《電磁場(chǎng)、微波技術(shù)與天線(xiàn)》課件-第10章

第10章寬頻帶天線(xiàn)10.1引言10.2行波單導(dǎo)線(xiàn)及菱形天線(xiàn)10.3螺旋天線(xiàn)(HelicalAntenna)10.4非頻變天線(xiàn)

10.1引言

由傳輸線(xiàn)理論可知,行波狀態(tài)傳輸線(xiàn)的輸入阻抗等于傳輸線(xiàn)的特性阻抗,且不隨頻率改變。顯然,用載行波的導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成天線(xiàn),其輸入阻抗將具有寬頻帶特性,這一類(lèi)天線(xiàn)稱(chēng)為行波天線(xiàn)(Traveling-WaveAntenna)。為了使天線(xiàn)電流按行波分布,可在導(dǎo)線(xiàn)末端接匹配負(fù)載避免反射;或用很長(zhǎng)的天線(xiàn)輻射大部分功率,使得僅有很少的功率傳輸?shù)侥┒水a(chǎn)生微弱反射。

由于行波天線(xiàn)工作于行波狀態(tài),頻率變化時(shí),輸入阻抗近似不變,方向圖隨頻率的變化也較緩慢,因而頻帶較寬,絕對(duì)帶寬可達(dá)(2~3)∶1,是寬頻帶天線(xiàn)。但是行波天線(xiàn)的寬頻帶特性是用犧牲效率(或增益)來(lái)?yè)Q取的,因?yàn)橛胁糠帜芰勘回?fù)載吸收,故天線(xiàn)效率低于諧振式駐波天線(xiàn)。

當(dāng)天線(xiàn)的阻抗特性和方向性能在一個(gè)更寬的頻率范圍內(nèi)(例如頻帶寬度為10∶1或更高)保持不變或稍有變化時(shí),則把這一類(lèi)天線(xiàn)稱(chēng)為非頻變天線(xiàn)(Frequency-IndependentAntenna)。它們特別適合于擴(kuò)頻通信、通信偵察、電視以及反射面和透鏡天線(xiàn)的饋源等領(lǐng)域。本章主要介紹以上兩類(lèi)天線(xiàn)。

10.2行波單導(dǎo)線(xiàn)及菱形天線(xiàn)10.2.1行波單導(dǎo)線(xiàn)行波單導(dǎo)線(xiàn)(Traveling-WaveLongWireAntenna)是指天線(xiàn)上電流按行波分布的單導(dǎo)線(xiàn)天線(xiàn)。設(shè)長(zhǎng)度為l的導(dǎo)線(xiàn)沿z軸放置,如圖10-2-1所示,導(dǎo)線(xiàn)上電流按行波分布即天線(xiàn)沿線(xiàn)各點(diǎn)電流振幅相等,相位連續(xù)滯后,其饋電點(diǎn)置于坐標(biāo)原點(diǎn)。設(shè)輸入端電流為I0,忽略沿線(xiàn)電流的衰減,則線(xiàn)上電流分布為圖10-2-1行波單導(dǎo)線(xiàn)及坐標(biāo)

行波單導(dǎo)線(xiàn)輻射場(chǎng)的分析方法與對(duì)稱(chēng)振子相似即把天線(xiàn)分割成許多個(gè)電基本振子,而后取所有電基本振子輻射場(chǎng)的總和,故有

式中,r為原點(diǎn)至場(chǎng)點(diǎn)的距離;θ為射線(xiàn)與z軸之間的夾角。由上式可得行波單導(dǎo)線(xiàn)的方向函數(shù)為

根據(jù)上式可畫(huà)出行波單導(dǎo)線(xiàn)的方向圖,如圖10-2-2所示,由圖可以看出行波單導(dǎo)線(xiàn)的方向性具有如下特點(diǎn):

(1)沿導(dǎo)線(xiàn)軸線(xiàn)方向沒(méi)有輻射,這是由于基本振子沿軸線(xiàn)方向沒(méi)有輻射之故。

(2)導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度越長(zhǎng),最大輻射方向越靠近軸線(xiàn)方向,同時(shí)主瓣越窄,副瓣越大且副瓣數(shù)增多。

(3)當(dāng)l/λ很大時(shí),主瓣方向隨l/λ變化趨緩,即天線(xiàn)的方向性具有寬頻帶特性。圖10-2-2單行波導(dǎo)線(xiàn)的方向圖

最大輻射角的求解,可通過(guò)對(duì)f(θ)取導(dǎo)數(shù)來(lái)計(jì)算,也可以近似計(jì)算如下:

當(dāng)l/λ很大時(shí),方向函數(shù)中sin[kl(1-cosθ)/2]項(xiàng)隨θ的變化比起sinθ/(1-cosθ)=cot(θ/2)項(xiàng)快得多,因此行波單導(dǎo)線(xiàn)的最大輻射方向基本上可由前一個(gè)因子決定,即由sin[kl(1-cosθ)/2]θ=θm=1決定。由該式可得

行波天線(xiàn)的輸入阻抗基本上是一純電阻,可以利用坡印廷矢量在遠(yuǎn)區(qū)封閉球面上的積分求出輻射電阻,如圖10-2-3所示。與駐波天線(xiàn)相比,可以看出,行波單導(dǎo)線(xiàn)的阻抗具有寬頻帶特性。

