1、第6章 第第6章章 寬帶天線寬帶天線6.1 行波線天線行波線天線6.2 螺旋天線螺旋天線6.3 雙錐天線雙錐天線6.4 套筒天線套筒天線6.5 非頻變天線原理非頻變天線原理6.6 平面螺旋天線平面螺旋天線6.7 對(duì)數(shù)周期天線對(duì)數(shù)周期天線第6章 若天線的方向圖和阻抗在比帶寬約為2或更寬頻帶內(nèi)無(wú)顯著變化，則該天線即屬寬頻帶天線。諧振式天線的帶寬較窄。行波天線的帶寬較駐波天線寬。第6章 6.1 行波線天線行波線天線 前面講的振子型天線, 其上電流為駐波分布, 如對(duì)稱(chēng)振子的電流分布為 I(z)=Im sin(L/2-z)=)(22/zjLjzjLjmeeeejI式中, 第一項(xiàng)表示從饋電點(diǎn)向?qū)Ь€末端傳輸

2、的行波; 第二項(xiàng)表示從末端反射回來(lái)的從導(dǎo)線末端向饋電點(diǎn)傳輸?shù)男胁? 負(fù)號(hào)表示反射系數(shù)為1。 當(dāng)終端不接負(fù)載時(shí), 來(lái)自激勵(lì)源的電流將在終端全部被反射。這樣, 振幅相等、傳輸方向相反的兩個(gè)行波疊加就形成了駐波。凡天線上電流分布為駐波的均稱(chēng)為駐波天線。駐波天線是雙向輻射的, 輸入阻抗具有明顯的諧振特性, 因此, 一般情況下工作頻帶較窄。 第6章 如果天線上電流分布是行波, 則此天線稱(chēng)為行波天線。 通常, 行波天線是由導(dǎo)線末端接匹配負(fù)載來(lái)消除反射波而構(gòu)成, 如圖6-1所示。最簡(jiǎn)單的有行波單導(dǎo)線天線、V形天線和菱形天線等, 它們都具有較好的單向輻射特性、較高的增益及較寬的帶寬, 因此在短波、 超短波波段

3、都獲得了廣泛的應(yīng)用。 但由于部分能量被負(fù)載吸收, 所以天線效率不高。 1. 行波單導(dǎo)線天線的方向圖行波單導(dǎo)線天線的方向圖 若天線終端接匹配負(fù)載, 則天線上電流為行波分布: It(z)=Ime -jz (6 - 4)忽略地面的影響, 行波天線的輻射場(chǎng)為第6章 第6章 經(jīng)積分得)cos1(210cos)1 (2sincos1sin60rjelrIjE因而, 單根行波單導(dǎo)線的方向函數(shù)為cos1)cos1 (2sinsinlF 由圖 6 - 2 可見(jiàn), 行波天線是單方向輻射的, 但其最大輻射方向隨電長(zhǎng)度l/的變化而變化, 旁瓣電平較高且瓣數(shù)較多, 與其它類(lèi)型天線相比, 相對(duì)其電尺寸而言增益是不高的。

4、但這些不足可以利用排陣的方法來(lái)進(jìn)行改善。 當(dāng)天線較長(zhǎng)時(shí), 行波線天線的最大輻射方向可近似由下式確定: 第6章 圖 62 l=4和8時(shí)行波單導(dǎo)線方向圖 1.0408 2.0816 3.1224 4.1632 1.1902 2.3803 3.5705 4.7607 5.9508(a)(b)12033030601502402100901802703001203303060150240 210090180270300第6章 由上式可見(jiàn), 當(dāng)L/較大, 工作波長(zhǎng)改變時(shí), 最大輻射方向m變化不大。第6章 行波長(zhǎng)線天線的輻射電阻是200300。端接電阻必須等于輻射電阻值。第6章 第6章 第6章 6.2 螺旋

5、天線螺旋天線CSarctg 將導(dǎo)線繞制成螺旋形線圈而構(gòu)成的天線稱(chēng)為螺旋天線。 通常它帶有金屬接地板（或接地網(wǎng)柵）, 由同軸線饋電, 同軸線的內(nèi)導(dǎo)體與螺旋線相接, 外導(dǎo)體與接地板相連, 其結(jié)構(gòu)如圖6 - 9 所示。螺旋天線是常用的圓極化天線。 螺旋導(dǎo)線的直徑d。22SCL螺旋天線的參數(shù)有: 螺旋直徑D；螺旋天線的周長(zhǎng)C，C=D；螺距S,S=Ctg；螺距角 ， 一圈的長(zhǎng)度L， 圈數(shù)N； 軸向長(zhǎng)度h,h=NS；第6章 圖 6 9 螺旋天線 LC=DS第6章 第6章 第6章 螺旋天線的輻射特性與螺旋的直徑有密切關(guān)系: D/0.18時(shí), 當(dāng)D/0.250.46 時(shí), 即螺旋天線一圈的長(zhǎng)度c在一個(gè)波長(zhǎng)左右

