(第三章)寬帶天線

1、天線天線 與電波傳播與電波傳播3.1 行波天線行波天線 前面講的振子型天線, 其上電流為駐波分布, 如對稱振子的電流分布為 I(z)=Im sin(h-z)= 式中, 第一項表示從饋電點向?qū)Ь€末端傳輸?shù)男胁? 第二項表示從末端反射回來的從導(dǎo)線末端向饋電點傳輸?shù)男胁? 負(fù)號表示反射系數(shù)為1。 當(dāng)終端不接負(fù)載時, 來自激勵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行波疊加就形成了駐波。凡天線上電流分布為駐波的均稱為駐波天線。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。 )(2zjzjhjmeeejI第第3章章 寬帶天線寬帶天線(3-1

2、-1)天線天線 與電波傳播與電波傳播 如果天線上電流分布是行波, 則此天線稱為行波天線。 通常, 行波天線是由導(dǎo)線末端接匹配負(fù)載來消除反射波而構(gòu)成, 如圖3-1-1 所示。最簡單的有行波單導(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: I(z)=I0 e jz (3-1-2)忽略地面的影響, 行波天線的輻射場為天線天線 與電波傳播與電波傳播圖 3-1-1 行波

3、天線 匹配負(fù)載rlI(z)天線天線 與電波傳播與電波傳播經(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cos1cos)1 (2sinsinlF 由圖 3-1-2可見, 行波天線是單方向輻射的, 但其最大輻射方向隨電長度l/的變化而變化, 旁瓣電平較高且瓣數(shù)較多, 與其它類型天線相比, 相對其電尺寸而言增益是不高的。 但這些不足可以利用排陣的方法來進行改善。 當(dāng)天線較長時, 行波天線的最大輻射方向可近似由下式確定: (3-1-3)(3-1-4)天線天線 與電波傳播與電波傳播圖 3-1-2 l=4和8時行波單導(dǎo)線方向圖 1.04

4、08 2.0816 3.1224 4.1632 1.1902 2.3803 3.5705 4.7607 5.9508(a)(b)12033030 60150240 2100901802703001203303060150240 210090180270300天線天線 與電波傳播與電波傳播因此, 有cosm= l 21 由上式可見, 當(dāng)l/較大, 工作波長改變時, 最大輻射方向m變化不大。 2. V形天線和菱形天線形天線和菱形天線 用兩根行波單導(dǎo)線可以組成V形天線。對于一定長度l/的行波單導(dǎo)線, 適當(dāng)選擇張角2, 可以在張角的平分線方向上獲得最大輻射, 如圖 3-1-3 所示。 由于l/較大時,

5、 工作波長改變而最大輻射方向m變化不大, 因此V形天線具有較好的方向圖寬頻帶特性和阻抗寬頻帶特性。由于其結(jié)構(gòu)及架設(shè)特別簡單, 特別適應(yīng)于短波移動式基站中。 天線天線 與電波傳播與電波傳播圖 3-1-3 V形天線(l/=10, =15)匹配負(fù)載lmmRl/2Rl/2天線天線 與電波傳播與電波傳播 目前, 另一種被廣泛應(yīng)用于短波通信和廣播、超短波散射通信的行波天線是由四根行波單導(dǎo)線連接成菱形的天線。它可以看成是由兩個V形天線在開口端相連而成, 其工作原理與V形天線相似。載有行波電流的四個臂長相等, 它們的輻射方向圖完全相同, 如圖3-1-4所示。適當(dāng)選擇菱形的邊長和頂角2, 可在對角線方向獲得最大

6、輻射。天線天線 與電波傳播與電波傳播圖 3-1-4 菱形天線及其平面方向圖合成方向圖饋電吸收電阻H2天線天線 與電波傳播與電波傳播3.2 螺旋天線螺旋天線 將導(dǎo)線繞制成螺旋形線圈而構(gòu)成的天線稱為螺旋天線。 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3-2-1所示。螺旋天線是常用的圓極化天線。 螺旋天線的參數(shù)有: 螺旋直徑d=2b;螺距h; 圈數(shù)N; 每圈的長度c; 螺距角; 軸向長度L。 天線天線 與電波傳播與電波傳播圖 3-2-1 螺旋天線 L接地板同軸線dc天線天線 與電波傳播與電波傳播這些幾何參數(shù)之間的關(guān)系為 c2

7、=h2+(d)2 =arctan L=Nh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, 天線的最大輻射方向在與螺旋軸線垂直的平面內(nèi), 稱為法向模式, 此時天線稱為法向模式天線, 如圖 3-2-2(a)所示。 dh(3-2-1)天線天線 與電波傳播與電波傳播（a） (b) (c)圖 3-2-2 螺旋天線的輻射特性與螺旋的直徑的關(guān)系天線天線 與電波傳播與電波傳播 當(dāng)d/0.250.46 時, 即螺旋天線一圈的長度c在一個波長左右的時候, 天線的輻射方向在天線的軸線方向, 此時天線稱為軸向模式天線, 如圖3-2-2 (b)所示。 當(dāng)d/0.5時, 天線的最大輻射方向偏離軸線分裂成兩個