行波單導(dǎo)線(xiàn)的方向系數(shù)可以用下列近似公式計(jì)算圖10-2-3行波單導(dǎo)線(xiàn)輻射電阻

10.2.2菱形天線(xiàn)

1.菱形天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和工作原理

為了增加行波單導(dǎo)線(xiàn)天線(xiàn)的增益,可以利用排陣的方法。用4根行波單導(dǎo)線(xiàn)可以構(gòu)成如圖10-2-4所示的菱形天線(xiàn)(RhombicAntenna),菱形水平地懸掛在四根支柱上,從菱形的一只銳角端饋電,另一只銳角端接一個(gè)與菱形天線(xiàn)特性阻抗相等的匹配負(fù)載,使導(dǎo)線(xiàn)上形成行波電流。菱形天線(xiàn)可以看成是將一段匹配傳輸線(xiàn)從中間拉開(kāi),由于兩線(xiàn)之間的距離大于波長(zhǎng),因而將產(chǎn)生輻射。菱形天線(xiàn)廣泛應(yīng)用于中、遠(yuǎn)距離的短波通信,它在米波和分米波也有應(yīng)用。圖10-2-4菱形天線(xiàn)示意圖

行波單導(dǎo)線(xiàn)的輻射場(chǎng)由式(10-2-2)已經(jīng)知道了,求解菱形天線(xiàn)的輻射場(chǎng)即相當(dāng)于求解四根導(dǎo)線(xiàn)在空間的合成場(chǎng)。如何才能使菱形天線(xiàn)獲得最強(qiáng)的方向性,并使最大輻射方向指向負(fù)載方向呢?這可以通過(guò)適當(dāng)選擇菱形銳角2θ0、邊長(zhǎng)l來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖10-2-5所示,選擇菱形半銳角滿(mǎn)足

即菱形四根導(dǎo)線(xiàn)各有一最大輻射方向指向長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)方向,下面將證明圖10-2-5中4個(gè)帶陰影波瓣能在長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)方向同相疊加。

參考圖10-2-6(a),在長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)方向,1、2兩根行波導(dǎo)線(xiàn)合成電場(chǎng)矢量的總相位差應(yīng)該由下列三部分組成,即

圖10-2-5菱形天線(xiàn)的輻射

其中,ΔΨr為射線(xiàn)行程差所引起的相位差,射線(xiàn)行程從各邊的始端起算,ΔΨr=klcosθ0;ΔΨi為電流相位不同引起的相位差,線(xiàn)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)電流滯后kl即ΔΨi=-kl;ΔΨE

為電場(chǎng)的極化方向所引起的相位差,由圖可直觀(guān)地看出ΔΨE=π,將這些關(guān)系代入式(10-2-7),可以得出總相位差為

即長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)方向上導(dǎo)線(xiàn)1、2的合成場(chǎng)同相疊加。

再研究行波導(dǎo)線(xiàn)1和4,如圖10-2-6(b)所示,在長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)方向上射線(xiàn)行程差引起的相位差ΔΨr=0,電流相位差ΔΨi=π,電場(chǎng)極化相位差ΔΨE

=π,因此總相位差ΔΨ=2π。

根據(jù)以上分析,構(gòu)成菱形天線(xiàn)的四條邊的輻射場(chǎng)在長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)方向上都是同相的,因此菱形天線(xiàn)在水平平面內(nèi)的最大輻射方向是從饋電點(diǎn)指向負(fù)載的長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)方向。而在其他方向上,一方面并不是各邊行波導(dǎo)線(xiàn)的最大輻射方向,而且不一定能滿(mǎn)足各導(dǎo)線(xiàn)的輻射場(chǎng)同相的條件,因此形成副瓣,且副瓣多,副瓣電平較大,這也正是菱形天線(xiàn)的缺點(diǎn)。圖10-2-6菱形天線(xiàn)的工作原理

2.菱形天線(xiàn)方向函數(shù)

上面我們定性地分析了菱形天線(xiàn)的方向特性,欲定量分析,其推導(dǎo)較繁,下面僅給出在理想地面上的公式。

過(guò)長(zhǎng)軸的垂直平面的方向函數(shù)為

式中,Φ0為菱形的半鈍角;Δ為仰角;h為天線(xiàn)的架設(shè)高度。

當(dāng)Δ=Δ0時(shí)(Δ0為最大輻射方向仰角),水平平面的方向函數(shù)為

式中,φ為從菱形長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)量起的方位角。在上述兩個(gè)平面上電場(chǎng)僅有水平分量。方向圖可由以上兩式繪出,如圖10-2-7所示。一般而言,菱形天線(xiàn)每邊的電長(zhǎng)度越長(zhǎng),波瓣越窄,仰角變小,副瓣增多。圖10-2-7菱形天線(xiàn)的方向圖

3.菱形天線(xiàn)的尺寸選擇及其變形天線(xiàn)

