《电磁场、微波技术与天线》课件-第10章

第10章宽频带天线10.1引言10.2行波单导线及菱形天线10.3螺旋天线(HelicalAntenna)10.4非频变天线

10.1引言

由传输线理论可知,行波状态传输线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗,且不随频率改变。显然,用载行波的导线构成天线,其输入阻抗将具有宽频带特性,这一类天线称为行波天线(Traveling-WaveAntenna)。为了使天线电流按行波分布,可在导线末端接匹配负载避免反射;或用很长的天线辐射大部分功率,使得仅有很少的功率传输到末端产生微弱反射。

由于行波天线工作于行波状态,频率变化时,输入阻抗近似不变,方向图随频率的变化也较缓慢,因而频带较宽,绝对带宽可达(2~3)∶1,是宽频带天线。但是行波天线的宽频带特性是用牺牲效率(或增益)来换取的,因为有部分能量被负载吸收,故天线效率低于谐振式驻波天线。

当天线的阻抗特性和方向性能在一个更宽的频率范围内(例如频带宽度为10∶1或更高)保持不变或稍有变化时,则把这一类天线称为非频变天线(Frequency-IndependentAntenna)。它们特别适合于扩频通信、通信侦察、电视以及反射面和透镜天线的馈源等领域。本章主要介绍以上两类天线。

10.2行波单导线及菱形天线10.2.1行波单导线行波单导线(Traveling-WaveLongWireAntenna)是指天线上电流按行波分布的单导线天线。设长度为l的导线沿z轴放置,如图10-2-1所示,导线上电流按行波分布即天线沿线各点电流振幅相等,相位连续滞后,其馈电点置于坐标原点。设输入端电流为I0,忽略沿线电流的衰减,则线上电流分布为图10-2-1行波单导线及坐标

行波单导线辐射场的分析方法与对称振子相似即把天线分割成许多个电基本振子,而后取所有电基本振子辐射场的总和,故有

式中,r为原点至场点的距离;θ为射线与z轴之间的夹角。由上式可得行波单导线的方向函数为

根据上式可画出行波单导线的方向图,如图10-2-2所示,由图可以看出行波单导线的方向性具有如下特点:

(1)沿导线轴线方向没有辐射,这是由于基本振子沿轴线方向没有辐射之故。

(2)导线长度越长,最大辐射方向越靠近轴线方向,同时主瓣越窄,副瓣越大且副瓣数增多。

(3)当l/λ很大时,主瓣方向随l/λ变化趋缓,即天线的方向性具有宽频带特性。图10-2-2单行波导线的方向图

最大辐射角的求解,可通过对f(θ)取导数来计算,也可以近似计算如下:

当l/λ很大时,方向函数中sin[kl(1-cosθ)/2]项随θ的变化比起sinθ/(1-cosθ)=cot(θ/2)项快得多,因此行波单导线的最大辐射方向基本上可由前一个因子决定,即由sin[kl(1-cosθ)/2]θ=θm=1决定。由该式可得

行波天线的输入阻抗基本上是一纯电阻,可以利用坡印廷矢量在远区封闭球面上的积分求出辐射电阻,如图10-2-3所示。与驻波天线相比,可以看出,行波单导线的阻抗具有宽频带特性。

行波单导线的方向系数可以用下列近似公式计算图10-2-3行波单导线辐射电阻

10.2.2菱形天线

1.菱形天线的结构和工作原理

为了增加行波单导线天线的增益,可以利用排阵的方法。用4根行波单导线可以构成如图10-2-4所示的菱形天线(RhombicAntenna),菱形水平地悬挂在四根支柱上,从菱形的一只锐角端馈电,另一只锐角端接一个与菱形天线特性阻抗相等的匹配负载,使导线上形成行波电流。菱形天线可以看成是将一段匹配传输线从中间拉开,由于两线之间的距离大于波长,因而将产生辐射。菱形天线广泛应用于中、远距离的短波通信,它在米波和分米波也有应用。图10-2-4菱形天线示意图

行波单导线的辐射场由式(10-2-2)已经知道了,求解菱形天线的辐射场即相当于求解四根导线在空间的合成场。如何才能使菱形天线获得最强的方向性,并使最大辐射方向指向负载方向呢?这可以通过适当选择菱形锐角2θ0、边长l来实现。如图10-2-5所示,选择菱形半锐角满足