8、方向, 方向圖呈圓錐形狀, 如圖3-2-2 (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電尺寸較小, 其輻射場可以等效為電基本振子與磁基本振子輻射場的疊加, 且它們的電流振幅相等, 相位相同, 如圖3-2-3(a)所示。 每一圈螺旋天線的輻射場為 E=aE+aE(3-2-2)天線天線 與電波傳播與電波傳播 圖 3-2-3 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面方向圖(a)hzdI(b)z天線天線 與電波傳播與電波傳播 式中, E和E分別是電基本振子與磁基本振子的輻射場。 N圈螺旋天線的輻射場為 式中, 為相移常數(shù)。設(shè)螺旋線上的波

9、長縮短系數(shù)為n1, 則 =n1k= (3-2-4)由于E和E的時間相位差為/2, 所以法向模螺旋天線的輻射場是橢圓極化波, 呈邊射型, 方向圖呈“8”字形, 如圖3-2-3 (b)所示, 只有當(dāng)E=E即h=kb2時, 螺旋天線輻射圓極化波。 sin)(4200bkajhareINwuErj21n(3-2-3)天線天線 與電波傳播與電波傳播 法向模螺旋天線的輻射效率和增益都較低, 主要用于超短波手持式通信機。 2. 軸向模螺旋天線軸向模螺旋天線 當(dāng)d/0.250.45 時, 螺旋天線的一圈的周長接近一個波長, 此時天線上的電流呈行波分布, 則天線的輻射場呈圓極化, 其最大輻射方向沿軸線方向。 由

10、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)一圈的周長等于。假設(shè)在t1時刻環(huán)上的電流分布如圖3-2-4(a)所示, A、B、 C、D是圓環(huán)上的四個對稱點, 它們的電流幅度相等, 方向沿圓環(huán)的切線方向。 因此每點的電流均可分解為x分量和y分量, 且有天線天線 與電波傳播與電波傳播圖 3-2-4 平面環(huán)的瞬時電流分布(a)(b)DCBBDCAxAyl 天線天線 與電波傳播與電波傳播 IAx=IBx ICx=IDx 在t1時刻, x方向的電流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 假設(shè)在t2=t1+T/4時刻環(huán)上的電流分布如圖3-2-4(b)所示

11、, A、 B、 C、 D四個對稱點上的電流發(fā)生了變化, 每點的電流仍可分解為x分量和y分量, 且有IAy=IByICy=IDy(3-2-5)(3-2-6)(3-2-7)天線天線 與電波傳播與電波傳播 可見在t2 時刻, 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通過以上的討論可以得出以下結(jié)論: 經(jīng)過四分之一周期后, 軸向輻射場由y方向變?yōu)閤方向, 即場矢量旋轉(zhuǎn)了90, 但振幅不變。 依次類推, 經(jīng)過一個周期的時間, 電場矢量將連續(xù)地旋轉(zhuǎn)360, 從而形成了圓極化波。 螺旋天線可等效為N個相似元（平面圓環(huán)）組成的天線陣, 要使整個螺旋天線在軸向獲得最

12、大輻射, 則必須使相鄰兩圈上對應(yīng)點的電流在軸向產(chǎn)生的場相位差2, 即(3-2-8)天線天線 與電波傳播與電波傳播 l-kh=2式中,l為相鄰兩圈上對應(yīng)點的電流的相位差; kh為相鄰兩圈上對應(yīng)點在軸向的波程差。 若按式（3-2-9）來選取l和h, 可使相鄰兩圈上對應(yīng)點的電流在軸向產(chǎn)生的場相位差2, 這樣天線各圈的場在軸向同相疊加, 因而在此方向有最大輻射, 但此時方向系數(shù)不是最大。 要使螺旋天線在軸向獲得最大輻射且方向系數(shù)最大, 根據(jù)強方向性端射陣條件, 天線的第一圈和最后一圈沿軸向產(chǎn)生的輻射場的相位差應(yīng)等于, 即l-kh=2+ N(3-2-9)(3-2-10)天線天線 與電波傳播與電波傳播所以

13、有)2(11Nhnl 若按式（3-2-11）來選取l和h, 天線在軸向獲得最大輻射且方向系數(shù)最大, 但不能得到理想的圓極化, 不過當(dāng)N較大時, 式（3-2-11）與（3-2-9）差別不大, 此時輻射場接近圓極化。 由式（3-2-11）還可以看到: 當(dāng)工作波長增大或變短時, 波長縮短系數(shù)也隨之增大或變小, 結(jié)果使等式的右邊幾乎不變, 從而使螺旋天線在一定的帶寬內(nèi)自動調(diào)整來滿足獲得最大方向系數(shù)的條件。 由于在軸向輻射螺旋天線上電流接近純行波分布, 所以在一定的帶寬內(nèi), 其阻抗變化也不大, 且基本接近純電阻。另外, 它僅在末端有很小的反射。 (3-2-11)天線天線 與電波傳播與電波傳播3.3 寬寬