當(dāng)通信仰角Δ0確定以后,選擇主瓣仰角等于通信仰角。由菱形天線(xiàn)的垂直平面方向函數(shù)可知,為使f(Δ0)最大,可分別確定式(10-2-9)各個(gè)因子為最大,要使第三個(gè)因子為最大,應(yīng)有sin(khsinΔ0)=1,即選擇天線(xiàn)架高為

使第二個(gè)因子為最大的條件是sin[kl(1-sinΦ0cosΔ0)/2]=1,即天線(xiàn)每邊長(zhǎng)度為

使第一個(gè)因子為最大的條件是

由此得到半鈍角Φ0和仰角Δ0應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系:

根據(jù)以上三個(gè)結(jié)果,在通信方向的仰角Δ0和工作波長(zhǎng)λ確定以后,便可直接算出h、l和Φ0。不過(guò)根據(jù)上述最佳尺寸算出的結(jié)果,菱形的邊長(zhǎng)可能很大,往往因占地面積過(guò)大而難以做到,所以常根據(jù)最佳尺寸適當(dāng)縮小。實(shí)踐證明,將邊長(zhǎng)縮為最佳值的(1~1.5)/2,可以得到滿(mǎn)意的電性能。

菱形天線(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低,維護(hù)方便;方向性強(qiáng);頻帶寬,工作帶寬可達(dá)(2~3)∶1;可應(yīng)用于較大的功率,因?yàn)樘炀€(xiàn)上駐波成分很小,因此不會(huì)發(fā)生電壓或電流過(guò)大的問(wèn)題。

主要缺點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)龐大,場(chǎng)地大,只適用于大型固定電臺(tái)作遠(yuǎn)距離通信使用;副瓣多,副瓣電平較高;效率低,由于終端有負(fù)載電阻吸收能量,故天線(xiàn)效率為50%~80%左右。

為了改善菱形天線(xiàn)的特性參數(shù),常采用雙菱天線(xiàn),它是由兩個(gè)水平菱形天線(xiàn)組成,如圖10-2-8所示,菱形對(duì)角線(xiàn)之間的距離d≈0.8λ,其方向函數(shù)表達(dá)式為

式中,f1(Δ,φ)是單菱形天線(xiàn)的方向函數(shù)表達(dá)式。雙菱天線(xiàn)的旁瓣電平比單菱形天線(xiàn)低,增益系數(shù)約為單菱形天線(xiàn)的1.5~2倍。為了進(jìn)一步改善菱形天線(xiàn)的方向性,可以將兩副雙菱天線(xiàn)并聯(lián)同相饋電,它的增益和天線(xiàn)效率可以比雙菱天線(xiàn)增加1.7~2倍,其缺點(diǎn)是占地太大。圖10-2-8雙菱天線(xiàn)

為了提高菱形天線(xiàn)的效率,可采用回授式菱形天線(xiàn)結(jié)構(gòu),如圖10-2-9所示,回授式菱形天線(xiàn)沒(méi)有終端吸收電阻,它是將終端剩余能量送回輸入端,再激勵(lì)天線(xiàn)2。如果送入輸入端的電流相位與回授至輸入端的電流相位相同,那么剩余的能量也就能輻射出去,從而提高了天線(xiàn)的效率。但是由于只能對(duì)某一頻率做到同相回授,使天線(xiàn)具有頻率選擇性,而菱形天線(xiàn)主要側(cè)重于它的寬頻帶特性,所以回授式菱形天線(xiàn)較少采用。圖10-2-9回授式菱形天線(xiàn)

短波菱形天線(xiàn)占地面積大,因此只能在固定臺(tái)站中使用。在需要架撤方便的場(chǎng)合,常用的短波行波天線(xiàn)還有如圖10-2-10所示的V形斜天線(xiàn)(SlopingVeeAntenna)、圖10-2-11所示的倒V形天線(xiàn)(InvertedVeeAntenna)以及圖10-2-12所示的低架行波天線(xiàn),它們?cè)谒狡矫娑季哂星跋蜉椛涮匦浴D10-2-10V形斜天線(xiàn)圖10-2-11倒V形天線(xiàn)圖10-2-12低架行波天線(xiàn)

10.3螺旋天線(xiàn)(HelicalAntenna)

螺旋柱直徑D?λ的螺旋鞭天線(xiàn)工作于邊射狀態(tài),而本節(jié)將介紹螺旋柱直徑D=(0.25~0.46)λ的螺旋天線(xiàn)工作于端射狀態(tài),這一天線(xiàn)又稱(chēng)為軸向模螺旋天線(xiàn),簡(jiǎn)稱(chēng)為螺旋天線(xiàn)。

它的主要特點(diǎn)是:

(1)沿軸線(xiàn)方向有最大輻射;

(2)輻射場(chǎng)是圓極化波;

(3)天線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)上的電流按行波分布;

(4)輸入阻抗近似為純阻;

(5)具有寬頻帶特性。

由于螺旋天線(xiàn)是一種最常用的典型的圓極化天線(xiàn)(CircularPolarizedAntenna),下面首先介紹圓極化波的性質(zhì)和應(yīng)用。

10.3.1圓極化波及其應(yīng)用

圓極化波具有下述重要性質(zhì):

(1)圓極化波是一等幅旋轉(zhuǎn)場(chǎng),它可分解為兩正交等幅相位相差90°的線(xiàn)極化波;

