11-行波天线与平面螺旋天线 天线原理.pdfVIP

Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 天线天线 Antennas 第第11讲讲 行波天线与平面螺旋天线行波天线与平面螺旋天线 褚庆昕褚庆昕 华南理工大学电子与信息学院华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所天线与射频技术研究所 qxchu South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 第11 讲内容 行波天线行波天线 非频变天线的原理非频变天线的原理 平面螺旋天线平面螺旋天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 11 1 行波天线行波天线 我们知道 驻波天线是谐振结构 我们知道 驻波天线是谐振结构 输入阻抗具有输入阻抗具有 明显的谐振特性明显的谐振特性 因此因此 工作带宽较窄 工作带宽较窄 如果天线上电流分布是行波如果天线上电流分布是行波 即行波天线 即行波天线 traveling wave antenna 则工作带宽会很宽 则工作带宽会很宽 所以 行波天线是宽带天线 所以 行波天线是宽带天线 通常通常 行波天线是由导线末端接匹配负载来消除反行波天线是由导线末端接匹配负载来消除反 射波而构成 射波而构成 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 行波天线上的电流边传输边辐射 由于行波天线行波天线上的电流边传输边辐射 由于行波天线 都很长 辐射了大部分功率 到达负载的功率通都很长 辐射了大部分功率 到达负载的功率通 常很小了 常很小了 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 假设天线工作在自由空间里 略去衰减 电流幅假设天线工作在自由空间里 略去衰减 电流幅 度恒定 则行波线天线上的电流为度恒定 则行波线天线上的电流为 It z Im e j z 因此 行波线天线相当于均匀线电流源的辐射 因此 行波线天线相当于均匀线电流源的辐射 行波线天线的辐射场为行波线天线的辐射场为 方向函数为方向函数为 K为归一化常数为归一化常数 1 1 cos 0 2 60sin sin 1cos 1cos2 jr jIL Ee r sin 2 1 cos sin 2 1 cos L FK L 行波线天线方向图行波线天线方向图 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 当当L n n 4 8 时行波单导线的方向图时行波单导线的方向图 在在0 90o 有有n个前向瓣 元因子在端射方向有个前向瓣 元因子在端射方向有1个个 零点 不再是单一的端射瓣 零点 不再是单一的端射瓣 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 当主瓣关于当主瓣关于Z轴旋转对称 最大辐射角是轴旋转对称 最大辐射角是L的函数的函数 随着随着L的增加 行波和驻波天线的波束最大值彼此的增加 行波和驻波天线的波束最大值彼此 接近 不同的是驻波天线在反方向出现第二个主波接近 不同的是驻波天线在反方向出现第二个主波 束 即在束 即在180 m 因为驻波有反射波 因为驻波有反射波 1 0 371 cos 1 m L South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 行波天线的输入阻抗总是以实数为主 因为在低行波天线的输入阻抗总是以实数为主 因为在低 损耗的传输线上 纯行波的天线的输入阻抗等于损耗的传输线上 纯行波的天线的输入阻抗等于 传输线的特性阻抗 传输线的特性阻抗 行波长线天线的辐射电阻为行波长线天线的辐射电阻为200 300 所谓长线 所谓长线 是指线的长度大于半个波长 是指线的长度大于半个波长 端接的负载应该等于辐射电阻 端接的负载应该等于辐射电阻 行波线天线的阻抗行波线天线的阻抗 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 为了行波天线最大辐射方向为单一方向 可以做为了行波天线最大辐射方向为单一方向 可以做 成行波成行波V形天线 形天线 当当 可得良好的方向图 可得良好的方向图 行波行波V形天线形天线 0 8 m 0 6 0 816 m L South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 为了便于终端加载 将行波为了便于终端加载 将行波V型天线的想法扩展 