天线理论第6章

1、第6章 第第6章章 宽带天线宽带天线 6.1 行波线天线行波线天线 6.2 螺旋天线螺旋天线 6.3 双锥天线双锥天线 6.4 套筒天线套筒天线 6.5 非频变天线原理非频变天线原理 6.6 平面螺旋天线平面螺旋天线 6.7 对数周期天线对数周期天线 第6章 若天线的方向图和阻抗在比带宽约为 2或更宽频带内无显著变化，则该天线即 属宽频带天线。 谐振式天线的带宽较窄。 行波天线的带宽较驻波天线宽。 第6章 6.1 行波线天线行波线天线 前面讲的振子型天线, 其上电流为驻波分布, 如对称振子的 电流分布为 I(z)=Im sin(L/2-z)=)( 2 2/zjLjzjLj m eeee j I

2、 式中, 第一项表示从馈电点向导线末端传输的行波; 第二项表示 从末端反射回来的从导线末端向馈电点传输的行波; 负号表示 反射系数为1。 当终端不接负载时, 来自激励源的电流将在终端全部被反射。 这样, 振幅相等、传输方向相反的两个行波叠加就形成了驻波。 凡天线上电流分布为驻波的均称为驻波天线。驻波天线是双向 辐射的, 输入阻抗具有明显的谐振特性, 因此, 一般情况下工作 频带较窄。 第6章 如果天线上电流分布是行波, 则此天线称为行波天线。 通 常, 行波天线是由导线末端接匹配负载来消除反射波而构成, 如 图6-1所示。最简单的有行波单导线天线、V形天线和菱形天线 等, 它们都具有较好的单向

3、辐射特性、较高的增益及较宽的带 宽, 因此在短波、 超短波波段都获得了广泛的应用。 但由于部 分能量被负载吸收, 所以天线效率不高。 1. 行波单导线天线的方向图行波单导线天线的方向图 若天线终端接匹配负载, 则天线上电流为行波分布: It(z)=Ime -jz (6 - 4) 忽略地面的影响, 行波天线的辐射场为 第6章 第6章 经积分得 )cos1( 2 1 0 cos)1 ( 2 sin cos1 sin60 rj e l r Ij E 因而, 单根行波单导线的方向函数为 cos1 )cos1 ( 2 sinsin l F 由图 6 - 2 可见, 行波天线是单方向辐射的, 但其最大辐射

4、 方向随电长度l/的变化而变化, 旁瓣电平较高且瓣数较多, 与 其它类型天线相比, 相对其电尺寸而言增益是不高的。 但这 些不足可以利用排阵的方法来进行改善。 当天线较长时, 行波线天线的最大辐射方向可近似由下 式确定: 第6章 图 62 l=4和8时行波单导线方向图 1.0408 2.0816 3.1224 4.1632 1.1902 2.3803 3.5705 4.7607 5.9508 (a)(b) 120 330 30 60 150 240 210 0 90 180 270 300 120 330 30 60 150 240 210 0 90 180 270 300 第6章 由上式可见

5、, 当L/较大, 工作波长改变时, 最大辐射方向m 变化不大。 第6章 行波长线天线的辐射电阻是200300。 端接电阻必须等于辐射电阻值。 第6章 第6章 第6章 6.2 螺旋天线螺旋天线 C S arctg 将导线绕制成螺旋形线圈而构成的天线称为螺旋天线。 通常它带有金属接地板（或接地网栅）, 由同轴线馈电, 同轴 线的内导体与螺旋线相接, 外导体与接地板相连, 其结构如图6 - 9 所示。螺旋天线是常用的圆极化天线。 螺旋导线的直径d。 22 SCL 螺旋天线的参数有: 螺旋直径D；螺旋天线的周长C，C=D； 螺距S,S=Ctg； 螺距角 ， 一圈的长度L， 圈数N； 轴向长度h,h=N

6、S； 第6章 图 6 9 螺旋天线 L C=D S 第6章 第6章 第6章 螺旋天线的辐射特性与螺旋的直径有密切关系: D/0.18时, 当D/0.250.46 时, 即螺旋天线一圈的长度c在一个波 长左右的时候, 天线的辐射方向在天线的轴线方向, 此时天线 称为轴向模式天线, 如图 6 - 10(b)所示。 天线的最大辐射方向在与螺旋轴线垂直 的平面内, 称为法向模式, 此时天线称为法向模式天线, 如 图6- 10(a)所示。 第6章 图 610 螺旋天线的辐射特性与螺旋的直径的关系 第6章 当D/0.5时, 天线的最大辐射方向偏离轴线分裂成两 个方向, 方向图呈圆锥形状,称为圆锥模式天线，