即菱形四根导线各有一最大辐射方向指向长对角线方向,下面将证明图10-2-5中4个带阴影波瓣能在长对角线方向同相叠加。

参考图10-2-6(a),在长对角线方向,1、2两根行波导线合成电场矢量的总相位差应该由下列三部分组成,即

图10-2-5菱形天线的辐射

其中,ΔΨr为射线行程差所引起的相位差,射线行程从各边的始端起算,ΔΨr=klcosθ0;ΔΨi为电流相位不同引起的相位差,线上对应点电流滞后kl即ΔΨi=-kl;ΔΨE

为电场的极化方向所引起的相位差,由图可直观地看出ΔΨE=π,将这些关系代入式(10-2-7),可以得出总相位差为

即长对角线方向上导线1、2的合成场同相叠加。

再研究行波导线1和4,如图10-2-6(b)所示,在长对角线方向上射线行程差引起的相位差ΔΨr=0,电流相位差ΔΨi=π,电场极化相位差ΔΨE

=π,因此总相位差ΔΨ=2π。

根据以上分析,构成菱形天线的四条边的辐射场在长对角线方向上都是同相的,因此菱形天线在水平平面内的最大辐射方向是从馈电点指向负载的长对角线方向。而在其他方向上,一方面并不是各边行波导线的最大辐射方向,而且不一定能满足各导线的辐射场同相的条件,因此形成副瓣,且副瓣多,副瓣电平较大,这也正是菱形天线的缺点。图10-2-6菱形天线的工作原理

2.菱形天线方向函数

上面我们定性地分析了菱形天线的方向特性,欲定量分析,其推导较繁,下面仅给出在理想地面上的公式。

过长轴的垂直平面的方向函数为

式中,Φ0为菱形的半钝角;Δ为仰角;h为天线的架设高度。

当Δ=Δ0时(Δ0为最大辐射方向仰角),水平平面的方向函数为

式中,φ为从菱形长对角线量起的方位角。在上述两个平面上电场仅有水平分量。方向图可由以上两式绘出,如图10-2-7所示。一般而言,菱形天线每边的电长度越长,波瓣越窄,仰角变小,副瓣增多。图10-2-7菱形天线的方向图

3.菱形天线的尺寸选择及其变形天线

当通信仰角Δ0确定以后,选择主瓣仰角等于通信仰角。由菱形天线的垂直平面方向函数可知,为使f(Δ0)最大,可分别确定式(10-2-9)各个因子为最大,要使第三个因子为最大,应有sin(khsinΔ0)=1,即选择天线架高为

使第二个因子为最大的条件是sin[kl(1-sinΦ0cosΔ0)/2]=1,即天线每边长度为

使第一个因子为最大的条件是

由此得到半钝角Φ0和仰角Δ0应满足如下关系:

根据以上三个结果,在通信方向的仰角Δ0和工作波长λ确定以后,便可直接算出h、l和Φ0。不过根据上述最佳尺寸算出的结果,菱形的边长可能很大,往往因占地面积过大而难以做到,所以常根据最佳尺寸适当缩小。实践证明,将边长缩为最佳值的(1~1.5)/2,可以得到满意的电性能。

菱形天线的主要优点是:结构简单,造价低,维护方便;方向性强;频带宽,工作带宽可达(2~3)∶1;可应用于较大的功率,因为天线上驻波成分很小,因此不会发生电压或电流过大的问题。

主要缺点是:结构庞大,场地大,只适用于大型固定电台作远距离通信使用;副瓣多,副瓣电平较高;效率低,由于终端有负载电阻吸收能量,故天线效率为50%~80%左右。

为了改善菱形天线的特性参数,常采用双菱天线,它是由两个水平菱形天线组成,如图10-2-8所示,菱形对角线之间的距离d≈0.8λ,其方向函数表达式为

式中,f1(Δ,φ)是单菱形天线的方向函数表达式。双菱天线的旁瓣电平比单菱形天线低,增益系数约为单菱形天线的1.5~2倍。为了进一步改善菱形天线的方向性,可以将两副双菱天线并联同相馈电,它的增益和天线效率可以比双菱天线增加1.7~2倍,其缺点是占地太大。图10-2-8双菱天线