(2)輻射左旋圓極化波的天線(xiàn),只能接收左旋圓極化波,反之亦然;

(3)當(dāng)圓極化波入射到一個(gè)平面上或球面上時(shí),其反射波旋向相反即右旋波變?yōu)樽笮?左旋波變?yōu)橛倚ā?/p>

圓極化波的上述性質(zhì),使其具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

第一,使用一副圓極化天線(xiàn)可以接收任意取向的線(xiàn)極化波。

第二,為了干擾和偵察對(duì)方的通信或雷達(dá)目標(biāo),需要應(yīng)用圓極化天線(xiàn)。

第三,在電視中為了克服雜亂反射所產(chǎn)生的重影,也可采用圓極化天線(xiàn),因?yàn)樗荒芙邮招蛳嗤闹鄙洳?抑制了反射波傳來(lái)的重影信號(hào)。當(dāng)然,這需要對(duì)整個(gè)電視天線(xiàn)系統(tǒng)作改造,目前應(yīng)用的仍是水平線(xiàn)極化天線(xiàn)。此外,在雷達(dá)中,可利用圓極化波來(lái)消除云雨的干擾,在氣象雷達(dá)中可利用雨滴的散射極化響應(yīng)的不同來(lái)識(shí)別目標(biāo)。

10.3.2螺旋天線(xiàn)的工作原理

螺旋天線(xiàn)的直徑D可以是固定的,如圖10-3-1所示,稱(chēng)為圓柱形螺旋天線(xiàn);也可以是漸變的,如圖10-3-2所示,稱(chēng)為圓錐形螺旋天線(xiàn)。將圓柱形螺旋天線(xiàn)改型為圓錐形螺旋天線(xiàn)可以增大帶寬。螺旋天線(xiàn)通常用同軸線(xiàn)來(lái)饋電,螺旋天線(xiàn)的一端與同軸線(xiàn)的內(nèi)導(dǎo)體相連接,它的另一端處于自由狀態(tài),或與同軸線(xiàn)的外導(dǎo)體相連接。同軸線(xiàn)的外導(dǎo)體一般與垂直于天線(xiàn)軸線(xiàn)的金屬板相連接,該板即為接地板。接地板可以減弱同軸線(xiàn)外表面的感應(yīng)電流,改善天線(xiàn)的輻射特性,同時(shí)又可以減弱后向輻射。圓形接地板的直徑約為(0.8~1.5)λ。圖10-3-1螺旋天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖10-3-2圓錐形螺旋天線(xiàn)

設(shè)在某一瞬間t1時(shí)刻,圓環(huán)上的電流分布如圖10-3-4(a)所示,該圖左側(cè)圖表示將圓環(huán)展成直線(xiàn)時(shí)線(xiàn)上的電流分布,右側(cè)圖則是圓環(huán)的情況。在平面圓環(huán)上,對(duì)稱(chēng)于x軸和y軸分布的A、B、C和D四點(diǎn)的電流都可以分解為Ix

和Iy兩個(gè)分量,由圖可看出:

上式對(duì)任意兩對(duì)稱(chēng)于y軸的點(diǎn)都成立。因此,在t1時(shí)刻,對(duì)環(huán)軸(z軸)方向輻射場(chǎng)有貢獻(xiàn)的只是Iy,且它們是同相疊加,其軸向輻射場(chǎng)只有Ey分量。圖10-3-3螺旋天線(xiàn)幾何參數(shù)

由于線(xiàn)上載有行波,線(xiàn)上的電流分布將隨時(shí)間而沿線(xiàn)移動(dòng)。為了說(shuō)明輻射特性,再研究另一瞬間t2=t1+T/4(T為周期)時(shí)刻的情況,此時(shí)電流分布如圖10-3-4(b)所示,對(duì)稱(chēng)點(diǎn)A、B、C和D上的電流發(fā)生了變化,由圖可看出圖10-3-4t1和t1+T/4時(shí)刻平面環(huán)的電流分布

綜上所述,螺旋天線(xiàn)上的電流是行波電流,每圈螺旋線(xiàn)上的電流分布繞z軸以ω頻率不斷旋轉(zhuǎn),因而z軸方向的電場(chǎng)也繞z軸旋轉(zhuǎn),這樣就產(chǎn)生了圓極化波。按右手螺旋方式繞制的螺旋天線(xiàn),在軸向只能輻射或接收右旋圓極化波,按左手螺旋方式繞制的螺旋天線(xiàn),在軸向只能輻射或接收左旋圓極化波。此外還應(yīng)注意,用螺旋天線(xiàn)作拋物面天線(xiàn)的初級(jí)饋源,如果拋物面天線(xiàn)接收右旋圓極化波,則反射后右旋變成左旋,因此螺旋天線(xiàn)必須是左旋的。

10.3.3螺旋天線(xiàn)的電參數(shù)估算

(1)天線(xiàn)的方向系數(shù)為

(2)方向圖的半功率角為

(3)方向圖零功率張角為

(4)輸入阻抗為

(5)極化橢圓的軸比為

由于螺旋天線(xiàn)在l0=(3/4~4/3)λ的范圍內(nèi)保持端射方向圖,軸向輻射接近圓極化,因而螺旋天線(xiàn)的絕對(duì)帶寬可達(dá)