7、如图 6-10(c)所 示。 1. 法向模螺旋天线法向模螺旋天线 由于法向模螺旋天线的直径电尺寸较小, 其辐射场可以等 效为 EEE 且它们的电流振幅相等, 相位相同, 如图 6 - 11(a)所示。 每一圈螺旋天线的辐射场为 电基本振子与磁基本振子辐射场的叠加, 第6章 图 6 - 11法向模螺旋天线的辐射特性分析 (a) 电基本振子与磁基本振子的组合;(b) E， E方向图 (a) h z d I (b) z 第6章 式中, E和E分别是电基本振子与磁基本振子的辐射场。 sin 4 r e kISjE jkr sin 44 22 r e IDkE jkr 第6章 由于E和E的相位差为/2,

8、 所以法向模螺旋天线的辐射场 是椭圆极化波, 呈边射型, 方向图呈“8”字形, 如图 8 - 12(b)所 示。 sin) 4 ( 4 2 0 D kjS r eIuN E rj N圈螺旋天线的辐射场为 222 2 4 D S IDk kIS E E AR 圆极化条件 SDC2 法向模螺旋天线的辐射效率和增益都较低, 主要用于超短波手 持式通信机。 第6章 第6章 2. 轴向模螺旋天线轴向模螺旋天线 当D/0.250.45 时, 螺旋天线的一圈的周长接近一个波长, 此时天线上的电流呈行波分布, 则天线的辐射场呈圆极化, 其最 大辐射方向沿轴线方向。 由于螺旋天线的螺距角较小, 可将一圈螺旋线看

9、作是平面 圆环, 设一圈的周长等于。假设在t1时刻环上的电流分布如图 8 - 4(a)所示, A、B、 C、D是圆环上的四个对称点, 它们的电流 幅度相等, 方向沿圆环的切线方向。 因此每点的电流均可分解 为x分量和y分量, 且有 第6章 图 8 4 平面环的瞬时电流分布 第6章 IAx=IBx ICx=IDx 在t1时刻, x方向的电流在轴向的辐射相互抵消, 而y方向的 电流在轴向的辐射同相叠加, 即 E=ayE 第6章 假设在t2=t1+T/4时刻环上的电流分布, A、 B、 C、 D四个 对称点上的电流发生了变化, 每点的电流仍可分解为x分量和y 分量, 且有 IAy=IBy ICy=I

10、Dy 第6章 可见在t2 时刻, y方向的电流在轴向的辐射相互抵消, 而x 方向的电流在轴向的辐射同相叠加, 即 E=axE 通过以上的讨论可以得出以下结论: 经过四分之一周期后, 轴 向辐射场由y方向变为x方向, 即场矢量旋转了90, 但振幅不 变。 依次类推, 经过一个周期的时间, 电场矢量将连续地旋转 360, 从而形成了圆极化波。 第6章 螺旋天线可等效为N个相似元（平面圆环）组成的天线阵, 要使整个螺旋天线在轴向获得最大辐射,其方向图函数为 第6章 第6章 第6章 第6章 在轴向模螺旋天线上，行波模自然形成汉森伍德亚德增 强方向性端射阵条件，即 )2( N S h 沿螺旋线传播长为L

11、的一圈的相移为 L hh h 是沿导线传播的相位常数 N S L h 2 1 速度因子(相速相对于自由空间光速) h h c v p 第6章 NNS L p 2/12/ / P=0.815 行波的相速低于自由空间平面波的相速，这种波称 为慢波。 方向图函数归一化后 第6章 半功率波瓣宽度、增益 适用于1215 ,3/4C3的轴向模螺旋天线 带宽： 第6章 轴比 N N AR 2 12 极化旋向取决于螺旋线绕向，右（左）手绕向的螺旋线 为右（左）旋圆极化天线 由于轴向模螺旋天线是行波天线，一般输入阻抗几乎为 纯电阻，输入电阻经验公式为 C RA140 第6章 第6章 第6章 轴向模螺旋天线通用设

12、计图 第6章 第6章 第6章 第6章 6.3 双锥天线双锥天线 第6章 第6章 第6章 第6章 第6章 锥台天线（盘锥天线）锥台天线（盘锥天线） 第6章 第6章 第6章 6.4 套筒天线套筒天线 第6章 第6章 第6章 第6章 6.5 非频变天线的原理非频变天线的原理 在许多场合中, 要求天线有很宽的工作频率范围。 按工程 上的习惯用法, 若天线的阻抗、方向图等电特性在比带宽等于 2（fmax/fmin=2）且小于10范围内无明显变化, 就可称为宽频带 天线; 若天线能在更大比带宽范围内（比如fmax/fmin10）工作, 而其阻抗、方向图等电特性基本上不变化时, 称为非频变天线。 1. 非频