为了提高菱形天线的效率,可采用回授式菱形天线结构,如图10-2-9所示,回授式菱形天线没有终端吸收电阻,它是将终端剩余能量送回输入端,再激励天线2。如果送入输入端的电流相位与回授至输入端的电流相位相同,那么剩余的能量也就能辐射出去,从而提高了天线的效率。但是由于只能对某一频率做到同相回授,使天线具有频率选择性,而菱形天线主要侧重于它的宽频带特性,所以回授式菱形天线较少采用。图10-2-9回授式菱形天线

短波菱形天线占地面积大,因此只能在固定台站中使用。在需要架撤方便的场合,常用的短波行波天线还有如图10-2-10所示的V形斜天线(SlopingVeeAntenna)、图10-2-11所示的倒V形天线(InvertedVeeAntenna)以及图10-2-12所示的低架行波天线,它们在水平平面都具有前向辐射特性。图10-2-10V形斜天线图10-2-11倒V形天线图10-2-12低架行波天线

10.3螺旋天线(HelicalAntenna)

螺旋柱直径D≪λ的螺旋鞭天线工作于边射状态,而本节将介绍螺旋柱直径D=(0.25~0.46)λ的螺旋天线工作于端射状态,这一天线又称为轴向模螺旋天线,简称为螺旋天线。

它的主要特点是:

(1)沿轴线方向有最大辐射;

(2)辐射场是圆极化波;

(3)天线导线上的电流按行波分布;

(4)输入阻抗近似为纯阻;

(5)具有宽频带特性。

由于螺旋天线是一种最常用的典型的圆极化天线(CircularPolarizedAntenna),下面首先介绍圆极化波的性质和应用。

10.3.1圆极化波及其应用

圆极化波具有下述重要性质:

(1)圆极化波是一等幅旋转场,它可分解为两正交等幅相位相差90°的线极化波;

(2)辐射左旋圆极化波的天线,只能接收左旋圆极化波,反之亦然;

(3)当圆极化波入射到一个平面上或球面上时,其反射波旋向相反即右旋波变为左旋波,左旋波变为右旋波。

圆极化波的上述性质,使其具有广泛的应用价值。

第一,使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。

第二,为了干扰和侦察对方的通信或雷达目标,需要应用圆极化天线。

第三,在电视中为了克服杂乱反射所产生的重影,也可采用圆极化天线,因为它只能接收旋向相同的直射波,抑制了反射波传来的重影信号。当然,这需要对整个电视天线系统作改造,目前应用的仍是水平线极化天线。此外,在雷达中,可利用圆极化波来消除云雨的干扰,在气象雷达中可利用雨滴的散射极化响应的不同来识别目标。

10.3.2螺旋天线的工作原理

螺旋天线的直径D可以是固定的,如图10-3-1所示,称为圆柱形螺旋天线;也可以是渐变的,如图10-3-2所示,称为圆锥形螺旋天线。将圆柱形螺旋天线改型为圆锥形螺旋天线可以增大带宽。螺旋天线通常用同轴线来馈电,螺旋天线的一端与同轴线的内导体相连接,它的另一端处于自由状态,或与同轴线的外导体相连接。同轴线的外导体一般与垂直于天线轴线的金属板相连接,该板即为接地板。接地板可以减弱同轴线外表面的感应电流,改善天线的辐射特性,同时又可以减弱后向辐射。圆形接地板的直径约为(0.8~1.5)λ。图10-3-1螺旋天线的结构图10-3-2圆锥形螺旋天线

设在某一瞬间t1时刻,圆环上的电流分布如图10-3-4(a)所示,该图左侧图表示将圆环展成直线时线上的电流分布,右侧图则是圆环的情况。在平面圆环上,对称于x轴和y轴分布的A、B、C和D四点的电流都可以分解为Ix

和Iy两个分量,由图可看出:

上式对任意两对称于y轴的点都成立。因此,在t1时刻,对环轴(z轴)方向辐射场有贡献的只是Iy,且它们是同相叠加,其轴向辐射场只有Ey分量。图10-3-3螺旋天线几何参数