天線(xiàn)增益G與圈數(shù)N及螺距s有關(guān),即與天線(xiàn)軸向長(zhǎng)度h有關(guān)。計(jì)算表明,當(dāng)N>15以后,隨h的增加G增加不明顯,所以圈數(shù)N一般不超過(guò)15圈。為了提高增益,可采用螺旋天線(xiàn)陣。

10.4非頻變天線(xiàn)

非頻變天線(xiàn)的導(dǎo)出基于相似原理:若天線(xiàn)的所有尺寸和工作頻率(或波長(zhǎng))按相同比例變化,則天線(xiàn)的特性保持不變。對(duì)于實(shí)用的天線(xiàn),要實(shí)現(xiàn)非頻變特性必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件:

(1)角度條件。它是指天線(xiàn)的幾何形狀僅僅由角度來(lái)確定,而與其他尺寸無(wú)關(guān)。無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線(xiàn)就是一個(gè)典型的例子,由于錐面上只有行波電流存在,因此它的阻抗特性和方向特性與頻率無(wú)關(guān),僅僅決定于圓錐的張角。要滿(mǎn)足“角度條件”,天線(xiàn)結(jié)構(gòu)需從中心點(diǎn)開(kāi)始一直擴(kuò)展到無(wú)限遠(yuǎn)。

(2)終端效應(yīng)弱。實(shí)際天線(xiàn)的尺寸總是有限的,與無(wú)限長(zhǎng)天線(xiàn)的區(qū)別就在于它有一個(gè)終端的限制。若天線(xiàn)上電流衰減得快,則決定天線(xiàn)輻射特性的主要部分是載有較大電流的部分,而其延伸部分的作用很小,若將其截除,則對(duì)天線(xiàn)的電性能不會(huì)造成顯著的影響。在這種情況下,有限長(zhǎng)天線(xiàn)就具有無(wú)限長(zhǎng)天線(xiàn)的電性能,這種現(xiàn)象就是終端效應(yīng)弱的表現(xiàn)。

非頻變天線(xiàn)可以分成兩類(lèi):

一類(lèi)是天線(xiàn)的形狀僅由角度來(lái)確定,可在連續(xù)變化的頻率上得到非頻變特性,如無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線(xiàn)、平面等角螺旋天線(xiàn)和阿基米德螺旋天線(xiàn)等;

另一類(lèi)是天線(xiàn)的尺寸按某一特定的比例因子τ變化,則天線(xiàn)在f與τf兩頻率上性能是相同的。當(dāng)然,從f與τf的中間頻率上天線(xiàn)性能是變化的,只要f與τf的頻率間隔不大,在中間頻率上天線(xiàn)的性能變化也不會(huì)太大,則用這種方法構(gòu)造的天線(xiàn)也是寬頻帶的。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型例子是對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)。非頻變天線(xiàn)主要應(yīng)用于10~10000MHz頻段的諸如電視、定點(diǎn)通信、反射和透鏡天線(xiàn)的饋源等方面。

10.4.1平面等角螺旋天線(xiàn)

1.平面等角螺旋天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖10-4-1為平面等角螺旋天線(xiàn)示意圖,是拉姆西提出的一種角度天線(xiàn),雙臂用金屬片制成,具有對(duì)稱(chēng)性,每一臂都有兩條邊緣線(xiàn),均為等角螺旋線(xiàn)。等角螺旋線(xiàn)如圖10-4-2所示,其極坐標(biāo)方程為

式中:r為螺旋線(xiàn)矢徑;φ為極坐標(biāo)中的旋轉(zhuǎn)角;r0為φ=0°時(shí)的起始半徑;1/a為螺旋率,決定螺旋線(xiàn)張開(kāi)的快慢。圖10-4-1平面等角螺旋天線(xiàn)圖10-4-2等角螺旋線(xiàn)

由于螺旋線(xiàn)與矢徑之間的夾角Ψ處處相等,所以這種螺旋線(xiàn)稱(chēng)為等角螺旋線(xiàn),Ψ稱(chēng)為螺旋角,它只與螺旋率有關(guān),關(guān)系如下

在圖10-4-1所示的等角螺旋天線(xiàn)中,兩個(gè)臂的四條邊緣具有相同的a,若一條邊緣線(xiàn)為r1=r0eaφ,則只要將該邊緣旋轉(zhuǎn)δ角,就可得該臂的另一邊緣線(xiàn)r2=r0ea(φ-δ)。另一臂相當(dāng)于該臂旋轉(zhuǎn)180°而構(gòu)成,即r3=r0ea(φ-π),r4=r0ea(φ-π-δ)。由于平面等角螺旋天線(xiàn)臂的邊緣僅由角度描述,因而滿(mǎn)足非頻變天線(xiàn)對(duì)形狀的要求。如果取δ=π/2,天線(xiàn)的金屬臂與兩臂之間的空氣縫隙是同一形狀,稱(chēng)為自補(bǔ)結(jié)構(gòu)。

