《电磁波与天线仿真与实践》课件-电波与天线知识点17 宽频带天线

谭立容电话858422751号实训楼B511电子信息学院南京信息职业技术学院宽频带天线宽频带天线6.1宽频带天线的条件6.2螺旋天线6.3对数周期天线6.1宽频带天线的条件1.角度条件

满足角度条件是指天线的形状仅取决于角度，而与其他尺寸无关。换句话说，当工作频率变化时，天线的形状、尺寸与波长之间的相应关系不变。图6-1所示为平面等角螺旋天线的一等角螺旋线。“等角”是指螺旋线与矢径ｒ间的夹角ψ处处相等。等角螺旋线的极坐标方程为(6-1-1)式中，r0是对应于φ=0°时的矢径；α是决定螺旋线张开快慢的一个参量，1/α称为螺旋率。图6-1平面等角螺旋天线2.终端效应弱实际天线的尺寸总是有限的，有限尺寸的结构不仅是角度的函数，也是长度的函数。因此，当天线为有限长时，是否具有近似无限长时的特性，是能否构成实际的非频变天线的关键。如果天线上的电流衰减很快，则天线辐射特性主要由载有较大电流的那部分决定，而其余部分作用较小，若将其截去，对天线的电性能影响也不大，这样的有限长天线就具有近似无限长天线的电性能，这种现象就称为终端效应弱。终端效应的强弱取决于天线的结构。满足上述两条件，即构成非频变天线。非频变天线分成两大类：等角螺旋天线和对数周期天线。6.2螺旋天线6.2.1螺旋天线的辐射特性与极化特性１．平面等角螺旋天线如图6-2所示是按角度条件由两个对称金属臂组成的平面等角螺旋天线，它可看成是一变形的传输线。图中，螺旋线与矢径的夹角ψ(称为螺旋角)为一常数，它只和螺旋率有关，即tanψ=1/a。当转角从φ=0°逆时针增大时，ｒ不断增大直至无穷大；当转角φ从φ=0°顺时针增大时，ｒ以指数规律减小，向原点逼近。每个臂的边缘线都满足式(6-1-1)的曲线方程且具有相同的α，只要将臂的一个边缘线旋转δ角就会与该臂的另一个边缘线重合。式（6-1-1）

又可写为如下形式：因此，等角螺旋天线又称为对数螺旋天线。（6-2-3）图6-2平面等角螺旋天线这时天线的金属臂与两臂之间的缝隙的形状相同，即两者互相补偿，称为自补结构。已知自补天线的阻抗具有下述性质：z缝隙·z金属=(60π)2

可以将天线两臂看成是一对变形的传输线，在螺旋天线的始端由电压激励激起电流并沿两臂边传输、边辐射、边衰减，臂上每一小段均可看成一个基本辐射元，总辐射场就是这些基本元辐射场的叠加。实验证明，臂上电流在流过一个波长的臂长后，电流迅速衰减到-20dB以下。因此其有效辐射区就是周长约为一个波长以内的部分。这种性质符合终端效应弱的条件。平面等角螺旋天线的电流分布自补等角螺旋天线的最大辐射方向垂直于天线平面，且为双向辐射,即在天线平面的两侧各有一个主波束。设天线平面的法线与幅射线之间的夹角为θ，其方向图可以近似表示为cosθ。在θ≤７０°的锥角范围内，场的极化接近于圆极化，极化方向由螺旋线张开的方向决定。天线的工作频带由截止半径r0和天线最外缘的半径R0决定。通常取一圈半螺旋来设计这一天线，即外径R0＝ｒ0ｅα3π。若以α=0.221代入，可得R0＝8.03r0，则工作波长的上下限为λmin≈(4～8)r0，λmax≈4R0,带宽在8倍频程以上。几何参量α和δ对天线性能也有影响：α愈小，螺旋线的曲率愈小，电流沿臂衰减愈快，波段性能愈好；δ则与天线的输入阻抗有关。但α和δ对天线方向图的影响均不大。自补等角螺旋天线的最大辐射方向垂直于天线平面，且为双向辐射加了金属背腔后变成单向辐射图6-50宽频带特性圆锥等角螺旋天线仿真模型也可将平面的双臂等角螺旋天线绕制在一个旋转的圆锥面上，这就构成了圆锥形等角螺旋天线。这一天线在沿锥尖方向具有最强的辐射，可以实现锥尖方向的单向辐射，它的其他性质与平面等角螺旋天线类似，且方向图仍然保持宽频带和圆极化特性。平面和圆锥等角螺旋天线的频率范围可以达到20倍频程或者更大。