由于线上载有行波,线上的电流分布将随时间而沿线移动。为了说明辐射特性,再研究另一瞬间t2=t1+T/4(T为周期)时刻的情况,此时电流分布如图10-3-4(b)所示,对称点A、B、C和D上的电流发生了变化,由图可看出图10-3-4t1和t1+T/4时刻平面环的电流分布

综上所述,螺旋天线上的电流是行波电流,每圈螺旋线上的电流分布绕z轴以ω频率不断旋转,因而z轴方向的电场也绕z轴旋转,这样就产生了圆极化波。按右手螺旋方式绕制的螺旋天线,在轴向只能辐射或接收右旋圆极化波,按左手螺旋方式绕制的螺旋天线,在轴向只能辐射或接收左旋圆极化波。此外还应注意,用螺旋天线作抛物面天线的初级馈源,如果抛物面天线接收右旋圆极化波,则反射后右旋变成左旋,因此螺旋天线必须是左旋的。

10.3.3螺旋天线的电参数估算

(1)天线的方向系数为

(2)方向图的半功率角为

(3)方向图零功率张角为

(4)输入阻抗为

(5)极化椭圆的轴比为

由于螺旋天线在l0=(3/4~4/3)λ的范围内保持端射方向图,轴向辐射接近圆极化,因而螺旋天线的绝对带宽可达

天线增益G与圈数N及螺距s有关,即与天线轴向长度h有关。计算表明,当N>15以后,随h的增加G增加不明显,所以圈数N一般不超过15圈。为了提高增益,可采用螺旋天线阵。

10.4非频变天线

非频变天线的导出基于相似原理:若天线的所有尺寸和工作频率(或波长)按相同比例变化,则天线的特性保持不变。对于实用的天线,要实现非频变特性必须满足以下两个条件:

(1)角度条件。它是指天线的几何形状仅仅由角度来确定,而与其他尺寸无关。无限长双锥天线就是一个典型的例子,由于锥面上只有行波电流存在,因此它的阻抗特性和方向特性与频率无关,仅仅决定于圆锥的张角。要满足“角度条件”,天线结构需从中心点开始一直扩展到无限远。

(2)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。若天线上电流衰减得快,则决定天线辐射特性的主要部分是载有较大电流的部分,而其延伸部分的作用很小,若将其截除,则对天线的电性能不会造成显著的影响。在这种情况下,有限长天线就具有无限长天线的电性能,这种现象就是终端效应弱的表现。

非频变天线可以分成两类:

一类是天线的形状仅由角度来确定,可在连续变化的频率上得到非频变特性,如无限长双锥天线、平面等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线等;

另一类是天线的尺寸按某一特定的比例因子τ变化,则天线在f与τf两频率上性能是相同的。当然,从f与τf的中间频率上天线性能是变化的,只要f与τf的频率间隔不大,在中间频率上天线的性能变化也不会太大,则用这种方法构造的天线也是宽频带的。这种结构的一个典型例子是对数周期振子阵天线。非频变天线主要应用于10~10000MHz频段的诸如电视、定点通信、反射和透镜天线的馈源等方面。

10.4.1平面等角螺旋天线

1.平面等角螺旋天线的结构和工作原理

图10-4-1为平面等角螺旋天线示意图,是拉姆西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10-4-2所示,其极坐标方程为

式中:r为螺旋线矢径;φ为极坐标中的旋转角;r0为φ=0°时的起始半径;1/a为螺旋率,决定螺旋线张开的快慢。图10-4-1平面等角螺旋天线图10-4-2等角螺旋线

由于螺旋线与矢径之间的夹角Ψ处处相等,所以这种螺旋线称为等角螺旋线,Ψ称为螺旋角,它只与螺旋率有关,关系如下

在图10-4-1所示的等角螺旋天线中,两个臂的四条边缘具有相同的a,若一条边缘线为r1=r0eaφ,则只要将该边缘旋转δ角,就可得该臂的另一边缘线r2=r0ea(φ-δ)。另一臂相当于该臂旋转180°而构成,即r3=r0ea(φ-π),r4=r0ea(φ-π-δ)。由于平面等角螺旋天线臂的边缘仅由角度描述,因而满足非频变天线对形状的要求。如果取δ=π/2,天线的金属臂与两臂之间的空气缝隙是同一形状,称为自补结构。