典型自補(bǔ)結(jié)構(gòu)平面等角螺旋天線(xiàn)的電流分布和增益如圖10-4-3所示,在表面電流分布圖中最白的區(qū)域?qū)?yīng)電流的最大值,而最暗的區(qū)域?qū)?yīng)零電流,清晰地詮釋了前述平面等角螺旋天線(xiàn)的非頻變工作原理。增益圖形的形狀變化不大,體現(xiàn)了良好的寬帶特性。對(duì)應(yīng)的電壓駐波比和輸入阻抗隨工作頻率的變化曲線(xiàn)如圖10-4-4所示,在2~8GHz的范圍內(nèi),電壓駐波比不超過(guò)1.26;除去工作頻率低端的較窄頻率范圍,輸入電阻幾乎不變,約為155Ω,輸入電抗的變化范圍很小,約為正負(fù)十幾歐姆,這又從阻抗的角度充分體現(xiàn)了天線(xiàn)良好的寬帶特性。圖10-4-3平面等角螺旋天線(xiàn)的電流分布和增益圖10-4-4平面等角螺旋天線(xiàn)的電壓駐波比和輸入阻抗

2.平面等角螺旋天線(xiàn)的電參數(shù)

1)方向性自補(bǔ)平面等角螺旋天線(xiàn)的輻射是雙向的,最大輻射方向在平面兩側(cè)的法線(xiàn)方向上。若設(shè)θ為天線(xiàn)平面的法線(xiàn)與射線(xiàn)之間的夾角,則方向圖可近似表示為cosθ,半功率波瓣寬度近似為90°。

因?yàn)槠矫娴冉锹菪炀€(xiàn)是雙向輻射的,為了得到單向輻射可采用附加反射(或吸收)腔體,也可以做成圓錐形等角螺旋天線(xiàn)(ConicalEquiangularSpiralAntenna),如圖10-4-5所示。典型背腔平面等角螺旋天線(xiàn)的電流分布、增益和方向圖如圖10-4-6所示。圖10-4-5圓錐等角螺旋天線(xiàn)圖10-4-6背腔平面等角螺旋天線(xiàn)的電流分布、增益和方向圖

典型圓錐等角螺旋天線(xiàn)的電流分布和增益如圖10-4-7所示,同樣在表面電流分布圖中最白的區(qū)域?qū)?yīng)電流的最大值,而最暗的區(qū)域?qū)?yīng)零電流,清晰地詮釋了前述圓錐等角螺旋天線(xiàn)的非頻變工作原理;增益圖形體現(xiàn)出天線(xiàn)良好的寬帶特性和單向輻射。圖10-4-7圓錐等角螺旋天線(xiàn)的電流分布和增益

2)阻抗特性

如前所述,當(dāng)δ=π/2時(shí)天線(xiàn)為自補(bǔ)結(jié)構(gòu),自補(bǔ)是互補(bǔ)的特殊情況?；パa(bǔ)天線(xiàn)類(lèi)似于攝影中的相片和底片,互補(bǔ)天線(xiàn)的一個(gè)例子是金屬帶做成的對(duì)稱(chēng)振子和無(wú)限大金屬平面上的縫隙,互補(bǔ)天線(xiàn)的阻抗具有下面性質(zhì):

對(duì)于自補(bǔ)結(jié)構(gòu),由上式可得

上式說(shuō)明具有自補(bǔ)結(jié)構(gòu)的天線(xiàn),輸入阻抗是一純電阻且與頻率無(wú)關(guān)。

需要指出的是,式(10-4-4)是基于電磁互補(bǔ)原理(BabinetPrinciple)得到的理想自補(bǔ)天線(xiàn)的輸入阻抗,一副實(shí)際的自補(bǔ)平面等角螺旋天線(xiàn)的輸入阻抗可參閱圖10-4-4及其文字描述。為便于比較,圖10-4-8給出了與圖10-4-7對(duì)應(yīng)的實(shí)際圓錐等角螺旋天線(xiàn)的電壓駐波比和輸入阻抗隨工作頻率的變化曲線(xiàn)。在2~8GHz的范圍內(nèi),電壓駐波比不超過(guò)1.44;除去工作頻率低端的較窄頻率范圍,輸入電阻幾乎不變,約為135Ω;輸入電抗的變化范圍很小,約為±25Ω。盡管駐波比和阻抗特性不如平面等角螺旋天線(xiàn),但還是能夠從阻抗的角度體現(xiàn)天線(xiàn)良好的寬帶特性,并獲得較為理想的單向輻射。圖10-4-8圓錐等角螺旋天線(xiàn)的電壓駐波比和輸入阻抗

3)極化特性

一般而言,平面等角螺旋天線(xiàn)在θ≤70°錐形范圍內(nèi)接近圓極化。天線(xiàn)有效輻射區(qū)內(nèi)的每一段螺旋線(xiàn)都是基本輻射單元,但它們的取向沿螺旋線(xiàn)變化,總的輻射場(chǎng)是這些單元輻射場(chǎng)的疊加,因此等角螺旋天線(xiàn)軸向輻射場(chǎng)的極化與臂長(zhǎng)相關(guān)。當(dāng)頻率很低,全臂長(zhǎng)比波長(zhǎng)小得多時(shí)為線(xiàn)極化;當(dāng)頻率增高,最終會(huì)變成圓極化。在許多實(shí)用情況下,軸比小于等于2的典型值發(fā)生在全臂長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)。極化旋向與螺旋線(xiàn)繞向有關(guān),例如如圖10-4-1所示的平面等角螺旋天線(xiàn)沿紙面對(duì)外的方向輻射右旋圓極化波,沿相反方向輻射左旋圓極化波。