6、的時(shí)候, 天線的輻射方向在天線的軸線方向, 此時(shí)天線稱(chēng)為軸向模式天線, 如圖 6 - 10(b)所示。 天線的最大輻射方向在與螺旋軸線垂直的平面內(nèi), 稱(chēng)為法向模式, 此時(shí)天線稱(chēng)為法向模式天線, 如圖6- 10(a)所示。 第6章 圖 610 螺旋天線的輻射特性與螺旋的直徑的關(guān)系第6章 當(dāng)D/0.5時(shí), 天線的最大輻射方向偏離軸線分裂成兩個(gè)方向, 方向圖呈圓錐形狀,稱(chēng)為圓錐模式天線，如圖 6-10(c)所示。 1. 法向模螺旋天線法向模螺旋天線 由于法向模螺旋天線的直徑電尺寸較小, 其輻射場(chǎng)可以等效為EEE且它們的電流振幅相等, 相位相同, 如圖 6 - 11(a)所示。 每一圈螺旋天線的輻射場(chǎng)

7、為電基本振子與磁基本振子輻射場(chǎng)的疊加, 第6章 圖 6 - 11法向模螺旋天線的輻射特性分析(a) 電基本振子與磁基本振子的組合;(b) E， E方向圖(a)hzdI(b)z第6章 式中, E和E分別是電基本振子與磁基本振子的輻射場(chǎng)。sin4 rekISjEjkrsin4422reIDkEjkr第6章 由于E和E的相位差為/2, 所以法向模螺旋天線的輻射場(chǎng)是橢圓極化波, 呈邊射型, 方向圖呈“8”字形, 如圖 8 - 12(b)所示。 sin)4(420DkjSreIuNErjN圈螺旋天線的輻射場(chǎng)為22224DSIDkkISEEAR圓極化條件SDC2法向模螺旋天線的輻射效率和增益都較低, 主要

8、用于超短波手持式通信機(jī)。第6章 第6章 2. 軸向模螺旋天線軸向模螺旋天線 當(dāng)D/0.250.45 時(shí), 螺旋天線的一圈的周長(zhǎng)接近一個(gè)波長(zhǎng), 此時(shí)天線上的電流呈行波分布, 則天線的輻射場(chǎng)呈圓極化, 其最大輻射方向沿軸線方向。 由于螺旋天線的螺距角較小, 可將一圈螺旋線看作是平面圓環(huán), 設(shè)一圈的周長(zhǎng)等于。假設(shè)在t1時(shí)刻環(huán)上的電流分布如圖 8 - 4(a)所示, A、B、 C、D是圓環(huán)上的四個(gè)對(duì)稱(chēng)點(diǎn), 它們的電流幅度相等, 方向沿圓環(huán)的切線方向。 因此每點(diǎn)的電流均可分解為x分量和y分量, 且有第6章 圖 8 4 平面環(huán)的瞬時(shí)電流分布第6章 IAx=IBx ICx=IDx 在t1時(shí)刻, x方向的電流

9、在軸向的輻射相互抵消, 而y方向的電流在軸向的輻射同相疊加, 即 E=ayE 第6章 假設(shè)在t2=t1+T/4時(shí)刻環(huán)上的電流分布, A、 B、 C、 D四個(gè)對(duì)稱(chēng)點(diǎn)上的電流發(fā)生了變化, 每點(diǎn)的電流仍可分解為x分量和y分量, 且有IAy=IByICy=IDy第6章 可見(jiàn)在t2 時(shí)刻, y方向的電流在軸向的輻射相互抵消, 而x方向的電流在軸向的輻射同相疊加, 即 E=axE通過(guò)以上的討論可以得出以下結(jié)論: 經(jīng)過(guò)四分之一周期后, 軸向輻射場(chǎng)由y方向變?yōu)閤方向, 即場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)了90, 但振幅不變。 依次類(lèi)推, 經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的時(shí)間, 電場(chǎng)矢量將連續(xù)地旋轉(zhuǎn)360, 從而形成了圓極化波。 第6章 螺旋天線可等

