天線11_非頻變天線.pdf

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1、2013.5.12主要內(nèi)容?非頻變天線的基本概念?平面等角螺旋天線?阿基米德螺旋天線?對數(shù)周期天線非頻變天線非頻變天線的基本概念?現(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)頻信號帶寬較之原始信號帶寬遠(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。故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。?天線帶寬?習(xí)慣上，若天線的相對帶寬達(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

2、非頻變天線(FrequencyIndependentAntenna)。?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。?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：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。早期的無線電系統(tǒng)多采用尺寸非常大的天線，其中有許多是非頻變天線，原因是什么？實(shí)際天線實(shí)

3、現(xiàn)非頻變特性必須滿足的條件?1.角度條件?角度條件是指天線的幾何形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

4、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)不可能是無限長，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，?工作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

5、，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)典型例子是對數(shù)周期天線。非頻變天線主要應(yīng)用于10MHz～10GHz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。平面等角螺旋天線1平面等角螺旋天線?平面等角螺旋天線的結(jié)構(gòu)和工作原理平面等角螺旋天線R?(PlanarEquiangularr2SpiralAntenna)是V.H.Rumsey提出的一種r3r1角度天線，雙臂用金屬片制成，具有對稱性，每一r4臂都有兩條邊緣線，均為等角螺旋線。平面等角螺旋天線結(jié)構(gòu)等角螺旋線y等角螺旋線極坐標(biāo)方程為??r?re0r?

6、r為螺旋線矢徑；??υ為極坐標(biāo)中的旋轉(zhuǎn)角；Ox?r0為υ＝0°時(shí)的起始半徑；?1/a為螺旋率，決定螺旋線張開的快慢。等角螺旋線?由于螺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1??arctana天線結(jié)構(gòu)特征?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r=reaφ，則只要將該邊緣旋轉(zhuǎn)δ10角，就可得該臂的另一邊緣線r=rea(φ-δ)。另一臂相20當(dāng)于該臂旋轉(zhuǎn)180°而構(gòu)成，即r=rea(φ-π)，r=rea(φ-3040π-δ)。?如果取δ＝π/2，天線的金屬臂與兩臂之間的空氣縫隙

7、是同一形狀，稱為自補(bǔ)結(jié)構(gòu)。R?r2r3r1r4工作原理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形狀的要求。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?！半娏鹘?cái)嘈?yīng)”?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。螺旋天線存在“電流截?cái)嘈?yīng)”，超過截?cái)帱c(diǎn)的螺旋

8、線部分對輻射沒有重大貢獻(xiàn)，在幾何上截去它們將不會(huì)對保留部分的電性能造成顯著影響。