《非頻變天線》PPT課件

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1、第4章非頻變天線4.1非頻變天線的基本概念4.2平面等角螺旋天線4.3阿基米德螺旋天線4.4對(duì)數(shù)周期天線4.1非頻變天線的基本概念研究天線除了要分析、研究天線的方向特性和阻抗特性外，還應(yīng)考慮它的使用帶寬問題?，F(xiàn)代通信中，要求天線具有較寬的工作頻帶特性，以擴(kuò)頻通信為例，擴(kuò)頻信號(hào)帶寬較之原始信號(hào)帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10倍，再如通信偵察等領(lǐng)域均要求天線具有很寬的帶寬。習(xí)慣上，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。若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)（例如頻帶寬度為10∶1或更高）保持不變或稍有變化，則把這一類天線稱為非頻變天線(Frequ

2、encyIndependentAntenna)。非頻變天線概念是由拉姆西（V.H.Rumsey）于1957年提出的，使天線的發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)突破，可將帶寬擴(kuò)展到超過40∶1，在此之前，具有寬頻帶方向性和阻抗特性的天線其帶寬不超過2∶1。我們已經(jīng)知道，天線的電性能取決于它的電尺寸，所以當(dāng)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。非頻變天線的導(dǎo)出基于相似原理。相似原理是說：若天線的所有尺寸和工作頻率（或波長）按相同比例變化，則天線的特性保持不變。對(duì)于實(shí)用的天線，要實(shí)現(xiàn)非頻變特性必須滿足以下兩個(gè)條件。1.角度條件角度條件是指天線的幾何形

3、狀僅僅由角度來確定，而與其它尺寸無關(guān)。例如無限長雙錐天線就是一個(gè)典型的例子，由于錐面上只有行波電流存在，故其阻抗特性和方向特性將與頻率無關(guān)，僅僅決定于圓錐的張角。要滿足“角度條件”，天線結(jié)構(gòu)需從中心點(diǎn)開始一直擴(kuò)展到無限遠(yuǎn)。2.終端效應(yīng)弱實(shí)際天線的尺寸總是有限的，與無限長天線的區(qū)別就在于它有一個(gè)終端的限制。若天線上電流衰減得快，則決定天線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，對(duì)天線的電性能不會(huì)造成顯著的影響。在這種情況下，有限長天線就具有無限長天線的電性能，這種現(xiàn)象就是終端效應(yīng)弱的表現(xiàn)，反之則為終端效應(yīng)強(qiáng)。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)不可能

4、是無線長，使得實(shí)際有限長天線有一工作頻率范圍，工作頻率的下限是截?cái)帱c(diǎn)處的電流變得可以忽略的頻率，而存在頻率上限是由于饋電端不能再視為一點(diǎn)，通常約為1/8高端截止波長。非頻變天線可以分成兩類，一類天線的形狀僅由角度來確定，可在連續(xù)變化的頻率上得到非頻變特性，如無限長雙錐天線、平面等角螺旋天線以及阿基米德螺旋天線等。另一類天線的尺寸按某一特定的比例因子τ變化，天線在f和τf兩頻率上的性能是相同的，當(dāng)然，在從f到τf的中間頻率上,天線性能是變化的，只要f與τf的頻率間隔不大，在中間頻率上，天線的性能變化也不會(huì)太大，用這種方法構(gòu)造的天線是寬頻帶的。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型例

5、子是對(duì)數(shù)周期天線。非頻變天線主要應(yīng)用于10～10000MHz頻段的諸如電視、定點(diǎn)通信、反射面和透鏡天線的饋源等方面。4.2平面等角螺旋天線4.2.1平面等角螺旋天線的結(jié)構(gòu)和工作原理圖4―2―1為平面等角螺旋天線(PlanarEquiangularSpiralAntenna)示意圖，是V.H.Rumsey提出的一種角度天線，雙臂用金屬片制成，具有對(duì)稱性，每一臂都有兩條邊緣線，均為等角螺旋線。等角螺旋線如圖4―2―2所示，其極坐標(biāo)方程為（4―2―1）式中，r為螺旋線矢徑；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，決定螺旋線張開的快慢。由于螺

6、旋線與矢徑之間的夾角Ψ處處相等，因此這種螺旋線稱為等角螺旋線，Ψ稱為螺旋角，它只與螺旋率有關(guān)，即（4―2―2）圖4―2―1平面等角螺旋天線圖4―2―2等角螺旋線在圖4―2―1所示的等角螺旋天線中，兩個(gè)臂的四條邊緣具有相同的a，若一條邊緣線為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臂的邊緣僅由角度描述，因而滿足非頻變天線對(duì)形狀的要求。如果取δ＝π/2，天線的金屬臂與兩臂之間的空氣縫隙是同一形狀，稱為自

7、補(bǔ)結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩臂的始端饋電時(shí)，可以把兩臂等角螺旋線看成是一對(duì)變形的傳輸線，臂上電流沿線邊傳輸，邊輻射，邊衰減。螺旋線上的每一小段都是一基本輻射片，它們的取向沿螺旋線而變化，總的輻射場就是這些元輻射場的疊加。實(shí)驗(yàn)表明，臂上電流在流過約一個(gè)波長后就迅速衰減到20dB以下，終端效應(yīng)很弱。因此，輻射場主要是由結(jié)構(gòu)中周長約為一個(gè)波長以內(nèi)的部分產(chǎn)生的，這個(gè)部分通常稱為有效輻射區(qū)，傳輸行波電流。換句話說螺旋天線存在“電流截?cái)嘈?yīng)”，超過截?cái)帱c(diǎn)的螺旋線部分對(duì)輻射沒有重大貢獻(xiàn)，在幾何上截去它們將不會(huì)對(duì)保留部分的電性能造成顯著影響，因而，可以用有限尺寸的等角螺旋天線在相應(yīng)的寬頻帶內(nèi)

8、實(shí)現(xiàn)近似的非頻變特性。波長改變后，有效