型天线的想法扩展 形成菱形天线 形成菱形天线 菱形天线可看作是两个行波菱形天线可看作是两个行波V形天线的相向组合 形天线的相向组合 菱形天线菱形天线 0 6 16L South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 当菱形天线水平放置时 地面的影响近似为理想当菱形天线水平放置时 地面的影响近似为理想 导体 因此反射系数为导体 因此反射系数为 1 高于地面高于地面 h 的菱形天线 其阵因子沿地面会产生的菱形天线 其阵因子沿地面会产生 零点 如果菱形角与主瓣仰角相等 则要求天线零点 如果菱形角与主瓣仰角相等 则要求天线 离地高度为离地高度为 菱形每个支线的长度为菱形每个支线的长度为 如果如果 菱形天线阻抗的典型值为 菱形天线阻抗的典型值为600 800 量级之间 量级之间 6 1Lh 4sin h 2 0 371 sin L South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 由于终端接匹配电阻 菱形天线的效率会显著降由于终端接匹配电阻 菱形天线的效率会显著降 低 没有辐射的功率会被负载低 没有辐射的功率会被负载 RL 吸收 若没有吸收 若没有 负载 则会有较大的旁瓣 负载 则会有较大的旁瓣 行波不仅改善了方向图 而且产生了较宽的阻抗行波不仅改善了方向图 而且产生了较宽的阻抗 带宽 设计良好的菱形天线 输入阻抗具有较小带宽 设计良好的菱形天线 输入阻抗具有较小 的电抗 反射功率很小 的电抗 反射功率很小 菱形天线广泛应用于广播 短波通信和超短波散菱形天线广泛应用于广播 短波通信和超短波散 射通信 射通信 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 考虑了地面的影响的行波天线称为考虑了地面的影响的行波天线称为Beverage天线 天线 或或B天线 天线 高度高度h远小于波长 天线长度通常在远小于波长 天线长度通常在L 2 10 之间 之间 可以把可以把B天线及其在有耗地面中的镜像看作为不平天线及其在有耗地面中的镜像看作为不平 衡传输线 不平衡传输线可以辐射 衡传输线 不平衡传输线可以辐射 BeverageBeverage天线天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 下图是长度为下图是长度为2 18 波天线上的电流 由于地面的波天线上的电流 由于地面的 巨大耗散和辐射损耗 电流表现出明显的衰落 巨大耗散和辐射损耗 电流表现出明显的衰落 电流分布可近似如下电流分布可近似如下 zj z tm I zI ee 在电流的主要部分上在电流的主要部分上 叠加了一个驻波 有叠加了一个驻波 有 一个来自终端负载的一个来自终端负载的 小的反射波 该反射小的反射波 该反射 波在移向馈源端移动波在移向馈源端移动 时 强度在减弱 时 强度在减弱 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 下图为下图为B天线通用的仰角平面方向图 在军事上天线通用的仰角平面方向图 在军事上 用作战术野外天线 因为它不需要离地面太高 用作战术野外天线 因为它不需要离地面太高 频率较高时 在仰角和方位角平面里都有较窄的频率较高时 在仰角和方位角平面里都有较窄的 束宽 并有较低的辐射角 束宽 并有较低的辐射角 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 通常 通常 B天线的馈源端高于负载端 以使辐射角相天线的馈源端高于负载端 以使辐射角相 对于地面尽可能低 对于地面尽可能低 B天线通常用于天线通常用于LF和和HF频段 美国和伦敦之间早频段 美国和伦敦之间早 期作跨大西洋无线电话通信时 首次在长岛上使期作跨大西洋无线电话通信时 首次在长岛上使 用用B天线 频率为天线 频率为50KHz 60KHz之间 之间 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 11 2 11 2 非频变天线的原理非频变天线的原理 所谓非频变天线顾名思义是指天线的特性 方向所谓非频变天线顾名思义是指天线的特性 方向 图 阻抗 极化和增益等 不随频率变化 因此图 阻抗 极化和增益等 不随频率变化 因此 具有无限宽的带宽 具有无限宽的带宽 理想的非频变天线是不存在的 现实中 通常把理想的非频变天线是不存在的 现实中 通常把 具有大于具有大于10 110 1带宽的天线称为非频变天线 因此带宽的天线称为非频变天线 因此 非频变天线就是超宽带天线 非频变天线就是超宽带天线 实现非频变天线的方法 实现非频变天线的方法 