天线原理与设计—第五章行波天线和宽带天线.ppt

五、行波天线和宽带天线,5.1 行波天线,驻波天线,电流为驻波分布,驻波天线输入阻抗具有明显的谐振特性，通常工作频带较窄,行波天线,天线上反射波不强，电流为行波分布 通常由导线末端接匹配负载来消除反射波 天线通常很长，大部分能量辐射，到达负载功率很小,5.1 行波天线,忽略沿线电流衰减（幅度恒定），行波天线上电流为,,行波天线辐射场为,方向函数为,行波天线相当于均匀线电流的辐射,,5.1 行波天线,不同长度的行波天线辐射方向图也不同，下图为长度为5的行波天线的辐射方向图：,行波天线的特性点：1)主瓣指向相位滞后的方向2) 天线(电长度)越长，主瓣越尖锐、越向天线轴靠拢，且副瓣越多5.1 行波天线,方向函数为,当行波天线较长时（l / 较大）： 波瓣最大方向约为当,,,5.1 行波天线,方向函数为,当行波天线较长时（l / 较大）： 波瓣零点方向为当,,,5.1 行波天线,行波天线的输入阻抗以实数为主，在低损耗传输线上，其输入阻抗等于传输线的特性阻抗 行波天线的终端负载阻抗为接近地面导线的特性阻抗,,a为导线半径，H为导线离地高度,行波天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，也等于终端负载阻抗,5.1 行波天线,实际应用：菱形天线,菱形天线的带宽可达3:1，增益高，前后比大，频率降低时主瓣仰角加大，适合短波通信。

但副瓣多且大（最大可达1/3主瓣），效率约60-705.2 双锥天线,理想双锥（无限长）天线如图所示，假设电场只有 方向，主模为TEM模则麦氏方程组在球坐标系下可展开为,5.2 双锥天下,双锥天线的辐射方向图,电压和电流可由电场、磁场积分得到：,5.2 双锥天线,无限长双锥的特性阻抗为：,特性阻抗与r无关，输入阻抗等于特性阻抗，且为纯 电阻,5.2 双锥天线,双锥天线输入阻抗与锥角的关系,5.2 双锥天线,辐射电阻 辐射电阻与输入电阻相同,5.2 双锥天线,有限大的双锥 有限双锥可以看成是一段特性阻抗为ZC的传输线终端接有负载ZL传输线上的波一部分被反射，其余被吸收（辐射到空间）5.2 双锥天线,有限大的双锥的变形结构,5.3 非频变天线,非频变天线是指天线 的特性（方向图、阻抗、极化和增益等）不随频率变化，因此具有无限宽的带宽 理想的非频变天线 是不存在的，实际中实际把带宽大于10：1的天线 称为非频带天线，即超宽带天线 5.3 非频变天线,Victor H. Rumsey于上个世纪50年代发展了非频带天线的概念 设计思路： a)若天线的形状只有角度来决定 b)弱终端效应 c)自补结构,5.3 非频变天线,理想的非频变天线需要满足上述三种特征。

现实中，设计非频变天线时要突出这些特征，但不一要定严格 非频变天线的一个突出特征：自比例特征大部分辐射发生在天线的宽度为半个波长或周长的一个波长范围，称为有效作业区频率下降时，有效作业区移像尺寸较大的部分，反之亦然角度条件、自补结构和弱终端效应特征使得天线在频率变化时可以自动调整电流区域5.3 非频变天线,自补天线 通过平移或者旋转手段，可精确的覆盖天线的互补结构 根据互补结构，天线和互补天线的阻抗满足,自补天线的阻抗满足,5.3 非频变天线,5.3.1 拉姆西形状方程推导 设天线设计的曲线为 若频率改变时，只是 旋转了角，而新天线与原天线形状不变，则可获得其特性与频率无关的天线，为此， 变为 + 时，其r仍满足同一方程，只是r增加或减小K倍，即： 两边对, 微分,5.3非频变天线,因 与 无关，又有：,,5.3 非频变天线,上述理论1955年开始出现，但到1959年才提出一种等角螺旋天线，其形状由下列公式确定：,式中K为沿r方向增加的倍数， 为r 增加K倍对应的 增加的角度上式中 a 对于确定的天线为一常数并且为， 为曲线的切线与r 的夹角对于不同的天线 a 不同，表示曲线旋绕的松紧程度不同。