10、效為N個(gè)相似元（平面圓環(huán)）組成的天線陣, 要使整個(gè)螺旋天線在軸向獲得最大輻射,其方向圖函數(shù)為第6章 第6章 第6章 第6章 在軸向模螺旋天線上，行波模自然形成漢森伍德亞德增強(qiáng)方向性端射陣條件，即)2(NSh沿螺旋線傳播長(zhǎng)為L(zhǎng)的一圈的相移為L(zhǎng)hhh是沿導(dǎo)線傳播的相位常數(shù)NSLh21速度因子(相速相對(duì)于自由空間光速)hhcvp第6章 NNSLp2/12/P=0.815行波的相速低于自由空間平面波的相速，這種波稱(chēng)為慢波。方向圖函數(shù)歸一化后第6章 半功率波瓣寬度、增益適用于1215 ,3/4C3的軸向模螺旋天線帶寬： 第6章 軸比NNAR212極化旋向取決于螺旋線繞向，右（左）手繞向的螺旋線為右（左）

11、旋圓極化天線由于軸向模螺旋天線是行波天線，一般輸入阻抗幾乎為純電阻，輸入電阻經(jīng)驗(yàn)公式為 CRA140第6章 第6章 第6章 軸向模螺旋天線通用設(shè)計(jì)圖第6章 第6章 第6章 第6章 6.3 雙錐天線雙錐天線第6章 第6章 第6章 第6章 第6章 錐臺(tái)天線（盤(pán)錐天線）錐臺(tái)天線（盤(pán)錐天線）第6章 第6章 第6章 6.4 套筒天線套筒天線第6章 第6章 第6章 第6章 6.5 非頻變天線的原理非頻變天線的原理 在許多場(chǎng)合中, 要求天線有很寬的工作頻率范圍。 按工程上的習(xí)慣用法, 若天線的阻抗、方向圖等電特性在比帶寬等于2（fmax/fmin=2）且小于10范圍內(nèi)無(wú)明顯變化, 就可稱(chēng)為寬頻帶天線; 若天

12、線能在更大比帶寬范圍內(nèi)（比如fmax/fmin10）工作, 而其阻抗、方向圖等電特性基本上不變化時(shí), 稱(chēng)為非頻變天線。 1. 非頻變天線的條件非頻變天線的條件 由前面的分析可知: 駐波天線的方向圖和阻抗對(duì)天線電尺寸的變化十分敏感。 能否設(shè)計(jì)一種天線, 當(dāng)工作頻率變化時(shí), 天線的尺寸也隨之變化, 即保持電尺寸不變, 則天線能在很寬頻帶范圍內(nèi)保持相同的輻射特性, 這就是非頻變特性。第6章 相似原理：是指若天線的所有尺寸和工作頻率（或波長(zhǎng)）按相同的比例變化，天線的性能將保持不變。換言之，若天線的電尺寸保持不變，天線的性能也將不變。相似原理（縮比原理），它是非頻變天線的理論依據(jù)，也可用于天線的縮尺模型

13、測(cè)量。產(chǎn)生寬帶性能的特征有：第6章 第6章 如果天線上電流衰減很快, 則決定天線輻射特性的主要是載有較大電流的那部分, 而其余部分作用較小, 若將其截去, 對(duì)天線的電性能影響不大, 這樣有限長(zhǎng)天線就具有近似無(wú)限長(zhǎng)天線的電性能, 這種現(xiàn)象就稱(chēng)為終端效應(yīng)弱。 終端效應(yīng)強(qiáng)弱取決于天線的結(jié)構(gòu)。 非頻變天線分為兩大類(lèi): 等角螺旋天線和對(duì)數(shù)周期天線。 2. 平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線 如圖 2 所示是由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)臂組成的平面等角螺旋天線, 它可看成是一變形的傳輸線, 兩個(gè)臂的四條邊由下述關(guān)系確定:第6章 圖 2 平面等角螺旋天線 第6章 第6章 r1=r0 e a, r2=r0ea(-), r3=r0

14、ea(-), r4=r0ea(-) 在螺旋天線的始端由電壓激勵(lì)激起電流并沿兩臂傳輸。 當(dāng)電流傳輸?shù)絻杀壑g近似等于半波長(zhǎng)區(qū)域時(shí), 便在此發(fā)生諧振, 并產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射, 而在此區(qū)域之外, 電流和場(chǎng)很快衰減。 當(dāng)增加或降低工作頻率時(shí), 天線上有效輻射區(qū)沿螺旋線向里或向外移動(dòng), 但有效輻射區(qū)的電尺寸不變, 使得方向圖和阻抗特性與頻率幾乎無(wú)關(guān)。 實(shí)驗(yàn)證明: 臂上電流在流過(guò)約一個(gè)波長(zhǎng)后迅速衰減到20dB以下, 因此其有效輻射區(qū)就是周長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)的部分。 第6章 第6章 平面等角螺旋天線的輻射場(chǎng)是圓極化的, 且雙向輻射即在天線平面的兩側(cè)各有一個(gè)主波束, 如果將平面的雙臂等角螺旋天線繞制在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓

15、錐面上, 則可以實(shí)現(xiàn)錐頂方向的單向輻射, 且方向圖仍然保持寬頻帶和圓極化特性。平面和圓錐等角螺旋天線的頻率范圍可以比帶寬達(dá)到20或者更大。第6章 對(duì)數(shù)周期天線的基本結(jié)構(gòu)是將金屬板刻成齒狀, 如圖33 所示, 齒是不連續(xù)的, 其長(zhǎng)度是由原點(diǎn)發(fā)出的兩根直線之間的夾角所決定, 相鄰兩個(gè)齒的間隔是按照等角螺旋天線設(shè)計(jì)中相鄰導(dǎo)體之間的距離設(shè)計(jì)的, 即 對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)的結(jié)構(gòu), 當(dāng)天線的工作頻率變化倍, 即頻率從f變到f, 2f, 3f 時(shí), 天線的電結(jié)構(gòu)完全相同, 因此在這些離散的頻率點(diǎn)f, f, 2f 上具有相同的電特性, 但在ff、 f2f 等頻率間隔內(nèi), 天線的電性能有些變化, 但只要這種變化不超過(guò)一定

16、的指標(biāo), 就可認(rèn)為天線上基本上具有非頻變特性。 )展開(kāi)率(2)2(0)2）1n（(01anaanneererrr6.7 對(duì)數(shù)周期天線對(duì)數(shù)周期天線 (1) 齒狀對(duì)數(shù)周期天線第6章 第6章 由于天線性能在很寬的頻帶范圍內(nèi)以 為周期重復(fù)變化, 所以稱(chēng)為對(duì)數(shù)周期天線。 實(shí)際上, 天線不可能無(wú)限長(zhǎng), 而齒的主要作用是阻礙徑向電流。實(shí)驗(yàn)證明: 齒片上的橫向電流遠(yuǎn)大于徑向電流, 如果齒長(zhǎng)恰等于諧振長(zhǎng)度（即齒的一臂約等于4）時(shí), 該齒具有最大的橫向電流, 且附近的幾個(gè)齒上也具有一定幅度的橫向電流, 而那些齒長(zhǎng)遠(yuǎn)大于諧振長(zhǎng)度的各齒, 其電流迅速衰減到最大值的30 dB以下, 這說(shuō)明天線的終端效應(yīng)很弱, 因此有限

17、長(zhǎng)的天線近似具有無(wú)限長(zhǎng)天線的特性。 1ln第6章 2. 對(duì)數(shù)周期振子陣 對(duì)數(shù)周期振子陣是由N個(gè)平行振子天線依據(jù)下列的結(jié)構(gòu)關(guān)系設(shè)計(jì)的: 第6章 第6章 第6章 第6章 其中, L表示振子的長(zhǎng)度; d表示相鄰振子的間距; R表示由頂點(diǎn)到振子的垂直距離。 其結(jié)構(gòu)如圖 所示, 天線的幾何結(jié)構(gòu)主要取決于參數(shù)、 (內(nèi)角)和（間距因子）, 它們之間滿足下列關(guān)系:)(111比例因子nnnnnnddRRLL112/2/2tannnnnRLRLa)2/(412tgLdnnnnnnnnLtgLRRRd22211第6章 N個(gè)對(duì)稱(chēng)振子天線用雙線傳輸線饋電, 且兩相鄰振子交叉連接。 當(dāng)天線饋電后, 能量沿雙線傳輸, 當(dāng)能

18、量行至長(zhǎng)度接近諧振長(zhǎng)度的振子, 或者說(shuō)振子的長(zhǎng)度接近于半波長(zhǎng)時(shí), 由于發(fā)生諧振, 輸入阻抗呈現(xiàn)純電阻, 所以振子上電流大, 形成較強(qiáng)的輻射場(chǎng), 我們把這部分稱(chēng)為有效輻射區(qū), 有效區(qū)以外的振子, 由于離諧振長(zhǎng)度較遠(yuǎn), 輸入阻抗很大, 因而其上電流很小, 它們對(duì)輻射場(chǎng)的貢獻(xiàn)可以忽略。 第6章 第6章 第6章 工作原理分析由fn得n，則存在Ln n/2天線工作分區(qū)傳輸區(qū)： Ln n/2 第6章 假設(shè)有三個(gè)振子11,nnnLLL11,nnnVVV11,nnnIII分析：11,nnnVVV1、集合線依次交叉依次反相2、 Ln n/2，Zin,n為純電阻，In， Vn同相輻射波束指向分析第6章 Ln+1 n/2，Zin,n-1為感性，In1滯后 Vn1 /211,nnnIII由上依次滯后/2恰好滿足三單元引向天線條件，最大輻射方向指向短振子方向?qū)?shù)周期天線是端射型的、線極化天線, 其最大輻射方向是沿連接各振子中心的軸線指向短振子方向,