天线的形状只与角度有关天线的形状只与角度有关 RumseyRumsey原理原理 自补结构自补结构 天线是自己的互补天线是自己的互补 弱终端效应弱终端效应 天线终端弱反射天线终端弱反射 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering Victor H Rumsey 拉姆塞 于 拉姆塞 于20世纪世纪50年代年代 发展了非频变天线的概念 发展了非频变天线的概念 拉姆塞原理拉姆塞原理 若天线的形状仅由角度来决定 则 若天线的形状仅由角度来决定 则 该天线具有非频变的阻抗和波瓣图特性 该天线具有非频变的阻抗和波瓣图特性 自补天线 自补天线 天线是自己的互补 通过平移和旋转天线是自己的互补 通过平移和旋转 手段 可以精确覆盖天线的互补结构 手段 可以精确覆盖天线的互补结构 根据互补原理 天线与互补天线的阻抗关系为根据互补原理 天线与互补天线的阻抗关系为 因此 自补天线的阻抗满足因此 自补天线的阻抗满足 故 故 2 4 AB ZZ AB ZZ 2188 5 A Z South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 三种自补平面天线三种自补平面天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 理想的非频变天线需要满足上述三种特征 现实理想的非频变天线需要满足上述三种特征 现实 中 设计非频变天线时也需要突出这些特征 但中 设计非频变天线时也需要突出这些特征 但 不一定严格坚持 不一定严格坚持 非频变天线的一个突出特性 非频变天线的一个突出特性 自比例特性自比例特性 大部 大部 分辐射发生在天线的宽度为半波长或周长为一个分辐射发生在天线的宽度为半波长或周长为一个 波长的部分 称为有效作业区 频率下降时 有波长的部分 称为有效作业区 频率下降时 有 效作用区移向天线尺寸较大的部分 反之亦然 效作用区移向天线尺寸较大的部分 反之亦然 角度条件 自补结构和弱终端效应特征使得角度条件 自补结构和弱终端效应特征使得天线天线 在频率变化时可以自动调整电流区域在频率变化时可以自动调整电流区域 常用的非频变天线有两种 螺旋天线和对数周期常用的非频变天线有两种 螺旋天线和对数周期 天线 天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 11 3 平面螺旋天线平面螺旋天线 平面等角螺旋天线 螺旋线方程 螺旋线方程 y y处处相等 称之为等角螺处处相等 称之为等角螺 旋线 旋线 因角度变化与因角度变化与 ln ln 0 0 成正比 所以也称为对数成正比 所以也称为对数 螺旋线 螺旋线 右图显示为一个右旋螺旋右图显示为一个右旋螺旋 线 如线 如 a a取负值则为左旋取负值则为左旋 螺旋线 螺旋线 0 0 a e 平面等角螺旋线平面等角螺旋线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 设螺旋线的长度为设螺旋线的长度为1 41 4波长 对应波长为波长 对应波长为 1 1和和 2 2的的 等角螺旋线分别为 等角螺旋线分别为 则则 可见 同一个等角螺旋天线在不同频率上 其 可见 同一个等角螺旋天线在不同频率上 其 形状与尺寸 是相同的 只是旋转了 形状与尺寸 是相同的 只是旋转了 2 2 1 1 角度而已 因此这种结构有很宽的频带 角度而已 因此这种结构有很宽的频带 10 10 a e 20 20 a e 21 2 1 a e South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 另一螺臂转另一螺臂转180180o o而成 而成 为使导体螺旋臂与臂为使导体螺旋臂与臂 间缝隙形成自补结构间缝隙形成自补结构 取 取 实际的等角螺旋天线是由两对称的等角螺旋线构实际的等角螺旋天线是由两对称的等角螺旋线构 成 其内外边缘的螺旋线分别为 成 其内外边缘的螺旋线分别为 10 210 a aa e ee 310 420 aa aa ee ee 2 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 天线特性要完全与频率无天线特性要完全与频率无 关 等角螺旋线必须无限关 等角螺旋线必须无限 延伸 实际上无法做到 延伸 实际上无法做到 不过 不过 由于螺旋臂上的电由于螺旋臂上的电 流随着臂的扩张而随指流随着臂的扩张而随指 数衰减 在电流衰减到数衰减 在电流衰减到 很小时将其截断 即利很小时将其截断 即利 用用弱终端效应弱终端效应 并不严 并不严 重影响天线性能 所以重影响天线性能 所以 实际尺寸的天线仍具有实际尺寸的天线仍具有 