北大天線理論課件：第五章 非頻變天線.doc

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1、第五章非頻變天線§5.1非頻變天線的基本概念一般來說，天線的電性能取決于它的電尺寸，當(dāng)天線的幾何尺寸一定時(shí)，頻率的變化導(dǎo)致電尺寸的變化，因而天線的性能也將隨之變化。若天線的相對(duì)帶寬達(dá)百分之幾十以上，則把這類天線稱為寬頻帶天線。如果天線的阻抗特性和方向性能在一個(gè)更寬的頻率范圍內(nèi)保持不變或稍有變化，則稱這類天線為非頻變天線（FrequencyIndependentAntenna）。非頻變天線基于相似原理，即天線的所有尺寸和工作頻率按相同的比例變化，則天線的特性保持不變。5.1.1非頻變天線的條件1）角度條件角度條件是指天線的幾何形狀僅由角度來確定，而與其它尺寸無關(guān)。

2、要滿足角度條件，天線的結(jié)構(gòu)需從中心點(diǎn)開始一直擴(kuò)展到無限遠(yuǎn)。典型的例子是無限雙錐天線，其阻抗特性和方向特性僅取決于圓錐的張角，與頻率無關(guān)。2）終端效應(yīng)弱如果天線上的電流是快速衰減的，則天線上載有較大電流的部分是決定天線輻射特性的主要因素，將其余延長(zhǎng)部分截掉，對(duì)天線的電性能不會(huì)造成顯著的影響。此時(shí)有限長(zhǎng)天線就具有無限長(zhǎng)天線的電性能，這種現(xiàn)象稱為終端效應(yīng)弱。實(shí)際天線的結(jié)構(gòu)是有限的，工作頻率有一個(gè)范圍，其下限是截?cái)帱c(diǎn)處的電流可以忽略的頻率，上限是饋電端不能視為一點(diǎn)的頻率。5.1.2非頻變天線的種類非頻變天線可分成兩類：1）天線的形狀僅由角度確定，可在連續(xù)變化的頻率上得到

3、非頻變特性，如無限雙錐天線、平面等角螺旋天線和阿基米德螺旋天線等。2）天線的尺寸按某一特定的比例因子變化，天線在和兩頻率上的特性相同，在與之間的頻率上天線的特性是變化的，但變化不大，這種結(jié)構(gòu)的天線是寬帶的。典型的例子是對(duì)數(shù)周期天線。§5.2平面等角螺旋天線5.2.1結(jié)構(gòu)和工作原理所謂的等角螺旋線，是指螺旋線切線與矢徑之間的夾角處處相等的螺旋線，稱為螺旋角，表示為：式中為螺旋率，它決定螺旋線張開的快慢。在下圖（a）所示的極坐標(biāo)系下，假設(shè)螺旋線矢徑為，旋轉(zhuǎn)角為，時(shí)的起始半徑為，那么等角螺旋線的方程可表示為：平面等角天線是一種角度天線，雙臂用金屬片制成，具有對(duì)稱性，每

4、一臂都有兩條邊緣線，均為等角螺旋線，如下圖（b）所示。在圖示的等角螺旋天線中，兩臂的四條邊具有相同螺旋率，假設(shè)一條邊緣線為，則將旋轉(zhuǎn)角度便得到該臂另一邊緣線。再將該臂旋轉(zhuǎn)可得到另一臂的兩條邊緣線分別為，。等角螺旋天線臂的邊緣僅由角度決定，因而滿足非頻變天線對(duì)形狀的要求。當(dāng)時(shí)，天線的兩臂與兩臂之間的縫隙形狀相同，這種結(jié)構(gòu)稱為自補(bǔ)結(jié)構(gòu)。等角螺旋天線的饋電點(diǎn)位于兩臂的起始點(diǎn)，兩臂可以看成是一對(duì)變形的傳輸線，電流沿兩臂傳輸，隨傳輸距離而衰減。當(dāng)臂上電流流過一個(gè)波長(zhǎng)后，迅速衰減到20dB以下，終端效應(yīng)變得很弱。因此天線的輻射場(chǎng)主要由一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)的部分產(chǎn)生，這個(gè)部分稱為有效

5、輻射區(qū)，傳輸行波電流。將其余的部分截去，不會(huì)對(duì)天線的電性能產(chǎn)生顯著的影響。有效區(qū)的幾何長(zhǎng)度隨工作頻率成比例地變化，可在一定的頻帶內(nèi)得到與頻率無關(guān)的特性。5.2.2平面等角螺旋天線的電性能1.方向性平面等角螺旋天線最大輻射方向在平面兩側(cè)的法線方向，即上圖（a）中的z軸方向，方向函數(shù)為，是雙向端射。為得到單向輻射，可做成圓錐形等角螺旋天線，如下圖所示。1.輸入阻抗平面等角螺旋天線有兩種結(jié)構(gòu)，即自補(bǔ)結(jié)構(gòu)和互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。自補(bǔ)結(jié)構(gòu)由懸于空中的對(duì)稱平面金屬雙臂構(gòu)成，。自補(bǔ)結(jié)構(gòu)平面等角螺旋天線的輸入阻抗為純阻抗，并與頻率無關(guān)，即：由于受到實(shí)際天線有限長(zhǎng)度、有限厚度和饋電不理想等因

6、素的影響，實(shí)測(cè)的天線輸入阻抗一般為164Ω左右?；パa(bǔ)結(jié)構(gòu)是由無限大金屬導(dǎo)電平面和其上的縫隙構(gòu)成，見上圖（b）所示?？p隙的長(zhǎng)度為大于或等于一個(gè)波長(zhǎng)，兩臂圍繞饋電點(diǎn)圈，其阻抗特性為：1.極化特性等角螺旋天線的極化特性與兩臂的電長(zhǎng)度和螺旋繞向有關(guān)，可概括如下：（1）。工作頻率較低，臂長(zhǎng)比波長(zhǎng)小很多時(shí)，線極化；（2）。頻率較高時(shí)為園極化，螺旋線繞向與傳播方向符合右手定則為右旋園極化，符合左手定則為左旋園極化。2.工作帶寬工作帶寬由內(nèi)徑和外徑?jīng)Q定。一般尺寸選擇：，。實(shí)例：，，饋電點(diǎn)，臂長(zhǎng)1.5圈。該天線相對(duì)帶寬為：若增加兩臂的長(zhǎng)度或改變天線的參數(shù)，相對(duì)帶寬可達(dá)20:1?！?/p>

7、5.3阿基米德螺旋天線阿基米德螺旋天線由兩個(gè)螺旋臂構(gòu)成，如下圖所示，兩臂的螺旋線與角度是線性關(guān)系，其方程為：其中為時(shí)的矢徑。阿基米德螺旋天線的饋電點(diǎn)位于兩臂的起點(diǎn)處，兩臂可近似看成雙線傳輸線，線上電流相位相反，當(dāng)線間距很小時(shí)，不產(chǎn)生輻射。工作原理：考察兩臂上和點(diǎn)處兩線段。圖中和為兩臂上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，電流相位差為，且。點(diǎn)沿螺旋臂到達(dá)點(diǎn)的弧長(zhǎng)近似為，由此得到和點(diǎn)電流相位差為：當(dāng)時(shí)（），，即兩線段的輻射是疊加的。因此，阿基米德螺旋天線的輻射是集中在周長(zhǎng)約等于的螺旋環(huán)帶上，這個(gè)環(huán)帶稱為有效輻射帶。隨工作頻率的變化，有效輻射帶也隨之變化。阿基米德螺旋天線的性能與等角螺旋天線的

8、性能相似，是寬帶、圓極化