第4章 非频变天线

BEAConfidential.|1第4章非频变天线制作：唐慧主讲：唐慧《电波与天线》本章内容4.1非频变天线的基本概念4.2平面等角螺旋天线4.3阿基米德螺旋天线4.4对数周期天线4.1非频变天线的基本概念现代通信中，要求天线具有较宽的工作频带特性。非频变天线概念是由拉姆西（V.H.Rumsey）于1957年提出的，使天线的发展产生了一个突破，可将带宽扩展到超过40∶1，在此之前，具有宽频带方向性和阻抗特性的天线其带宽不超过2∶1。习惯上，若天线的相对带宽达百分之几十以上，则把这类天线称为宽频带天线。若天线的阻抗特性和方向性能在一个更宽的频率范围内（例如频带宽度为10∶1或更高）保持不变或稍有变化，则把这一类天线称为非频变天线(FrequencyIndependentAntenna)。天线的电性能取决于它的电尺寸，当几何尺寸一定时，频率的变化导致电尺寸的变化，天线的性能也将随之变化。非频变天线的导出基于相似原理。相似原理：若天线的所有尺寸和工作频率（或波长）按相同比例变化，则天线的特性保持不变。相似原理角度条件是指天线的几何形状仅仅由角度来确定，而与其它尺寸无关。例如无限长双锥天线就是一个典型的例子，由于锥面上只有行波电流存在，故其阻抗特性和方向特性将与频率无关，仅仅决定于圆锥的张角。要满足“角度条件”，天线结构需从中心点开始一直扩展到无限远。实用天线实现非频变特性必须满足的条件1.角度条件若天线上电流衰减得快，则决定天线辐射特性的主要部分是载有较大电流的部分，而其延伸部分的作用很小，若将其截除，对天线的电性能不会造成显著的影响。在这种情况下，有限长天线就具有无限长天线的电性能，这种现象就是终端效应弱的表现，反之则为终端效应强。由于实际结构不可能是无线长，使得实际有限长天线有一工作频率范围，工作频率的下限是截断点处的电流变得可以忽略的频率，而存在频率上限是由于馈电端不能再视为一点，通常约为1/8高端截止波长。2.终端效应弱一类天线的形状仅由角度来确定，可在连续变化的频率上得到非频变特性。如无限长双锥天线、平面等角螺旋天线以及阿基米德螺旋天线等。非频变天线的分类另一类天线的尺寸按某一特定的比例因子τ变化，天线在f和τf两频率上的性能是相同的，在从f到τf的中间频率上,天线性能是变化的，只要f与τf的频率间隔不大，在中间频率上，天线的性能变化也不会太大，用这种方法构造的天线是宽频带的。这种结构的一个典型例子是对数周期天线。4.2平面等角螺旋天线(PlanarEquiangularSpiralAntenna)结构双臂用金属片制成，具有对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角螺旋线。Rr2r1r3r4由于螺旋线与矢径之间的夹角Ψ处处相等，因此这种螺旋线称为等角螺旋线，Ψ称为螺旋角，它只与螺旋率有关，即1arctana等角螺旋线rxyO等角螺旋线极坐标方程为0rrer为螺旋线矢径；φ为极坐标中的旋转角；r0为φ＝0°时的起始半径；1/a为螺旋率，决定螺旋线张开的快慢。等角螺旋线等角螺旋天线中，两个臂的四条边缘具有相同的a，若一条边缘线为r1=r0eaφ，则只要将该边缘旋转δ角，就可得该臂的另一边缘线r2=r0ea(φ-δ)。另一臂相当于该臂旋转180°而构成，即r3=r0ea(φ-π)，r4=r0ea(φ-π-δ)。如果取δ＝π/2，天线的金属臂与两臂之间的空气缝隙是同一形状，称为自补结构。天线结构特征当两臂的始端馈电时，可以把两臂等角螺旋线看成是一对变形的传输线，臂上电流沿线边传输，边辐射，边衰减。实验表明，臂上电流在流过约一个波长后就迅速衰减到20dB以下，终端效应很弱。由于平面等角螺旋天线臂的边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形状的要求。