典型自补结构平面等角螺旋天线的电流分布和增益如图10-4-3所示,在表面电流分布图中最白的区域对应电流的最大值,而最暗的区域对应零电流,清晰地诠释了前述平面等角螺旋天线的非频变工作原理。增益图形的形状变化不大,体现了良好的宽带特性。对应的电压驻波比和输入阻抗随工作频率的变化曲线如图10-4-4所示,在2~8GHz的范围内,电压驻波比不超过1.26;除去工作频率低端的较窄频率范围,输入电阻几乎不变,约为155Ω,输入电抗的变化范围很小,约为正负十几欧姆,这又从阻抗的角度充分体现了天线良好的宽带特性。图10-4-3平面等角螺旋天线的电流分布和增益图10-4-4平面等角螺旋天线的电压驻波比和输入阻抗

2.平面等角螺旋天线的电参数

1)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θ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cosθ,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(ConicalEquiangularSpiralAntenna),如图10-4-5所示。典型背腔平面等角螺旋天线的电流分布、增益和方向图如图10-4-6所示。图10-4-5圆锥等角螺旋天线图10-4-6背腔平面等角螺旋天线的电流分布、增益和方向图

典型圆锥等角螺旋天线的电流分布和增益如图10-4-7所示,同样在表面电流分布图中最白的区域对应电流的最大值,而最暗的区域对应零电流,清晰地诠释了前述圆锥等角螺旋天线的非频变工作原理;增益图形体现出天线良好的宽带特性和单向辐射。图10-4-7圆锥等角螺旋天线的电流分布和增益

2)阻抗特性

如前所述,当δ=π/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相片和底片,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面性质:

对于自补结构,由上式可得

上式说明具有自补结构的天线,输入阻抗是一纯电阻且与频率无关。

需要指出的是,式(10-4-4)是基于电磁互补原理(BabinetPrinciple)得到的理想自补天线的输入阻抗,一副实际的自补平面等角螺旋天线的输入阻抗可参阅图10-4-4及其文字描述。为便于比较,图10-4-8给出了与图10-4-7对应的实际圆锥等角螺旋天线的电压驻波比和输入阻抗随工作频率的变化曲线。在2~8GHz的范围内,电压驻波比不超过1.44;除去工作频率低端的较窄频率范围,输入电阻几乎不变,约为135Ω;输入电抗的变化范围很小,约为±25Ω。尽管驻波比和阻抗特性不如平面等角螺旋天线,但还是能够从阻抗的角度体现天线良好的宽带特性,并获得较为理想的单向辐射。图10-4-8圆锥等角螺旋天线的电压驻波比和输入阻抗

3)极化特性

一般而言,平面等角螺旋天线在θ≤70°锥形范围内接近圆极化。天线有效辐射区内的每一段螺旋线都是基本辐射单元,但它们的取向沿螺旋线变化,总的辐射场是这些单元辐射场的叠加,因此等角螺旋天线轴向辐射场的极化与臂长相关。当频率很低,全臂长比波长小得多时为线极化;当频率增高,最终会变成圆极化。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,例如如图10-4-1所示的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

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R≈λmax/4,内径r0≈(1/4~1/8)λmin。根据臂长为1.5~3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(3π)=8.03r0=λmax/4,在馈电点r=r0e0=r0=λmin/4,所以该天线可具有带宽

即典型带宽为8∶1。若要增加带宽,必须增加螺旋线的圈数或改变其参数,带宽有可能达到20∶1。

10.4.2阿基米德螺旋天线

阿基米德螺旋天线(ArchimedeanSpiralAntenna)如图10-4-9(a)所示,这种天线和许多螺旋天线一样,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为

式中,r0为起始矢径;a为增长率。这一天线的性能基本上和等角螺旋天线类似。

图10-4-9阿基米德螺旋天线

如图10-4-10所示,通过在螺旋平面一侧装置圆柱形反射腔构成背腔式(Cavity-Backed)阿基米德螺旋天线,可得到单一主瓣,它可以嵌装在运载体的表面下。图10-4-10背腔式阿基米德螺旋天线

