直线阵的方向性分析1.零辐射方向和主瓣宽度（1）零辐射方向（2）主瓣的零功率宽度（3）主瓣的半功率宽度（主瓣宽度）6.2.4均匀直线阵的方向性分析（4）几种长均匀直线阵（）的零辐射方向和主瓣宽度。边射阵6.2.4均匀直线阵的方向性分析端射阵6.2.4均匀直线阵的方向性分析相位扫描阵，当，时6.2.4均匀直线阵的方向性分析2.副瓣电平（1）副瓣最大值方向（2）副瓣最大值（3）副瓣电平第一副瓣电平

6.2.4均匀直线阵的方向性分析3.方向性系数边射阵的方向性系数端射阵的方向性系数6.2.5不等幅等间距边射直线阵1.三角形分布、二项式分布、倒三角形分布及其比较图6-2-13几种电流幅度分布(n=5，d=λ/2)(a)等幅分布；(b)三角形分布；(c)二项式分布；(d)倒三角形分布6.2.5不等幅等间距边射直线阵（2）二项式分布（3）倒三角形分布（1）三角形分布6.2.5不等幅等间距边射直线阵（4）相互间的比较就馈电电流而言，二项式分布由中心向外的递减率要大于三角形分布，等幅分布的递减率为零，倒三角形分布则是递增分布（或者说递减率为负数）。就副瓣电平而言，二项式分布最低（没有副瓣），按三角形分布、等幅分布、倒三角形分布依次升高。可见馈电电流从中心向外的递减率越大，副瓣电平越低。6.2.5不等幅等间距边射直线阵图6-2-145元边射阵(d=λ/2)方向图(a)等幅分布(b)三角形分布(c)二项式分布(d)倒三角形分布6.2.5不等幅等间距边射直线阵2.道尔夫－契比雪夫分布道尔夫－契比雪夫分布是一种对副瓣电平和主瓣宽度呈最优折衷的分布，因其阵因子由契比雪夫多项式描述而得名。在所有对称于中心的递减型馈电电流分布阵中，在给定的副瓣电平（或主瓣宽度）下，它的主瓣宽度最窄（或副瓣电平最低），而且具有等副瓣的特点，因此，被称为最优边射阵。工程中提出了多种准最优边射阵，如泰勒（Taylor）分布阵、贝利斯（Bayliss）分布阵等，并且几乎已成为工业标准。6.3地面对天线性能的影响6.3.1镜像法1.一般概念镜像法是在所研究的区域之外，用一些假想的电荷、电流代替场问题的边界，假如这些电荷、电流和所研究的区域原有的电荷、电流一起产生的电磁场满足原问题的边界条件，那么，该电磁场就是待求的场解。6.3.1镜像法2.基本电振子对无限大理想导体平面的镜像3.镜像法的表述用基本电振子的镜像代替无限大理想导体平面后，原问题的场解等于原振子产生的场与其镜像产生的场的叠加，也就是说，原问题可以转化成等效二元阵问题。图6-3-1基本电振子的镜像(a)垂直振子(b)水平振子(c)倾斜振子6.3.2理想地面对天线方向性的影响1.对垂直对称振子的影响垂直对称振子的镜像是正镜像，等效二元阵的间距，电流。垂直对称振子在理想地面上半空间的方向性函数图6-3-2垂直对称振子的镜像(a)半波振子(b)全波振子6.3.2理想地面对天线方向性的影响图6-3-3理想地面上垂直对称振子E面方向图6.3.2理想地面对天线方向性的影响2.对水平对称振子的影响水平对称振子的镜像是负镜像，等效二元阵的间距，电流。水平对称振子在理想地面上半空间的方向性函数图6-3-4水平对称振子的镜像(a)半波振子(b)全波振子6.3.2理想地面对天线方向性的影响图6-3-5理想地面上水平对称振子H面方向图6.3.2理想地面对天线方向性的影响3.讨论随着天线高度的增加，无论垂直还是水平振子，其方向图的波瓣数均是增加的；垂直振子沿地面总具有最大辐射，水平振子沿地面总是无辐射，与天线高度无关；随着天线高度的增加，水平振子方向图最靠近地面的波瓣的仰角愈低。6.3.3实际地面对天线方向性的影响1.地面主反射区（菲涅尔区）（1）菲涅尔区的概念Dn的轨迹是一个与半径对应的以点Q、P为焦点的旋转椭球面。该椭球面所包围的空间为菲涅尔区，并称半径与所对应的椭球面之间的环形空间为第n菲涅尔区，相应的半波带则称为第n菲涅尔带。

第n菲涅尔带的半径图6-3-6菲涅尔半波带及其半径的计算a）菲涅尔半波带的形成b)半波带半径的计算6.3.3实际地面对天线方向性的影响（2）地面主反射区的确定由于第1菲涅尔带对点P的场的贡献最大，它所对应的地面反射区称为主反射区。确定地面主反射区的步骤如下：