工作原理辐射场主要是由结构中周长约为一个波长以内的部分产生的，这个部分通常称为有效辐射区，传输行波电流。螺旋天线存在“电流截断效应”，超过截断点的螺旋线部分对辐射没有重大贡献，在几何上截去它们将不会对保留部分的电性能造成显著影响。可以用有限尺寸的等角螺旋天线在相应的宽频带内实现近似的非频变特性。波长改变后，有效区的几何大小将随波长成比例地变化，从而可以在一定的带宽内得到近似的与频率无关的特性。“电流截断效应”自补平面等角螺旋天线的辐射是双向的，最大辐射方向在平面两侧的法线方向上。θ为天线平面的法线与射线之间的夹角，则方向图可近似表示为cosθ，半功率波瓣宽度近似为90°。平面等角螺旋天线的电性能圆锥等角螺旋天线1.方向性因为平面等角螺旋天线是双向辐射的，为了得到单向辐射，可采用附加反射（或吸收）腔体，也可以做成圆锥形等角螺旋天线(ConicalEquiangularSpiralAntenna)互补天线的阻抗具有下列性质:对于δ＝π/2的自补天线202）（金属缝隙ZZ5.18820缝隙金属ZZ2.阻抗特性天线有效辐射区内的每一段螺旋线都是基本辐射单元，但它们的取向沿螺旋线变化，总的辐射场是这些单元辐射场的叠加，因此等角螺旋天线轴向辐射场的极化与臂长相关：当频率很低，全臂长比波长小得多时，为线极化；当频率增高时，最终会变成圆极化，极化旋向与螺旋线绕向有关。例如，图示平面等角螺旋天线沿纸面对外的方向辐射右旋圆极化波，沿相反方向辐射左旋圆极化波。Rr2r1r3r43.极化特性一般而言，平面等角螺旋天线在θ≤70°锥形范围内接近圆极化。等角螺旋天线的工作带宽受其几何尺寸影响，由内径r0和最外缘的半径R决定。实际的圆极化等角螺旋天线，外径R≈λmax/4，内径r0≈(1/4～1/8)λmin。根据臂长为1.5圈～3圈的实验结果看，当a=0.221对应1.5圈螺旋时，其方向图最佳。此时外半径R=r0e0.221(3π)=8.03r0=λmax/4，在馈电点r=r0e0=r0=λmin/4，所以该天线可具有的相对带宽为即典型相对带宽为8∶1。若要增加相对带宽，必须增加螺旋线的圈数或改变其参数，相对带宽有可能达到20∶1。maxmax0minmin0/48.028.03/4rr4.工作带宽4.3阿基米德螺旋天线(ArchimedeanSpiralAntenna)阿基米德螺旋天线两个螺旋臂方程分别是1020()rrrrr0对应于φ=0rad的矢径QOPP′(a)(b)QOPP’(a)(b)QOPP’(a)(b)近似地将螺旋线等效为双线传输线，根据传输线理论，两根传输线上的电流反相，当两线之间的间距很小时，传输线不产生辐射。因此表面看,似乎螺旋线的辐射是彼此抵消的，事实并不尽然。工作原理天线主要辐射是集中在周长约等于λ的螺旋环带上，称之为有效辐射带。随着频率的变化，有效辐射带也随之变化，故阿基米德螺旋天线具有宽频带特性。研究图中P、P′点处的两线段，设，即P和Q为两臂上的对应点，对应线段上的电流相位差为π+(2π/λ)πr。r=λ/2π，则P和P′点相位差为2π。两线段的辐射是同相叠加POQQQOPP’(a)(b)工作原理阿基米德螺旋天线具有宽频带、圆极化、尺寸小、效率高以及可以嵌装等优点，故目前其应用愈来愈广泛。虽然阿基米德螺旋天线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。4.4对数周期天线对数周期天线(LogPeriodicAntenna,LPA)基于的相似概念：当天线按某一比例因子τ变换后仍等于它原来的结构，则天线的频率为f和τf时性能相同。对数周期振子阵天线（LogPeriodicDipoleAntenna,LPDA），极宽频带，结构简单。广泛应用在短波、超短波和微波波段。以LPDA为例说明对数周期天线的特性。ORn＋1Rndn对数周期振子阵天线的结构所有振子尺寸以及振子之间的距离等都有确定的比例关系。