5.3 非频变天线,5.3.2 平面等角螺旋天线 螺旋臂1： 螺旋臂2：有螺线臂1各自旋转180度： 为使螺线臂与臂间缝隙形成自补结构，取：,5.3 非频变天线,对平面等角螺旋天线带宽的讨论 1）天线特性要完全与频率无关，要求结构无限大，实际不可能做到 2）不过，螺旋臂上的电流随着臂的扩张而随指数衰减（弱终端效应），在电流衰减到很小时截断，影响不大，因此实际尺寸的天线的带宽仍然很大5.3 非频变天线,对平面等角螺旋天线带宽的讨论 最低频率对应于 最高频率对应于 取 a=0.221的一圈半的螺旋 即获得8:1的带宽,5.3 非频变天线,等角螺旋天线的辐射方向图 1）主辐射方向在发向，方向图接近 cos，主瓣宽度约90度天线臂比波长短得多的时候，辐射线极化；当天线臂接近或大于波长时，为圆极化波 3）当频率从 f1 变到f2 时，方向图几乎不变，只是绕法线旋转一个角度：,5.3 非频变天线,5.3.3 阿基米德螺旋天线 曲线方程： 双臂：,5.3 非频变天线,阿基米德螺旋天线的特点 1）虽然阿基米德螺旋天线可以在很宽频带上工作，但它不是一个真正的非频变天线，因为电流在工作区后不明显减小，因而不能满足截断要求，必须在末端加载，以避免波的反射。

2）阿基米德螺旋天线具有宽频带、圆极化、尺寸小、效率高以及可以镶嵌等优点，应用越来越广泛5.3 非频变天线,5.3.4 对数周期天线 1957年提出对数周期天线，天线的特性随频率的对数周期性变化只要在一个周期内天线特性变化不大就可或得宽频带其结构参数有如下关系： 电波在天线上齿长约四分之一波长的地方谐振，形成主辐射区天线的特性将随频率按 的规律重复出现，或者说天线的特性将按 重复出现，即按对数周期重复出现，故称为对数周期天线5.3 非频变天线,5.3 非频变天线,5.3.5 对数周期振子天线,5.3 非频变天线,工作原理 1）当电磁波从短振子馈电入时，由于短振子辐射的很小，电磁波主要是通过双导线传输到辐射区，这一部分可以看做是传输区 2）电流到达辐射区后，接近半个波长的振子辐射最大强，称为主振子，在它后面较长的振子可以看做反射器，称为反射振子，如果电磁波是直接通过双导线馈入反射振子上，其上的电流相位势必滞后与主振子，但通过交叉馈电，使得反射振子的电流相位超前于主振子，因而保证了天线阵的最大的辐射方向朝向馈电端3）主振子前较短的振子相当于引向器，经过交叉馈电后，电流相位超前于主振子。

可见辐射区的振子构成了引向天线，最大辐射方向指向馈电端5.3 非频变天线,总结： 对数周期天线完全满足了非频变天线的几个要点： 1）天线的几何结构只与角度有关：振子的长度与顶点构成的角度不变 2）天线具有自相似性：随着频率从低到高，辐射区从长振子区到短振子区移动，反之亦然 3）弱终端效应：电磁波经过辐射区的辐射，到达后面的长振子区，已经很微弱，满足了弱终端效应 需要说明的是：对数周期天线只是在一些离散的频率点上非频变，在这些频率之间，天线性能会有一些变化，不过只要满足指标要求，依然是宽频带的谢谢！,。