２．阿基米德螺旋天线另一种常用的平面螺旋天线是阿基米德螺旋天线，如图6-3（ａ）所示。该天线臂曲线的极坐标方程（可参照图6-1）为（6-2-4）式中，r0是对应于φ=0°的矢径。天线的两个螺旋臂分别是r1＝r0φ和r2＝r0(φ-π)。为了明显地将两臂分开，在图6-3（ｂ）中分别用虚线和实线表示这两个臂。图6-3阿基米德螺旋天线(a)天线的两个螺旋臂；(b)分别用虚线和实线表示两个臂研究图中Ｐ和Ｐ′点处的两线段，设OP和OQ相等，即P和Q为两臂上的对应点，对应线段上电流的相位差为π，由Q点沿螺旋臂到Ｐ′点的弧长近似等于π·r，这里ｒ为OQ的长度。故P点和Ｐ′点电流的相位差为π+β·πr=π+2π/λ·πr,若设r=λ/2π,则P点和Ｐ′点的电流相位差为2π。因此，若满足上述条件，则两线段的辐射是同相叠加而非相消的。也就是说,这一天线的主要辐射集中在r=λ/2π的螺旋线上，这称为有效辐射带。随着频率的变化，有效辐射带也随之而变，但由此产生的方向图的变化却不大，故阿基米德螺旋天线也具有宽频带特性。如果在这一天线面的一侧加一圆柱形反射腔，就构成了背腔式阿基米德螺旋天线，它可以嵌装在运载体的表面下。6.3对数周期天线６.３.１对数周期天线的结构特点与工作原理１．齿状对数周期天线1）结构特点

齿状对数周期天线的基本结构是将金属板刻成齿状，如图6-4所示，齿的分布是按等角螺旋线设计的，齿是不连续的，其长度是由从原点发出的两根直线之间的夹角决定的。若从螺旋线中心沿着矢径方向看去，同一臂上第ｎ个齿内缘的矢径为（6-3-1）则第ｎ＋１个齿内缘的矢径为第n+1个齿和第n个齿内缘的矢径之比为(τ为小于１的常数）同理，同一臂相邻齿外缘的比值τ也是一个常数，即τ称为周期率，它给出了天线结构的周期。（6-3-3）（6-3-2）图6-4平面对数周期天线齿状对数周期天线图6-5梯齿形对数周期天线（ａ）齿片结构;（ｂ）导线结构２）工作原理对于无限长的结构，当天线的工作频率变化τ倍，即频率从f变到τf，τ2f，τ3f,……时，天线的电结构完全相同，因此在这些离散的频率点f，τf，τ2f,……上具有相同的电特性。但在f～τf,τf～τ2f,……频率间隔内，天线的电性能有些变化，只要这种变化不超过一定的指标，就可认为天线基本上具有非频变特性。由于天线的这一性能可以在很宽的频率范围中以ln(1/τ)为周期作重复性变化，故命名为对数周期天线。实际上，天线不可能无限长，而齿的主要作用是阻碍径向电流。实验证明:齿片上的横向电流远大于径向电流，如果齿长恰好等于谐振长度(即齿的一臂约等于λ／4)，则该齿具有最大的横向电流，且附近的几个齿上也具有一定幅度的横向电流。而那些齿长远大于谐振长度的各齿，其电流会迅速衰减到谐振长度上电流最大值的30dB以下，这说明天线的终端效应很弱，因此有限长天线近似具有无限长天线的特性。