若用τ来表示该比例系数并称为比例因子，则要求：111nnnnnnLaLaRR结构特点一相邻振子之间的距离比值11211(1)(1)nnnnnnnndRRRdRRRORn＋1Rndn振子长度、半径、振子之间的距离等所有几何尺寸都按同一比例系数τ变化：1111nnnnnnnnLaRdLaRd常用间隔因子σ来表示相邻振子间的距离，定义为相邻两振子间的距离dn与2倍较长振子的长度2Ln之比，即2nndL结构特点一由对数周期振子阵天线的顶角α有1/2(1),tan2nnnnnnLdRRRR得出(1)2tan2nnLdORn＋1Rndn结构特点一对数周期振子阵天线的顶角α与τ及σ之间具有如下关系：124tan212arctan4ndLORn＋1Rndn结构特点一相邻振子交叉馈电(CrossFeed)。结构特点二馈点振子同轴电缆穿入“集合线”在集合线的末端(最长振子处)可以端接与它的特性阻抗相等的负载阻抗，也可以端接一段短路支节。对数周期振子阵天线的馈电点选在最短振子处。天线的最大辐射方向将由最长振子端朝向最短振子的这一边。天线的几何结构参数σ和τ（当然也包括α）对天线电性能有着重要的影响，是设计对数周期振子阵天线的主要参数。结构特点二天线的方向特性、阻抗特性等等都是天线电尺寸的函数。如果设想当工作频率按比例τ变化时，仍然保持天线的电尺寸不变，则在这些频率上天线就能保持相同的电特性。对数周期振子阵天线的工作原理如果频率能保证123123,LLL就对数周期振子阵天线来说工作频率工作振子电尺寸f1（λ1）第“1”个振子L1/λ1f3（λ3）第“3”个振子L3/λ3f2（λ2）第“2”个振子L2/λ2………则在这些频率上天线可以具有不变的电特性。因为对数周期振子阵天线各振子尺寸满足Ln+1/Ln=τ，就要求这些频率满足λn+1/λn=τ或fn+1/fn=1/τ。如果τ取得十分接近于1，则能满足以上要求的天线的工作频率就趋近连续变化。假如天线的几何结构为无限大，那么该天线的工作频带就可以达到无限宽。该式表明，只有当工作频率的对数作周期性变化时(周期为ln(1/τ))，天线的电性能才保持不变，所以，把这种天线称为对数周期天线。能实现天线电性能不变的频率满足fn+1/fn=1/τ11lnlnlnnnff取对数得实验证实对数周期振子阵天线上存在着类似于一个振子工作的一个电尺寸一定的“辐射区”或“有效区”，区域内的振子长度在λ/2附近，具有较强的激励，对辐射将作出主要贡献。当工作频率变化时，该区域会在天线上前后移动（例如频率增加时向短振子一端移动），使天线的电性能保持不变。实际对数周期振子阵天线的电特性实验证实，只要设计得当，即便比例因子τ值不是非常接近于1，也能使该频率之间的天线电性能与fn或fn+1时的相当接近。所以对数周期振子阵天线能得到广泛应用。对数周期振子阵天线上存在着“电流截断效应”，即“辐射区”后面的较长振子激励电流呈现迅速下降的现象。正因为这一特点，对数周期振子阵天线才有可能从无限大结构上截去长振子那边无用的部分后，还能在一定的频率范围内近似保持理想的无限大结构时的电特性。0.172m0.75m(a)传输区辐射区非激励区对数周期振子阵天线的三个工作区域“传输区”，各对称振子的电长度很短，振子的输入阻抗（容抗）很大，因而激励电流很小，所以它们的辐射很弱，主要起传输线的作用。“非激励区”，由于辐射区的对称振子处于谐振状态，振子的激励电流很大，已将传输线送来的大部分能量辐射出去，能够传送到非激励区的能量剩下很少，所以该区的对称振子激励电流也就变得很小，这种现象就是前面提到的“电流截断”现象。由于振子的激励电流很小，对外辐射自然也很弱。振子输入端电流振幅相对分布振子序列编号600MHz400MHz200MHz0.910.80.70.60.50.40.30.20.10024681012141618(b)在不同频率下LPDA振子输入端的电流分布0.172m0.75m(a)辐射区定义为激励电流值