4)工作帶寬

等角螺旋天線(xiàn)的工作帶寬受其幾何尺寸影響,由內(nèi)徑r0和最外緣的半徑R決定。實(shí)際的圓極化等角螺旋天線(xiàn),外徑R≈λmax/4,內(nèi)徑r0≈(1/4~1/8)λmin。根據(jù)臂長(zhǎng)為1.5~3圈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,當(dāng)a=0.221對(duì)應(yīng)1.5圈螺旋時(shí),其方向圖最佳。此時(shí)外半徑R=r0e0.221(3π)=8.03r0=λmax/4,在饋電點(diǎn)r=r0e0=r0=λmin/4,所以該天線(xiàn)可具有帶寬

即典型帶寬為8∶1。若要增加帶寬,必須增加螺旋線(xiàn)的圈數(shù)或改變其參數(shù),帶寬有可能達(dá)到20∶1。

10.4.2阿基米德螺旋天線(xiàn)

阿基米德螺旋天線(xiàn)(ArchimedeanSpiralAntenna)如圖10-4-9(a)所示,這種天線(xiàn)和許多螺旋天線(xiàn)一樣,采用印刷電路技術(shù)很容易制造。天線(xiàn)的兩個(gè)螺旋臂方程分別為

式中,r0為起始矢徑;a為增長(zhǎng)率。這一天線(xiàn)的性能基本上和等角螺旋天線(xiàn)類(lèi)似。

圖10-4-9阿基米德螺旋天線(xiàn)

如圖10-4-10所示,通過(guò)在螺旋平面一側(cè)裝置圓柱形反射腔構(gòu)成背腔式(Cavity-Backed)阿基米德螺旋天線(xiàn),可得到單一主瓣,它可以嵌裝在運(yùn)載體的表面下。圖10-4-10背腔式阿基米德螺旋天線(xiàn)

10.4.3對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)

1.對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)

對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖10-4-11所示。它由若干個(gè)對(duì)稱(chēng)振子組成,在結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn):

(1)所有振子尺寸以及振子之間的距離等都有確定的比例關(guān)系。若用τ來(lái)表示該比例系數(shù)并稱(chēng)為比例因子,則要求:圖10-4-11對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)

(2)相鄰振子交叉饋電(CrossFeed)。實(shí)際應(yīng)用于超短波的對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)大都采用同軸電纜饋電。為了實(shí)現(xiàn)交叉饋電,通常由兩根等粗細(xì)的金屬管構(gòu)成集合線(xiàn),讓同軸電纜從其中的一根穿入到饋電點(diǎn)以后,將外導(dǎo)體焊在該金屬管上,將內(nèi)導(dǎo)體引出來(lái)焊到另一根金屬管上,振子的兩臂分別交替地接在集合線(xiàn)的兩根金屬管上,如圖10-4-12所示。顯然,對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)是用同軸電纜做饋線(xiàn)的,但在給各振子饋電時(shí)轉(zhuǎn)換成了平行雙導(dǎo)線(xiàn)。通常把給各振子饋電的那一段平行線(xiàn)稱(chēng)為“集合線(xiàn)”,以區(qū)別于整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)的饋線(xiàn)。圖10-4-12超短波LPD

2.對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的工作原理

在前面的學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)看到天線(xiàn)的方向特性、阻抗特性等都是天線(xiàn)電尺寸的函數(shù)。如果設(shè)想當(dāng)工作頻率按比例τ變化時(shí),仍然保持天線(xiàn)的電尺寸不變,則在這些頻率上天線(xiàn)就能保持相同的電特性。

就對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)來(lái)說(shuō),假定工作頻率為f1(λ1)時(shí),只有第1個(gè)振子工作,其電尺寸為L(zhǎng)1/λ1,其余振子均不工作;當(dāng)工作頻率升高到f2(λ2)時(shí),換成只有第2個(gè)振子工作,電尺寸為L(zhǎng)2/λ2,其余振子均不工作;當(dāng)工作頻率升高到f3(λ3)時(shí),只有第3個(gè)振子工作,電尺寸為L(zhǎng)3/λ3…余下的依次類(lèi)推。顯然,如果這些頻率能保證L1/λ1=L2/λ2=L3/λ3=…,則在這些頻率上天線(xiàn)可以具有不變的電特性。因?yàn)閷?duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)各振子尺寸滿(mǎn)足Ln+1/Ln=τ,就要求這些頻率滿(mǎn)足λn+1/λn=τ或fn+1/fn=1/τ。如果我們把τ取的十分接近于1,則能滿(mǎn)足以上要求的天線(xiàn)的工作頻率就趨近連續(xù)變化。假如天線(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)為無(wú)限大,那么該天線(xiàn)的工作頻帶就可以達(dá)到無(wú)限寬。