1）连接Q

P交地面于点O，作OD⊥Q

P，并使OD等于第1菲涅尔带的半径；

2）以Q

、P为焦点，过点D作旋转椭球，该椭球对地面的截面为一椭圆，称为地面主反射区。图6-3-7镜像天线的菲涅尔椭球及地面主反射区6.3.3实际地面对天线方向性的影响2.光滑平坦地面及瑞利准则镜象法只适用于光滑平坦地面。将光滑平坦地面用反射系数描述地面起伏的最大高度满足瑞利准则时可视为光滑平坦地面。瑞利准则6.3.3实际地面对天线方向性的影响3.用镜像法求直射波和地面反射波的合成场（1）实际地面上的垂直基本电振子在地面上半空间的辐射场E面方向性函数图6-3-8实际地面上垂直基本电振子6.3.3实际地面对天线方向性的影响（1）实际地面上的垂直基本电振子图6-3-9实际地面上h=λ/2时垂直基本电振子方向图6.3.3实际地面对天线方向性的影响（2）实际地面上的水平基本电振子在地面上半空间的辐射场面方向函数图6-3-10实际地面上h=λ/2时水平基本电振子方向图6.3.3实际地面对天线方向性的影响（3）讨论一般来说，实际地面对垂直电振子的影响比对水平电振子要大，尤其是在低仰角区；实际地面上，垂直天线低空性能较好，水平天线存在低空探测盲区；实际地面上天线的增益比理想地面时要小；对不同的实际地面，方向图形状的变化并不大，但随着n减小，各波瓣之间的零点消失。6.4几种常见的线天线6.4.1折合振子结构：由短路线折叠而成，折叠后的上下两导体间距远小于波长。

电流分布：两导体上的电流方向相同，且分布规律和半波振子的相同。折合振子的辐射电阻

图6-4-1折合振子a)终端短路线b）构成及电流分布图6-4-2两导体直径不等的折合振子6.4.2引向天线1.引向天线的结构由一个馈有高频电流的有源振子（辐射器）和若干无源振子构成，各振子中心固定在与它们垂直的一根金属支杆上。（1）辐射器：常采用输入电阻较大的折合振子作辐射。（2）引向器和反射器：一般采用普通的对称振子。图6-4-3引向天线的结构6.4.2引向天线2.引向天线初始结构参数的选择振子数N的选择。振子数N取决于给定的增益（方向性系数）或波瓣宽度。振子间距的选择。振子间距取决于给定的方向图和阻抗特性。图6-4-4引向天线的结构参数6.4.2引向天线3.引向天线的方向图

图6-4-78元引向天线的方向图6.4.3对数周期天线1.对数周期天线的结构振子数为N；天线馈电点接在短振子一端；振子间通过特性阻抗为的平行双线交叉连接，称为集合线。是振子末端包络线的夹角，称为LPDA的内角。、和分别是振子到顶点的距离，相邻振子的间距和振子一臂的长度图6-4-8LPDA的外形图6-4-9LPDA的结构尺寸和馈电6.4.3对数周期天线2.对数周期天线的工作原理天线结构尺寸的对数是等差级数，公差为。当频率变化倍时，天线的电结构将完全相同，只不过馈电点向长振子方向推移了个振子而已。这种结构特点决定了LPDA的接近于非频变的特性。从各个振子的辐射情况看，可分为三部分靠近馈电点的前端振子，为传输区。中部的长度约为的振子，为有效辐射区。离馈电点更远的长度远大于的振子，为辐射死区。6.4.3对数周期天线3.LPDA的增益LPDA的增益取决于参数和。高增益时要求值较大。存在一最佳增益曲线，如图中虚线所示。图6-4-10LPDA的增益图6.4.4螺旋天线1.螺旋天线的几何特性螺旋天线的几何参数有螺旋直径、螺距和圈数。导出参数有螺距角和圈长

图6-4-11螺旋天线及其几何参数

6.4.4螺旋天线螺旋天线的辐射特性基本上决定于螺旋的直径与波长之比。按辐射模式区分，有（1）法向模螺旋天线；（2）轴向模螺旋天线；（3）圆锥模螺旋天线。图6-4-12螺旋天线的三种辐射模式6.4.4螺旋天线2.轴向模螺旋天线的辐射特性（1）最大辐射方向的形成合成辐射场由如下因素确定：（1）波程差。由波程差引起的相位差为零；（2）电流方向。由于两个单元的电流方向相反会使辐射场和反相；（3）电流相位。由于两个单元的电流反相，会使辐射场和反相。图6-4-13螺旋天线最大辐射方向的形成6.4.4螺旋天线（2）圆极化的实现由于螺旋线上的电流沿螺圈不断旋转，其所辐射的电场矢量方向也将在空间不断旋转，因此沿z轴方向的辐射场是近似圆极化的。（3）输入阻抗当每一圈的周长接近时，模为优势模，其特点是在天线终端的反射很小，使螺旋线上近似为行波，且输入阻抗近似为纯电阻。对优势模，输入阻抗（Ω）6.4.4螺旋天线（4）方向性函数（当，时）

半功率主瓣宽度（°）零值主瓣宽度（°）方向性系数6.4.4螺旋天线图6-4-16轴向模螺旋天线的实测方向图图6-4-15单圈螺旋线的xy平面方向图(，L/λ=1.07)6.5平面阵列天线6.5.1阵列天线的组成与馈电1.阵列天线的组成阵列天线由排成矩阵阵列的对称振子和金属反射网组成。各对称振子具有相同的结构，金属反射网距天线阵面平行放置，尺寸略大于阵面。图6-5-1阵列天线的组成6.5.1阵列天线的组成与馈电2.阵列天线的馈电（1）同相等幅馈电图6-5-2平行双线交叉馈电图6-5-3