10.4.3对数周期天线

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如图10-4-11所示。它由若干个对称振子组成,在结构上具有以下特点:

(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τ来表示该比例系数并称为比例因子,则要求:图10-4-11对数周期振子阵天线

(2)相邻振子交叉馈电(CrossFeed)。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,振子的两臂分别交替地接在集合线的两根金属管上,如图10-4-12所示。显然,对数周期振子阵天线是用同轴电缆做馈线的,但在给各振子馈电时转换成了平行双导线。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。图10-4-12超短波LPD

2.对数周期振子阵天线的工作原理

在前面的学习中我们已经看到天线的方向特性、阻抗特性等都是天线电尺寸的函数。如果设想当工作频率按比例τ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。

就对数周期振子阵天线来说,假定工作频率为f1(λ1)时,只有第1个振子工作,其电尺寸为L1/λ1,其余振子均不工作;当工作频率升高到f2(λ2)时,换成只有第2个振子工作,电尺寸为L2/λ2,其余振子均不工作;当工作频率升高到f3(λ3)时,只有第3个振子工作,电尺寸为L3/λ3…余下的依次类推。显然,如果这些频率能保证L1/λ1=L2/λ2=L3/λ3=…,则在这些频率上天线可以具有不变的电特性。因为对数周期振子阵天线各振子尺寸满足Ln+1/Ln=τ,就要求这些频率满足λn+1/λn=τ或fn+1/fn=1/τ。如果我们把τ取的十分接近于1,则能满足以上要求的天线的工作频率就趋近连续变化。假如天线的几何结构为无限大,那么该天线的工作频带就可以达到无限宽。

实际上并不是对应于每个工作频率只有一个振子在工作,而且天线的结构也是有限的。这样一来,以上的分析似乎完全不能成立。然而值得庆幸的是实验证实了对数周期振子阵天线上确实存在着类似于一个振子工作的一个电尺寸一定的“辐射区”或“有效区”,这个区域内的振子长度在λ/2附近,具有较强的激励,对辐射将作出主要贡献。当工作频率变化时,该区域会在天线上前后移动(例如频率增加时向短振子一端移动),使天线的电性能保持不变。另外,实验还证实,对数周期振子阵天线上存在着“电流截断效应”,即“辐射区”后面的较长振子激励电流呈现迅速下降的现象,正因为对数周期振子阵天线具有这一特点,才有可能从无限大结构上截去长振子那边无用的部分以后,还能在一定的频率范围内近似保持理想的无限大结构时的电特性。

图10-4-13给出τ=0.917,σ=0.169,工作频率为200~600MHz的对数周期振子阵天线在频率分别为200MHz、400MHz和600MHz时各振子激励电流的分布情况。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10-4-13在不同频率下LPDA振子输入端的电流分布

根据对数周期振子阵天线上各部分对称振子的工作情况,人们把整个天线分成三个工作区域,除“辐射区”以外,从电源到辐射区之间的一段,称为“传输区”;“辐射区”以后的部分为叫“非激励区”,又称“非谐振区”。下面分别介绍这三个区域的工作情况。

在“传输区”,各对称振子的电长度很短,振子的输入阻抗(容抗)很大,因而激励电流很小,所以它们的辐射很弱,主要起传输线的作用。

在“非激励区”,由于辐射区的对称振子处于谐振状态,振子的激励电流很大,已将传输线送来的大部分能量辐射出去,能够传送到非激励区的能量剩下很少,所以该区的对称振子激励电流也就变得很小,这种现象就是前面提到的“电流截断”现象。由于振子的激励电流很小,对外辐射自然也很弱。

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τ和σ决定,通常可以通过经验公式

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”,且可由下列经验公式确定:

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τ改变,当工作频率改变时,谐振振子(Ln

≈λ/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。

3.对数周期振子阵天线的电特性

对数周期振子阵天线是端射式天线,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特性,其方向图随频率的变化也是较小的。因为在任何一个工作频率上,此天线只有辐射区的部分振子对辐射起主要作用,而并非所有振子都对辐射作重要贡献,所以它的方向性不可能做到很强。方向图的波束宽度一般都是几十度,方向系数或增益也只有10dB左右,属中等增益天线范畴。由于高频集合线上