實(shí)際上并不是對(duì)應(yīng)于每個(gè)工作頻率只有一個(gè)振子在工作,而且天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)也是有限的。這樣一來(lái),以上的分析似乎完全不能成立。然而值得慶幸的是實(shí)驗(yàn)證實(shí)了對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)上確實(shí)存在著類(lèi)似于一個(gè)振子工作的一個(gè)電尺寸一定的“輻射區(qū)”或“有效區(qū)”,這個(gè)區(qū)域內(nèi)的振子長(zhǎng)度在λ/2附近,具有較強(qiáng)的激勵(lì),對(duì)輻射將作出主要貢獻(xiàn)。當(dāng)工作頻率變化時(shí),該區(qū)域會(huì)在天線(xiàn)上前后移動(dòng)(例如頻率增加時(shí)向短振子一端移動(dòng)),使天線(xiàn)的電性能保持不變。另外,實(shí)驗(yàn)還證實(shí),對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)上存在著“電流截?cái)嘈?yīng)”,即“輻射區(qū)”后面的較長(zhǎng)振子激勵(lì)電流呈現(xiàn)迅速下降的現(xiàn)象,正因?yàn)閷?duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)具有這一特點(diǎn),才有可能從無(wú)限大結(jié)構(gòu)上截去長(zhǎng)振子那邊無(wú)用的部分以后,還能在一定的頻率范圍內(nèi)近似保持理想的無(wú)限大結(jié)構(gòu)時(shí)的電特性。

圖10-4-13給出τ=0.917,σ=0.169,工作頻率為200~600MHz的對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)在頻率分別為200MHz、400MHz和600MHz時(shí)各振子激勵(lì)電流的分布情況。該圖說(shuō)明在不同頻率時(shí)確實(shí)有相應(yīng)的部分振子得到較強(qiáng)的激勵(lì),超過(guò)該區(qū)域以后的較長(zhǎng)振子的激勵(lì)電流很快地受到“截?cái)唷?。圖10-4-13在不同頻率下LPDA振子輸入端的電流分布

根據(jù)對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)上各部分對(duì)稱(chēng)振子的工作情況,人們把整個(gè)天線(xiàn)分成三個(gè)工作區(qū)域,除“輻射區(qū)”以外,從電源到輻射區(qū)之間的一段,稱(chēng)為“傳輸區(qū)”;“輻射區(qū)”以后的部分為叫“非激勵(lì)區(qū)”,又稱(chēng)“非諧振區(qū)”。下面分別介紹這三個(gè)區(qū)域的工作情況。

在“傳輸區(qū)”,各對(duì)稱(chēng)振子的電長(zhǎng)度很短,振子的輸入阻抗(容抗)很大,因而激勵(lì)電流很小,所以它們的輻射很弱,主要起傳輸線(xiàn)的作用。

在“非激勵(lì)區(qū)”,由于輻射區(qū)的對(duì)稱(chēng)振子處于諧振狀態(tài),振子的激勵(lì)電流很大,已將傳輸線(xiàn)送來(lái)的大部分能量輻射出去,能夠傳送到非激勵(lì)區(qū)的能量剩下很少,所以該區(qū)的對(duì)稱(chēng)振子激勵(lì)電流也就變得很小,這種現(xiàn)象就是前面提到的“電流截?cái)唷爆F(xiàn)象。由于振子的激勵(lì)電流很小,對(duì)外輻射自然也很弱。

通常把輻射區(qū)定義為激勵(lì)電流值等于最大激勵(lì)電流1/3的那兩個(gè)振子之間的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的振子數(shù)Na原則上由幾何參數(shù)τ和σ決定,通?？梢酝ㄟ^(guò)經(jīng)驗(yàn)公式

近似確定。其中,K1和K2分別為工作頻帶高端和低端的“截?cái)喑?shù)”,且可由下列經(jīng)驗(yàn)公式確定:

由于對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)上的振子幾何長(zhǎng)度及間距按比例因子τ改變,當(dāng)工作頻率改變時(shí),諧振振子(Ln

≈λ/2)的位置就可以沿著天線(xiàn)的集合線(xiàn)向前或向后移動(dòng)。同時(shí),還能始終保持諧振點(diǎn)到頂點(diǎn)“O”的電尺寸不變,因而天線(xiàn)的電特性可以保持基本不變。

3.對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)的電特性

對(duì)數(shù)周期振子陣天線(xiàn)是端射式天線(xiàn),最大輻射方向?yàn)檠刂暇€(xiàn)從最長(zhǎng)振子指向最短振子的方向。因?yàn)楫?dāng)工作頻率變化時(shí),天線(xiàn)的輻射區(qū)可以在天線(xiàn)上前后移動(dòng)而保持相似特性,其方向圖隨頻率的變化也是較小的。因?yàn)樵谌魏我粋€(gè)工作頻率上,此天線(xiàn)只有輻射區(qū)的部分振子對(duì)輻射起主要作用,而并非所有振子都對(duì)輻射作重要貢獻(xiàn),所以它的方向性不可能做到很強(qiáng)。方向圖的波束寬度一般都是幾十度,方向系數(shù)或增益也只有10dB左右,屬中等增益天線(xiàn)范疇。由于高頻集合線(xiàn)上