２．对数周期偶极子天线（简称ＬＰＤＡ）1）结构特点对数周期偶极子天线是由N个长度不同的对称振子，按一定间距排列在同一平面内构成的。各振子末端的连线交于一点，称做顶点。该天线的结构依据下列关系设计：（6-3-4）其中:n为振子序号，最长振子的序号为１；l表示振子的长度;ｄ表示相邻振子的间距;ｒ表示由顶点到振子的垂直距离;τ称作周期率。对数周期偶极子天线的结构如图6-6所示，天线的几何结构主要取决于参数τ、α和σ，它们之间满足下列关系：（6-3-5）（6-3-6）其中，α为各振子臂末端连线的夹角。图6-6对数周期偶极子天线阵LPDA的结构特点表明，当序号为n的振子的长度与位置确定后，就可按式(6-3-4)求出向顶点或其反向延伸的无限多个振子的长度和位置。换句话说，按比例系数τ变换天线结构后仍等于原来结构，即结构尺寸的对数以lnτ为周期。由于天线的性能取决于天线结构的电尺寸，那么天线呈现相同性能时的频率也有同样的对数周期。若随着振子序号的增加，振子的长度和距顶点的距离依次减小τ倍，即（6-3-7）相应地则有：上式表明，LPDA的天线结构和性能均以lnτ为周期重复变化，这就是对数周期天线名称的由来。当然，当频率从fn变到fn+1时，天线性能会随之变化。当比例系数τ较大(接近1)时，天线参数在一个周期内的变化不大。这样一来，可在极宽的频率范围(10多倍频程)内使天线参数变化不大，从而实现非频变特性，即宽频带特性。2）工作原理从馈电点对天线进行馈电后，电磁能量将沿集合线传输，依次对各振子激励。天线上那些长度为半波长左右的振子就发生谐振，谐振振子的阻抗主要主要取决于阻抗的实部,并在2l=λ/2的半波长振子上产生最大电流。天线的辐射场主要由这些半波长左右的振子决定。由半波振子到天线末端(最长振子方向)，振子上的电流迅速减小，一般经过两三个振子就接近于零值，这种现象称作“截除效应”。正因为有这种效应，才允许天线结构上的突然截断，才有可能使有限的天线结构具有理想的无限长天线结构同样的电特性。天线末端那些电流为零值的长振子组成了“未激励区”，它们没有被集合线上的电流激励，也不辐射能量，就好像不存在一样。对数偶极子天线的阻抗特性和方向特性通常可将LPDA分为三个区域：(1)馈电点附近的短振子区为传输区；(2)振子臂长接近谐振长度(λ/2)时的区域为辐射区；(3)振子臂更长的未激励区。传输区中对称振子的臂长远小于波长，呈现很大容抗。由于振子的输入阻抗很高，电流很小，辐射作用微弱，因此该区中的诸振子可看成是对集合线加载的并联电容。这个区域的作用是传输高频电磁能量,所以称为传输区。当天线馈电后，能量沿双绞线传输。当能量行至长度接近谐振长度的振子，或者说振子的长度接近于半波长时，发生谐振，振子上的输入阻抗呈现纯电阻，电流较大，向空间产生有效的辐射。整个天线的辐射主要由这部分振子产生，因此将它称为辐射区。由于大部分能量已被辐射区辐射出去，使集合线传至未激励区的能量很弱，此区域的振子呈现高感抗，因此，振子上的电流很小，其辐射微不足道，对辐射几乎没有贡献。图6-718元LPDA在三种频率下振子输入端的电流分布当集合线平均特性阻抗Z0=83Ω时，由图6-7中电流分布曲线可见，频率增高时，辐射区向短振子方向移动。f=200MHz时，n=3的振子接近谐振，电流最大；f=300MHz时，n=8的振子谐振；f=600MHz时，n=15的振子谐振。从电流分布曲线可看出传输区、辐射区与未激励区的电流分布情况。

图6-8给出该LPDA在频率分别为200MHz、300MHz、450MHz、600MHz时的方向图。从图中可见，方向图形状基本不变。方向性系数与阻抗如表6-1所示。图6-8LPDA的方向图(a)f=200MHz;(b)f=300MHz;(c)f=450MHz;(d)f=600MHz表6-1图6-8所示的LPDA的方向性系数与输入阻抗对数周期天线的极化特性与宽频带特性对数周期天线电场的极化方向平行于振子方向，为线极化天线。当天线工作频率变化时，不同频率的高频电磁能量是由天线的不同部分辐射的。频率高的由短振子辐射；频率低的由长振子辐射。当频率由高向低变化时，辐射区由短振子一侧向长振子一侧移动。有效辐射区随频率的变化而左右移动，但电尺寸不变。因而，对数周期天线具有宽频带特性，其频带范围为10或者是15倍频程。目前，对数周期天线在超短波和短波波段获得了广泛的应用。6.3.4对数周期天线的馈电方法

N副对称振子用一对双线传输线(传输线又称为集合线)进行馈电，相邻振子的馈电线交叉连接，馈源