很宽的带宽 很宽的带宽 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 最低频率发生在最大矢径最低频率发生在最大矢径 约为约为 max max 4 4的时候 的时候 最高频率发生在最小矢径最高频率发生在最小矢径 约为约为 min min 4 4的时候 的时候 因此 绝对带宽为 因此 绝对带宽为 f fmax max f fminmin max max min min 取取a 0 221a 0 221的一圈半螺旋 则的一圈半螺旋 则 即 即 8 18 1的带宽的带宽 3 max00max 8 03 4 a e min0min 4 maxmax0 minmin0 48 03 8 03 4 f f South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 平面等角螺旋天线的辐射方向图是双向的 在平平面等角螺旋天线的辐射方向图是双向的 在平 面的两侧同时边射宽波束 面的两侧同时边射宽波束 当当z z轴垂直于螺旋天线的平面 场方向图函数近似轴垂直于螺旋天线的平面 场方向图函数近似 为为coscos 半功率瓣宽约为 半功率瓣宽约为9090o o 在 在 0 0o o 7070o o的宽角的宽角 氛围内 辐射场接近圆极化 氛围内 辐射场接近圆极化 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 由于平面等角螺旋天线臂的边缘仅由角度描述 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 因而满足非频变天线对形状的要求 当在两臂的始端馈电时 可以把两臂等角螺旋当在两臂的始端馈电时 可以把两臂等角螺旋 线看成是一对变形的传输线 臂上电流沿线边线看成是一对变形的传输线 臂上电流沿线边 传输 边辐射 边衰减 实验表明 臂上电流传输 边辐射 边衰减 实验表明 臂上电流 在流过约一个波长后就迅速衰减到在流过约一个波长后就迅速衰减到20dB20dB以下 以下 终端效应很弱 终端效应很弱 工作原理讨论工作原理讨论 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 辐射场主要是由结构中周长约为一个波长以内辐射场主要是由结构中周长约为一个波长以内 的导体部分产生的的导体部分产生的 这个部分通常称为有效辐这个部分通常称为有效辐 射区射区 传输行波电流传输行波电流 螺旋天线存在螺旋天线存在 电流截电流截 断效应断效应 超过截断点的螺旋线部分对辐射没超过截断点的螺旋线部分对辐射没 有重大贡献有重大贡献 在几何上截去它们将不会对保留在几何上截去它们将不会对保留 部分的电性能造成显著影响部分的电性能造成显著影响 可以用有限尺寸的等角螺旋天线在相应的宽频可以用有限尺寸的等角螺旋天线在相应的宽频 带内实现近似的非频变特性带内实现近似的非频变特性 波长改变后波长改变后 有有 效区的几何大小将随波长成比例地变化效区的几何大小将随波长成比例地变化 从而从而 可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的 特性特性 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 平面等角螺旋平面等角螺旋 天线可以采用天线可以采用 同轴线馈电 同轴线馈电 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 阿基米德螺旋天线阿基米德螺旋天线 阿基米德螺旋线关阿基米德螺旋线关 于角度成线性比例于角度成线性比例 关系 螺旋天线的关系 螺旋天线的 方程为方程为 0 0 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 背腔式阿基米德螺旋天线背腔式阿基米德螺旋天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 2 GHz 6 GHz E E面方向图面方向图 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 异型反射腔体结构异型反射腔体结构 South China University of Technology Research Institute of Antennas RF Techniques School of Electronic Information Engineering 方向图方向图 2 GHz 6 GHz South China University of Technology Research In