13、变天线的条件非频变天线的条件 由前面的分析可知: 驻波天线的方向图和阻抗对天线电尺 寸的变化十分敏感。 能否设计一种天线, 当工作频率变化时, 天线的尺寸也随之变化, 即保持电尺寸不变, 则天线能在很宽 频带范围内保持相同的辐射特性, 这就是非频变特性。 第6章 相似原理：是指若天线的所有尺寸和工作频率（或 波长）按相同的比例变化，天线的性能将保持不变。 换言之，若天线的电尺寸保持不变，天线的性能也 将不变。 相似原理（缩比原理），它是非频变天线的理论依 据，也可用于天线的缩尺模型测量。 产生宽带性能的特征有： 第6章 第6章 如果天线上电流衰减很快, 则决定天线辐射特性的主要是 载有较大电流

14、的那部分, 而其余部分作用较小, 若将其截去, 对 天线的电性能影响不大, 这样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。 终端效应强弱取决 于天线的结构。 非频变天线分为两大类: 等角螺旋天线和对数周期天线。 2. 平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线 如图 2 所示是由两个对称臂组成的平面等角螺旋天线, 它 可看成是一变形的传输线, 两个臂的四条边由下述关系确定: 第6章 图 2 平面等角螺旋天线 第6章 第6章 r1=r0 e a, r2=r0ea(-), r3=r0ea(-), r4=r0ea(-) 在螺旋天线的始端由电压激励激起电流并沿两臂传输。 当电流传输到

15、两臂之间近似等于半波长区域时, 便在此发生谐 振, 并产生很强的辐射, 而在此区域之外, 电流和场很快衰减。 当增加或降低工作频率时, 天线上有效辐射区沿螺旋线向 里或向外移动, 但有效辐射区的电尺寸不变, 使得方向图和阻 抗特性与频率几乎无关。 实验证明: 臂上电流在流过约一个波 长后迅速衰减到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。 第6章 第6章 平面等角螺旋天线的辐射场是圆极化的, 且双向辐射即在 天线平面的两侧各有一个主波束, 如果将平面的双臂等角螺旋 天线绕制在一个旋转的圆锥面上, 则可以实现锥顶方向的单向 辐射, 且方向图仍然保持宽频带和圆极化特性。平面

16、和圆锥等 角螺旋天线的频率范围可以比带宽达到20或者更大。 第6章 对数周期天线的基本结构是将金属板刻成齿状, 如图33 所示, 齿是不连续的, 其长度是由原点发出的两根直线之间的夹角所决定, 相邻两个齿的间隔是按照等角螺旋天线设计中相邻导体之间的距 离设计的, 即 对于无限长的结构, 当天线的工作频率变化倍, 即频率从f变到 f, 2f, 3f 时, 天线的电结构完全相同, 因此在这些离散的频率点f, f, 2f 上具有相同的电特性, 但在ff、 f2f 等频率间隔内, 天线的电性能有些变化, 但只要这种变化不超过一定的指标, 就可 认为天线上基本上具有非频变特性。 )展开率( 2 )2(

17、0 )2）1n（( 01 a na a n n e er er r r 6.7 对数周期天线对数周期天线 (1) 齿状对数周期天线 第6章 第6章 由于天线性能在很宽的频带范围内以 为周期重复 变化, 所以称为对数周期天线。 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 长恰等于谐振长度（即齿的一臂约等于4）时, 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, 其电流迅速衰减到最大值 的30 dB以下, 这说明天线的终端效应很弱, 因此有限长的天线 近似具有无限长天线

18、的特性。 1 ln 第6章 2. 对数周期振子阵 对数周期振子阵是由N个平行振子天线依据下列的结 构关系设计的: 第6章 第6章 第6章 第6章 其中, 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。 其结构如图 所示, 天线的几何结构主要 取决于参数、 (内角)和（间距因子）, 它们之间满足下列关 系: )( 111 比例因子 n n n n n n d d R R L L 1 1 2/2/ 2 tan n n n n R L R La )2/(4 1 2 tgL d n n n n nnnn L tg L RRRd 2 22 11 第6章 N个对称振子天线用双

19、线传输线馈电, 且两相邻振子交叉 连接。 当天线馈电后, 能量沿双线传输, 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, 由于发生谐 振, 输入阻抗呈现纯电阻, 所以振子上电流大, 形成较强的辐射 场, 我们把这部分称为有效辐射区, 有效区以外的振子, 由于离 谐振长度较远, 输入阻抗很大, 因而其上电流很小, 它们对辐射 场的贡献可以忽略。 第6章 第6章 第6章 工作原理分析 由fn得n，则存在Ln n/2 天线工作分区 传输区： Ln n/2 第6章 假设有三个振子 11 , nnn LLL 11 , nnn VVV 11 , nnn III 分析： 11 , nnn VVV 1、集合线依次交叉 依次反相 2、 Ln n/2，Zin,n为纯电阻， In， Vn同相 辐射波束指向分析 第6章 Ln+1 n/2，Zin,n-1为感性， In1滞后 Vn1 /2 11 , nnn III 由上 依次滞后/2 恰好满足三单元引向天线条件，最大辐射方向指向短 振子方向 对数周期天线是端射型的、线极化天线, 其最大辐射 方向是沿连接各振子中心的轴线指向短振子方向, 电 场