14、 頻頻 帶帶 天天 線線 在許多場合中, 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、方向圖等電特性在一倍頻程（fmax/fmin=2）或幾倍頻程范圍內(nèi)無明顯變化, 就可稱為寬頻帶天線; 若天線能在更大頻程范圍內(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, 就稱為非頻變天線。 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天線電尺寸的變化十分敏感。 能否設(shè)計一種天線, 當(dāng)工作頻率變化時, 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。 事

15、實上, 天線只要滿足以下兩個條件, 就可以實現(xiàn)非頻變特性。 天線天線 與電波傳播與電波傳播 (1) 角度條件 天線的形狀僅取決于角度, 而與其它尺寸無關(guān)， 即 r=r0ea (3-3-1)換句話說, 當(dāng)工作頻率變化時, 天線的形狀、 尺寸與波長之間的相對關(guān)系不變, 如圖 3-3-1所示。 (2) 終端效應(yīng)弱 實際天線的尺寸總是有限的, 有限尺寸的結(jié)構(gòu)不僅是角度的函數(shù), 也是長度的函數(shù)。 因此,當(dāng)天線為有限長時, 是否具有近似無限長時的特性, 是能否構(gòu)成實際的非頻變天線的關(guān)鍵。 天線天線 與電波傳播與電波傳播圖 3-3-1 平面等角螺旋天線rr0天線天線 與電波傳播與電波傳播 如果天線上電流衰減

16、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, 對天線的電性能影響不大, 這樣有限長天線就具有近似無限長天線的電性能, 這種現(xiàn)象就稱為終端效應(yīng)弱。 終端效應(yīng)強弱取決于天線的結(jié)構(gòu)。 滿足上述兩條件, 即構(gòu)成非頻變天線。 非頻變天線分為兩大類: 等角螺旋天線和對數(shù)周期天線。 2. 平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線 如圖3-3-2所示是由兩個對稱臂組成的平面等角螺旋天線, 它可看成是一變形的傳輸線, 兩個臂的四條邊由下述關(guān)系確定:天線天線 與電波傳播與電波傳播圖 3-3-2 平面等角螺旋天線 天線天線 與電波傳播與電波傳播r=r0 e a, r=r0ea

17、(), r=r0ea(), r=r0e a() 在螺旋天線的始端由電壓激勵激起電流并沿兩臂傳輸。 當(dāng)電流傳輸?shù)絻杀壑g近似等于半波長區(qū)域時, 便在此發(fā)生諧振, 并產(chǎn)生很強的輻射, 而在此區(qū)域之外, 電流和場很快衰減。 當(dāng)增加或降低工作頻率時, 天線上有效輻射區(qū)沿螺旋線向里或向外移動, 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關(guān)。 實驗證明: 臂上電流在流過約一個波長后迅速衰減到20dB以下, 因此其有效輻射區(qū)就是周長約為一個波長以內(nèi)的部分。 天線天線 與電波傳播與電波傳播 平面等角螺旋天線的輻射場是圓極化的, 且雙向輻射即在天線平面的兩側(cè)各有一個主波束, 如果將平面的雙臂等

18、角螺旋天線繞制在一個旋轉(zhuǎn)的圓錐面上, 則可以實現(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達到20倍頻程或者更大。 式（3-3-1）又可寫為如下形式: = 因此， 等角螺旋天線又稱為對數(shù)螺旋天線。 下面介紹另一類非頻變天線對數(shù)周期天線。 3. 對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線 (1) 齒狀對數(shù)周期天線)ln(10rra(3-3-2)天線天線 與電波傳播與電波傳播 對數(shù)周期天線的基本結(jié)構(gòu)是將金屬板刻成齒狀, 如圖 3-3-3 所示, 齒是不連續(xù)的, 其長度是由原點發(fā)出的兩根直線之間的夾角所決定, 相鄰兩個齒的間隔是按照等角螺旋天線設(shè)計中相鄰導(dǎo)體之間的距

19、離設(shè)計的, 即 對于無限長的結(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, 天線的電結(jié)構(gòu)完全相同, 因此在這些離散的頻率點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一定的指標(biāo), 就可認(rèn)為天線上基本上具有非頻變特性。 )1(2)2(0)(01的常數(shù)小于aaanneererrr天線天線 與電波傳播與電波傳播圖 3-3-3 平面對數(shù)周期天線rnrn1天線天線 與電波傳播與電波傳播 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, 所以稱為對數(shù)周期天線。 實際上, 天線不可能無限長, 而齒的主要作用是阻礙徑向電流。實驗證明: 齒片上的橫向電流遠(yuǎn)大于徑向電流, 如果齒長恰等于諧振長度（即齒的一臂約等于4）時, 該齒具有最大的橫向電流, 且附近的幾個齒上也具有一定幅度的橫向電流, 而那些齒長遠(yuǎn)大于諧振長度的各齒, 其電流迅速衰減到最大值的30 dB以下, 這說明天線的終端效應(yīng)很弱, 因此有限長的天線近似具