第8章 非頻變天線

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1、《天線原理》講義郭景麗鄒艷林第八章非頻變天線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(wèn)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(guò)10倍，有限的頻率資源和各種通信、偵察等領(lǐng)域的寬頻帶系統(tǒng)的發(fā)展均要求天線具有很寬的帶寬。8.1非頻變（FrequencyIndependent）基礎(chǔ)8.1.1概念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(guò)40∶1，在此之前，具有寬頻帶方向性和

2、阻抗特性的天線其帶寬不超過(guò)2∶1。非頻變或叫頻率無(wú)關(guān)天線（FrequencyIndependentAntenna），專(zhuān)用于表示工作頻帶沒(méi)有理論限制的天線。但由于物理可實(shí)現(xiàn)因素的限制，天線電性能在所有頻率上，甚至連近似保持恒定都是不可能的。實(shí)際上，非頻變天線是指在工作頻帶內(nèi)，所有電特性隨頻率的變化都是微小的，而此工作頻帶又是非常寬的。一般來(lái)說(shuō)，倍頻帶寬f/f?10，因此這類(lèi)天maxmin線有時(shí)也稱(chēng)為超寬頻帶天線。8.1.2思想一般來(lái)說(shuō)，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

3、能也將隨之變化。人們從模型測(cè)量技術(shù)中使用的頻率縮比原理得到了啟發(fā)，提出了非頻變天線的概念和設(shè)想。如果天線以任意比例變換后仍等于它原來(lái)的結(jié)構(gòu)，那么它的電性能將與頻率無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)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。8.1.3實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的第一種方法是：天線的結(jié)構(gòu)只由角度決定，而與其它尺寸無(wú)關(guān)，也稱(chēng)為“角度條件”，用這種方法可以得到連續(xù)的縮比天線，如無(wú)限雙錐天線，平面等角螺旋天線等。第二種方法是：如果天線的各種結(jié)構(gòu)尺寸都按一特定的比例因子?變換后仍等于它自己，那么在離散的頻

4、率點(diǎn)f和?f上，天線的電性能將相同。利用這一原理實(shí)現(xiàn)的非頻變天線就稱(chēng)為對(duì)數(shù)周期天線。當(dāng)然，在f~?f的頻率間隔內(nèi)，天線電性能的變化應(yīng)該是不明顯的。從理論上講，上述兩類(lèi)天線的電性能若能真正做到頻率無(wú)關(guān)，則要求天線結(jié)構(gòu)須從中心點(diǎn)開(kāi)始一直擴(kuò)展到無(wú)限遠(yuǎn)。就是說(shuō)，如果將此單元向小的方向延伸，西安電子科技大學(xué)所得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)該收斂到一點(diǎn)；若此單元向大的方向延伸，則將是尺寸無(wú)限增加。當(dāng)然，這是不現(xiàn)實(shí)的，實(shí)際天線尺寸總是有限的，有限的結(jié)構(gòu)不僅是角度的函數(shù)，而且也是長(zhǎng)度的函數(shù)。因此，當(dāng)天線為有限長(zhǎng)時(shí)，是否仍具有結(jié)構(gòu)近似為無(wú)限長(zhǎng)時(shí)的非頻變的電性能呢

5、？這就是能否構(gòu)成實(shí)際的非頻變天線的關(guān)鍵所在。有限長(zhǎng)與無(wú)限長(zhǎng)天線的區(qū)別，就在于前者有一個(gè)終端的限制，通常以術(shù)語(yǔ)“終端效應(yīng)”來(lái)說(shuō)明。當(dāng)天線在饋電端被激勵(lì)后，波離開(kāi)饋電點(diǎn)沿著結(jié)構(gòu)傳輸，在到達(dá)終端之前，電流波必須因有效輻射而有較大的衰減。這樣，即使是把靠近終端的部分截尾，也不會(huì)對(duì)電性能有顯著的影響。其次，饋電端的幾何結(jié)構(gòu)也不可能縮小至無(wú)限小以至于一點(diǎn)，也有個(gè)始端截尾的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)，它主要影響天線高頻端的電性能。如果將滿足“角度條件”的天線或?qū)?shù)周期天線的終端（始端也是一種終端）部分截尾，對(duì)天線電特性沒(méi)有顯著的影響，則在這種情況下，有

6、限尺寸的天線就可以在相當(dāng)寬的頻帶范圍內(nèi)具有非頻變天線的電特性。這種現(xiàn)象就稱(chēng)為“終端效應(yīng)小”，這是構(gòu)成實(shí)際非頻變天線的重要條件。“終端效應(yīng)”的大小與天線結(jié)構(gòu)形式和合理的尺寸設(shè)計(jì)有關(guān)。例如：雙圓錐形天線是一種滿足“角度條件”的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)其為無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，天線的方向性、阻抗特性均與頻率無(wú)關(guān)。然而錐面上的電流隨著與饋電點(diǎn)距離的增加而緩慢的減小，當(dāng)天線為有限長(zhǎng)時(shí)，由于終端不連續(xù)面引起的反射，將使天線輻射特性與天線的電長(zhǎng)度有明顯的依從關(guān)系，因而他就不是非頻變天線。有些天線雖具有有限尺寸的對(duì)數(shù)周期幾何結(jié)構(gòu)，但因“終端效應(yīng)”大而不具備對(duì)數(shù)周期天

7、線的電特性。因此說(shuō)，一個(gè)成功的非頻變天線，除應(yīng)具有滿足“角度條件”或?qū)?shù)周期幾何結(jié)構(gòu)的特征外，還應(yīng)具有截尾后“終端效應(yīng)”小的性質(zhì)。平面或圓錐等角螺線天線，以及各種形式-齒片性、梯齒形和偶極子式的對(duì)數(shù)周期天線都是成功的實(shí)例，并獲得了廣泛的應(yīng)用。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。8.2雙錐天線（BiconicalAntenna）雙錐天線是兩臂為錐體的偶極天線，兩臂由中間向兩端直徑逐漸增大，圓錐的張角保持不變。如果將普通對(duì)稱(chēng)振子天線看成是終端開(kāi)路的傳輸線

8、張開(kāi)而成，則由于兩臂對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的距離與直徑之比是漸變的，因而其沿線各點(diǎn)的特性阻抗也是漸變的。電流波在特性阻抗?jié)u變的線上傳播時(shí)，其反射是不可避免的。如果振子天線的直徑與其相應(yīng)的兩臂間的距離保持為一個(gè)常數(shù)，則可使沿線各點(diǎn)的特性阻抗不變。當(dāng)天線為無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，其輸入阻抗就等于振子的特性阻