北大天線(xiàn)理論課件：第五章 非頻變天線(xiàn)

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

2、條件，天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)需從中心點(diǎn)開(kāi)始一直擴(kuò)展到無(wú)限遠(yuǎn)。典型的例子是無(wú)限雙錐天線(xiàn)，其阻抗特性和方向特性?xún)H取決于圓錐的張角，與頻率無(wú)關(guān)。2）終端效應(yīng)弱如果天線(xiàn)上的電流是快速衰減的，則天線(xiàn)上載有較大電流的部分是決定天線(xiàn)輻射特性的主要因素，將其余延長(zhǎng)部分截掉，對(duì)天線(xiàn)的電性能不會(huì)造成顯著的影響。此時(shí)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)象稱(chēng)為終端效應(yīng)弱。實(shí)際天線(xiàn)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(xiàn)的種類(lèi)非頻變天線(xiàn)可分成兩類(lèi)：1）天線(xiàn)的形狀僅由角度確定，可在連續(xù)變化的頻率上得到非頻變特性，如無(wú)限雙

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

4、旋線(xiàn)，如下圖（b）所示。在圖示的等角螺旋天線(xiàn)中，兩臂的四條邊具有相同螺旋率，假設(shè)一條邊緣線(xiàn)為，則將旋轉(zhuǎn)角度便得到該臂另一邊緣線(xiàn)。再將該臂旋轉(zhuǎn)可得到另一臂的兩條邊緣線(xiàn)分別為，。等角螺旋天線(xiàn)臂的邊緣僅由角度決定，因而滿(mǎn)足非頻變天線(xiàn)對(duì)形狀的要求。當(dāng)時(shí)，天線(xiàn)的兩臂與兩臂之間的縫隙形狀相同，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為自補(bǔ)結(jié)構(gòu)。等角螺旋天線(xiàn)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(xiàn)，電流沿兩臂傳輸，隨傳輸距離而衰減。當(dāng)臂上電流流過(guò)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(xiàn)的輻射場(chǎng)主要由一個(gè)波長(zhǎng)以?xún)?nèi)的部分產(chǎn)生，這個(gè)部分稱(chēng)為有效輻射區(qū)，傳輸行波電流。將其余的部分截去，

5、不會(huì)對(duì)天線(xiàn)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(wú)關(guān)的特性。5.2.2平面等角螺旋天線(xiàn)的電性能1.方向性平面等角螺旋天線(xiàn)最大輻射方向在平面兩側(cè)的法線(xiàn)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(xiàn)，如下圖所示。1.輸入阻抗平面等角螺旋天線(xiàn)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(chēng)平面金屬雙臂構(gòu)成，。自補(bǔ)結(jié)構(gòu)平面等角螺旋天線(xiàn)的輸入阻抗為純阻抗，并與頻率無(wú)關(guān)，即：由于受到實(shí)際天線(xiàn)有限長(zhǎng)度、有限厚度和饋電不理想等因素的影響，實(shí)測(cè)的天線(xiàn)輸入阻抗一般為164Ω左右?；?/p>

6、補(bǔ)結(jié)構(gòu)是由無(wú)限大金屬導(dǎo)電平面和其上的縫隙構(gòu)成，見(jiàn)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(xiàn)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(xiàn)極化；（2）。頻率較高時(shí)為園極化，螺旋線(xiàn)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(xiàn)相對(duì)帶寬為：若增加兩臂的長(zhǎng)度或改變天線(xiàn)的參數(shù)，相對(duì)帶寬可達(dá)20:1?！?.3阿基米德螺旋天線(xiàn)阿基米德螺旋天線(xiàn)由兩個(gè)螺旋臂構(gòu)成，如下

7、圖所示，兩臂的螺旋線(xiàn)與角度是線(xiàn)性關(guān)系，其方程為：其中為時(shí)的矢徑。阿基米德螺旋天線(xiàn)的饋電點(diǎn)位于兩臂的起點(diǎn)處，兩臂可近似看成雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)，線(xiàn)上電流相位相反，當(dāng)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)段的輻射是疊加的。因此，阿基米德螺旋天線(xiàn)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(chēng)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(xiàn)的性能與等角螺旋天線(xiàn)的性能相似，是寬帶、圓極化